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

6.3.В окне Setting Gaugelength Tolerance (установка погрешности измерительной базы) выбрать параметр, который требуется изменить:

• Axial Nominal Gaugelength (номинальная длина осевой измерительной базы);

• Axial Gaugelength Tolerance (погрешность определения осевой измерительной базы).

6.4.После внесения требуемых изменений в нужные значения нажать кнопку Enter.

6.5.Нажать кнопку NEXT. На экране появляется окно Samle is ready, если не требуется устранения ошибок, нажать кнопку Finish.

7. Запустить «Мастера подготовки к тестированию».

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

Video Setup Home и выбрать пункт Before Test Wizard. На экране появится окно «мастера подготовки к тестированию».

7.2.Нажать на кнопке Next. На экране появится окно Marking the Specimen.

7.3.Нажать на кнопке Next. На экране появится окно Specimen Alignment (выравнивание образца).

7.4.Вставить образец в захваты (если он еще не вставлен), чтобы изображение на активном дисплее отвечало следующим требованием:

• осевые метки должны находиться с желтой центральной линией, т.е. образецдолженбытьрасположенвертикальноотносительноAVE;

• нижняя метка должна находиться вблизи нижнего края активного дисплея.

7.5.Нажать кнопку NEXT, появляется окно Mark Detection (обнаружение меток).

7.6.Нажать на кнопку NEXT. На экране появится окно Enabling Strain Measurement (включение измерений деформации).

• нажать на кнопку измерения деформации. При этом AVE переходит в режим измерения деформации, программа Bluehill отображает значения деформации, а кнопка превращается в кнопку обнаружения меток;

• чтобы вернуться в режим обнаружения меток, нажать на кнопку обнаружения меток;

• нажать на кнопку NEXT. На экране появится окно Test Specimen Ready (образец готов к тестированию). Появление этого окна означает, что

программа работы «мастера подготовки к тестированию» завершена

иобразец готов к проведению тестирования.

7.7.Если не требуется устранение каких-либо ошибок, щелкаем на кнопке Finish (завершить). На экране снова появится основное окно AVE.

Чтобы сохранить произведенные изменения и использовать изменение настройки впоследствии, следует сохранить метод в программе Bluehill 2.

41

ствованным видеоэкстензометром готова к испытанию на одноосное растяжение специальных стеклопластиковых образцов в направлении армирования при нормальной температуре.

Подготовка к испытаниям на растяжение при повышенных температурах

Данная подготовка включает в себя:

1.Демонтаж AVE с рамы разрывной машины Instron5882.

2.Монтаж захватных цепей разрывной машины Instron5882.

3.Монтаж климатической камеры Instron серии SFL 3119-407 на разрывной машине Instron5882.

4.Монтаж на корпус климатической камеры Instron серии SFL 3119407 и настройка AVE.

5.Настройка контроллера, климатической камеры Instron серии

SFL3119-407, Eurotherm 2408.

Настройка контроллера представляет собой написание программы нагрева до заданной температуры в соответствии с инструкциями завода производителя, которая представлена в табл. 7.

Более подробные методики представлены в эксплуатационных инструкциях на испытательное оборудование. Так, функции программы и пример программы нагрева и охлаждения до заданной температуры представлены в подробной инструкции по эксплуатации данного оборудования.

2.4. Подготовка образцов для испытания

Для проведения испытаний применяются образцы однонаправленного стеклопластика со специальной захватной частью. Конструкция образца заключается в том, что образец стеклопластика выполняется в виде стержня постоянного сечения. Захватные части имеют форму стальной гильзы (рис. 24), один конец которой закрепляется в захватах испытательной машины, а в другом выполняется «глухое» глубокое отверстие для погружения в него стеклопластикового образца. Закрепление стеклопластикового образца в «глухом» отверстии стальной гильзы производится посредством эпоксидного клея, без поперечного обжатия.

Рис. 24. Эскиз захватной части образца высоконаполненного стеклопластика для проведения испытаний на одноосное растяжение

Подготовка образцов из стеклопластика включает в себя изготовление из ленты-изделия стержней постоянного сечения (5×5 мм), по возможности без наружных дефектов (отслоение, трещины, сколы связующего). Далее производилось вклеивание стержней в гильзы при помощи эпоксидного клея, а также нанесение меток на рабочую часть образца при помощи маркера для использования бесконтактного экстензометра Instron AVE.

Подробное описание способа изготовления образца для испытаний на растяжение со специальной захватной частью:

1.Выбрать стеклопластиковые стержни постоянного сечения, по возможности без наружных дефектов (отслоение, трещины, сколы связующего).

2.Измерить длину выбранных стеклопластиковых стержней, в случае необходимости довести до требуемых размеров (≈210 мм).

43

3.Отмерить по краям стержней по 70 мм и отчистить от замасливания при помощи ацетона.

4.Отчистить от замасливания внутреннюю поверхность стальной гильзы при помощи ацетона, дать высохнуть до полного испарения ацетона.

5.Приготовить эпоксидный клей в следующей пропорции: три порции смолы к одной порции отвердителя.

6.Тщательно перемешать до исчезновения «пузыристости».

7.Залить готовый клей в стальную гильзу, после чего вставить стеклопластиковый стержень. Излишки клея аккуратно удалить хлопчатобумажной салфеткой.

8.Регулировать распределение клея вращением стеклопластикого стержня относительно стальной гильзы.

9.Поставить на сутки в теплое место (+30…+35 °С).

10.Проделать операции с 5-й по 9-ю при вклеивании во вторую гильзу.

11.Очистить от замасливания рабочую часть образца.

12.Нанести метки на рабочую часть образца при помощи специального маркера (рис. 25).

Рис. 25. Внешний вид образца высоконаполненного стеклопластика для проведения испытаний на одноосное растяжение с нанесенными метками для возможности использования бесконтактного экстензометра Instron AVE

Примечание: при изготовлении специального образца должны использоваться индивидуальные средства защиты (респиратор, защитные очки, защитные перчатки).

После проделывания всех вышеперечисленных операций образец со специальной захватной частью готов для испытаний на растяжение.

2.5. Проведение испытаний

Экспериментальное исследование механических характеристик однонаправленного стеклопластика вдоль направления армирования проведено на специально спроектированных образцах. Целью испытаний является определение механических характеристик: модуля Юнга и предела прочности на одноосное растяжение при нормальных и повышенных температурах.

44

Испытания на одноосное растяжение однонаправленного стеклопластика с высоким наполнением стекловолокон проводятся на разрывной машине, в данном случае – на универсальной электромеханической испытательной системе Instron5882. Универсальная испытательная система состоит из разрывной машины Instron5882, AVE – усовершенствованного видеоэкстензометра, климатической камеры Instron (рис. 26).

В ходе испытания экспериментальным путем получаем следующие параметры: модуль Юнга, удлинение, осевые деформации (видео), предел прочности, коэффициент Пуассона. Строим диаграммы деформирования испытываемого материала, вплоть до разрушения.

Для проведения испытаний при повышенной температуре рекомендуется воспользоваться сформированным методом в программной оболочке Bluehill 2, провести

монтажные работы по установке климатической камеры на испытательную машину, а также установить на климатическую камеру видеоэкстензометр.

Для проведения испытаний при повышенных температурах прописывается программа нагрева до необходимой температуры в соответствии с инструкциями завода производителя для контроллера Eurotherm 2408. На рис. 27 показан образец в захватах разрывной машины внутри климатической камеры.

Для примера представим диаграммы деформирования образца однонаправленного стеклопластика с высоким наполнением стекловолокон

Direct «E» Roving 0.7 – ortophtalic polyester resin 0.3, полученные в ходе прямого эксперимента. Так, на рис. 28, а показан типичный график зависимости напряжения от осевой деформации при испытании стеклопластикового образца на растяжение при нормальной температуре. Разрушение данного образца произошло по достижению предела прочности в рабочей части образца. Первичные акты разрушения волокон образца произошли при достижении деформации ≈1,5 %. Часть диаграммы на рис. 28 не показана, что связано с естественными ограничениями возможностей

45

видеоэкстензометра (потеря меток) в условиях разрушения образца. Диаграмма деформирования позволяет определить модуль Юнга, но не позволяет найти предел прочности. Полная диаграмма фиксировалась в координатах напряжение – удлинение образца (перемещение траверсы). На рис. 28, б показан график зависимости напряжения от удлинения при растяжении стеклопластикого образца. Напряжения при разрушении образца составили 700 МПа.

Таким образом, в результате испытаний образцов высоконаполненного однонаправленного стеклопластика было показано, что частота получения полной диаграммы деформирования (до предела прочности) по данной методике (с применением специальной захватной части образцов) в условиях комнатной температуры составляет 68 %. В то же время получить диаграммы деформирования до предела прочности данного материала по стандартной методике не удалось.

Рис. 27. Стеклопластиковый образец в захватах разрывной машины внутри климатической камеры

Рис. 28. Графики зависимостей: а – напряжения от осевой деформации при растяжении стеклопластикового образца; б – напряжения от удлинения при растяжении стеклопластикового образца

46

2.6. Обработка полученных данных

Полученные результаты обрабатываются программной оболочкой Bluehill 2 в соответствии с ГОСТом и представляют собой графики и таблицы с искомыми параметрами.

Предел прочности при растяжении в, МПа, определяют по формуле

в Fbhmax ,

где Fmax – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца,

Н; b – ширина образца, мм; h – толщина образца, мм.

Относительное удлинение при разрушении δ, %, определяют по формуле

ll 100,

где l – абсолютное удлинение расчетной длины образца при разрушении, мм; l – начальная расчетная длина образца, мм.

Модуль упругости при растяжении E, МПа, определяют по формуле

продольной деформации образца при изменении нагрузки на F ; l – приращение расчетной длины образца при изменении нагрузки на F , мм.

Коэффициент Пуассона определяют по формуле

I ,

II

где I – изменение поперечной относительной деформации образца при

изменении нагрузки на F , измеренное по ширине или толщине образца (в зависимости от задания).

Результаты испытания на растяжение однонаправленного стеклопластика с высоким наполнением стекловолокон при нормальной температуре вынесены в табл. 8. Данная таблица заполняется ПО Bluehill 2 автоматически по завершении испытания.

По результатам испытаний, полученным в ходе прямого эксперимента ПО Bluehill 2 при нормальных и повышенных температурах, выполняется статистическая обработка [16]. На основании полученных результатов испытаний с доверительной вероятностью 0,95 определяются значения модуля Юнга и значение предела прочности.

47

Таблица 8 Механические характеристики однонаправленного стеклопластика

2.7.Заключение

Внаучно-исследовательской работе должны быть получены экспериментальным путем механические характеристики однонаправленного стеклопластика (композитов) с высоким наполнением стекловолокон.

Для получения вариативности выполняемой работы могут быть предложены другие композиционные материалы: однонаправленные углепластики, однонаправленные боропластики и т.п., может быть изменено связующее и объемное содержание компонентов. Также может быть индивидуализирован набор механических характеристик (предел пропорциональности, предел упругости и пр.), температур, скоростей нагружения, количества образцов для испытаний в одинаковых условиях. Данная методика может быть развита и применена для выявления релятивистских характеристик армированных пластиков. Развитие исследований может быть направлено на проектирование других, более совершенных захватных частей. Однако в целом последовательность проведения подобных испытаний на базе современного оборудования фирмы Instron должен соответствовать алгоритму, рассмотренному в данном пособии.

48

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.ГОСТ 9550–81. Пластмассы. Метод определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе.

2.ГОСТ 11262–80. Пластмассы. Метод испытаний на растяжение.

3.ГОСТ 12423–66. Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб).

4.ГОСТ 14359–69. Пластмассы. Методы механических испытаний. Общие требования.

5.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.

6.ГОСТ 25.502–79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механичесих испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.

7. Справочник по конструкционным материалам / Б.Н. Арзамасов [и др.]. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 637 с.

8.Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение: учеб. пособие. – М.: Логос, 2006. – 398 с.

9.Влияние методики на результат испытаний однонаправленных стеклопластиков / А.Н. Блазнов [и др.] // Сайт ООО «Бийский завод стеклопла-

стиков». – URL: www.bzs.ru.

10.Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты: карманный справочник / пер. с англ. – М.: Додэ-

ка-XXI, 2004. – 320 с.

11.Васильев В.В. Композиционные материалы: справочник. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.

12.Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология: учебник для вузов / пер. с англ. – М.: Техносфера, 2004. – 407 с.

13.Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы – СПб.: Научные основы технологии, 2008. – 820 с.

14.Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие для вузов / М.Л. Кербер [и др.]; под ред. А.А. Берлина. – СПб.: Профессия, 2008. – 557 с.

15.Полимерные композиционные материалы. Прочность и технология / С.Л. Баженов [и др.]. – Долгопрудный: Интеллект, 2010. – 447 с.

16.Степнов М.Н. Вероятностные методы оценки характеристик механических свойств материалов и несущей способности элементов конструкций. – Новосибирск: Наука, 2005. – 242 с.

49

17.Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. – М.: Химия, 1981. – 272 с.

18.Максименко В.Н., Олегин И.П. Теоретические основы методов расчета прочности элементов конструкций из композитов: учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 239 с.

19.АSТМ D 2291–03. Practice for Fabrication of Ring Test Specimens for Glass-Resin Composites.

20.Сайт предприятия ООО «Пласт». – URL: plastperm.narod.ru.

21.Сайт компании «Альпастар». – URL: alpastar.ru.

50