Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физикохимия неорганических композиционных материалов. Учебное пособие.pdf
5.1. Испытание на растяжение
Испытание материалов на одноосное растяжение –
традиционно самый распространенный вид механических испытаний.
При растяжении композиционных материалов по осям волокон можно
определить модули упругости, пределы прочности и коэффициенты
Пуассона в этих направлениях.
Особенность испытаний армированных материалов на
растяжение заключается в том, что у них более резко, чем у обычных
материалов, выражены концевые эффекты, связанные с
неравномерностью распределения напряжения по длине образца.
Чтобы избежать влияния мест захвата на результаты испытаний и
обеспечить однородное напряженное состояние на измеряемой базе,
приходиться существенно увеличивать длину рабочей части образцов.
Для испытаний армированных композиционных материалов
форма образцов предусмотрена стандартами. Для армированных
металлов методика испытаний не разработана. Однако, поскольку в
них анизотропия свойств обычно выражена меньше, чем в
композиционных материалах на полимерном связующем, размеры и
форму образцов, применяемые для испытаний пластмасс, можно
использовать и для испытаний армированных металлов. Испытания на
одноосное растяжение проводят на плоских и трубчатых образцах.
Плоские образцы по форме можно разделить на полоски и
двусторонние лопатки.
Полоски (рис. 5.1) обычно используют в испытании вдоль
направления армирования. Они наиболее просты по форме и
обеспечивают стабильность измерений.
Недостатки образцов–полосок: трудно надежно закрепить
полоску в захватах испытательной машины; при небольшой ширине и
длине образца нелегко предотвратить проскальзывание или
раздавливание его в захватах. Чтобы частично устранить эти
недостатки, к полоске приклеивают или приваривают накладки из
материала с большей пластичностью и меньшей жесткостью, чем
испытываемый материал (накладки – стеклотекстолит, древесный
шпон). Толщину накладок рекомендуют делать в 1-3 раза больше
толщины испытываемого материала, их длину и ширину следует
выбирать достаточными для того, чтобы воспринимаемое или
разрывное усилие было больше разрывного усилия рабочей части
образца.
81
Рис. 5.1. Полоски для испытаний на растяжение
Двусторонние лопатки (рис. 5.2) уменьшают вероятность
разрушения в местах крепления и гарантируют разрушение в рабочей
части. Их целесообразно использовать при испытаниях на растяжение
перпендикулярно к слоям арматуры. Особое внимание нужно
обращать на точность установки образцов в захватах, чтобы устранить
влияние изгиба образцов на измеряемые прочность и жесткость
композиционного материала. Для этого в головках образцов по оси их
сверлят отверстия, в которые вставляют затем фиксирующие пальцы.
Одновременно пальцы предотвращают проскальзывание в захватах
при креплении в них образца. Отверстия должны находиться на
достаточно большом расстоянии от концов головок, чтобы исключить
разрушение последних от сдвиговых напряжений.
Специфика поведения композиционных материалов при
растяжении отчетливо проявляется при нагружении образцов не
равном 0 °С или 90 °С. В этом случае под действием растягивающих
напряжений образец испытывает не только линейные, но и сдвиговые
деформации. При этом могут исказиться результаты. Если укладка
волокон симметрична относительно оси растяжения, то при
деформировании без стеснения продольной деформации образец
сохраняет прямоугольную форму. У образцов с несимметричной
укладкой волокон даже при растяжении без стеснения концов
прямоугольная форма трансформируется в параллелограмм, а при
наличии стеснения еще и искривляется ось образца. Если
композиционный материал слоистой структуры армирован в двух или
более направлениях, то при его растяжении под углом к осям
82
армирования вследствие взаимодействия соседних слоев будет
наблюдаться стеснения деформации у краев образца. Чтобы
уменьшить влияние краевых эффектов, нужно увеличить ширину
образца. Экспериментально установлено, что эффективный модуль
Юнга в таких многослойных образцах растет с увеличением ширины
образца, асимптотически приближаясь к модулю Юнга одного слоя.
Рис. 5.2. Двусторонние лопатки для испытаний на растяжение
При испытаниях широких образцов композиционных
материалов с высокомодульными волокнами трудно обеспечить
однородность напряженного состояния по всей ширине образца.
Поэтому вместо плоских образцов используют трубчатые (рис. 5.3),
которые можно рассматривать как образцы бесконечной длины.
Результаты, полученные при осевом растяжении плоских и
трубчатых образцов, часто не совпадает. Причина этого – различие в
технологии изготовления (плоские образцы получают прессованием,
трубчатые - намоткой) и не тождественность схем напряженного
состояния. В трубчатых образцах есть концентрация напряжений
вблизи захватов, которая не поддается расчету. По результатам
эксперимента модуль упругости Е рассчитывают по формуле
83
dF
Р
Е ⋅
∆
=
,
F
Р
Р
к
=
σ
где ∆Р – приращение нагрузки в пределах упругой деформации; F –
площадь поперечного сечения рабочей части образца; l – длина
рабочей части образца (база тензометра, на которой измеряется
деформация); ∆l – деформация образца.
Рис. 5.3. Трубчатые образцы для испытаний на растяжение
l – длина образца (l=(175-215)+2l
l
– длина захвата (l1≥90 мм)
1
l
– зона краевого эффекта (l2≥50 мм)
2
l
– зона перехода (зависит от толщины h стенки)
3
l
– зона рабочей части (l4=60 мм.)
4
)
1
Для определения предела прочности используют формулу
,
где Р
– разрушающее усилие; F – площадь поперечного сечения.
р
Коэффициенты Пуассона ν находят по формуле:
84
пр
поп
пр
пр
поп
поп
l
l
l
l
ε
ε
ν
=⋅
∆
=
,
l
l
F
Р
Е
∆
⋅
∆
=
F
Р
р
сж
в
=
σ
где Δl
Δl
пр
Относительные деформации ε
– абсолютная поперечная деформация образца на базе lп;
поп
– абсолютная продольная деформация образца на базе lп.
, ε
можно измерить непосредственно
поп
пр
тензодатчиками.
5.2. Испытание на сжатие
Прочность и жесткость анизотропных армированных
композиционных материалов при сжатии определяют по тем же
формулам, что и при растяжении.
Модуль упругости определяют по формуле
,
где ΔР – приращение нагрузки упругой деформации; F – площадь
поперечного сечения рабочей части образца; l – длина рабочей части
образца; Δl – деформация образца на базе l при изменении нагрузки на
ΔР. Для определения предела прочности σ
используют соотношение
в
,
где P
– разрушающее усиление.
p
Однако простота и аналогия с растяжением здесь только
кажущаяся. Механизмы разрушения композиционного материала при
растяжении и сжатии отличаются друг от друга. Одна из основных
причин разрушения армированных материалов под действием
сжимающих нагрузок – это потеря устойчивости волокнами. Она
может произойти либо из-за слабого сопротивления композиционного
материала сдвиговым напряжениям, либо из-за выпучивания слоев
арматуры, расположенных вблизи боковых поверхностей образца. В
этом случае на диаграммах Р–Δl наблюдаются характерные переломы
и использование таких диаграмм для определения показателей
85
жесткости и прочности может оказаться неправильным. Значительно
1511
min
÷=
⋅=FJ
l
λ
3≥
b
l
исказить результаты может неточная установка образцов,
неправильный выбор их размеров и формы, приводящие к
неоднородному напряженному состоянию в рабочей части образца.
Подход к определению прочности и упругих констант при сжатии
должен быть дифференцированным. Определяя модули упругости,
используют длинные образцы, имеющие однородное поле напряжений
в рабочей части. Для изучения прочности можно применять более
короткие образцы, хотя и в этом случае размеры их могут влиять на
величину показателей прочности. У образцов в форме куба со
стороной 12 мм прочность при сжатии оказывается в 1,5 раза ниже,
чем у образцов в виде тонких пластин 78×18×2 и почти в 2 раза ниже,
чем у образцов – лопаток таких же размеров (рис. 5.4). Объясняется
это тем, что в коротких образцах деформации по длине рабочей части
неравномерны, поперечная деформация образцов стеснена трением в
опорных поверхностях. В длинных образцах стеснение деформации в
опорах значительно меньше влияет на поведение материала в рабочей
зоне. При испытаниях на сжатие применяют параллелепипеды,
двусторонние лопатки и образцы с круглым поперечным сечением.
Образцы параллелепипеды следует применять, измеряя в
условиях сравнительно небольших нагрузок упругие постоянные
материалов, нагружаемых вдоль главных осей. Ширину выбирают в
пределах 13÷30 мм, длину l рассчитывают так, чтобы гибкость образца
находилась в интервале
, где J
min
–
минимальный момент инерции. Чтобы предотвратить смятие концов
образца, на них наклеивают накладки, материал которых выбирают
так же, как и при испытаниях на растяжение.
Образцы параллелепипеды используют и для определения
характеристик при сжатии образцов с ориентацией волокон под углом
45° к снимающей нагрузке. В этом случае, чтобы устранить влияние
концевых эффектов, нужно выдержать соотношение
.
Двусторонние лопатки имеют четко выраженную рабочую
часть, их используют, измеряя жесткость и прочность
композиционного материала с различной ориентацией арматуры. При
испытаниях тонких образцов для предотвращения их выпучивания
применяют специальные приспособления, поддерживающие широкие
86
поверхности образца призматическими выступами или мягкими
наполнителями, не стесняя деформации в другом поперечном
направлении. Чтобы исключить смятия торцов, на концы образца
иногда наклеивают тонкие металлические накладки или наконечники.
Рис. 5.4.Прочность при сжатии образцов разной формы
(заштрихован разброс)
Наконечники из металла или других материалов используют и
при испытаниях образцов с круглым поперечным сечением, которые
обеспечивают меньший разброс значений прочности и жесткости.
Такие образцы применяют обычно, испытывая армированные металлы
и легко обрабатываемые полимерные композиционные материалы.
При испытаниях на сжатие очень важно обеспечить
параллельность торцов tg
металлических композиционных материалов твердость волокон
значительно больше твердости матрицы. И из-за этого не удается
получить гладкие опорные поверхности образца – концы волокон
выступают над поверхностью матрицы. Чтобы обеспечить полный
контакт между торцами образца и пуансоном испытательной
установки, рекомендуется изготавливать пуансоны из мягкой стали.
Прочность некоторых композиционных материалов при
сжатии ниже, чем при растяжении, так как при сжатии тонкие волокна
не успевают полностью реализовать свою высокую прочность из-за
α ≤
0.001. Как правило, у полимерных и
87
потери устойчивости. Но если диаметр волокон большой (100 мкм и
больше) и они имеют высокую жесткость, прочность
композиционного материала при сжатии может оказаться выше, чем
при растяжении.
5.3. Испытание на сдвиг
Композиционные материалы на полимерной и металлической
основах обычно состоят из сравнительно малопрочной,
низкомодульной матрицы и высокопрочных, высокомодульных
волокон. Для такого типа материалов характерно слабое
сопротивление сдвиговым напряжением. В первую очередь это
относится к армированным пластикам.
В композиционным материалам с ориентированной структурой
различают два вида сдвиговых деформаций: сдвиг в плоскости
укладки арматуры, происходящих под действием касательных
напряжений τ
сдвиг обусловлен действием касательных напряжений τ
или τ
ху
На рис. 5.5а показан образец где межслойный
ух
. На рис. 5.5б
zх
показан образец где межслойный сдвиг обусловлен действием
касательных напряжений τ
. Основное влияние на величины модулей
уz
сдвига и сдвиговой прочности оказывает матрица. Характеристики
сдвига обязательно должны входить в число свойств, определяемых
при паспортизации новых композиционных материалов.
Рис. 5.5. Образцы композиционных материалов для испытания
на сдвиг
5.3.1.Сдвиг в плоскости листа. При испытаниях на этот вид
сдвига определяют модуль сдвига g
и сдвиговую прочность τху. Один
ху
из наиболее распространенных методов определения их – метод
перекашивая пластин в шарнирном четырехзвеннике (рис. 5.6).
Пластину-образец закрепляют с 4-х сторон в шарнирном
88
четырехзвеннике, который растягивается силой P вдоль одной из
21
211
1
2
εε
εε
+
−+
⋅
⋅⋅=ha
P
g
xy
2⋅⋅
ha
P
P
τ
диагоналей пластины. Модуль сдвига G
определяют по формуле:
ху
,
где Р
(а=100мм); h – толщина пластины; ε
– растягивающая нагрузка; a – сторона рабочей части пластины
1
и ε2 – относительные деформации
1
пластины вдоль диагоналей растяжения и сжатия соответственно.
Сдвиговую прочность τ
в плоскости листа рассчитывают из
ху
соотношения:
pр
xy
==
F
.
У рассмотренных конструкций есть существенный недостаток.
В углах рабочей части возникает концентрация напряжений, а у мест
крепления возможно выпучивание образцов. При испытаниях сильно
анизотропных материалов это приводит к погрешностям.
Для таких материалов изготавливать образцы лучше в виде
пластин с пропилами, а испытания проводят в модифицированных
четырехзвенниках (рис. 5.7).
Рис. 5.6. Образец для испытаний композиционных материалов
на сдвиг в плоскости листа
89
Рис. 5.7. Модифицированный четырехзвенник
Существуют еще и другие способы определения упругих
характеристик в плоскости укладки волокон, например: кручение
тонкостенных трубчатых образцов, квадратных пластин, стержней и
др. Эти методы используются редко.
5.3.2. Межслойный сдвиг. Модуль упругости при этом сдвиге
контролируется свойствами матрицы, а прочность – величиной
адгезии матрицы к волокнам. Характеристики межслойного сдвига
определяют растяжением плоских образцов с надрезами, изгибом
коротких стержней и растяжением кольцевых образцов с надрезами
(рис. 5.8). Рассмотрим особенности определения модуля и прочности
при межслойном сдвиге для плоских образцов с надрезами.
Обычно при испытаниях композиционных материалов на
межслойный сдвиг используют плоские образцы двух типов: с двумя
надрезами в одном сечении и центральным отверстием.
Рис.5.8. Образцы композиционных материалов для испытаний
на межслойный сдвиг
90