Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физикохимия неорганических композиционных материалов. Учебное пособие.pdf
hb
Р
P
р
⋅⋅=2
σ
.
ε
⋅⋅
⋅
=
b
DР
Е
вн
2
b
DР
внP
р
⋅
⋅
=
2
σ
Размеры образцов чаще всего выбирают из конструкционных
соображений. Для испытания стеклопластиков американский стандарт
рекомендует образцы с внутренним диаметром 146,05±0,05 мм,
толщиной 1,52±0,05 мм или 3,18±0,05 мм и шириной 6,35±0,13 мм. С
увеличением отклонения угла намотки от плоскости кольца ширина
образцов должна возрастать. Свойства, рассчитанные по этим
формулам истинными характеристиками композиционного материала
при растяжении считаться не могут, поскольку вблизи мест разъема
полудисков в результате изменения кривизны кольца имеют место
деформации растяжения и изгиба. При этом чем больше h/D и чем
сильнее выражена анизотропия композиционного материала, тем
сильнее сказывается влияние изгиба. Поэтому такие испытания
следует проводить лишь как сравнительные. Описанного недостатка
нет при погружении NOL–образцов с помощью резинового кольца
(рис. 5.11б) или жидкости (рис. 5.11в). В приспособлении для
испытания на растяжения с помощью резинового кольца давление на
внутреннюю поверхность образца (2) создается за счет сжатия
резинового кольца (4) между нажимными кольцами (3) (Рис. 5.12).
Модуль упругости и прочность при растяжении определяют по
формулам:
,
где Р – давление резины на внутреннюю поверхность кольца; D
–
вн
внутренний диаметр кольца; h – ширина кольца; ε – относительная
деформация, измеряемая на нагружной поверхности кольца; P
p
–
давление при разрушении образца.
Те же зависимости используют и при испытаниях образцов
гидравлическим способом, который дает наиболее достоверные
результаты, но требует применения сложного оборудования.
101
Рис. 5.12. Схема испытаний с помощью резинового кольца:
1 – нагружной диск; 2 – образец; 3 – нажимное кольцо; 4 – резиновое
кольцо; 5 – внутреннее кольцо; 6 – дистанционная прокладка
Сжатие кольцевых образцов осуществляют такими же
способами, как и растяжение, с помощью полудисков, резинового
кольца и жидкости (рис. 5.13). Кроме того, используют сжатие с
помощью упругой стальной ленты, которую обматывают вокруг
кольца. В месте пересечения в ленте делают прорезь, которая
позволяет замкнуть поверхность разрушения.
Рис. 5.13. Схемы испытаний кольцевых образцов на сжатие:
а ‒ жесткий полудиск; б ‒ резиновое кольцо; в ‒ жидкость;
г ‒ стальная лента
Обычно в это место помещают прокладку, предупреждающую
изгиб кольца. Прочность в этом случае рассчитывается по формуле
102
hb
Р
P
сж
⋅
=
σ
,
F
Р
P
мс
=
τ
F
Р
P
мс
2
=
τ
– разрушающее усиление, приложенное к концам ленты.
где Р
р
Отличительная особенность испытания кольцевых образцов на
сжатие – возможность разрушения образцов по различным
механизмам в зависимости от отношения h/D. При очень малых h/D
образец разрушается из-за потери устойчивости, в очень толстых
образцах, кроме окружных сжимающих напряжений, существенное
влияние на механические свойства оказывают радиальные и сдвиговые
напряжения. Поэтому правильный выбор размеров образца имеет
важное значение в определении характеристик композиционного
материала при сжатии. Для композиционного материала
рекомендуется использовать образцы с отношением h/D
Кольцевые образцы с надрезами применяют для испытаний на
межслойный сдвиг (рис. 5.13). Ширина надреза приблизительно 5 мм,
глубина – чуть больше h/2. По схеме, представленной на рис. 5.13а,
прочность при межслойном сдвиге рассчитывается по формуле
,
где F – площадь сдвига, а по схеме, представленной на рис. 5.13б, –
по формуле
≈
0,05.
.
Рис.5.13. Испытание кольцевых образцов на сдвиг
103
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Справочник по композиционным материалам: в 2-х кн. Кн.
1/Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта;
Под ред. Б.Э. Геллера. —M.: Машиностроение, 1988. — 448 с: ил.
2. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые
методом пропитки. М.: Металлургия.- 1986. 208 с.
3.Металлополимерные нанокомпозиты (получение, свойства,
применение) В.М.Бузник, В.М.Фомин, А.П.Алхимов и др. –
Новосибирск: Изд-во СО РАН, 205.- 250 с.
104
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
ДЛЯ ПРОВЕРКИ ОСТАТОЧНЫХ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ
Выберите один правильный ответ на каждый вопрос
1.1. Какое из ниже перечисленных веществ не является
композиционным материалом?
А) зубная паста;
Б) древесно-стружечная плита;
В) стеклопластик.
1.2. Какой из композиционных материалов относится к
полиармированным?
А) со стекловолокнами и углеродными волокнами;
Б) с углеродным волокном и порошковым графитом;
В) с алюминиевой проволокой и алюминиевой фольгой.
1.3. Какой из композиционных материалов относится к
комбинированным?
А) с алюминиевой проволокой и алюминиевой фольгой;
Б) со стекловолокнами и углеродными волокнами;
В) с эпоксидная смола и древесная мука.
1.4. Что можно рассчитать по правилу смеси или аддитивности?
А) работу разрушения композиционного материала;
Б) прочность композиционного материала;
В) вязкость композиционного материала.
1.5. Какой из видов испытаний присущ только композиционным
материалам?
А) межслойный сдвиг;
Б) растяжение;
В) изгиб.
105
1.6. Что нельзя определить при испытании КМ по схеме чистого
изгиба?
А) модули Юнга на растяжение и сжатие;
Б) прочность КМ на изгиб;
В) прочность КМ на сдвиг.
1.7. При испытании КМ на сжатие у образцов какой формы получатся
самые высокие значения предела прочности?
А) куб;
Б) параллелепипед;
В) двусторонняя лопатка;
Г) полоска.
1.8. С какой геометрией армирующие компоненты могут находиться в
дисперсно-упрочненных композиционных материалах?
А) нульмерные;
Б) одномерные;
В) двумерные.
Выберите на каждый вопрос несколько правильных
ответов
2.1. Какие композиционные материалы имеют нульмерный
армирующий компонент?
А) углепластик;
Б) эпоксидная смола и кварцевый песок;
В) керамика;
Г) жидкое стекло с алюминиевой проволокой.
2.2. С какой геометрией армирующие компоненты могут находиться в
волокнистых композиционных материалах?
А) нульмерные;
Б) одномерные;
В) двумерные.
106
2.3. Какие признаки характеризуют композиционный материал?
ασσ
2
0
cos=
ММВВ
VV
/
σσσ
+=
∗
ασσ
2
sin
∗
=
M
( )
αατσ
cossin ⋅=
M
А) материал создан человеком и не встречается в природе;
Б) однородность в макромасштабе и неоднородность в
микромасштабе;
В) материал обладает свойствами, которых нет у входящих в его
состав компонентов;
Г) высокая пластичность.
2.4. По каким формулам можно рассчитать прочность
композиционного материала при приложении нагрузки под разными
углами к волокну?
А)
;
Б)
В)
Г)
;
;
.
2.5. С помощью каких схем нагружения определяют прочность
кольцевых образцов на растяжение?
А) резинового кольца;
Б) с помощью жидкости;
В) жестких полудисков;
Г) растяжения упругой стальной ленты.
2.6. Какие виды работы разрушения присущи композиционным
материалам?
А) работа аэродинамического сопротивления;
Б) работа пластической деформации матрицы;
В) работа разрыва связей;
Г) работа вытягивания волокон.
107
2.7. За характеристику трещиностойкости композиционного материала
могут быть приняты:
А) критическая длина волокна;
Б) коэффициент интенсивности напряжений;
В) удельная работа разрушения КМ, отнесенной к единице площади
вновь образованной трещины;
Г) объемная доля матрицы.
Добавьте слово в готовый ответ
3.1. _____________ длина волокна – это минимальная длина короткого
волокна, которая необходима для достижения напряжения, равного
напряжению в волокне бесконечной длины.
3.2. Минимальная объёмная доля волокна соответствует наименьшему
содержанию армирующего компонента в композиционном материале,
когда он ещё подчиняется правилу _____________.
3.3. ___________ объемная доля волокна соответствует тому
содержанию армирующего компонента в композиционном материале,
когда прочность композиционного материала равна прочности
матрицы.
3.4. Работа вытягивания волокон композиционного материала будет
равна нулю, если концы всех волокон, находящихся в плоскости
разрушения композиционного материала имеют длину __________
критической длины волокна.
3.5. В ___________ теории прочности учитывается неодновременность
разрушения волокон.
3.6. Гриффитс применил _____________ подход к описанию
распространения трещин в композиционном материале.
3.7. Ирвин применил _____________ подход к описанию
распространения трещин в композиционном материале.
108
3.8. ___________ схема изгиба композиционных материалов легче
ММВВ
VV
/
σσσ
+=
∗
ММВВ
VV∗+=
σσσ
/
всего осуществима на практике, но требует наибольшего количества
опытов и расчетов.
3.9. Кольцевые образцы для испытаний композиционных материалов
изготавливают методом ___________.
3.10. Если при сжатии композиционного материала он разрушился за
счет растяжения в направлении перпендикулярном приложению
нагрузки, то произошло _____________ выпучивание волокон.
3.11. Если при сжатии композиционного материала он разрушился за
счет сдвиговых напряжений, то произошло _____________
выпучивание волокон.
3.12. В волокнистых (слоистых) композиционных материалах
прочность определяется прочностью _____________.
3.13. В дисперсно-упрочненных композиционных материалах
прочность определяется прочностью _____________.
Укажите соответствие
4.1. Правило смеси
1) предел прочности волокна А) V
2) прочность матрицы в момент разрушения волокна Б) σ
3) объёмная доля волокна В) V
4) объёмная доля матрицы Г) σ
;
B
*
;
В
;
M
'
.
М
4.2.
1) КМ: хрупкая матрица – пластичное волокно А)
2) КМ: пластичная матрица – хрупкое волокно Б)
109
4.3. Укажите формулы, используемые при расчете прочности
ασσ
2
0
cos=
ασσ
2
sin
∗
=
M
( )
αατσ
cossin ⋅=
M
0:22:22
композиционных материалов, когда нагрузка прикладывается под
разными углами к волокну
1)
А) α ~ 0o;
2)
3)
Б) α ~ 45o;
В) α ≈ 80о-90о.
4.4. Установите соответствие между названием и обозначением
компонентов.
1) нульмерный компонент А) 2;
2) двумерный компонент Б) 0
;
*
3) одномерный компонент В) 1.
4.5.
1) в волокнистом КМ волокна уложены вдоль оси х А) 1 : 0 : 0;
2) в волокнистом КМ волокна уложены вдоль оси у Б)
3) в волокнистом КМ волокна уложены под углом 45о к оси х В) 0 : 1 : 0.
4.6. оцените жаростойкость:
1) дисперсно-упрочненный композиционный материал А) 0.4Т
2) легированный сплав Б) 0,9Т
3) обычный сплав В) 0,6Т
;
пл
;
пл
.
пл
4.7.
1) инсектицидная добавка А) отверждает связующее;
2) антипирен Б) уничтожает плесень;
3) разбавитель В) делает материал негорючим;
4) отвердитель Г) уменьшает вязкость связующего.
110