Композиционные материалы в машиностроении. Лабораторный практикум. Учебное пособие

Приспособления, инструмент, материалы: испытатель-

ная машина Р50, штангенциркуль, микрометр, материалы для исследования на растяжение, тензорезисторы, ориентированные на растягивающие нагрузки.

Теоретические сведения

Метод состоит в кратковременном испытании образцов из композиционного материала на растяжение с постоянной скоростью деформирования, при котором определяют:

- предел прочности при растяжении - отношение максимальной нагрузки , к начальной площади его поперечного сечения, МПа;

-предел пропорциональности пц - отношение нагрузки, при которой происходит отклонение от линейной зависимости между напряжением и деформацией к площади начального поперечного сечения образца, МПа;

-относительное удлинение при разрушении - отношение приращения длины мерной базы к начальной длине мерной базы

вмомент разрушения, %;

-модуль упругости Е - отношение напряжения к соответствующей относительной деформации при испытании материала в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования, МПа;

-коэффициент Пуассона v - отношение поперечного относительного укорочения к продольному относительному удлинению образца при растяжении в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования.

Подготовка образцов

1. Испытания проводят на разрывных и универсальных испытательных машинах ИР-50, позволяющие провести растяжение образца с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата и измерение нагрузки с погрешностью не более 1 % от измеряемой величины.

41

2. Захваты испытательной машины должны обеспечивать надежное крепление и точное центрирование образца. Для надежного крепления образца при испытании высокопрочных композиционных материалов рекомендуется применять захваты с насечкой на рабочих поверхностях под углом± 45 ° с шагом

1-2 мм на длине 100-105 мм.

3. Для проверки соосности приложения нагрузки необходимо установить и испытать один специальный образец, как минимум, с тремя наклеенными тензорезисторами(рис. 13). Разность показаний тензорезисторов на линейном участке диаграммы растяжения не должна превышать 0,02.

Рис. 13. Схема наклейки тензорезисторов: 1 и 2 - тензорезисторы наклеены параллельно оси образца на одной его стороне; 3 - по оси образца с противоположной стороны

4. Для испытаний однонаправленных композиционных материалов применяют образцы в виде полосы прямоугольного сечения с закрепленными на концах накладками(рис. 14). При определении модулей упругости и коэффициента Пуассона этих материалов могут также использоваться образцы-полоски без накладок (рис. 15).

Рис. 14. Образцы в виде полосы прямоугольного сечения с закрепленными на концах накладками: 1 - накладка; 2 – образец

42

Рис. 15. Образец в виде полоски без накладок

5. Для испытаний композиционных материалов с неоднонаправленной арматурой применяют образцы в виде лопатки, форма и размеры которых приведены на рис. 16.

Рис. 16. Образцы в виде лопатки

6.Отклонение образцов от номинальных размеров по ширине и толщине рабочей зоны не должно превышать 0,05 мм.

7.Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность без вздутий, сколов, неровностей, надрезов, царапин, трещин или других видимых невооруженным глазом дефектов.

8.Накладки для образцов изготовляют из ортогонально армированных стеклопластиков или других материалов, модуль упругости которых в направлениях, перпендикулярных оси образца, не превышает модуль упругости в этих же направлениях материала образца, а относительное удлинение при разрушении накладок не должно быть меньше относительного удлинения испытуемого материала.

9.Количество образцов для определения одной характеристики в заданном направлении композиционного материала -од ной партии должно быть не менее пяти.

43

Задание: провести испытания композиционных материалов на растяжение с постоянной скоростью деформирования и определить: предел прочности при растяжении (напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца); модуль упругости при растяжении (отношение напряжения к соответствующей относительной деформации при растяжении образца в пределах начального линейно-

ния к продольному относительному укорочению образца при растяжении в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования).

Порядок выполнения работы

1.Перед испытанием измеряют толщину и ширину рабочей части образца в трех местах: по краям и в середине. Среднее значение толщины и ширины образца записывают в протокол испытаний и по ним, с точностью до трех значащих цифр, определяют площадь поперечного сечения образца.

2.Образец в захватах испытательной машины устанавливают так, чтобы его продольная ось совпала с прямой, соединяющей точки крепления захватов в испытательной машине.

3.Задают скорость перемещения активного захвата машины (рекомендуемая скорость перемещения подвижного захвата

5-20 мм/мин).

4.Для определения предела прочности при растяжении, относительного удлинения при разрушении предела пропорциональности образец равномерно нагружают с заданной скоростью вплоть до его разрушения.

5.Для определения модуля упругости и коэффициента Пуассона образец равномерно с заданной скоростью нагружают в пределах начального линейного участка диаграммы деформиро-

вания. ∆ 6. Для определения модуля упругости образец нагружают и

записывают изменение продольной деформации образца или

44

∆ в зависимости от нагрузки. Образец устанавливают на испытательной машине и укрепляют на его рабочей части измерители деформаций (тензодатчики наклеивают за 16-24 ч до испытаний). Подсоединяют к измерителям деформаций регистрирующую аппаратуру и нагружают образец силой, составляющей 10-20 % кратковременной статической прочности испытуемого материала. Затем уменьшают нагрузку до 2-5 % и принимают это состояние за исходное. Образец подвергают при заданной скорости трехкратному нагружению-разгружению до требуемого уровня (15-40 % Fmax) и

при каждом нагружении считывают показания деформаций при двух нагрузках - начальной, равной 2–5 % от величины разрушающей нагрузки, и максимальной Fmax. По результатам измерений деформации для каждого нагружения определяют модуль упругости.

устанавливают на испытательной машине и укрепляют на его рабочей части измерители деформаций. Подсоединяют к измерителям деформаций регистрирующую аппаратуру и нагружают образец силой, составляющей 10-20 % статического предела прочности материала. Затем уменьшают нагрузку до2-5 % и принимают это состояние за исходное. Образец подвергают трехкратному непрерывному нагружению-разгружению при заданной скорости до требуемого уровня (15-40 % ,) и при каждом нагружении считывают показания продольных и поперечных относительныхде формаций для двух уровнейначального и конечного. При ступенчатом нагружении показания относительных деформаций считывают не менее чем при четырех ступенях, величина каждой из которых составляет 5-10 % от разрушающего усилия. По результа-

шении и предела пропорциональности образец нагружают и -за писывают изменение продольной деформации в зависимости от нагрузки. Для записи диаграммы деформирования используются автоматические схемы записи нагрузка-деформация, а при ее от-

45

сутствии для одновременного отсчета показаний нагрузкии деформаций применяют счетчик времени (прерыватель записи).

По отмеченным показаниям нагрузки рассчитывают напряжения и соответствующие этим напряжениям относительные деформации

не проходит через начало координат, то его начало следует перенести в точку пересечения кривой с осью абсцисс.

9. Для определения предела прочности при растяжении образец нагружают и записывают наибольшую нагрузку , которую выдержал образец.

сти, Н.

46

6.Статистическую обработку результатов испытания проводят, определяя среднеквадратичное отклонение S и коэффициент вариации V, характеризующий долю усредненного значения отклонения от средней величины.

7.Заполняют табл. 9, 10, 11.

47

Содержание отчета

1.Заполнить табл. 9, 10, 11 результатами измерений.

2.По данным таб. 9, 10, 11 рассчитать значения разрушающих напряжений, продольного модуля упругости и коэффициен-

та Пуансона.

–3. Построить для каждого образца диаграммы деформирова-.ния

4.Сделать выводы о зависимости продольного модуля упругости от геометрических характеристик образца.

5.Зарисовать исследуемый образец.

Контрольные вопросы

1.Какие требования к образцам являются ключевыми при испытаниях на растяжение?

2.Какие методы определения деформаций применяются при испытаниях на растяжение?

3.Как рассчитываются основные критерии, определяемые при испытаниях на растяжение?

4.Как рассчитывается коэффициент вариации для усредненного значения отклонения от средней величины?

5.Как рассчитывается среднее квадратичное отклонение?

6.По каким критериям осуществляется статистическая обработка результатов испытаний?

48

Таблица 9

Результаты испытаний при определении разрушающего напряжения

49

Таблица 10

Результаты испытаний при определении модуля упругости

50