Механические свойства при статическом нагружении.

1)Напряжение при разрыве, разрушающее напряжение при растяжении (Tensile strength, Bruchspannung), σ⁺ МПа, по ISO R 527, part 1 and part 2, образцы no ISO 3167, ГОСТ 9550, 11262-76; ASTM D 638, D 2290; DIN 53457;

2)Удлинение при разрыве (продольное удлинение при одноосном растяжении, ε_х), относительное удлинение при растяжении (elongation at break, bruchdehrung), ε⁺, %, по ISO 527 (50 мм/мин), DIN 53455, ГОСТ 11262-76;

3)Относительное поперечное сжатие (ε_у) при одноосном растяжении (compressive at break), ε^-, %;

4)Коэффициент Пуассона, μ= ε_у/ ε_x, отношение относительного поперечного сжатия (ε_у) к относительному продольному удлинению (ε_х) при одноосном расятжении;

5)Прочность при сжатии (compressive strength, Druckfestigkeit),σ^-,МПа,по ASTM D695, ГОСТ 4651-68;7550; ISO 604, 844;

6)Прочность при сдвиге (Shear strength, Sherfestigkeit), τ_{сд ,}МПа, по ASTM D 732; ISO 14129, 14130 (определение межслоевой прочности при сдвиге методом короткой балки, by shot-beam method);

7)Модуль упругости при растяжении (Tensil modulus, Zug-E-Modul), E⁺, МПа, по ISO 5271-1/2, образцы по ISO 3167, 1мм/мин, ГОСТ 4648-71, DIN53457;

8) Модуль упругости при изгибе (Flexural modulus, Biege -E-Modul), Е_ви, МПа по ISO 178, ГОСТ 9550-81, 4648-71, ASTM D 790;

9) Предел текучести (yield stress), σ_т, МПа; удлинение при пределе текучести (elongation at yield), %, по DIN 53455, ISO 527, ε_т;

10) Модуль ползучести (tensile creep modulus), no DIN 53444, ISO 899; ГОСТ 18197; 11)Модуль сдвига σ_сд=E/2(1+μ), (shear modulus by the plate twist method), МПа, no ISO 15310;

12)Твердость ПМ и ПКМ:

а) твердость по Роквеллу (реже используют значение твердости по Шору по DIN 53505), шкала М, R, по ISO 02039/2, Rockwell hardness (skale M), Rockwell Harte (skale M) no ASTM D 785; D2240; DIN 53456;

б) твердость при вдавливании шарика по методу Ball (сила испытания 358 Н), Н/мм², значение после 30 с по ISO 02039-1:2001 в МПа, образец 50x15x4 мм, ГОСТ 4670-67; 24621, 24622

Механические свойства впкм при динамическом нагружении.

Присутствие полимерной фазы определяет демпфирующую способность, вибропрочность, динамическую усталость, термонагруженность ВПКМ.

1)Демпфирующая способность, вибропоглощение, виброустойчивость.

В динамических условиях в ПМ, ПКМ, ВПКМ со специфическими вязкоупругими свойствами возникают затухающие и вынужденные колебания.

Затухающие колебания определяются значениями логарифмического декремента затухания колебаний θ, характеризующего рассеяние энергии. Θ определяют по ширине резонансной кривой при изгибных колебаниях стержня (из различных материалов) со свободными концами, подвешенного на струнах в узловых линиях.

Θ=ln A_i / A_i+1, где A=A₀ ^. e-^{α . t}, α=θ ^. ω = π ^. tgδ ^. ω

где: ω – круговая частота;

A_i, A_i+1 – амплитуды i и i+1 циклов

Θ является мерой демпфирующей способности материала конструкции, подверженной динамическим нагрузкам. Демпфирующая способность – способность материала рассеивать механическую энергию при циклическом нагружении в упругой области за счёт внутреннего трения. В полимерных материалах упруговязкое рассеяние энергии сопровождается переходом механической энергии в тепловую, химическую, электрическую. Демпфирование в ВПКМ слагается из потерь энергии механических колебаний в следствие деформации волокон, возникновения сдвиговых напряжений в матрице, из-за трения на границе раздела фаз. Из-за релаксационного характера эластических деформаций происходит разогрев материала (из-за гестерезиса потерь и низкой теплопроводности).

Θ возрастает с ростом объёмного содержания матрицы V_м, при снижении E_в, с увеличением искривления волокон, углов армирования и зависит от типа напряжённого состояния, амплитуды напряжения. С повышением напряжения в 8-10 раз θ возрастает в 1,5-2 раза, что положительно сказывается на работе изделий из полимеров при резонансных колебаниях. Θ ВПКМ в 5-10 раз выше, чем у металлов (θ сплава Д15≤0,6%).

Вынужденные колебания характеризуют комплексным модулем упругости E* и тангенсом угла механических потерь tgδ

E^*=σ_ω / ε_ω

где: σ_ω = σ_A ^. e^{- iωt}

ε_{ω =} ε_A ^. e^{- i (ωt – δ)}

σ_A, ε_A – амплитудные значения напряжения и деформации,

σ_ω, ε_ω – напряжение и деформация, изменяющиеся во времени t по гармоническому закону;

ω = 2π ^. ν, круговая частота, ν – число циклов в единицу времени

δ – разность фаз, угол механических потерь.

Модуль упругости вязкоупругих тел E^* - комплексная величина:

E^* = E^/ – iE^//

где: E^/- упругая составляющая, отвечающая за накопление энергии и её возвращение (упругий модуль);

E^// – вязкая составляющая, характеризующая потери энергии на внутреннее трение (модуль потерь);

E^/// E^/ = tgδ

Тангенс угла механических потерь tgδ и температурный интервал эффективного вибропоглощения ΔТ_эфф. определяют уровень вибропоглощения. Высокая эффективность применения ПМ и ПКМ для снижения вибрации ( и шума) обусловлена специфической способностью полимеров, заключающейся в повышенной способности к диссипации внешней энергии. Молекулярный механизм поглощения энергии колебаний в полимерах объясняется теорией релаксации, в основе которой лежат процессы перехода полимерной системы к состоянию термодинамического равновесия за счёт реализации различных видов молекулярного движения, сопровождающихся диссипативными потерями энергии. Каждому виду молекулярного движения соответствует релаксационный процесс, характеризующийся определённым значением энергии активации и своим временем релаксации. Для любого релаксационного процесса характерно появление резонансного максимума на кривой температурной зависимости коэффициента механических потерь (наиболее интенсивный релаксационный переход и наибольшая диссипация энергии соответствует переходу полимера из стеклообразного в эластическое состояние). У гомополимеров область перехода ( высота пика механических потерь может быть значительной) перекрывает незначительный частотный и температурный диапазон. В широких пределах (tgδ 0,1-0,3; частоты 5 - 10000Гц) изменяются параметры при сополимеризации, изменении природы и количественных соотношений звеньев как в основных цепях макромолекул, так и в боковых звеньях, что используется при целенаправленном конструировании вибропоглощающих композиций.

ПКМ, ВПКМ на основе полимеров с высокими значениями tgδ имеют высокий уровень вибропоглощения ( рассеивания в виде тепла механической энергии, подводимой в условиях циклического нагружения). В результате снижается амплитуда колебаний конструкций и уменьшаются связанные с такими колебаниями нежелательные эффекты, что приводит к повышению надежности и улучшению технических параметров.

Виброустойчивость σ_Nθ определяет собственную частоту колебаний и изменяется в зависимости от ориентации волокон в ВПКМ.

2)Динамическая усталость материалов является одной из основных причин, ограничивающих ресурс работы конструкций в машиностроении ( в авиастроении - оболочки, лопатки, конструкции механизации крыльев, стабилизаторов и др.).

Для большинства ПКМ зависимость - ln N, где N – число циклов нагружения, горизонтальная асимптота и термин «предел усталости» неприменим. Используют условный предел усталости _xN, при котором ПКМ выдерживает определённое количество циклов ( N10⁷, 2N10⁷) нагружения.

, где x= , - предельная деформация матрицы, при которой происходит усталостное разрушение ПКМ. Если = (0,05-0,07) ,т.е. около 200 МПа, ПКМ возрастает до 800-1200 МПа, ПКМ возрастает и с ростом Е_в.

3)Термонагруженность материала (E^.α). При прочих равных условиях контактные термические напряжения в деталях определяются уровнем KJITP- α .

α — коэффициент линейного термического расширения (coefficient of linear thermal expansion between 23 and 80°C, Langenausdehnungskoffisient zwischen 23 и 80°C), K^-1 no DIN 53752-A, образец 25x4x4 или образец 30x10x4 мм; от -50° до 140°С по ASTM D 906; вдоль - по ASTM, поперек - ISO Е831; ГОСТ 15173-70.

Термонагруженность углепластиков из-за низких значений α углеродных наполнителей в 10-20 раз меньше, чем у других типов ВПКМ.