Композиционные материалы в машиностроении. Лабораторный практикум. Учебное пособие

Таблица 11

Результаты испытаний при определении коэффициента Пуассона

51

Лабораторная работа № 7.

ИСПЫТАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИЗГИБ ПРИ НОРМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Цель работы: определить прочностные характеристики композиционных материалов при испытаниях на изгиб с заданной постоянной скоростью роста нагрузки при нормальной температуре.

Приспособления, инструмент, материалы: универсаль-

ная испытательная машина, обеспечивающая нагружение на изгиб с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата, измерение нагрузки с возможностью регулирования скорости нагружения образца.

Теоретические сведения

Испытания на изгиб являются эффективным способом экспериментального определения модулей упругости и сдвига для композиционных материалов. Возникающее при этом на- пряженно-деформированное состояние является неоднородным, регистрируемые показатели интегрально содержат информацию о растяжении, сжатии и межслойном сдвиге. Испытание на изгиб измеряет силу, необходимую для сгибания луча в трехточечных условиях нагрузки. Модуль упругости при изгибе(отношение напряжения к деформации) используется в качестве индикатора жесткости материала. Прочность на изгиб является мерой, показывающей, насколько хорошо материал сопротивляется изгибу. При этом максимальные осевые условия возникают либо на линии по центру образца, либо на площади между нагружающими валиками. Максимальный радиус нагружающего валика не должен превышать ширину образца более, чем в четыре раза.

Испытательная машина снабжается траверсой, по которой перемещаются две опоры и наконечник, создающий нагрузку

52

для испытания на поперечный изгиб(рис. 17). При испытании на чистый изгиб машина обеспечивается двумя траверсами, на каждой из которых могут перемещаться по две опоры(рис. 18). Опоры закрепляются неподвижно и позволяют точно центрировать образец. Допустимое отклонение от параллельности -по верхностей опор и пуансона в горизонтальной плоскости должно составлять не более0,005 мм по всей длине. Для измерения прогиба применяются датчики перемещения, обеспечивающие измерение деформации с точностью ± 1 %. Соотношение пролета между опорами к толщине образца выбирается из расчета, чтобы разрушение происходило на внешней поверхности образца. Для образцов из композитов необходимо учитывать время кондиционирования - время от окончания изготовления образцов до испытания должно составлять не менее 16 ч.

Для определения максимальных напряжений при изгибе, модуля упругости и определении зависимости прогиба при нагружении образца вплоть до разрушения используют образец в виде полосы прямоугольного сечения. Испытания на изгиб проводятся при нормальной (20 °С), повышенной (до +180 °С) и пониженной (до -60 °С) температурах.

Рис. 17. Схема испытания на поперечный изгиб

53

Рис. 18. Схема испытания на чистый изгиб

Подготовка образцов

Форма и размеры образцов указаны на рис. 19. Образцы формируют или вырезают из плит в направлении главных осей ортотропии материала. Для композитных слоистых пластиков, имеющих сравнительно низкий предел прочности на сдвиг и сравнительно высокий предел прочности на разрыв, необходимо устанавливать соотношение пролета между опорами испытательной машины к толщине образца как 16:1.

Рис. 19. Образец в виде полосы прямоугольного сечения

Образцы= должны иметь гладкую ровную поверхность не грубее 20 мкм без сколов, трещин, расслоений и других дефектов, заметных невооруженным глазом. Образец устанавливается на опоре и нагрузка наносится на центр с помощью носа загрузки, создающего трехточечный изгиб с определенной

54

скоростью. Параметры нагружения - диапазон поддержки, скорость загрузки и максимальное отклонение, основаны на толщине образца. Наиболее часто используемый размер образца для ISO - 10 × 4 × 80 мм.

Образцы могут быть армированы непрерывными высокомодульными углеродными, борными, органическими и другими волокнами, структура которых симметрична относительно их срединной плоскости.

Задание: провести испытания плоских образцов из композиционных материалов прямоугольного сечения, свободно лежащих на двух опорах, с постоянной скоростью нагружения до момента их разрушения; определить модуль упругости при изгибе и предел прочности.

Порядок выполнения работы

1.Перед испытанием проводят нумерацию образцов краской или мягким карандашом. Измеряют толщину образца с погрешностью до 0,05 мм и ширину до0,10 мм в трех местах его рабочей части. Определяют среднее арифметическое значение толщины и ширины образца, результаты записывают в протокол испытаний.

2.Испытания при нормальной температуре проводят в помещении или закрытом объеме при температуре и относительной влажности окружающего воздуха или другой среды, указанных в технических условиях на испытуемый материал.

3.Перед испытанием на поперечный изгиб на испытательной машине устанавливают наконечник с траверсой и опорами. На опоры кладут специально изготовленную стальную балку и регулируют опоры и наконечник по ней так, чтобы допускаемое отклонение от параллельности поверхностей. Перед испытанием на чистый изгиб на испытательной машине устанавливают траверсы с опорами и добиваются необходимой параллельности опорных поверхностей.

4.При определении модуля упругости, предела прочности

иустановлении зависимости прогиба от нагрузки в случае -ис

55

6.Расстояние между опорами измеряют с погрешностью не более 0,2 мм. Устанавливают и закрепляют приборы для измерения прогиба в середине пролета.

7.Устанавливают образец широкой стороной на опоры и приводят в соприкосновение с его верхней поверхностьюна гружающий наконечник. Определяют прилегание образца к опорам поверхности наконечника.

8.Устанавливают скорость перемещения нагружающего

наконечника согласно данным÷ технических условий на материал. При отсутствии этих данных скорость перемещения наконечника принимают равной 5 20 мм/мин.

9.При определении модуля упругости нагружают образец

сзаданной постоянной скоростью и записывают значения прогибов. При отклонении диаграммы от линейной испытания прекращают и образец разгружают.

10.При установлении зависимости прогиба от нагрузки образец нагружают с заданной постоянной скоростью, непрерывно записывая прогиб и нагрузку вплоть до разрушения -об разца. Устанавливают заданную скорость перемещения нагружающего наконечника и проводят пробное нагружение образца

до 10 - 20 % от , для проверки правильности выбора на аппаратуре диапазона измеряемых величин.

11.При определении предела прочности записывают максимальную нагрузку, предшествующую разрушению образца.

12.При определении модуля упругости нагружение -об разца может осуществляться ступенчато или непрерывно до нагрузок, не превышающих 50 % разрушающих. При непрерывном нагружении используют автоматическую запись прогиба и нагрузки. В случае ступенчатого нагружения измерение прогиба осуществляется при каждом значении нагрузки. Число ступеней должно быть не менее четырех. Рекомендуемое значение их ве-

56

личин составляет 5 - 10 % максимальной нагрузки, предшествующей разрушению образца.

где - максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца, МН.

5. Статистическую обработку результатов испытаний проводят, определяя среднеарифметическое по трем значащим цифрам, стандартное отклонение и коэффициент вариации. Не рекомендуется принимать в расчет отдельные значения определяемых показателей, не укладывающихся в границах довери-

57

тельного интервала при величине доверительной вероятности 0,95. При окончательном подсчете число образцов должно быть не менее 5.

Содержание отчета

1.Заполнить табл. 12, 13 с результатами испытаний.

2.По данным табл. 12, 13 рассчитать значения продольного модуля упругости, предел прочности при поперечном изгибе.

3.Оформить протокол испытаний, который должен содер-

жать:

- наименование материала, схему укладки волокон; - способ кондиционирования, температуру и влажность ис-

пытательной среды; способ измерений прогиба и нагрузки(класс точности дат-

чика силы и деформации); - скорость приложения нагрузки к образцу;

- значения показателей напряжения при 5 % деформации; - диаграммы деформирования образцов; - фотографии зон разрушения образцов.

4.Сделать сравнительный анализ разрушающих о напряжений при растяжении, сжатии и изгибе для КМ заключения выводы по результатам лабораторной работы.

5.Сделать заключения об условиях влияния изгибающих моментов.

6.Сделать выводы по результатам работы.

58

Таблица 12

Результаты испытаний на изгиб при определении модуля упругости

59

Таблица 13

Результаты испытаний при определении предела прочности при изгибе

60