книги / Влияние степени наполнения арматурой, предварительного циклического нагружения и температуры на механические характеристики волокнистых полимерных композиционных материалов

2. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ НА ОДНООСНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО СТЕКЛОПЛАСТИКА С ВЫСОКИМ НАПОЛНЕНИЕМ СТЕКЛОВОЛОКНА ПРИ НОРМАЛЬНЫХ И ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

В последние десятилетия повысилось внимание к полимерным композиционным материалам (ПКМ), основой которых являются стекло-, ба- зальто-, арамидо-, угле- и графитоволокна. На сегодняшний день ПКМ активно применяются в строительстве, машиностроении, приборостроении, нефте- и газопроводах, а также в качестве альтернативы другим конструкционным материалам и элементам конструкций.

Постоянно совершенствуясь, композиционные материалы (КМ), в частности КМ на основе стекловолокон, постепенно вытесняют металлические конструкционные материалы. Изделия из КМ на основе стекловолокон обладают рядом неоспоримых преимуществ, таких как: небольшой вес, обусловленный небольшой плотностью материала; невысокая цена производства; легкость и простота перевозки; простота монтажа.

Однонаправленный стеклопластиковый образец с высоким наполнением стекловолокон является элементом конструкции строительного анкера, который используется в подземном строительстве, а также в промышленном

игражданском строительстве, когда возникает необходимость выполнения крупных строительных работ, требующих устройства глубоких котлованов в непосредственной близости от существующих зданий или в стесненных условиях промышленных или городских территорий при реконструкции зданий

исооружений. Таким образом, студентам специальности «Конструирование

ипроизводство изделий из композиционных материалов» необходимо уметь определять свойства композиционных материалов, используя при этом современное испытательное оборудование и методики.

Цель научно-исследовательской работы – определение физико-меха- нических характеристик однонаправленного стеклопластика при проведении испытаний на одноосное растяжение при нормальных и повышенных температурах.

Задачи: ознакомится с методикой проведения испытаний на одноосное растяжение при нормальных и повышенных температурах; подготовить образцы однонаправленного стеклопластика к проведению испытаний; провести испытания на одноосное растяжение при нормальной и повышенной температурах однонаправленного стеклопластика с высоким наполнением стекловолокон вдоль направления армирования с целью определения физико-механических характеристик.

Экспериментальное оборудование: электромеханическая разрывная машина Instron5882; видеоэкстензометр AVE Instron; климатическая каме-

ра Instron серии 3119-407.

31

2.1. Стандартные методы испытаний образцов ПКМ при одноосном растяжении

В настоящее время на испытания КМ распространяются стандарты, предназначенные как для механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов), так и для испытания пластмасс. В данном разделе рассмотрим интересующие нас ГОСТы.

ГОСТ 25.601–80 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композиты). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах» [5].

Суть метода испытания по ГОСТ 25.601–80 состоит в кратковременном испытании образцов из композиционного материала на растяжение

спостоянной скоростью деформирования, при котором определяют:

–предел прочности при растяжении в – отношение максимальной

нагрузки Fmax , предшествующей разрушению образца, к начальной площади его поперечного сечения, МПа;

–модуль упругости Е – отношение напряжения к соответствующей относительной деформации при нагружении материала в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования, МПа;

–коэффициент Пуассона – отношение поперечного относительного укорочения к продольному относительному удлинению образца при растяжениивпределахначальноголинейногоучасткадиаграммыдеформирования;

–относительное удлинение при разрушении – отношение приращения длины мерной базы в момент разрушения к начальной длине мерной базы, %.

Испытание на одноосное растяжение проводят на разрывных и универсальных испытательных машинах, обеспечивающих растяжение образца с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата и измерение нагрузки с погрешностью не более 1 % от измеряемой величины. Форма образцов дляиспытанияпредусмотренастандартами, соответствующимиГОСТами.

Для испытаний однонаправленных композиционных материалов применяют образцы в виде полосы прямоугольного сечения с закрепленными на концах накладками. При определении модулей упругости и коэффициента Пуассона этих материалов могут также использоваться образцыполоски без накладок.

Также применяются образцы в форме двусторонних лопаток, они уменьшают вероятность разрушения в местах крепления и гарантируют разрушение рабочей части образца. Их целесообразно использовать при испытаниях на растяжение перпендикулярно к слоям арматуры. На рис. 19 представлены основные типы и размеры образцов из стеклопластиков и соответствующие им соотношения минимальной, средней и максимальной

32

прочностей. Особое внимание при растяжении КМ необходимо обращать внимание на точность установки образцов в захватах, чтобы устранить влияние изгиба образцов на измеряемые прочность и жесткость.

Рис. 19. Двусторонние лопатки из стеклопластика и соответствующие им соотношения максимальной, средней, минимальной прочностей

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 испытываемый материал. Если таких указаний нет, то испытания проводят при одной из стандартных атмосфер по ГОСТ 12423–66 [3].

Испытания при повышенных и пониженных температурах проводят в термокамерах (климатических камерах) для испытательных машин. Температуру испытаний и ее допускаемые колебания определяют в сооветствии с техническими условиями или стандартами на материал, а при их отсутствии – по ГОСТ 14359–69 [4].

При проведении испытаний в условиях повышенных и пониженных температур время, необходимое для полного прогрева или охлаждения образца до его испытания, должно задаваться нормативно-технической документацией на испытываемый материал. Если таких указаний нет, то время выдержки образца при заданной температуре устанавливают не менее 20 мин на 1 мм его толщины.

Обработка результатов производится по методикам, оговоренным в стандарте.

33

Статистическую обработку результатов испытания проводят по ГОСТ 11.004–74 при доверительной вероятности 0,95.

Таким образом, для испытания на растяжение высокомодульного однонаправленного стеклопластика вдоль направления армирования по данным ГОСТам рекомендуется выполнять образцы в виде двухсторонних лопаток. Однако ранее проводимые экспериментальные исследования показывают необходимость проектирования специальных образцов для испытания на растяжение ввиду того, что стандартные образцы в виде двухсторонних лопаток разрушаются в захватной части образца, следовательно, определить искомые механические характеристики невозможно.

2.2. Анализ известных методик исследования волокнистых полимерных композиционных материалов

В течение последних лет было проведено достаточно много экспериментальных исследований волокнистых однонаправленных композиционных материалов и прогнозирования их свойств. Прежде чем начать исследование, необходимо ознакомиться с результатами, полученными ранее.

Обзор наиболее распространенных стандартизованных и исследовательских методов испытаний КМ, таких как однонаправленные стеклопластики, изложен в работе [17]. Отмечается, что при исследованиях КМ разными методами получают противоречивые данные о свойствах материалов.

Авторами А.Н. Блазновым, Ю.П. Волковым, А.Н. Луговым, В.Ф. Савиным, Г.И. Русских были приведены результаты испытаний при растяжении однонаправленного стеклопластика [9]. Показано, что методика оказывает существенное влияние на результат испытаний образцов из одного материала. Даны рекомендации о необходимости разработки единого стандарта, пригодного для испытанийоднонаправленныхстеклопластиковыхстержнейкруглогосечения.

Поскольку практически отсутствуют стандарты и литературные данные об испытаниях однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого и прямоугольного сечения, а также ввиду противоречивости и недостатка литературных данных, проведены исследования с целью сравнения результатов, получаемых при испытании образцов из одного материала различными методами.

При испытаниях определяли механические характеристики КМ – прочность, модуль упругости и предельную деформацию. Схемы, по которым проводили испытания однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения, приведены на рис. 20–22. В качестве образцов использовали стеклопластиковую арматуру диаметром 5,5 мм, силовой элемент диаметром 3 мм, стержни для полимерных изоляторов диаметром 15 и 22 мм. Все эти изделия представляют собой однонаправленно-армированные стеклопласти-

34

ковые стержни круглого сечения, с массовым содержанием наполнителя от 15 до 20 %, и изготовлены по одной технологии.

Рис. 20. Образец-пластина для испытаний на растяжение по ГОСТ 11262–80 [2]

Рис. 21. Круглый образец для испытаний на растяжение по ГОСТ 11262–80, адаптированный к стержням больших диаметров для полимерных изоляторов

Результаты испытаний, полученные в ходе прямого эксперимента, приведены в табл. 5.

Исследования в этой области также проводились сотрудниками кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» аэрокосмического факультета ПНИПУ. Было проведено экспериментальное исследование материала стеклопластиковых анкеров при растяжении. В работе рассматривалась приемлемость стандартных образцов в виде двухсторонних лопаток для определения механических харак-

теристик однонаправленного а б стеклопластика, таких как модуль Юнга, предел прочности.

35

Таблица 5

Экспериментальные и расчетные показатели для разных схем нагружения

Эксперименты проведены на образцах однонаправленного стеклопластика с высоким наполнением стекловолокон. Использовались образцы в виде двусторонних лопаток. Длина рабочей части образцов составляла 70 мм, квадратное поперечное сечение рабочей части ограничено естественными гранями стеклопластиковой ленты (5,2 мм) и гранями, полученными механической обработкой. Захватные части были выполнены без обклейки, с обклейкой тканью из стеклопластика, с обклейкой накладками из алюминиевого сплава для более равномерного распределения напряжений при закреплении образца.

36

2.3. Формирование метода проведения испытания на оборудовании Instron

Вкомплект испытательного оборудования входят: электромеханическая разрывная машина Instron5882 с контроллером, AVE – усовершенствованный видеоэкстензометр, персональный компьютер, климатическая камера серии 3119 с контроллером Eurotherm 2408. Все эти компоненты далее будем называть испытательной системой Instron5882.

Вподготовку разрывной машины Instron5882 входит установка требуемых захватов и все связанные с этим операции, а также настройка программного обеспечения разрывной машины Instron5882 Bluehill 2.

Выбор захватов зависит от материала, геометрии и прочности испытываемого образца. Однако важнейшим моментом является прочность образца на растяжение. Всегда нужно определять допускаемую нагрузку захватов перед их использованием при испытании и не перегружать зажимные приспособления. При испытании на растяжение испытываемый образец надежно удерживается в губках верхнего и нижнего захватов. Верхний захват обычно прикрепляется к динамометрическому элементу (который,

всвою очередь, прикрепляется к подвижной траверсе), а нижний захват – к фиксированной плите основания нагружающей рамы. Губки в захватах большинства типов спроектированы так, чтобы затягиваться еще сильнее на образце при увеличении растягивающей нагрузки.

Перед испытанием необходимо создать в программном обеспечении Bluehill 2 метод испытания.

Алгоритм создания метода испытания

1.Нажать на кнопку Method на экране Home (Главный экран).

2.Выбрать из списка недавно использованных файлов файл метода

испытаний, содержащий значения параметров, максимально близкие к требуемым, и нажать на кнопку Open (Открыть). Если нужного файла метода испытаний нет в списке недавно использованных файлов, нажать на кнопку Browse... (Обзор), чтобы найти его, и нажать на кнопку Open

вдиалоговом окне.

3.Если необходимо создать совершенно новый метод испытаний, нажать на кнопку New... (Новый…), выбрать тип испытаний для создаваемого метода испытаний и нажать на кнопку Create (Создать). Тогда система создаст новый метод, в котором всем параметрам будут присвоены значения по умолчанию.

38

4.Чтобы просмотреть и изменить все параметры метода испытаний, нажимать поочередно на всех пунктах панели навигации.

5.Нажать на кнопку Save As (Сохранить как), чтобы присвоить методу испытаний имя. Если мы хотим сохранить новый метод вместо исходно открытого, нужно нажать на кнопку Save (Сохранить).

6.Если нужно сохранить распечатку установленных параметров метода, нажать на кнопку Print (Печать).

Созданный метод испытания можно проиллюстрировать в таблице установленных параметров и распечатать независимо от испытаний.

После формирования метода испытания в программной оболочке Bluehill 2 и подготовки захватов разрывной машины переходим к подготовке другого оборудования для испытания.

Для использования усовершенствованного видеоэкстензометра (AVE) во время испытания необходимо проделать ряд обязательных перед каждым испытанием операций. Программное обеспечение (ПО) AVE является дополнительным приложением к ПО Bluehill 2, которое нуждается в отдельной настройке для проведения испытания с использованием усовершенствованного видеоэкстензометра.

Рассмотрим алгоритм настройки AVE для проведения испытания:

1.Запустить Bluehill 2.

2.Нажать на значке AVE (в верхнем правом углу).

3.Включить режим осевых (Axial) измерений, отметив соответствующее окно, после чего получаем доступ к мастеру калибровки AVE.

4.Запустить «мастера калибровки».

4.1.Нажать на кнопку Setup Wizards («мастера настройки») в окне

Video Setup Home и выбирать пункт Calibration Wizard. На экране появится окно «мастера калибровки».

4.2.Нажать кнопку NEXT>. На экране появится окно Field of View (поле

зрения).

4.3. Окно настройки дисплея.

Установить калибровочный образец в захваты разрывной машины так, чтобы видеть весь калибровочный образец, т.е. 6 столбцов по 35 строк точек и кромку со всех сторон (объектив с полем зрения 200 мм). В случае если на экране ничего не отображается, проверить крышку объектива камеры видеоэкстензометра.

4.4. ОкноDefining the Calibration Area (определениеобластикалибровки):

•на дисплее должны быть видны все точки калибровочного образца;

•нажать на кнопку Calibrate (калибровка) (рис. 23);

•нажать на кнопку Adjust window – центровка окна;

•далее нажать NEXT.

39

Программа окрашивает откалиброванную область дисплея черным цветом, некалиброванную – желтым. Если калибровка прошла успешно, то в окне статуса появляется сообщение «Calibrated».

Рис. 23. «Мастер калибровки» – окно настройки окна дисплея

4.5. Завершение калибровки:

• если нет ошибок, нажать «FINISH».

5.Для обеспечения устойчивости результатов проделать следующие пункты:

• снять калибровочный образец с разрывной машины, установить захваты в положение для испытания;

• вставить специальный подготовленный образец для испытания в захваты машины и нажать кнопку Measure Strain (измерение деформации) в основном окне AVE;

• далее нажать кнопку Locate Marks (обнаружение меток).

6.Запустить «Мастера подготовки к работе с образцом».

6.1.Нажать на кнопке Setup Wizards («мастера настройки») в окне

Video Setup Home и выбрать пункт Before Sample Wizard. На экране появит-

ся окно «мастера подготовки к работе с образцом».

6.2.Нажать кнопку NEXT до появления окна Setting the Area of Interest

(определение области рассмотрения).

• если использование функции AOI (определение области рассмотрения в ручную) не требуется, то нажать кнопку NEXT, если требуется – на-

жать в окошке Area of Interest;

• после установки AOI нажать на кнопке NEXT.

40