Способ испытания на прочность композиционных материалов с перекрестной схемой укладки армирующих волокон

 

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств композиционных материалов. Способ испытания на прочность композиционных материалов с перекрестной схемой укладки армирующих волокон заключается в нагружении испытуемого образца растяжением до разрушения, непрерывном измерении величины нагрузки и деформации образца и определении временного сопротивления материала на растяжение расчетным путем. При этом сначала в середине рабочей части образца выполняют профилированную зону, такую, что каждый из образованных симметрично относительно продольной оси образца профилей имеет форму треугольника с радиусом скругления вершины 0,25 - 1 мм и со сторонами, параллельными направлению укладки армирующих волокон, а отношение ширины рабочей части образца в профилированной и непрофилированной зонах не более 0,1-0,2. Затем наклеивают в вершинах профилированной зоны образца с двух сторон по меньшей мере по два малобазных тензорезистора, образец сначала нагружают до 30 - 50% от величины предполагаемой разрушающей нагрузки, при этом контролируют по показаниям тензорезисторов неравномерность распределения напряжений по сечению образца в профилированной зоне рабочей части образца и устраняют ее путем перемещения точки приложения равнодействующей нагрузки, а затем образец нагружают непрерывно с заданной скоростью деформирования материала до разрушения. Данное изобретение позволяет повысить точность испытаний и получить достоверные сведения о прочностных характеристиках композиционных материалов с перекрестной схемой укладки армирующих волокон в широком диапазоне температур. 3 ил.

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к способам испытания на прочность композиционных материалов.

Область применения - авиастроение, судостроение, машиностроение, атомная энергетика и др.

Одной из основных характеристик конструкционных коипозиционных материалов является временное сопротивление на растяжение. Для определения временного сопротивления σ_в стандартный образец из исследуемого материала подвергается растяжение до разрушения. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, принимается за нагрузку _разр, соответствующую временному сопротивлению σ_в = Р_разр/F_о (где F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца) (И.И. Жуковец. Механические испытания металлов, М., "Высшая школа", 1986 г. , с.71). Определенное таким способом временное сопротивление σ_в используется для расчета конструкции на прочность.

Однако, последние экспериментальные исследования показали, что механизм разрушения образцов стандартной формы, выполненных из композиционных материалов с перекрестной схемой армирования ±Θ°, отличается от механизма разрушения натурной конструкции при аналогичном напряженном состоянии. Разрушение материала с перекрестной схемой армирования при испытаниях образцов стандартной формы происходит за счет скалывания края образца, растрескивания материала, проскальзывания части волокон относительно связующего и др., что не позволяет определить истинное значение продольного разрушающего напряжения материала. Занижение, по сравнению с условиями реальной конструкции, величины разрушающих напряжений, получаемое при испытаниях на стандартных сбразцах, приводит к необоснованному увеличению веса конструкции, проектируемых на основе результатов этих испытаний. Причиной снижения прочности фактически является уменьшение активной несущей площади, образца из-за расслоения полимерной матрицы по краям образца. Величина этого снижения, как будет показано ниже, может достигать 200-250%.

Известен способ испытаний на растяжение, сжатие, изгиб металлических и неметаллических материалов (ГОСТ 1497-84,"Металлы. Методы: испытаний на растяжение"), заключающийся в том, что стандартный испытываемый образец нагружают до разрушения, при этом измеряют нагрузку и деформацию, по которым определяют модуль упругости, предел пропорциональности, предел текучести и временное сопротивление.

Недостатком способа является существенное отличие величины временного сопротивления композиционного материала с перекрестной схемой укладки армирующих волокон от предела прочности, определяемого при испытаниях натурной конструкции.

Известен способ испытания армированных пластиков ("Методы статических испытаний армированных пластиков", Справочное пособие, Рига, изд.. "Знание", 1972 г.; Тернопольский Ю.М., Кянцис Т.Я., "Методы статических испытаний армированных пластиков" М. , "Химия", 1981 г.), принятый за прототип, заключающийся в том, что нагружают стандартный образец до разрушения, измеряют нагрузки и деформации, по которым определяют механические характеристики пластиков.

Недостатком способа является отклонение величины временного сопротивления композиционного материала с перекрестной схемой армирования волокон от предела прочности, определяемого при испытаниях натурных конструкций, в 1,5-2,5 раза.

Задачей предложенного изобретения является повышение точности испытаний и получение достоверных сведений о прочностных характеристиках композиционных материалов с перекрестной схемой укладки армирующих волокон, в частности, временного сопротивления материала на растяжение при нормальных, криогенных и повышенных температурах.

Технический результат достигается за счет новых технологических операций при проведении испытаний и конструкции испытываемых образцов из композиционного материала с перекрестной схемой укладки армирующих волокон.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе в середине рабочей части образца выполнена профилированная зона, такая, что каждый из образованных симметрично относительно продольной оси образца профилей имеет форму треугольника с радиусом скругления вершины 0,25-1 мм и сторонами, параллельными направлению укладки армирующих волокон, а отношение ширины рабочей части образца в профилированной и непрофилированной зонах не более 0,1-0,2, наклеивают в вершинах профилированной зоны образца с двух сторон по меньшей мере два малобазных тензорезистора, образец сначала нагружают до 30-50% от величины предполагаемой разрушающей нагрузки, при этом контролируют по показаниям тензорезисторов неравномерность распределения напряжений по сечению образца в профилированной зоне рабочей части образца и устраняют ее путем перемещения точки приложения равнодействующей нагрузки, а затем образец нагружают непрерывно с заданной скоростью деформирования материала до разрушения, при этом непрерывно измеряют нагрузку и деформацию образца, а временное сопротивление материала определяют по формуле: где Р_разр - разрушающая нагрузка, F_эф=δ•b - площадь поперечного сечения образца в профилированной зоне рабочей части образца, δ - толщина материала образца, b - минимальная ширина образца в профилированной зоне рабочей части образца.

На фиг.1 приведена конструкция образца для испытания композиционного материала.

На фиг. 2 приведены результаты сравнительных испытаний образцов стандартной конструкции и различным отношением ширины в профилированной и непрофилированной зонах образцов, изготовленных из композиционного материала КМУ-3Л с перекрестной схемой укладки армирующих волокон.

На фиг. 3 приведены результаты испытаний образцов с различными углами профилирования.

Способ осуществляется следующим образом. Изготавливают из композиционного материала с перекрестной схемой укладки армирующих волокон образец с профилированной зоной 1 в середине рабочей части (фиг.1), переходной зоной 2 и зоной 3 для крепления образца в захватах испытательной машины. Профилированная зона рабочей части образца выполнена такой, что каждый из образованных симметрично относительно продольной оси образца профилей имеет форму трехугольника с образующими 4, параллельными армирующим волокнам 5, а зону сопряжения при вершине профиля 6 - равной R=0,25-1 мм. Затем наклеивают в вершинах профилированной зоны образца с двух сторон по меньшей мере по два малобазных (например, с базой 0,5-1 мм) тензорезистора 7. Устанавливают образец в захваты испытательной машины, совмещая продольные оси образца и машины, нагружают образец ступенями до 30-50% от величины предполагаемой разрушающей нагрузки. При этом контролируют по показаниям тензорезисторов и устраняют неравномерность распределения напряжений в рабочей части профилированной зоны путем перемещения точки приложения равнодействующей нагрузки. Затем нагружают образец с заданной скоростью деформирования материала непрерывно до разрушения, измеряют при этом непрерывно нагрузку и деформации, а временное сопротивление композиционного материала с перекрестной схемой укладки армирующих волокон определяют по формуле: где Р_разр - разрушающая нагрузка,
F_эф= δ•b - площадь поперечного сечения образца в профилированной зоне рабочей части образца,
δ - толщина материала образца,
b - минимальная ширина образца в профилированной зоне рабочей части образца.

Выбор величины радиуса R сопряжения (см.фиг.1, узел А) образующих профиля обусловлен, с одной стороны, необходимостью уменьшения зоны материала с нарушенной целостностью волокна, с другой - стремлением увеличения этой зоны с целью снижения влияния на прочность концентрации напряжений и обеспечения хотя бы на малой базе равномерного напряженного состояния для измерения деформаций. Экспериментальные исследования, проведенные в ЦАГИ, показали, что концентратор типа отверстие малого диаметра (0,5-2 мм) практически не оказывает влияния на прочность композиционного материала, поэтому для сопряжения в профиле рассматриваемых образцов рекомендуются радиусы R = 0,25-1 мм. Результаты контрольных испытаний, также подтверждающие правильность данной рекомендации, приведены на фиг.2 - образцы из КМУ-3Л с отверстиями в рабочей зоне.

Для обоснования правильности рекомендуемых отношений ширины образца в рабочей части в профилированной и непрофилированной зонах (b/В) был проведен цикл экспериментальных исследований на образцах из композиционных материалов марки КМУ-ЗЛ и КМУ-4Л с перекрестной схемой армирования ±45^о при испытаниях на растяжение (см. фиг. 2). Установлено, что с использованием стандартных образцов, например, из КМУ-3Л, разрушающее напряжение σ_разр = 11,4 кг/мм², а при использовании предложенного способа с профилированными образцами в зависимости от отношения b/В равно:
а) при b/В=0,5-1 - разрушающее напряжение материала равно 11-13 кг/мм²;
б) при b/В=0,125-σ_разр достигает 32 кг/мм²;
в) при b/В=0,05-σ_разр составляет ~ 25 кг/мм².

Результаты экспериментального исследования, проведенные с целью оптимизации отношения минимальной ширины образца в профилированной рабочей зоне "b" к максимальной шиирине образца "В", показали, что оптимальным отношением, обеспечивающим получение при испытаниях максимальной прочности материала КМУ-3Л, КМУ-4Л и др. при схеме армирования ±45^о является b/В=0,1-0,2, при этом прочность возрастает в 2-2,5 раза по сравнению с прочностью стандартных образцов.

Указанная закономерность, полученная на образцах с В=40 мм, прослеживается и для более узких образцов с В=20 мм.

Исследования зависимости прочности композиционного материала с перекрестной cхемой армирования от угла профилирования рабочей зоны производилась на образцах из КМУ-4Л со схемой армирования ±45^о. Из полученных результатов видно (фиг.3), что при углах профилирования ϕ° от 0 до 45^о прочность материала КМУ-4Л со схемой армирования ±45^о практически не изменяется (т.к. при этом число перерезанных волокон в профилированной рабочей зоне минимальное и остается постоянным) и составляет 26 кг/мм².

При увеличении угла ϕ° выше ±45^о (т.е. при увеличении числа перерезанных волокон в профилированной рабочей зоне) прочность материала КМУ-4Л уменьшается более чем в 2 раза.

Исходя из этого, рекомендуется использовать при испытаниях композиционных материалов с перекрестной схемой армирования ±Θ° образцы, имеющие профилированную рабочую зону трехугольной формы с образующими, параллельными армирующим волокнам.

Внедрение предложенного способа испытания на прочность композиционного материала с перекрестной схемой укладки армирующих волокон обеспечивает увеличение достоверности результатов испытаний, увеличение весовой отдачи конструкции летательных аппаратов, существенное уменьшение расхода дефицитных конструкционных материалов.

Формула изобретения

Способ испытания на прочность композиционных материалов с перекрестной схемой укладки армирующих волокон, заключающийся в нагружении испытуемого образца растяжением до разрушения, измерении величины нагрузки и деформации образца и расчете временного сопротивления материала на растяжение, отличающийся тем, что в середине рабочей части образца выполнена профилированная зона, такая, что каждый из образованных симметрично относительно продольной оси образца профилей имеет форму треугольника с радиусом скругления вершины 0,25-1 мм и со сторонами, параллельными направлению укладки армирующих волокон, а отношение ширины рабочей части образца в профилированной и непрофилированной зонах не более 0,1-0,2, наклеивают в вершинах профилированной зоны образца с двух сторон по меньшей мере по два малобазных тензорезистора, образец сначала нагружают до 30-50% от величины предполагаемой разрушающей нагрузки, при этом контролируют по показаниям тензорезисторов неравномерность распределения напряжений по сечению образца в профилированной зоне рабочей части образца и устраняют ее путем перемещения точки приложения равнодействующей нагрузки, а затем образец нагружают непрерывно с заданной скоростью деформирования материала до разрушения, при этом непрерывно измеряют нагрузку и деформацию образца, а временное сопротивление материала определяют по формуле

где P_разр - разрушающая нагрузка;
F_эф= δb - площадь поперечного сечения образца в профилированной зоне рабочей части образца;
δ - толщина материала образца;
b - минимальная ширина образца в профилированной зоне рабочей части образца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3