В.И. КУЛИК, А.С. НИЛОВ СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех» В.И. КУЛИК, А.С. НИЛОВ СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебное пособие Санкт-Петербург 2019 УДК 678.017–419(075.8) К90 К90 Кулик, В.И. Статические и динамические испытания образцов из композиционных материалов: учебное пособие / В.И. Кулик, А.С. Нилов; Балт. гос. техн. ун-т. – СПБ., 2019. – 96 с. Рассмотрены статические и динамические методы испытаний образцов из композиционных материалов, регламентированных отечественными и зарубежными стандартами. Предназначено для студентов машиностроительных специальностей при обучении по дисциплинам «Материаловедение» и «Технология производства из композиционных материалов», а также может быть полезно для научных работников, аспирантов и инженеров. УДК 678.017–419(075.8) Р е ц е н з е н т ы: д-р. техн. наук, проф. СПбПУ Петра Великого А.П. Гаршин; канд. техн. наук., доц. БГТУ В.И. Краснов Утверждено редакционно-издательским советом университета © Авторы, 2019 © БГТУ, 2019 ВВЕДЕНИЕ Современные волокнистые композиционные материалы (КМ) с различными типами матриц (полимерными (ПКМ), углеродными, например углерод-углеродным (УУКМ), металлическими (ММК), керамическими (КМК)) с однонаправленной, слоистой и пространственной структурой армирования являются неоднородными, существенно анизотропными материалами, что принципиально отличает их от традиционных изотропных конструционных материалов. Для этого класса материалов даже привычные термины – испытания на растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг – становятся бессодержательными без указания направления нагрузки по отношению к осям упругой симметрии исследуемого материала. Анизотропия свойств армированных КМ порождает ряд трудностей. Это, прежде всего, установление числа прочностных и упругих характеристик, необходимых для достаточно полной, хотя бы в рамках плоской задачи, паспортизации материала, получение исходных данных для конструкторскотехнологического проектирования изделий из КМ. Поэтому для максимальной информации об исследуемом КМ становятся принципиальными выбор схем нагружения, при которых характеристики этого материала наиболее просто связаны с величинами, определяемыми в эксперименте, оценка достоверности получаемых результатов и определение области применения расчетных зависимостей. Анизотропия упругих свойств КМ предъявляет повышенные требования к форме и размерам образца, исключению краевых эффектов (выбору расстояния от захватов до рабочей части), способу передачи нагрузки и закрепления образца, ориентации арматуры, углу вырезания образца, так как неправильный выбор схемы нагружения и закрепления приводит к изменению механизма разрушения материала образца. В пособии рассматриваются типовые методы статических (растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб) и динамических (импульсное периодическое динамическое воздействие, определение ударной вязкости разрушения) испытаний КМ, которые направлены на определение статических и динамических физико-механических характеристик композитов (прочность, модули упругости, коэффициенты Пуассона), необходимые для конструкторско-технологического проектирования изделий из КМ, оценки влияния внешних эксплуатационных факторов, контроля состояния материала. Приведенные методы испытаний ориентированы на существующие действующие отечественные и зарубежные стандарты. Подробно не рассматриваются вопросы, описы3 вающие поведение КМ при испытаниях на усталость и воздействие циклических нагрузок. 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ АРМИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 1.1. Классификация методов механических испытаний В настоящее время методы механических испытаний и соответствующее испытательное оборудование применяют при исследовании закономерностей деформирования и разрушения материалов и элементов конструкций в различных условиях и в зависимости от вида напряженного состояния (одноосное, двухосное и трехосное); статического, динамического и циклического нагружения; низких, нормальных и высоких температур и т.д. Задачами таких исследований могут быть проверка справедливости гипотез и теорий механики деформируемого твердого тела, получение данных о механическом изменении материалов при внешнем нагружении, определение их механических характеристик и оценка несущей способности элементов конструкций или конструкции в целом. Механические испытания классифицируют следующим образом. 1. По целевому признаку: проверка справедливости гипотез, теорий и определяющих уравнений механики деформируемого твердого тела в различных условиях; определение механических характеристик материалов; исследование напряженно-деформированного состояния конструкций; контроль поврежденности материала в конструкции и оценка остаточной долговечности элементов конструкции. 2. По виду напряженного состояния: исследование закономерностей деформирования и разрушения материалов и элементов конструкций при одноосном напряженном состоянии (растяжение, сжатие, изгиб); исследование закономерностей деформирования и разрушения материалов и элементов конструкций при двухосном и трехосном напряженном состоянии. 4 3. По характеру воздействия внешних сил: исследование при статическом нагружении (скорость деформаций мала); исследование при динамическом нагружении (скорость деформаций велика и реализуется при ударе); исследование при циклическом нагружении (частоты нагружения от 3·10–4 Гц до 1000 кГц). Здесь выделяют методы по определению динамических характеристик КМ, а также методы исследования малоцикловой, многоцикловой и высокочастотной усталости. 4. По температуре испытаний: высокотемпературные испытания при 323...3500 К; низкотемпературные испытания при 1,5...273 К; испытания в климатическом диапазоне 273...323 К. 5. По природе нагрузок, воздействующих на объект испытаний: при силовом воздействии (сосредоточенные и распределенные нагрузки, силы инерции и тяжести); при воздействии на объект тепловых потоков и неоднородных температурных полей (термостойкость, термоусталость); при действии мощных магнитных и электрических полей. Обьекты исследования при механических испытаниях – образцы, модели, элементы конструкций и конструкции в натуральную величину. Наиболее широко при различного рода испытаний используются образцы. 1.2. Особенности испытаний образцов из КМ Методы механических испытаний и обработки их результатов зависят от типов КМ. Свойства этих материалов настолько разнообразны, что единый подход едва ли возможен. Так, техника и обработка результатов испытаний материалов, армированных дискретными частицами, и материалов, армированных непрерывными волокнами, во многом различны, так как первые являются квазиизотропными, а вторые – существенно анизотропными материалами. Именно поэтому необходимо говорить об испытаниях волокнистых композиционных материалов с позиций анизотропии. Все это приводит к тому, что привычные термины – испытания на растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб – становятся бессодержательными без указания направления между нагрузкой и осями упругой симметрии материала. Поэтому необходимо привлечь к описанию свойств изучаемых материалов теорию упругости анизотропных сред. При этом следует учитывать особен5 ности строения волокнистых композиционных материалов и возможности перехода к сплошной среде для монослоя, а также способы определения интегральных характеристик многонаправленных или гибридных материалов по экспериментам на монослое. Основные проблемы при испытаниях КМ обусловлены анизотропией характеристик композитов и неопределенностями в критериях их разрушения. Поэтому существует достаточно большое количество методов испытаний, из которых необходимо выбирать подходящие для получения в итоге точного и устойчивого результата. Первая трудность, с которой приходится сталкиваться при испытаниях КМ, связана с установлением числа прочностных и деформативных характеристик. Подробность и точность получаемой информации зависит от выбора модели материала. Для волокнистых КМ даже простейшее рассмотрение в рамках гуковской модели приводит к необходимости измерения большого числа параметров. Особого внимания требуют установление типа анизотропии разных классов материалов с волокнистой, слоистой и пространственно-армированной структурой и число определяемых прочностных и упругих характеристик. Необходимо подчеркнуть, что точность упругого приближения зависит от направления нагружения относительно главных осей симметрии КМ. При нагружении в направлениях армирования волокнистые композиционные материалы с высокой точностью (многие вплоть до разрушения) следуют закону Гука. Если нагрузка действует под углом к арматуре или перпендикулярно плоскости армирования, зависимость ζ от ε становится существенно нелинейной. Начальные участки этой зависимости можно линеаризировать с достаточной для практики точностью. Для материалов, армированных волокнами, большинство измеряемых величин не является константами, не зависящими от условий опыта. В то же время полученные результаты в идеальном случае должны характеризовать только свойства материала и не быть связанными с многочисленными побочными факторами. В связи с этим при организации механических испытаний композиционных материалов приходится решать вопросы о выборе формы и размеров образца, о его подготовке к испытаниям; об определении разрушающего напряжения и выборе испытательной машины и аппаратуры для измерения силы и деформации; об определении пределов, в которых могут изменяться условия эксперимента (скорость нагружения, геометрия образца, неточность приложения силы), чтобы их отклонениями можно было пренебречь; о возможном разбросе результатов и 6 необходимом числе образцов; о способе обработки результатов эксперимента и оценки их достоверности. Развитие композитов как класса конструкционных материалов и особенностей их разрушения привело, в свою очередь, к эволюции методов механических испытаний. Это отражено в широком диапазоне стандартов и методов испытаний для определения характеристик композитов при конструкторско-технологическом проектировании изделий из них или при контроле качества. Методы испытаний, главным образом, направлены на то, чтобы получить значения основных характеристик самого композиционного материала, а не характеристики образца из КМ индивидуальной геометрии. Рассматриваемые статические и динамические методы испытаний ориентируются на отечественные ГОСТ и зарубежные ASTM, ISO, EN, DIN, CRAG (или ведомственные нормали) и методы, применяемые в исследовательской практике: перечислены в существующих стандартах на механические испытания, определяющих характеристики КМ, величины, измеряемые в эксперименте, рекомендованную форму образцов, типичное оборудование и др. Стандарты, относящиеся к данного рода испытаниям, многочисленны и находятся на различных стадиях развития. Гармонизация стандартов является конечной целью в создании международных стандартов серии ISO (International Organisation for Standardization (Международная организация стандартизации, Женева, Швейцария)). Национальные, европейские и американские органы по стандартизации добиваются согласования формулировок со стандартами ISO. Имеющиеся и готовящиеся международные стандарты ISO, относящиеся к высокопрочным композитам, предполагают постепенный отказ от своих национальных стандартов и введение общего обозначения с национальным префиксом, например, BS EN ISO XXXX. Создание полного спектра стандартов ISO для всех механических и физических испытаний рассчитано на достаточно значительный период времени. В Евросоюзе главным техническим комитетом по разработке стандартов для всех пластмасс является ISO TC61 и его подкомитет SC13, который рассматривает «композиты, усиленные волокнами». Стандарты ASTM (American Society for Testing and Materials (Американское общество по испытаниям и материалам, Филадельфия, США)) являются наиболее проработанными, и именно они во многом лежат в основе разрабатываемых стандартов ISO. Стандарты ASTM опираются на опыт различных комитетов. Так комитет D 30 стандартизует, например, испытания углепластиков и отвечает за «высо7 комодульные волокна и композиты на их основе». Данные стандарты регулярно обновляются и совершенствуются. Например, переводятся в метрическую систему (обозначение буквой M, например, ASTM D 3039M). В настоящее время действуют ряд Европейских стандартов EN на композиционные материалы и методы их испытания (ENs – европейский стандарт, prENs – проект европейского стандарта) для аэрокосмической техники. Они разрабатываются AECMA (Association Européenne des Constructeurs de Matériel Aérospatial) комитетом С7/ПК5 для испытаний высокомодульных композитов на базе углеродных, арамидных и стеклянных волокон. В Евросоюзе, помимо стандартов EN, действуют внутренние производственные стандарты, например, разработанные корпорацией Эйрбас Индастриз, для получения отдельных характеристик КМ в авиастроении. В дополнение к AECMA и Эйрбас Индастриз, для выработки стандартов существует еще комитет CEN TC249/SC2 – «общие стандарты для композитов, волокон и препрегов», который сотрудничает с ISO (через «Венское соглашение») на стандарты композитов общего назначения. Немецкие стандарты DIN (Deutsche Industrie Normen) все время обновляются и расширяются, чтобы закрыть все направления в испытаниях композитов, в том числе и в аэрокосмической сфере. Они являются частью серии, связанной с аэрокосмическими приложениями и написаны как «технические спецификации» или в некоторых случаях как «методы испытаний». Аспекты этих методов появляются в prENs. Тем не менее, в конечном счете, все стандарты DIN в ближайшее время станут эквивалентными отдельным документам EN и ISO. В рамках аэрокосмического сообщества Великобритании (~1990 г.) было достигнуто соглашение о перечне методов испытаний, имеющее обозначение CRAG (Composite Research Advisory Group). Аспекты этих методов фигурируют в prENs и впоследствии использовались при разработке стандартов ISO. 1.3. Образцы для испытаний При выборе формы и способа изготовления образцов из армированных КМ должны быть правильно смоделированы все условия и процессы изготовления предполагаемого материала, изделия или конструкции. Есть два принципиально отличных способа изготовления 8 ориентированных армированных пластиков: укладка слоев арматуры с последующим прессованием или контактным формованием и намоткой из нити («мокрый способ») или препрегом («сухой способ»). Форма образцов для механических испытаний должна позволять легко моделировать технологию изготовления материала. Наглядным примером удачного выбора формы является использование кольцевых и трубчатых образцов для исследования механических свойств намоточных материалов. В зависимости от способа изготовления образцы для механических испытаний армированных КМ делятся на плоские и тела вращения (кольца, трубы) (рис. 1.1). Плоские образцы в свою очередь делятся на стержни и пластины, кольцевые образцы могут быть дальше разрезаны на сегменты. Плоские образцы изготавливаются прессованием пакетов из соответственно уложенных, однонаправленных, пропитанных, например полимерным связующим, монослоев, кольцевые и трубчатые – намоткой. Рис. 1.1. Методы изготовления материала и соответствующие образцы и методы испытания 9 Для паспортизации плоских монослоев достаточно иметь образцы одинаковой формы, но с различной укладкой арматуры. Для паспортизации намоточных монослоев необходимы образцы разной формы: кольцевые и трубчатые. Кольцевые образцы из однонаправленного материала служат для экспериментального определения характеристик в направлении укладки арматуры, трубчатые с углом намотки 90° – характеристик перпендикулярно направлению укладки арматуры. Однако назначение трубчатых образцов этим не ограничивается. Трубчатые образцы с различной симметричной (относительно продольной оси образца) укладкой арматуры используют для определения характеристик сдвига и для изучения сложного напряженного состояния. Кроме технологических требований, оптимальный образец для механических испытаний армированных КМ должен удовлетворять следующим требованиям: применимость для всех видов механических испытаний; простота и дешевизна приспособления для проведения испытаний; простота установки в испытательной машине и проведения испытаний; воспроизводимость вида разрушения, его местоположения и численного значения прочности; применимость для установления упругих характеристик и исследования влияния окружающей среды; нечувствительность к способу крепления. Форма образца из армированных КМ в значительной степени зависит также от цели испытаний: проверка научных гипотез; техническая паспортизация материалов; контроль качества материалов. В научных исследованиях для оценки кокого-либо явления или эффекта могут быть применены специальные образцы и способы их нагружения, которые непригодны для серийных испытаний (например, к образцам этого типа относят образцы с укладкой арматуры под углом к направлению действия нагрузки или с неоднородной по толщине укладкой армированных слоев). Испытания для количественной оценки механических характеристик армированных КМ – основа для технической паспортизации материала и конструкторской работы. Для этих целей должны применяться простые, изготовленные предпочтительно из ортотропного материала образцы, в рабочей части которых однородное одноосное напряженное состояние. Для упрощения эксперимента и обработки результатов испытания в образцах этой группы должна быть обеспечена симметрия структуры как в плоскости, так и по толщине образца. В случае, когда последнее требование технологически невыполнимо (например, в намоточных изделиях), все побочные отрицательные явления, связанные с несимметрией структуры, устраняются выбором достаточно большого количества армирующих слоев. И, нако10 нец, образцы, применяемые в механических испытаниях для контроля качества изготовления армированных КМ и изделий из них, не обязательно должны быть пригодны для количественной оценки механических характеристик материала. Статистическая природа прочности армированных КМ обусловливает влияние геометрических размеров на прочность этих материалов в конструкции. В отличие от обычных конструкционных материалов, у армированных КМ чувствительность к масштабному эффекту проявляется даже при статическом нагружении в условиях однородного напряженного состояния. При растяжении кратковременная статическая прочность падает с увеличением площади поперечного сечения образца; уменьшение прочности наблюдается также и при малых толщинах образца. Пониженная прочность более толстых образцов объясняется тем, что с увеличением площади поперечного сечения возрастает вероятность появления дефектов, приводящих к снижению прочности. У тонких образцов снижение прочности является следствием относительно большого влияния повреждений поверхности (отсюда и более высокие требования к технологии изготовления и механической обработке образцов малых размеров) и нарушением условия перехода к сплошной среде (недостаточное количество слоев арматуры). Масштабный эффект армированных КМ имеет отчетливо выраженный анизотропный характер. Влияние размеров на прочность зависит от того, за счет какого размера происходит изменение объема. Так, например, опытные данные показывают, что у ПКМ изменение толщины образца влияет на прочность значительно сильнее, чем изменение ширины и длины. Также надо учитывать, что наличие сравнительно небольших источников концентрации напряжений (имеются в виду только механические повреждения структуры материала: трещины, царапины на поверхности, надрезы, а не резкие изменения формы изделия) приводит к заметному уменьшению прочности армированных КМ. Поэтому вполне справедливы весьма жесткие требования разных стандартов по чистоте механической обработки образцов и по обращению с ними; например, не допускается нанесение на образец разных отметок острым режущим инструментом. 1.4. Кондиционирование образцов и условия испытаний Поведение образца из КМ при испытании в значительной мере может быть обусловлено его предысторией. При этом образец сохраняет «память» не только об условиях его изготовления и длительно11 сти хранения, но и об условиях, в которых он находился непосредственно перед испытанием. Поэтому должны быть обеспечены как воспроизводимость условий изготовления, так и кондиционирование перед испытанием и определенные условия испытаний. Сокращенно условия кондиционирования и испытаний записываются формулой: время/температура/относительная влажность. Например, запись 40/23/50: означает, что образцы выдерживают 40 ч при температуре 23 °С и относительной влажности воздуха 50% и испытывают при 23 °С и относительной влажности воздуха 50%. Кондиционирование образцов должно проводиться в соответствии с требованиями нормативного документа и технической документации на полимерный композитный материал или готовое изделие ГОСТ 32656–2014 (ISO 527-4:1997, ISO 527-5:2009) «Композиты полимерные. Методы испытаний. Испытания на растяжение». При отсутствии указаний образцы кондиционируют при температуре (23±2) °С и влажности (50±10) °С в течение 16 ч. В стандарте ASTM D 618–00 описаны шесть типичных случаев кондиционирования (от А до F) образцов из жестких пластмасс перед испытанием. Случай А является общим для всех видов механических испытаний, если условия кондиционирования образцов не указаны особо. Случаи В – F регламентируют условия кондиционирования при повышенных температурах и относительной влажности воздуха. По случаю А рекомендуются два режима: 40/23/50 для образцов толщиной до 7 мм и 88/23/50 для образцов толщиной более 7 мм. Кондиционирование образцов проводится в термостате с принудительной циркуляцией воздуха. Комнатной считается температура от 20 до 30 °С. Если испытания проводят при повышенной или пониженной температурах, то образцы после предварительного кондиционирования в течение 0,5 ч переводят в условия испытания и выдерживают в этих условиях не больше 5 ч, по не меньше, чем необходимо для достижения термического равновесия. В зависимости от характера нагрузки механические испытания материалов разделяют па статические и динамические (вибрация, удар). Статические испытания характеризуются: плавным и относительно медленным изменением нагрузки на образец во время испытаний; настолько малой величиной ускорения движущихся во время испытаний частей испытательной машины, что возникающими в них силами инерции можно пренебречь; возможностью с достаточной точностью определять методом простого статического равновесия нагрузки, приложенные к образцу в любой момент испытаний; про12 стотой измерения деформации образца практически в любой момент испытания. Для проведения динамических ударных испытаний скорость нагружения и деформаций на 3…10 порядков и более выше аналогичных показателей, чем при статическом нагружении. Статические испытания материалов разделяют на кратковременные и длительные. Если термин «длительные статические испытания» не требует особых пояснений, то термин «кратковременные статические испытания» до сих пор нуждается в уточнении и обосновании, так как в различных методиках время от начала нагружения до полного разрушения лежит в пределах от единиц секунд до единиц минут. Так, например, скорость нагружения, согласно ГОСТ 32656–2014, для разных типов образцов и целей проведения испытаний лежит в диапазоне 5…10 мм/мин при проведении периодических испытаний и 2 мм/мин при квалификационных испытаниях, измерении максимального удлинения и определении модуля упругости при растяжении. Отсутствие обоснованных рекомендаций по выбору режима нагружения требует предварительной проверки поведения образца из исследуемого материала под нагрузкой: остается ли нагрузка постоянной во времени, как изменяются деформации образца (например, удлинение или прогиб) после первого и нескольких последовательных нагружений. Резкое уменьшение нагрузки свидетельствует о разрушении образца или о ненадежности приспособлений (проскальзывание образца). «Тренировка» образца – неоднократное нагружение небольшой кратковременной нагрузкой – обычно уменьшает разброс измеряемых величин. Ступенчатое или непрерывное нагружение образца могут дать резко различающиеся результаты эксперимента. Поэтому все особенности поведения образца и режимы нагружения следует фиксировать в протоколе испытаний. 2. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ 2.1. Испытания на одноосное растяжение Одноосное растяжение – наиболее распространенный и хорошо изученный вид механических испытаний армированных ПКМ, который стандартизован в России и за рубежом. Популярность одноосного растяжения как метода испытаний объясняется главным образом простотой осуществления и легкостью 13 обработки и анализа результатов испытания. Характеристики, полученные при одноосном растяжении, служат не только для паспортизации материала, но и для оценки его несущей способности; практически все критерии прочности включают прочность при одноосном растяжении. При кажущейся простоте испытания на растяжение имеют ряд принципиальных особенностей, обусловленных структурой и свойствами армированных КМ. Главная трудность испытаний на растяжение армированных КМ состоит в создании однородного напряженного состояния по всей длине мерной базы. Требования к однородности напряженного состояния различны при определении упругих постоянных и прочности; упругие и прочностные характеристики зачастую изучаются на образцах разной формы. Принцип Сен-Венана значительно хуже выполняется для анизотропных материалов, чем для изотропных. По сравнению с традиционными материалами резко возрастают зоны краевого эффекта. В этой связи стремление получить надежные данные о жесткости при заданной длине мерной базы, т.е. того участка образца, на котором происходит измерение деформаций, приводит к увеличению длины образца. Это в свою очередь обусловливает возможность перехода от одного вида разрушения к другому. Наиболее частые ошибки при оценке прочности состоят в том, что применяемый аппарат для обработки результатов испытания не соответствует реализованному в эксперименте виду разрушения. Формула для подсчета прочности при растяжении предполагает один вид разрушения – разрыв образца перпендикулярно его продольной оси. Однако на практике часто наблюдается разрушение образца вследствие продольного расслоения или отслоения ряда слоев, среза, разрыва вне рабочей части, в захватах испытательной машины. Особенно часты такие погрешности при растяжении под углом к направлению укладки арматуры. Они должны быть исключены правильным выбором размеров образца и способа его крепления. Способ крепления должен обеспечивать также надежное фиксирование образцов из высокопрочных КМ, особенно однонаправленных, которые весьма податливы в направлениях, перпендикулярных укладке арматуры, и часто проскальзывают в захватах. 2.1.1. Измеряемые величины При испытаниях армированных КМ на одноосное растяжение определяются прочность Пх+, модуль упругости Ех+ и коэффициенты Пуассона ν+ух и ν+zx (направления осей: х – продольная ось образца; для плоского образца ось у направлена по ширине, z перпендикулярна 14 его плоскости). Необходимые для подсчета этих характеристик напряжения и деформации определяются в рабочей части образца. Под рабочей частью образца понимают тот его участок, в котором надлежащим выбором формы и размеров обеспечено однородное напряженное состояние. На рабочей части образца выделяется мерная база l, в пределах которой измеряют деформации и в пределах которой должно произойти разрушение образца. Длина мерной базы равна или несколько меньше длины рабочей части. Если в рабочей части образца создано однородное напряженное состояние, то напряжение в направлении продольной оси образца ζх+ = P+/F, где ζх+ – условное нормальное напряжение в поперечном сечении образца; P+ – растягивающая разгрузка; F – площадь поперечного сечения рабочей части образца перед испытанием. При разрушении образца, когда Р+= Р+разр, кратковременная статическая прочность при растяжении Пх+ = Р+разр / F. Разрушающая нагрузка Р+разр определяется по шкале испытательной машины или по диаграмме деформирования. Условная относительная продольная деформация εх+ = Δl / l, где Δl = l1 – l – абсолютное удлинение мерной базы образца при увеличении нагрузки на ΔP; l и l1 – длины мерной базы образца до и после нагружения. Модуль упругости E x x x P l P 1 , F l F x (2.1) где ΔP – приращение нагрузки; F – площадь поперечного сечения рабочей части образца (применимы только образцы с рабочей частью постоянного поперечного сечения); l – база тензометра; Δl – деформация на базе l при изменении нагрузки на ΔP; εх+ – относительная деформация, измеряемая тензодатчиками сопротивления в рабочей части образца при изменении нагрузки на ΔP. 15 На практике модуль упругости Е+х часто находят непосредственно по диаграмме деформирования. Если диаграмма деформирования не имеет линейных участков, то возможно определение лишь касательного или секущего модуля упругости. Коэффициенты Пуассона вычисляют по формулам yx y x ; zx z x l поп l прод поп , l поп l прод прод или (2.2) где Δlпоп – поперечная деформация образца на базе lпоп; Δlпрод – продольная деформация образца на базе lпрод. Входящие в формулы (2.1) и (2.2) величины Δlпрод / lпрод = ε+прод и Δlпоп / lпоп = ε+поп могут быть непосредственно замерены тензодатчиками сопротивления. Продольные и поперечные деформации образца измеряют при помощи механических, оптико-механических тензометров или тензодатчиков сопротивления. Механические тензометры наиболее надежны, но они применимы лишь для образцов с достаточно большой рабочей частью. На поверхности образцов, например, из углепластиков механические тензометры иногда скользят, поэтому обязательно их дублирование тензодатчиками сопротивления. Использование тензодатчиков сопротивления (проволочных, фольговых) требует определенных навыков (их наклейка и обращение с усилительной и регистрирующей аппаратурой), но они применимы практически для образцов всех размеров, измеряют непосредственно относительную деформацию ε и не создают дополнительной нагрузки на образец. Однако следует иметь в виду, что в случаях, когда растягивающая нагрузка действует перпендикулярно направлению укладки арматуры в наружных слоях материала, показания тензодатчиков сопротивления из-за растрескивания матрицы материала образца могут оказаться неверными. Кроме того, следует устанавливать такие тензодатчики сопротивления, у которых коэффициент поперечной тензочувствительности равен или близок к нулю. 2.1.2. Форма и размеры образцов Форма образца для испытаний на растяжение должна отвечать общепринятым требованиям: в рабочей части, в которой измеряют 16 деформации и напряжения, должно быть однородное напряженное состояние; разрушение должно произойти в расчетном сечении. О правильности выбора формы образца свидетельствуют измеренная кратковременная статическая прочность материала, разброс измерений, расход материала и стоимость изготовления. Несмотря на наличие государственных и ведомственных стандартов, на практике в настоящее время еще не существует общепринятого подхода к выбору единой формы, размеров, способов крепления образцов в захватах испытательной машины. Кроме того, в отличие от испытаний изотропных однородных материалов, упругие постоянные и прочность армированных КМ не всегда можно определить на образцах одной и той же формы. При нахождении упругих постоянных должно быть обеспечено однородное напряженное состояние по всей длине рабочей части. Поэтому неприменимы образцы с переменным поперечным сечением по длине. Нагрузка на образец, как правило, значительно меньше разрушающей, поэтому при выборе формы образцов оценка влияния концентрации напряжений вне рабочей части образца – задача второго плана. Прочность, наоборот, связана с выбором формы и размеров образца, при этом влияние концентрации напряжений в любой части образца должно быть сведено до таких размеров, чтобы обеспечить разрушение материала в расчетном сечении образца. Для определения прочностных и жесткостных характеристик армированных КМ при растяжении применяют три типа образцов: плоские (двусторонние лопатки, полоски, трехслойные балки), кольцевые и трубчатые. Двусторонние лопатки служат для определения упругих постоянных и прочности при растяжении. Для образцов этой формы в целом характерно неоднородное напряженное состояние, однако при правильном выборе размеров однородность можно обеспечить в рабочей части. Двусторонние лопатки показывают более высокие и стабильные результаты, чем образцы-полоски, что объясняется меньшей изгибной жесткостью их рабочей части и, следовательно, меньшим влиянием изгиба вследствие неточности установки образца в испытательной машине. Тем не менее, геометрия и размеры двусторонних лопаток существенно различаются в различных стандартах в зависимости от типа КМ, условий испытаний, условий закрепления и т.п. (табл. 2.1). 17 Т а б л и ц а 2.1 Виды двусторонних лопаток для испытаний на растяжение для различных типов КМ Размеры образца, мм ГОСТ 32656– 2014 ASTM C127518* L3 ПКМ 150 КМК 150 ОСТ 921459– 77 УУКМ 120 L 115±1 – – – Обозначение ГОСТ Р 56656–2015 ММК 152 Общая длина Исходное расстояние между захватами Длина узкой параллельной части Измерительная база Ширина на концах Ширина узкой части L1 60±0,5 – – – L0 B2 B1 50±0,5 20±0,2 10±0,2 35 12 8 40±0,5 30±0,2 10±0,1 Толщина h 2…10 3…4 8…10 Радиус R 60 254 35 26 13 10 Не определяется – * Стандарт ASTM C1275–18 (как и ASTM C1359−13) предлагает восемь вариантов образцов типа «двусторонние лопатки» Двусторонняя лопатка может быть создана тремя способами продольного профилирования: изменением поперечного сечения образца за счет уменьшения его толщины, ширины или толщины и ширины одновременно. В последнем случае получаем двойную двустороннюю лопатку; для обеспечения симметрии формы образца тогда требуется высокая точность механической обработки. Наиболее эффективным способом уменьшения рабочего сечения является изменение его ширины, однако соблюдение условий передачи растягивающей нагрузки в этом случае приводит к слишком большой длине образца. Изменение толщины образца допустимо только для материалов с однородной по толщине укладкой арматуры; в противном случае строение мате18 риала в расчетном сечении образца может и не соответствовать строению материала в целом. Уменьшение толщины рабочей части, т. е. изгибной жесткости образца в плоскости, перпендикулярной укладке арматуры, предпочтительно и потому, что в этой плоскости неточность установки образца в захватах испытательной машины и, следовательно, влияние изгиба наибольшие. Из-за относительно большой площади скалывания двойные двусторонние лопатки особенно пригодны при испытаниях однонаправленно армированных КМ, т.е. материалов с наибольшим отношением прочностей П+х /Пxz. Продольный профиль двусторонней лопатки должен быть выбран таким, чтобы полная растягивающая нагрузка передавалась к расчетному сечению образца без нарушения целостности последнего. Основной ограничивающий фактор – прочность межслойного сдвига, превышение которой ведет к скалыванию и расслоению образца. При определении минимального сечения образца необходимо принимать компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоположным требованиям: обеспечение достаточного объема испытываемого материала (с учетом масштабного эффекта) и учет реальной растягивающей нагрузки, которая зависит от мощности испытательной машины и от надежности способа передачи этой мощности образцу. Для улучшения передачи растягивающих нагрузок от захватов испытательных машин при испытании двусторонних лопаток применяют накладки из стеклотекстолита, древесного шпона, алюминия и др., наклеенные на концевые части образца. При этом модуль упругости материала накладок должен быть меньше, а относительное удлинение при разрыве больше соответствующих характеристик испытуемого материала образца. Толщину накладки рассчитывают по формуле hнакл = (1,5 ÷ 4)h, где h – толщина образца. Для улучшения центрирования образцов целесообразно просверливать в их концевых частях центрирующие отверстия. Стремление к унификации форм образцов, простоте их изготовления и к исключению отрицательных явлений, присущих двусторонним лопаткам (скалывание, продольное расслоение), привели к созданию и широкому внедрению образцов наиболее простой формы – полосок. При надлежащем исполнении образцы этого типа универсальны, т.е. пригодны для определения прочности и упругих постоянных. Такие образцы обеспечивают наиболее стабильные измерения, однако они тоже не лишены недостатков. Главный из них – трудность обеспечения надежного крепления в испытательной машине. Поскольку полоски не имеют рабочей части с уменьшенным поперечным сечением, то при одинаковой прочности испытываемого материала необ19 ходимая растягивающая нагрузка значительно больше, чем у двусторонних лопаток. Для повышения надежности крепления и улучшения передачи растягивающих нагрузок к образцу приклеивают накладки. Геометрические размеры некоторых типов стандартизированных полосок для разных типов КМ при испытаниях на растяжение приведены в табл. 2.2. Возможно также испытание полосок без накладок. Т а б л и ц а 2.2 Виды полосок из ПКМ для испытаний на растяжение ГОСТ 32656– 2014 ASTM D3039 M-17 ПКМ Однонаправленный ПКМ (0º) 250 250 ПКМ на основе высокомодульных волокон 350 L2 150±1 – – 88 Ширина b1 25±0,5 (50±0,5) 15 25±0,5 10 Толщина h 2…10 1 2…9 Не определяется L0 50±1 – – – L1 50 56 100 32 1…3 1,5 (0,5÷1) h Не определяется 3±0,25 Нет Нет Нет Размеры образца, мм Общая длина Расстояние между концевыми выступами Измерительная база Длина концевых выступов Толщина концевых выступов Диаметр центрирующих отверстий Обозначение D 20 ОСТ* 92-1459–77 ГОСТ Р 56656–2015 ММК 152 Трехслойные балки применяют для определения упругих постоянных и прочности растяжении материалов с симметричной относительно оси образца укладкой арматуры и коэффициента Пуассона. Создание трехслойных балок было обусловлено главным образом трудностями испытаний высокомодульных и высокопрочных армированных пластиков на растяжение и сжатие. В настоящее время они используются мало и в основном только в исследовательской практике. Крепление образцов. Испытания на растяжение проводятся на испытательных машинах с достаточным разрывным нагружением. Погрешность измерения нагрузки по шкале машины не должна превышать ±1%. Желательно, чтобы рабочие нагрузки находились в пределах от 10 до 90% выбранной шкалы нагрузки испытательной машины. Образец исследуемого материала после тщательного обмера его рабочей части устанавливают в захваты испытательной машины, центрируют и зажимают. При испытаниях на растяжение любых материалов, особенно высокопрочных, высокомодульных и сильно анизотропных армированных КМ, одной из наиболее трудных операций является точная установка (центрирование) образцов в захватах испытательных машин. Для армированных КМ недопустима наблюдаемая при механических испытаниях металлов установка образцов «на глаз» и замыкание клиновых захватов ударом, так как это приводит к неточному произвольному фиксированию образца в захватах и к повреждению испытываемого материала. Захваты испытательных машин обычно самоцентрирующие, с цилиндрическими или шаровыми шарнирами, однако вследствие трения в их узлах при установке образца всегда имеет место некоторое отклонение оси образца от направления действия нагрузки. Это вызывает изгиб образца, неравномерное распределение деформаций в его рабочей части и преждевременное разрушение материала образца, особенно у хрупких материалов, к которым относится большинство армированных КМ. Кроме того, перекосы при установке образцов в захватах испытательных машин легко приводят к проскальзыванию образца. Поэтому на практике постоянно стремятся улучшить центровку и крепление образцов. Все известные способы сводятся в принципе к двум: 1) образцы в их концевых частях имеют точно расположенные отверстия, в которые вставляются фиксирующие пальцы; 2) положение образца фиксируется под небольшой нагрузкой при открытых захватах испытательной машины. 21 Фиксирующие пальцы служат для точной и воспроизводимой установки образцов, но одновременно они до определенного предела предотвращают проскальзывание образцов в захватах. Конструктивное выполнение узлов крепления образцов может быть разным. Наиболее простым является случай, когда фиксирующие пальцы опираются в V-образные пазы захватов (рис. 2.1). Рис. 2.1. Крепление образца при помощи фиксирующих пальцев, опирающихся в пазы захватов: 1 – испытываемый образец; 2 – накладки Растяжение кольцевых образцов в их плоскости осуществляется при помощи внутреннего давления, которое создается жесткими полудисками – так называемый NOL-метод (рис. 2.2, а и б), податливым кольцом (рис. 2.2, в) или гидростатически (рис. 2.2, г). а) б) в) г) Рис. 2.2. Схема нагружения кольцевых образцов на растяжение при помощи: а, б – жестких полудисков; в – резинового кольца; г – гидростатически; Р – растягивающая нагрузка; р – давление сжатия (растяжения); R – радиус образца; h – толщина образца 22 Метод растяжения полудисками стандартизован в США (ASTM D 2291–16) и широко используется во всем мире. Стандартом ASTM установлены следующие размеры колец после механической обработки: внутренний диаметр, мм 146,05±0,05 ширина, мм толщина, мм 6,35+0,13 1,52±0,05 (3,18±0,05) Стандартный кольцевой образец из высокопрочных и высокомодульных ПКМ по ГОСТ 25.603–82 имеет следующие размеры: внутренний диаметр 150,1±0,1 мм; толщину 2±0,1 мм; ширину 8±0,1 мм для материалов, армированных только в окружном направлении, и 15±0,1 мм – для материалов, укладка волокон которых отличается от однонаправленных. При этом допускается применение образцов, соотношение внутреннего диаметра к толщине которых составляет от 50 до 150, а размеры образцов должны быть в пределах: внутренний диаметр 100,05…300,05 мм; толщина 1,5…6 мм; ширина 6…15 мм для материалов, армированных только в окружном направлении, и 10…20 мм для материалов, армированных в двух перпендикулярных направлениях. Одна из главных проблем при испытаниях кольцевых образцов по NOL-методу – это появление изгибающих деформаций в зоне зазора между растягивающими полуРис. 2.3. Кольцевой обдисками, что приводит, прежде всего, к разец из КМ с полукольцевыми прорезями, заниженным показателям по прочности на размещенный на испырастяжение. тательном стенде Для нивелирования деформации изгиба на боковых поверхностях кольца делают полукольцевые прорези (по ASTM D 2290–16) (рис. 2.3). Этим обеспечивается разрушение кольца в определенном сечении и уменьшается влияние изгиба, однако при этом усиливается роль концентрации напряжений. Другим вариантом решения данной проблемы является изготовление колец с прямолинейными срединными участками (рис. 2.2, б). Однако трудно устранимые технологические несовершенства при изготовлении образцов такой формы зачастую сводят на нет выигрыш в однородности напряженного состояния образца. 23 В настоящее время метод растяжения полудисками используют для определения модуля упругости, прочности при растяжении в окружном направлении и сопротивления сдвигу. Для этих целей служит приспособление, изготовленное по ASTM D 2290–16 (рис. 2.4, а), но возможны и более простые конструктивные исполнения (рис. 2.4, б). При выборе схемы приспособления, однако, следует учесть, что с увеличением расстояния между шарнирами крепления в испытательной машине влияние неточности установки приспособления уменьшается. Кольца, изготовленные намоткой на многосекционную оправку или вырезанные из цилиндров, при испытаниях надеваются на полудиски, которые с помощью приспособления устанавливаются в испытательной машине. Перед надеванием колец их контактные поверхности и приспособление смазывают (графитовые смазки) или применяют прокладки, уменьшающие трение (например, ленты из фторопласта). Скорость перемещения захватов испытательной машины по ASTM D 2290–16 равна 2,5 мм/мин. а) б) Рис. 2.4. Приспособления для испытаний колец жесткими полудисками: а – по ASTM D 2290–16; б – по ГОСТ 25.603–82; 1 – образец; 2 – полудиск; 3 – тяга Широкое распространение получили схемы нагружения, при которых рабочим телом, создающим равномерное давление на внутрен24 ней поверхности кольца, являются резина или жидкость. Они применяются для определения модуля упругости и прочности материала в окружном направлении. При равномерном внутреннем давлении исключаются явления, связанные с изгибом кольца в месте разъема жестких полудисков, поэтому погрешность этих методов меньше зависит от относительной толщины кольца h/R и степени анизотропии материала. При нагружении при помощи податливого кольца давление на образец обычно создается путем сжатия в замкнутом объеме резинового кольца (рис. 2.5, 2.6). Чтобы исключить трение контактные поверхности также смазывают или устанавливают специальные прокладки. В эксперименте измеряют сжимающие силы, приложенные к торцам резинового кольца, и окружную или радиальную деформацию. Чтобы избежать погрешностей при пересчете сжимающей силы, для определения контактного давления используют метод тарировки приспособления при помощи стального кольца с тензодатчиками, помещаемого на место испытываемого образца. Деформации измеряют при помощи тензодатчиков сопротивления, радиальные перемещения – преобразователем деформации. Модуль упругости вычисляют по формуле E0 pDвн 2h , (2.3) где р – давление, создаваемое резиной на внутреннюю поверхность кольца; Dвн – внутренний диаметр кольца; εΘ+ – относительная деформация, измеряемая на наружной поверхности кольца датчиком перемещений. Рис. 2.5. Схема приспособления для нагружения кольцевого образца при помощи внутреннего резинового кольца: 1 – наружный диск; 2 – образец; 3 – нажимное кольцо; 4 – резиновое кольцо; 5 – внутреннее кольцо; 6 – дистанционная прокладка 25 Рис. 2.6. Схема установки для нагружения кольцевого образца при помощи фасонного кольца: 1 – основание; 2 – образец; 3 – крышка; 4 – фасонное кольцо; 5 – втулка Прочность определяют по формуле П 0 pразр Dвн 2h , (2.4) где рразр – давление при разрушении образца. При тарировке давление р равно: p R2 1 Eст 2н 1 , R 2 вн где Rн, Rвн – наружный и внутренний радиусы стального кольца; εΘ – относительная деформация, определяемая тензодатчиками сопротивления, наклеенными на наружную поверхность стального кольца при нагружении его внутренним давлением; Ест – модуль упругости стали. Нагружение при помощи эластичного кольца требует достаточно высоких давлений (200 МПа и более), что приводит к затеканию резины в малейшие щели и неровности поверхности образца, в результате могут возникнуть осевые напряжения, способные вызвать расслоение кольца. Недостатков, присущих описанным ранее методам, во многом лишены испытания, при которых растяжение создается при помощи гидростатического давления. В испытываемое кольцо помещают упругий вкладыш-подушку, куда из гидравлической системы подается давление р. Замеряют давление и окружную деформацию. Модуль упругости и прочность материала определяют по формулам (2.3) и (2.4). Основной недостаток метода – необходимость в специальном, сравнительно сложном и дорогом оборудовании для создания давления. При испытаниях трубчатых образцов оцениваются механические характеристики намоточных материалов с различной укладкой арматуры. Трубчатые образцы могут быть нагружены на осевое растяжение и сжатие, на кручение, внутренним или наружным давлением. Причем эти нагрузки могут быть приложены как раздельно, так и в разных сочетаниях, например, осевое растяжение с внутренним давлением или кручением. По геометрии трубчатые образцы для осевых испытаний на растяжение могут быть чисто цилиндрическими (рис. 2.7) или с конусными или цилиндрическими накладками (рис. 2.8). Образцы с концевыми накладками могут использоваться и для других типов самостоятельных или комбинированных видов нагружений. 26 Рис. 2.7. Схема закрепления цилиндрического образца без накладок в приспособлении для осевого растяжения: 1 – клей; 2 – сферические шайбы для самоцентрирования Рис. 2.8. Трубчатый образец с цилиндрическими накладками для одноосных и гидравлических испытаний на осевое и трансверсальное растяжение При растяжении образцов главной трудностью является крепление образцов в испытательной машине. Трубчатые образцы устанавливают в испытательной машине при помощи специальных зажимов, которые должны обеспечить надежное крепление образца, предотвратить разрушение его концевых частей вследствие обжатия и скалывания и в то же время внести минимально возможные искажения в напряженно-деформированное состояние образца. Эти требования противоречивы. Надежность крепления и защита концевых частей образца требуют применения массивных и жестких зажимов, однако только из-за их большой жесткости может наблюдаться заметное понижение прочности образцов. В случае жестких зажимов окружные и радиальные деформации концевых сечений образца отсутствуют, поэтому в них возникают весьма заметные изгибные напряжения, кото27 рые передаются даже на зажимное приспособление и приводят к преждевременному разрушению образца. Если трубчатый образец по концам имеет утолщения, то конструкция зажимов должна обеспечивать приложение растягивающих или сжимающих нагрузок срединной плоскости образца. При испытаниях трубчатых образцов на осевое растяжение можно определить поперечную прочность Пz+, модули упругости Ez+, коэффициент Пуассона νθz. Согласно ГОСТ Р 57857–2017 и ASTM С1773–13, используют образцы цилиндрической формы из КМК, которые должны удовлетворять следующим требованиям: наружный диаметр 10…150 мм; толщина стенки 1…25 мм; отношение наружного диаметра к толщине стенки в диапазоне 5…30. Если иное не установлено в нормативном документе или технической документации на изделие, рекомендуется выбирать размеры образца исходя из следующих соотношений: 2 < L/d0 < 3 и 15 < L/h < 30, где L0 – длина зажимного участка образца; d0 – наружный диаметр образца; h – толщина стенки рабочего участка образца. Толщина стенки образцов с наклеиваемыми и формуемыми захватными участками в месте захвата должна превышать толщину стенки рабочего участка образца не менее чем в два раза. Для определения трансверсальной прочности ПКМ ζ22+ (перпендикулярно направлению армирования), согласно ГОСТ Р 57045–2016, необходимы трубчатые образцы без концевых накладок (рис. 2.6), имеющие следующие размеры: длина 140,0±0,3 мм, внутренний диаметр 100,0±0,4 мм, толщина стенки 2,0±0,3 мм. Поперечную прочность на растяжение ζ22+ рассчитывают по формуле 22 Рмах F , где Рмах – максимальная растягивающая нагрузка; F – площадь попе2 2 2 речного сечения, F 4 ( Dн2 Dвн ) , Dвн , Dн – средние значения внутреннего и наружного диаметров. для ε11 и Среднее значение основной деформации материала ε11 ε 22 для ε22 для тензорезисторных розеток рассчитывают по следующим формулам: n n 11 11 i 1 22 n 28 22 i 1 n , где n – количество тензорезисторных розеток на испытуемом образце и 22 – дефор(обычно три по окружности через 120º) (рис. 2.9); 11 мации в направлении волокна (по окружности), перпендикулярны направлению армирования для i-й розетки соответственно, 1 2 1 ((1 3 ) 2 (22 1 3 ) 2 )1 / 2 ; 2 2 1 2 1 22 ((1 3 ) 2 (22 1 3 ) 2 )1 / 2 ; 2 2 11 1 , 2 , 3 – скорректированные значения деформации 1-го, 2-го и 3-го тензорезисторов i-й розетки. Рис. 2.9. Вид тензорезисторной розетки Поперечный модуль упругости при растяжении Е22+ и коэффициент Пуассона ν21 рассчитывают по формулам: Е22 22 22 21 11 , 22 где Δζ22+ – разность приложенной растягивающей нагрузки в двух точках; 22 – разность деформаций растяжения в двух точках (номинальные – 0,001, 0,002 или 0,005); 11 – разность средних значений деформации по окружности для двух точек. Испытания труб с применением внутреннего давления служат для контроля качества намоточных изделий при углах намотки, отличных от нуля, и для исследования механических свойств материала, в основном окружного модуля упругости EΘ и прочности ПΘ. При нагру29 жении внутренним давлением в трубчатом образце, закрытым уплотняющими заглушками (или с компенсирующими осевое растяжение осевыми сжимающими силами, создаваемыми испытательной машиной) и не воспринимающим осевую нагрузку, создается двухосное напряженное состояние, т.е. в нем действуют окружные (ζ) и радиальные (ζr) напряжения. Если труба тонкостенная, то радиальными напряжениями можно пренебречь. Размеры трубчатых образцов с цилиндрическими накладками для испытаний при воздействии внутреннего давления в полной мере не определены стандартами. Внешние размеры, размеры рабочих зон, толщины образцов во многом определяются типом КМ и техническими возможностями испытательного оборудования. Анализ научных исследований показывает, что наиболее часто длина образца лежит в пределах 250…300 мм, рабочая зона 100…120 мм, толщина стенки 1…4 мм. При этом следует учитывать, что для обеспечения чисто окружного растягивающего нагружения часто необходимо компенсировать осевые растягивающие напряжения x pD 4h , где р – внутреннее давление; D – средний диаметр образца; h – толщина стенки образца. Однородность напряженного состояния стенки трубы зависит от степени анизотропии исследуемого материала Еz /ЕΘ и от отношения R/h, т.е. для обеспечения одинакового распределения окружных напряжений по толщине стенки, например, относительную толщину образца из углепластика нужно уменьшать примерно в четыре раза по сравнению с образцом из стеклопластика, так как понятие «тонкостенная труба» связано с анизотропией материала. Давление внутри трубчатых образцов создается гидравлически (рабочая жидкость гидросистемы – обычно вода или масло), иногда применяется инертный газ (например, азот). Окружные напряжения в тонкостенных трубах и модуль упругости вычисляют по формулам E pD 2h , pD 2h где р – давление в гидросистеме; D – средний диаметр образца; h – толщина стенки образца; εΘ – относительная окружная деформация при внутреннем давлении р, измеряемая тензодатчиками сопротивления. Измерение деформаций трубчатых образцов аналогично измерению деформаций при растяжении плоских образцов. Измерители де30 формаций размещают, как правило, по диаметру сечения образца; количество пар измерителей деформаций зависит от цели испытаний и размеров образца. Максимальные окружные и радиальные напряжения в толстостенных трубах при внутреннем давлении определяют по формулам Ламе: max 2 Rн2 Rвн 2 Rн2 Rвн r max р 2 Rвн Rн2 2 Rн2 Rвн р, где Rвн, Rн – внутренний и наружный радиусы образца; р = рразр – разрушающее давление. При испытаниях на растяжение КМ с полимерной, керамической и металлическими матрицами используют также образцы с цилиндрической рабочей частью и с цилиндрическими участками под захваты (с резьбой и без нее), с размещенными на них заплечиками или адаптерами (рис. 2.10–2.13). Рис. 2.10. Образец из ПКМ по ГОСТ Р 57864–2017 и ASTM D7291/D7291М–07 с наклеиваемыми нагружающими блоками: А – образец с уменьшенным диаметром рабочей части; В – зоны склейки заформованных нагружающих блоков 31 Рис. 2.11. Образец из ММК по ГОСТ Р 56656–2015 и ASTM D3552–17 с заплечиками (в стандартах предусматривается 5 вариантов типоразмеров): 1 – варианты углов заплечика Рис. 2.12. Образец из КМК по ГОСТ Р 57802–2017 и ASTM С1468–13 с наклеенными адаптерами под захваты Рис. 2.13. Образец из стеклопластика, полученный методом пултрузии, с адаптерами по ГОСТ Р 56650–2015 и ASTM D3916–08: 1, 3 – адаптеры для захватов; 2 – образец; l0 – длина рабочей части образца (305…1220 мм); диаметр рабочей части 3,2…25,4 мм 32 2.2. Испытания на одноосное сжатие 2.2.1. Общие положения Испытания армированных КМ на сжатие, особенно в направлениях укладки арматуры, являются распространенным видом испытания. Привлекают кажущаяся простота нагружения, измерения нагрузки и деформации, простота используемого аналитического аппарата. Сжатие – очень распространенный вид деформации в конструкциях, поэтому корректное проведение испытаний на сжатие не менее важно, чем на растяжение. Этот вид испытаний стандартизован в России и за рубежом. Формально все основные зависимости, относящиеся к испытаниям армированных КМ на растяжение (см. подразд. 2.1) в направлениях главных осей упругой симметрии материала, сохраняются и для сжатия, конечно, с учетом направления деформирования. В то же время испытания армированных КМ на растяжение и сжатие качественно отличаются значительнее, чем соответствующие испытания изотропных материалов. Виды разрушения армированных КМ при сжатии зависят от схемы армирования материала, механических характеристик его компонентов, относительных размеров образца, определяющих общую потерю устойчивости, направления действия нагрузки относительно арматуры, технологических несовершенств при изготовлении испытываемого материала и образца. При сжатии однонаправленно армированных КМ в направлении армирования в зависимости от жесткости матрицы могут наблюдаться три основные вида разрушения образцов. 1. Для армированных КМ с матрицей из низкомодульных связующих (с модулем упругости Ем = 15 ÷ 25 МПа) критическим является местное выпучивание армирующих волокон. В этом случае на несущую способность материала при сжатии существенно влияют технологические несовершенства (начальное искривление армирующих волокон, неравномерное распределение арматуры). 2. При испытаниях армированных КМ с матрицей средней жесткости (Ем = 200 ÷ 700 МПа) наблюдается поперечный разрыв материала из-за различия коэффициентов Пуассона компонентов материала и неравномерности распределения поперечных деформаций по длине образца. В этом случае окончательное разрушение образца тоже может происходить от местного выпучивания армирующих волокон, но критическая нагрузка будет определяться характеристиками уже частично поврежденного материала. 33 3. При испытаниях однонаправленных армированных КМ с жесткой матрицей (Ем > 2000 МПа) разрушение материала проис-ходит от сжатия (срез армирующих волокон под углом 45°) без местного выпучивания арматуры. Если нагрузка перпендикулярна направлению укладки волокон, то образец обычно разрушается от потери устойчивости при напряжениях, отвечающих сдвиговой прочности матрицы. При этом образец распадается на призматические куски. Выше перечислены основные виды разрушения. Они могут сопровождаться рядом других явлений: неупругим и нелинейным поведением армирующих волокон и особенно матрицы, межслойными напряжениями, поверхностным отслоением, общей потерей устойчивости, смятием по торцам, скалыванием по слою. Разное сочетание всех этих явлений может существенно затруднить установление вида разрушения. Многочисленность факторов, свойственных окончательному разрушению образца, делает прочность армированных КМ при сжатии, определяемую как разрушающая нагрузка, деленная на площадь поперечного сечения образца, еще более условной характеристикой, чем в случае испытания изотропных материалов. Без четкого ука-зания вида разрушения результаты испытания армированных КМ на сжатие не сопоставимы. На результатах испытаний на сжатие сказывается также трение по опорным поверхностям образца. Если для металла уменьшение трения между опорными поверхностями способствует сохранению формы образца во время испытаний и повышению его сопротивления сжатию, то уменьшение трения по торцевой поверхности образцов из армированных КМ приводит к уменьшению измеренной прочности. 2.2.2. Форма и размеры образцов Результаты испытаний КМ на сжатие в еще бóльшей степени зависят от формы и размеров образцов, чем результаты испытаний на растяжение. Различными стандартами для испытаний на сжатие КМ с различными типами матриц предусмотрены призматические, плоские (лопатки, полоски, бруски), кольцевые и цилиндрические образцы (тонкостенные и монолитные). Различают три способа нагружения плоских образцов при испытаниях на сжатие: осевыми (нормальными) силами по торцам образца (рис. 2.14, а); нормальными и касательными нагрузками по боковым 34 граням образца (рис. 2.14, б); совместными нагрузками по торцам и боковым граням образца (рис. 2.14, в). а) б) в) Рис. 2.14. Схемы испытаний плоских образцов на сжатие: а – сжатие по торцам; б – сжатие в клиновых захватах; в – комбинированная схема При нагружении по торцам образца (рис. 2.14, а) сжимающая нагрузка должна быть приложена через плоские параллельные полированные опорные поверхности. Точность приложения нагрузки и установки образца обеспечивается высокой точностью изготовления направляющих и опорных поверхностей специальных приспособлений. Образцы в приспособлениях могут стоять свободно или подпираться по бокам; концы их могут быть фиксированы в пазах, обеспечивающих точное приложение нагрузки. Этот метод регламентирован стандартами ISO 14126 метод 1, prEN 2850 тип B и др. Однако даже при самой тщательной обработке торцевых поверхностей образца при торцевом нагружении не удается создать полный контакт между опорной поверхностью образца и поверхностью шарнирно подвешенного пуансона испытательной машины. При нагружении образец сначала обжимается около выступающего края, вблизи которого и разрушается (скалывается) еще до достижения полного контакта опорных поверхностей, особенно у КМ с жесткой матрицей. Способ нагружения по боковым граням регламентирован стандартами ASTM D 3410–75, ISO 14126 метод 2, prEN 2850 тип А, ГОСТ 33519–2015 и др. Для нагружения образцов на сжатие касательными силами необходимы специальные приспособления. Составными частями приспособления, предложенного фирмой Celanese (рис. 2.15), являются самоцентрирующиеся разрезные конусные зажимные патроны 1 и конусные втулки 2, которые помещаются 35 внутри цилиндрической оболочки 4. Образец 3 вставляется в пазы зажимных патронов и вместе с ними – в конусные втулки. Собранный отдельно узел приспособления помещается в плотно прилегающую к нему цилиндрическую оболочку 4 и затем устанавливается между самоцентрирующимися опорными плитами испытательной машины. При нагружении торцевых поверхностей конусных втулок зажимные патроны плотно зажимают боковые опорные поверхности образца и таким образом за счет касательных нагрузок передают сжимающую осевую силу на рабочую часть образца. 1 2 3 4 Рис. 2.15. Приспособление для нагружения образцов на сжатие по методу Celanese Главный недостаток приспособления с конусными втулками состоит в том, что для обеспечения их свободного перемещения требуется высококачественная обработка рабочих поверхностей втулок. Альтернативой данной конструкции является приспособление, в котором конусные зажимные патроны заменены плоскими клиньями, которые при помощи болтов фиксируются к образцу (рис. 2.14, б). Комбинированный способ нагружения, т.е. одновременно по торцам и боковым граням образца (рис. 2.14, в), наиболее совершенен, но и наиболее трудоемок. Такой вид нагружения обеспечивает не только 36 самые высокие, но и наиболее стабильные результаты с наименьшим разбросом. Двусторонние лопатки для определения упругих постоянных и прочности при сжатии используют достаточно редко. При выборе размеров двусторонних лопаток из ПКМ можно опираться на ГОСТ 25.602–80 (рис. 2.16). Рис. 2.16. Двусторонние лопатки из ПКМ для испытаний на сжатие Двусторонние лопатки применяются и при испытании образцов из КМК по ASTM С1358–13. Образцы имеют следующие геометрические размеры: длина (min) 76,2 мм; ширина измерительной базы 12,7 мм; длина измерительной базы 30,5 мм; толщина 3 мм. Поверхности под захваты конусные, длиной 22,9 мм и шириной на торцах 17,8 мм. Скорость нагружения 35…50 МПа/с. Для испытаний на сжатие образцов из КМК при нормальных и высоких температурах соответственно по ГОСТ Р 57606–2017 (ISO 20504:2006) и ГОСТ Р 57605–2017 (ISO 14544:2013) точные размеры двусторонних лопаток не задаются. При этом их рекомендованные размеры определены следующим образом: длина узкой параллельной части ≥ 15 мм; толщина ≥ 2 мм; ширина в пределах длины узкой параллельной части ≥ 8 мм; ширина 1,2…2 ширины узкой части. Преимущество двусторонних лопаток – четко определенная рабочая часть. Основные недостатки – неоднородность напряженного состояния и более трудоемкое изготовление. Концевые части двусторонних лопаток могут быть защищены накладками. Бруски и полоски – это образцы наиболее простой формы. Их толщина h обычно равна толщине листа, из которого вырезан образец; при этом обязательно должно быть выполнено условие перехода к сплошной среде, т.е. количество слоев арматуры должно быть 37 больше минимально необходимого. Образцы вырезают в направлениях главных осей упругой симметрии материала, их строение (укладка арматуры) должно быть симметрично относительно продольной оси как по ширине, так и по толщине. При испытаниях полосок и брусков на прочность должно быть обеспечено их разрушение в пределах заданной рабочей части. Это достигается усилением концевых частей образца накладками, выбором способа нагружения и конструкции приспособления, позволяющей предохранить образец от продольного расслоения. Геометрические размеры некоторых типов стандартизированных полосок и брусков для КМ с различными типами матриц при испытаниях на сжатие приведены в табл. 2.3. Т а б л и ц а 2.3 Виды полосок и брусков из КМ для испытаний на сжатие Размеры образца, мм Общая длина Расстояние между концевыми выступами (измерительная база) Обозначение L1 ГОСТ 33519–2015 ПКМ – ASTM С1358–13 КМК 125 ОСТ 92-1460–77 УУКМ 15±0,5 L2 4–25 25 – 10 10 h 10±0,5 (15±0,5) Больше 1 min3 10 L1 Больше 60 50 Нет h1 1…3 1) нет 2) 1,6 Нет Ширина b Толщина Длина концевых выступов Толщина концевых выступов 38 Помимо двусторонних лопаток ГОСТ Р 57606–2017 (ISO 20504: :2006) и ГОСТ Р 57605–2017 (ИСО 14544:2013) при испытаниях на сжатие образцов из КМК при нормальных и высоких температурах допускает использование призм квадратного сечения, коротких цилиндров и цилиндров с уменьшинным диаметром рабочей части. При этом также точные размеры таких образцов не задаются. Для цилиндров и призм рекоменуется длина, ширина или диаметр ≥ 10 мм. Для цилиндров с уменьшенным диаметром рабочей части: длина узкой параллельной части l ≥ 15 мм; общая длина 1,5 l; диаметр рабочей части ≥ 8 мм. Плоские образцы типа «сэндвич»-балки служат для определения механических характеристик при сжатии в плоскости армирования однонаправленно армированных ПКМ внешнего слоя «сэндвич»конструкций испытанием на четырехточечный изгиб (рис. 2.17) (ГОСТ Р 56681–2015 и ASTM D 5467–97). Геометрические характеристики образцов для испытаний на изгиб приведены в табл. 2.4. Рис. 2.17. Схема испытаний на 4-точечный изгиб для определения прочности при сжатии в плоскости армирования однонаправленных ПКМ: 1 – материал внутреннего слоя образца; 2 – верхняя грань образца; 3 – резиновые пластины; 4 – опора; 5 – нижняя грань образца; hc – толщина материала внутреннего слоя образца; lт – плечо силы; w – ширина образца; у – расстояние между нейтральными осями материала внутреннего слоя и нижней гранью; а – расстояние между нейтральными осями верхней и нижней граней образца 39 Т а б л и ц а 2.4 Геометрические характеристики образцов для испытаний на изгиб Наименование параметра Длина образца L, мм Толщина верхней грани образца, мм Толщина материала внутреннего слоя образца, мм Толщина нижней грани образца, мм Плечо силы lт, мм Ширина образца w, мм размер шестигранных сот, мм Материал тип материала внутреннего ось w-L слоя плотность, г/м3 Нижняя грань Образец Образец типа А типа Б Направление армирования верхней грани, º 0 90 550 205 0,8 1,2 40 13 1,6 200 25 1,6 52,5 25 3…4 3…4 Алюминий В направлении пролета 368 Аналогично верхней грани Алюминий В направлении пролета 130 Сплав Д16 Кольца в плоскости сжимаются за счет наружного давления. Способы создания наружного давления, применяемые на практике, а также силовые факторы и варьируемые геометрические размеры образцов приведены на рис. 2.18. а) б) в) г) Рис. 2.18. Схемы нагружения кольцевых образцов наружным давлением при помощи жестких полудисков (а), резинового кольца (б), гидравлики или рычагов (в) и стальной лентой (г). 40 При испытаниях колец жесткими полудисками (рис. 2.18, а) для обработки результатов применяют формулы (2.3) и (2.4), однако при этом следует учесть особенности этого вида испытаний. При нагружении на сжатие в сечениях кольцевого образца наряду со сжимающими действуют изгибающие напряжения, величины которых зависят от механических характеристик материала и размеров образца, а также от конструкции приспособления. В стандартных приспособлениях обычно имеется некоторый зазор между полуобоймами. Опыт показывает, что аналогично случаю растяжения кольцевых образцов при помощи полудисков максимальные деформации в сечениях кольцевого образца наблюдаются около зазоров приспособления, на некотором расстоянии от зазоров деформации выравниваются. Для определения модуля упругости ЕΘ- остаются в силе все те же замечания, что и в случае растяжения при помощи полудисков. Из-за присущих недостатков, испытания колец при помощи полудисков могут быть рекомендованы только для качественной оценки упругих и прочностных свойств разных типов КМ. Нагружение наружным давлением при помощи резинового кольца (рис. 2.18, б) и гидравлики (рис. 2.18, в) проводится аналогично испытаниям на растяжение колец соответствующими методами. Уплотнительный вкладыш (при гидростатическом давлении) устанавливают по наружной поверхности, а тензодатчики монтируют на внутренней поверхности образца. Метод наружного давления используют также для определения модуля упругости в радиальном направлении Еr. Для этого надетый без зазора на жесткую оправку короткий цилиндр нагружается наружным давлением р. При испытаниях измеряют давление и окружную деформацию εΘ. Модуль упругости Еr определяют по формуле Еr ph (1 ν zr ν rz ), R где р – наружное давление; h – толщина стенки кольца; εΘ – относительная окружная деформация, измеряемая на наружной поверхности цилиндра; R – средний радиус кольца; νzr, νrz – коэффициенты Пуассона. При нагружении кольцевого образца на сжатие при помощи резинового кольца последнее является для образца упругим основанием и в некоторой степени повышает критическое давление, при 41 котором кольцевой образец теряет устойчивость. Этот эффект может быть усилен подбором твердости резины. При испытании наружным давлением возрастают требования к тщательности обработки наружной и торцевых поверхностей образца. Сжимающая нагрузка, равномерно распределенная по наружной поверхности, может быть создана и при помощи стальной ленты (рис. 2.18, г), которая обматывается вокруг кольцевого образца. Прорезь в месте пересечения концов ленты позволяет замкнуть поверхность нагружения. Контактные поверхности образца и ленты смазывают, а в месте пересечения концов ленты помещают прокладку, предотвращающую изгиб кольца в этом месте. Метод используют для определения прочности при сжатии, подсчитываемой по формуле П Рразр bh , где Рразр – предельная растягивающая сила, приложенная к концам ленты. Главная трудность при испытаниях колец на сжатие наружным давлением – выбор относительной толщины образца h/R. При изучении характеристик сжатия необходимо иметь в виду, что зависимость между разрушающим давлением и относительной толщиной имеет три отчетливо выраженных участка. На первом участке (тонкостенные кольца) несущая способность исчерпывается из-за потери устойчивости. На втором участке разрушение кольца происходит под действием сжимающих сил. На третьем участке (толстостенные кольца) при анализе прочности необходимо учитывать не только ζΘ, но и ζr. Границы этих трех участков зависят и от степени анизотропии исследуемых материалов. Испытания трубчатых образцов наружным давлением распространены меньше, чем испытания внутренним давлением, тем не менее, этот метод стандартизован (ASTM D 2586–68 (1990)) и служит для качественной оценки влияния на прочность содержания арматуры и полимерного связующего, схем намотки, цикла отверждения и для контроля качества изделия. Стандарт предназначен для изделий из стеклопластика с содержанием арматуры более 50%. Испытания труб наружным давлением проводят в камере давления, снабженной необходимым оборудованием для гидростатических испытаний. Гидросистема должна обеспечивать давление, необходимое для разрушения образца, при равномерной скорости его роста, не превышающей 28 МПа/мин. 42 Образцы по ASTM D 2586–68 (1990) изготавливают длиной 152 мм, внутренним диаметром 67 мм и толщиной стенки 10 мм. Эти размеры образцов проверены для материалов из Е-стекла и эпоксидной смолы. Для других материалов толщину стенки рекомендуют пересчитывать в соответствии с характеристиками материала. Концы образца закрывают уплотняющими пробками. При изготовлении уплотняющих пробок следует учесть, что часть, входящая в образец, изготавливается не в виде цилиндра, а образует полубочку. Если пробки изготовлены в виде цилиндра, то при нагружении образца вследствие стеснения деформации в нем возникает концентрация напряжений и замеренная прочность получается заниженной. Максимальные окружные напряжения (при R = Rвн) при разрушении образца определяют по формуле Ламе max 2 Rн2 2 Rн2 Rвн р разр , где рразр – давление при разрушении образца. При испытаниях трубчатых образцов на осевое сжатие отпадают проблемы, связанные с креплением образца, за исключением необходимости предотвращения изгибающего момента. В то же время сохраняются все особенности, имеющие место при испытаниях плоских образцов: концентрация деформаций около торцевых поверхностей, общая или местная потеря устойчивости, смятие и скалывание торцов. Для предотвращения смятия и скалывания торцы образца часто усиливают подмоткой однонаправленным или тканым материалом, однако этот способ трудоемок и неэффективен, так как часто наблюдается разрушение по границе «образец-подмотка». При испытаниях трубчатых образцов Рис. 2.19. Трубчатый на осевое сжатие можно ориентироваться образец из ПКМ с прина стандарт ASTM 5449–16, определяющий способлениями для размеры образца (диаметр 100 мм; длина осевого сжатия 140 мм; толщина 1,52 мм) и конструкцию приспособления (рис. 2.19). Пространство между стенками образца и опоры заполняется отверждаемой эпоксидной смолой или сплавом Вуда. 43 Измерение деформаций трубчатых образцов аналогично измерению деформаций при растяжении плоских образцов. Измерители деформаций размещаются, как правило, по диаметру сечения образца; количество пар измерителей деформаций зависит от цели испытаний и размеров образца. 2.2.3. Испытания на смятие Испытания ПКМ на смятие служат для оценки поведения материала в соединениях (болтовых, заклепочных и им подобных) и узлах опирания конструкций и только косвенно характеризуют механические свойства материала. При испытаниях определяется уровень нагрузок, при котором деформация смятия не нарушает надежность изделия или конструкции. Стандартный способ испытания на смятие ПКМ по ГОСТ 33498–2015 и ASTM D 5961/ 5961М–10 очень прост: в калиброванное отверстие образца вставляется металлический палец, к образцу прикладывается растягивающая нагрузка и измеряется перемещение образца, т.е. деформация отверстия в исследуемом материале и прикладываемая растягивающая нагрузка. Образцы могут быть двух типов: плоские однослойные (с одним или двумя отверстиями) или составные (с одним или двумя отверстиями для шпилек, заклепок, болтов). Образец в виде прямоугольной пластины с одним отверстием имеет следующие размеры: диаметр отверстия 6 мм, ширину 36 мм, длину не менее 135 мм, толщину 3…5 мм (рекомендуемая толщина 4 мм). Образец с двумя отверстиями имеет длину не менее 150 мм. Отверстия для всех типов образцов находятся на срединной оси пластины на расстоянии 18 мм от торцев. Составной образец с одним или двумя отверстиями (рис. 2.20) состоит из двух пластин из ПКМ прямоугольного сечения шириной 36 ± 1 мм и длиной не менее 135 мм (для случая с одним отверстием) и не менее 210 мм (для случая с двумя отверстиями). К захватным частям образца прикладывают накладки в виде стальных пластин шириной 36 ± 1 мм и длиной 75 мм (для случая с одним отверстием) и 108 мм (для случая с двумя отверстиями) и толщиной, равной толщине пластины из ПКМ. В процессе испытаний возможны различные виды разрушения образцов, из которых недопустимы скол и поперечный разрыв. Предел прочности при смятии ζвсм вычисляют по формуле см см в Рmax kdh , 44 где Рсмmax – наибольшая сминающая нагрузка, предшествующая разрушению образца; k – коэффициент количества отверстий, равный двум для составного образца с двумя отверстиями и единице для всех остальных случаев; d – диаметр отверстия; h – толщина образца. а) б) Рис. 2.20. Составные образцы из ПКМ для испытаний на смятие: а – с одним отверстием; б – с двумя отверстиями Деформацию при смятии εiсм вычисляют по формуле iсм 100 i kd , где δi – показания перемещения датчика деформации в i-й точке диаграммы деформирования; k – коэффициент, k = 1 при срезе двух отверстий и k = 2 при срезе одного отверстия; d – диаметр отверстия. Модуль упругости при смятии Е см см см , где Δζсм – изменение напряжения, соответствующее Δεсм; Δεсм – изменение относительной деформации отверстия на выбранном линейном участке. 45 2.3. Испытания на сдвиг 2.3.1. Общие положения Слабое сопротивление сдвигу, особенно в плоскостях, где свойства материала обусловлены матрицей, является недостатком КМ и, в первую очередь, армированных пластиков со слоистой и волокнистой структурой. Слабое сопротивление сдвигу – это не только низкая сдвиговая жесткость, но и низкая сдвиговая прочность. Для ряда конструкций касательные напряжения, несмотря на их малость, могут быть причиной потери несущей способности. Поэтому важное значение имеет правильное определение характеристик сдвига. Одна из главных трудностей в разработке методов испытаний армированных КМ на сдвиг – обеспечение в образцах состояния чистого сдвига, для которого достаточно точно применимы методы обработки результатов эксперимента. Трудности создания в образце состояния чистого сдвига возрастают с увеличением степени анизотропии и неоднородности исследуемого материала. Рост этих характеристик приводит к увеличению зон краевого эффекта, и в практике испытаний высокомодульных и высокопрочных армированных КМ могут быть случаи, когда получение в образце достаточной для измерений зоны с однородным напряженным состоянием невозможно. Поэтому испытания высокомодульных и высокопрочных армированных КМ на сдвиг требуют особого внимания. Методика испытаний на сдвиг зависит от структуры материала и ориентации действующих сил относительно осей симметрии материала. В зависимости от ориентации внешних сдвиговых напряжений по отношению к направлениям укладки арРис. 2.21. Касательные напряматуры в армированных КМ разлижения в плоскости укладки арматуры (ηху – ηуx); межслоечают две разновидности сдвига. При вые напряжения (ηхz – ηzx) и совмещении осей х и у с плоскостью (ηуz – ηуz) укладки сдвиг, обусловленный напряжениями ηху, называют сдвигом в плоскости укладки арматуры, а сдвиг от напряжений ηхz или ηуz – межслойным (рис. 2.21). 46 При исследовании характеристик сдвига в плоскости к температурно-временному режиму испытаний предъявляются менее жесткие требования, чем в случае межслойного сдвига, когда характеристики материала прежде всего обусловлены чувствительной в температурно-временном отношении матрицей. Если сдвиг в плоскости может быть исследован на тонких образцах, то для межслойных характеристик необходимы образцы бóльшей толщины. Это создает дополнительные, в основном технологические трудности при паспортизации армированных КМ. Необходимо отметить, что для пространственноармированных материалов из-за наличия межслойных связей теряет смысл само понятие «межслойный сдвиг». Для этих материалов иногда требуются специальные методы оценки характеристик сдвига. В настоящее время существует ряд методов экспериментального определения упругих постоянных и прочности при сдвиге, однако универсальных (тех и других характеристик) и в то же время экономичных методов испытаний для всех видов армированных КМ нет. Более того, выбор формы и размеров образцов во многом зависит от цели испытаний – нахождение упругих постоянных или прочности при сдвиге. Для изучения характеристик сдвига применяются образцы четырех типов: трубчатые, стержни или бруски, пластины или полоски, кольца и их сегменты. В зависимости от формы, размеров и цели испытаний они нагружаются на кручение, изгиб, одно- или двухосное растяжение-сжатие. Экспериментальные методы разделяются на три группы: сдвиг в плоскости укладки арматуры, межслойный сдвиг и срез. Соответствующие напряженные состояния в образце могут быть достигнуты разными методами. 2.3.2. Сдвиг в плоскости укладки арматуры Сдвиг в плоскости укладки арматуры изучается методами кручения тонкостенных труб, перекашивания пластины, кручения квадратной пластины и растяжения анизотропной полосы. Сравнительно универсальным, т.е. позволяющем достаточно точно определить модуль сдвига GΘz и менее точно прочность ПΘx, является метод кручения тонкостенных трубчатых образцов. Относительно низкая оценка сдвиговой прочности связана с тем, что при кручении труб в зависимости от их относительной толщины возможны различные механизмы разрушения. Применение этого метода, однако, несколько ограничено большим расходом исследуемого материала и потребностью в специаль47 ном оборудовании для изготовления и испытания образцов. Так как трубчатые образцы изготавливают в основном только намоткой, этот метод не позволяет оценить характеристики сдвига плоских изделий. Для них приходится пользоваться методами испытания пластин, стержней и брусков. Главное преимущество метода кручения тонкостенных труб – однородность напряженно-деформированного состояния, вследствие чего этот метод является контрольно-эталонным при оценке характеристик сдвига в плоскости укладки арматуры. При кручении геометрически точных и правильно смонтированных в испытательной установке тонкостенных труб касательные напряжения по окружности и по длине образца распределены равномерно. Если толщина стенки образца h достаточно мала по сравнению со средним радиусом R, то можно пренебречь также изменением деформации сдвига по толщине стенки образца. При кручении понятие «тонкостенная труба» есть функция степени анизотропии материала образца Ez / Er. Так как толщина стенки образца h обычно значительно меньше длины образца, то мала зона краевого эффекта. Поэтому из-за однородности напряженно-деформированного состояния кручение тонкостенных труб – наиболее точный метод исследования характеристик сдвига в плоскости укладки арматуры. Однородность напряженнодеформированного состояния образца позволяет пользоваться для определения модуля сдвига в плоскости укладки арматуры GΘz (z – ось образца, Θ – окружность со средним радиусом R) и сдвиговых напряжений ηΘz простыми формулами: Gz 2M кр ( Rн4 2 Rвн ) М кр 2R 3 h или Gz z М кр . 2R h 450 3 2M кр R 2 ( Rн4 Rвн ) 1 , 45 М кр 2R 2 h , где Мкр – крутящий момент; R, Rн, Rвн – средний, наружный и внутренний радиусы трубчатого образца; Δθ = (θ1 – θ2) / l – относительный угол закручивания по длине мерной базы l; θ1 и θ2 – абсолютные углы закручивания, измеряемые по концам мерной базы l; ε+45º и ε-45º – 48 относительные деформации, измеряемые тензодатчиками, наклеенными под углами +45° и –45° к оси образца. При изготовлении образцов и выборе их толщины необходимо иметь в виду, что число слоев должно быть достаточным для перехода к сплошной среде. В исследуемом диапазоне нагрузок необходимо исключить потерю устойчивости образца. Следует добиваться минимального отклонения формы поперечного сечения от круговой и особенно устранения разнотолщинности. Форма и размеры трубчатых образцов для испытания на кручение отражена в зарубежных и отечественных стандартах. При выборе формы (см. рис. 2.6, 2.7) и размеров образца для различных типов ПКМ при испытаниях на кручение можно ориентироваться на ОСТ 92-9705–95 и ГОСТ Р 57733–2017. Размеры образца с захватами по ОСТ 92-9705–95 в зависимости от типа армирующего материала должны удовлетворять следующим значениям: Rвн/h = 10 для стеклопластиков, Rвн/h = 40 для углепластиков. Рабочая часть образца должна удовлетворять условию L/2(Rвн + h) ≥ 5 независимо от типа армирующего материала. Согласно ГОСТ Р 57733–2017 цилиндрические образцы для испытаний на кручение наматываются без захватов длиной 140,0 ± 0,3 мм; внутренним диаметром 100,0±0,4 мм; с толщиной стенки 2,0 ±0,3 мм. При испытании на кручение трубчатые образцы закрепляют и нагружают обычно по наружной поверхности. В этих условиях необходимо обеспечить участие в работе всего поперечного сечения и предотвратить проскальзывание головок образца. Для этого в концы образцов вставляют специальные пробки, через которые пропускают металлические стержни, жестко скрепляющие пробки с образцом. Применяют схемы нагружения, когда оба конца образца закрепляются в зажимах машины, а также схема, при которой один конец закрепляется в зажиме машины, а второй остается свободным. Последняя особенно удобна для неравновесных структур, чтобы избежать стеснения деформации в осевом направлении. При испытаниях трубчатых образцов измеряют углы закручивания двух сечений на определенной мерной базе образца и крутящий момент. Углы закручивания измеряют зеркальным тензометром Мартенса, тензометром Аистова, индукционными датчиками, крутящий момент – с помощью специального динамометра или непосредственно по шкале машины. 49 Метод перекашивания пластины реализуется несколькими способами: перекашиванием пластины в шарнирном четырехзвеннике, перекашиванием панели и полосы (рис. 2.22). а) б) в) Рис. 2.22. Схемы нагружения для определения характеристик сдвига в плоскости укладки арматуры: а – шарнирный четырехзвенник; б – перекашивание полосы; в – балка-стенка Наиболее известен метод нагружения при помощи шарнирного четырехзвенника, описанный в ГОСТ 24778–81 для пластмасс. Приспособление для испытаний представляет собой массивную, соединенную шарнирами двойную раму, в которой болтами, заклепками или клеем крепится образец – пластина из испытываемого материала. Шарнирный четырехзвенник преобразует растягивающие нагрузки вдоль одной из диагоналей пластины P (растягивающие нагрузки прикладываются к двум противоположным шарнирам) в сдвиговые (рис. 2.23). В приспособлении на рис. 2.24 растягивающая нагрузка прикладывается через систему взаимно не связанных рычагов на некотором расстоянии от рабочей части образца. Приспособление данного типа позволяет определить прочность при сдвиге относительно жестких пластин из высокомодульных ПКМ с разной укладкой волокон. Однако при испытаниях тонких или менее жестких пластин наблюдается выпучивание рабочей части образца. Для толстых образцов исключаются явления, связанные с потерей устойчивости, однако для устранения возможных перекосов образца монтаж приспособлений для испытаний должен быть более точным. 50 Рис. 2.23. Схема нагружения в шарнирном четырехзвеннике: 1 – образец; 2 – стальная шарнирная рама; 3 – калиброванные нагрузочные тяги; 4 – стальные узлы крепления образца Рис. 2.24. Схема деформирования пластины при перекашивании в шарнирном четырехзвеннике Типовые размеры образцов – квадрат с линейными размерами 50, 70 и 100 (предпочтительно) мм и толщинами 0,5…10 мм. Если при испытаниях возникает потеря устойчивости от сжатия, то выбирают пластины с меньшими линейными размерами. Если пластина находится в состоянии чистого сдвига, то модуль сдвига в плоскости Gxy определяют по формуле G xy xy xy . (2.5) Касательные напряжения ηxy и деформация сдвига γxy равны: xy P1 2ah 0,707 P1 ah xy 1 2 . 1 1 2 Прочность в плоскости укладки арматуры Пxy подсчитывают по формуле П xy Pразр F Pразр 2ah 0,707 Pразр ah . Испытания в шарнирном четырехзвеннике требуют большого расхода испытываемого материала. Кроме того, им свойственны 51 весьма ощутимые технические недостатки. Поэтому весьма широкое распространение получил метод перекашивания полосы. Метод перекашивания относительно узкой полосы, зажатой в два независимых жестких звена (в иностранной литературе этот вид испытания называется «Rail shear») (рис. 2.25 и 2.26), в целом позволяет определить как модуль сдвига, так и прочность. Рис. 2.25. Схема одинарного приспособления для испытания пластин на сдвиг в плоскости укладки арматуры: 1 – звено приспособления; 2 – образец; b – толщина образца; l – длина образца Рис. 2.26. Схема двойного приспособления для испытания пластин на сдвиг в плоскости укладки арматуры: 1 – рама; 2 – пуансон; 3 – образец; 4 – тензодатчики; 5 – болты крепления образца Метод испытаний ПКМ на сдвиг в плоскости армирования регламентирован стандартами ASTM D 4255/D 4255M и ГОСТ Р 57778–2017. Для нагружения образцов используются приспособления двух типов: одинарные (рис. 2.25) и двойные (рис. 2.26). Преимущества последних – большая производительность и более чистое напряженное состояние образца. Одинарные приспособления в испытательных машинах устанавливают не вертикально, а под некоторым углом, вследствие чего образец испытывает двухосное напряженное со-стояние. Поэтому при испытаниях однонаправленных материалов (ук-ладка волокон параллельна звеньям) наблюдается преждевременное разрушение образцов. Из-за стеснения деформирования образца деформа52 ция при разрушении материала получается завышенной. Форма и размеры образцов для данного типа испытаний приведена на рис. 2.27. а) б) Рис. 2.27. Геометрия образцов для проведения испытаний на сдвиг в плоскости армирования для одинарного (а) и двойного (б) приспособлений по ГОСТ Р 57778–2017 При перекащивании полосы модуль сдвига в плоскости Gxy определяют по формуле (2.5) подстановкой в нее значений ηxy и γxy, равных: xy P F ; 2 45 , (2.6) где F = l·h для одинарного приспособления, F = 2l·h для двойного приспособления; l и h – длина и толщина рабочей части образца; ε45º – деформация, измеряемая в эксперименте. Сдвиговую прочнось ηxy при перекашивании полосы вычисляют по формуле (2.6), подставляя Р = Рразр. Для определения характеристик сдвига в плоскости используют также балки-стенки (или панели, в иностранной литературе «Panel shear»), состоящие из жесткой шарнирной рамы и тонкой стенки из исследуемого материала (рис. 2.28). В отличие от конструкций с тонкостенной балкой, в балке-стенке потеря устойчивости недопустима; выполнение этого условия обеспечивается выбором толщины стенки и конструкцией рамы. При выборе размеров (точные рекомендации отсутствуют) балки-стенки следует учесть особенности расчета этих конструкций: стенка балки вос53 принимает только перерезывающую силу, шарнирная рама – изгибающий момент. Кроме того, должна быть исключена потеря устойчивости стенки. Размеры этих образцов весьма большие. Так, например, некоторые исследователи использовали панели размером 650×234 мм, что ограничивает их экспериментальное применение вследствие потребности в большом количестве испытываемого материала, а также из-за возможности выпучивания рабочей части образца. б) а) Рис. 2.28. Схема испытаний балки-стенки: а – на двух опорах; б – консоль; l, b – длина и высота образца соответственно; w – величина линейного сдвига Для случая (рис. 2.28, б) модуль сдвига в плоскости стенки определяется по формуле (2.5) подстановкой в нее значений ηxy и γxy, равных: xy Р F P bh xy w l , где l и h – длина и толщина рабочей части образца; b – высота стенки, измеряемая между центрами тяжести поясов консоли; w – величина линейного сдвига. Достаточно широкое распространение получили методы кручения квадратной пластины. Они экономичны и экспериментально хорошо проверены, однако применимы в основном только для определения упругих постоянных, но не для прочности сдвига. Метод предполагает малые прогибы – до 0,3 h (h – толщина пластины). Известны два основных метода определения модуля сдвига в плоскости укладки арматуры путем кручения квадратной пластины: двухточечный и трехточечный (рис. 2.29). Согласно ГОСТ 33843–2016 и ISO 15310:1999 (для двухточечного метода), пластина имеет следующие размеры: квадратная 150×150 мм; 54 толщина 4 мм (для дискретных и симметричных схем армирования) или 2 мм (для однонаправленных структур). а) б) Рис. 2.29. Схемы нагружения пластины на кручение при двух (а) и трех (б) неподвижных опорах Модуль упругости при сдвиге в плоскости Gxy рассчитывают по определенным нагрузкам Р1 и Р2 при достижении деформаций w1 (w1 = 0,1h) и w2 (w2 = 0,3h) соответственно в точках приложения нагрузок по формуле G xy 3 a a K , 4 1000h 3 где P2 P1 w2 w1 ; w1, w2 – величины деформаций; Р1, Р2 – соответствующие нагрузки; а, а – средняя ширина образца в каждом направлении; h – средняя толщина образца; К – коэффициент поправки на геометрию (К = 0,82). Растяжение анизотропной полосы – самый простой и экономичный метод определения модуля сдвига в плоскости укладки арматуры, однако несколько приближенный. Согласно стандартам ГОСТ 32658–2014, ISO 14129:1997, ASTM D 3518/D 3518M, к образцу со структурой ± 45º прикладывают растягивающую нагрузку до разрушения или до значения деформации сдвига, равного 0,05. При этом для определения модуля упругости при сдвиге в плоскости армирования измеряют деформацию в направлении, параллельном и перпендикулярном оси образца. Образцы для испытаний в виде полоски со структурой укладки волокон ± 45º имеют следующие размеры: длина 250 мм, ширина 25,0±0,5 мм, толщина 2,0±0,2 мм. Предусматривается использование накладок из стеклотекстолита толщиной 0,2…2 мм и длиной 50 мм. 55 Напряжения при сдвиге в плоскости армирования xy P 2bh , где Р – мгновенная нагрузка; b – ширина образца; h – толщина образца. Предел прочности при сдвиге в плоскости армирования хуМ вычисляют по формуле xy М PМ 2bh , где PМ – нагрузка при деформации сдвига γxy = 0,05 или при разрыве. Деформация сдвига γxy равна: xy x y , где εх – деформация в направлении, параллельном оси образца; εу – деформация в направлении, перпендикулярном оси образца. Модуль сдвига G xy xy xy xy xy , – напряжение при сдвиге в плоскости армирования при дегде xy = 0,005; xy – напряжение при сдвиге в плоскоформации сдвига xy сти армирования при деформации сдвига xy = 0,001. Экспериментальное сопоставление перечисленных выше методов (перекашивание в шарнирном четырехзвеннике, перекашивание полосы, растяжение анизотропной полосы и кручение пластины) показывает, что при определении модуля сдвига в плоскости все эти методы дают количественно сопоставимые результаты. При определении прочности количественно сопоставимы методы перекашивания пластины в шарнирном четырехзвеннике и растяжения полосы, но резко выделяются значения прочности, полученные при перекашивании полосы. 2.3.3. Определение характеристик межслоевого сдвига Возможности исследования характеристик межслоевого сдвига армированных КМ по сравнению с методами исследования сдвига в плоскости значительно скромнее. Связано это со строением армированных КМ и с трудностями создания нужного напряженно-деформированного состояния. 56 Так, упругие постоянные ПКМ со слоистой и волокнистой структурой при межслойном сдвиге определяются в основном «работой» полимерной прослойки, а прочность – силами сцепления на контактной поверхности «матрица–арматура» и действующими на этой поверхности касательными напряжениями. Поэтому в экспериментах важно знать действительное численное значение касательных напряжений, приводящих к разрушению образца. Максимальное значение касательных напряжений зависит от способа испытаний на межслойный сдвиг и схемы нагружения, от формы и размеров образцов, а также от всех отклонений от идеализированной структуры материала, вносимых технологией изготовления армированных КМ (нерегулярная укладка арматуры, искривление волокон, пустоты). Аналитическая оценка всех этих факторов невозможна, поэтому экспериментальные характеристики межслойного сдвига являются усредненными и пригодны в основном только для качественной оценки материала. Самый старый метод исследования характеристик межслойного сдвига, а также среза и скалывания – растяжение или сжатие образцов с надрезами. Он экономичен и прост в реализации, но очень чувствителен к качеству изготовления образцов и проведения эксперимента. При испытаниях брусков с надрезами на растяжение или сжатие определяют модуль и прочность при межслойном сдвиге. При выборе формы образца с надрезами должно быть обеспечено расчетное сечение, в котором действуют только касательные напряжения и по которому происходит разрушение образца от межслойного сдвига. На текущий момент времени стандартизован только метод определения сдвиговой прочности образца с надрезами при сжатии. Причем, согласно ГОСТ 56786–2015 и АSTM D3846–08, для образцов из ПКМ данный метод определяет прочность в плоскости сдвига, а не межслоевой сдвиг, что, как считают многие специалисты, является не совсем корректным. По данным методикам прочность при сдвиге в плоскости (или как отмечалось выше, межслоевую сдвиговую прочность) находят путем приложения сжимающей нагрузки к плоскому образцу постоянной толщины, имеющему надрезы, закрепленному в специальном приспособлении (рис. 2.30, а). Разрушение образца происходит при сдвиге между двумя расположенными по центру надрезами, выполненными механическим способом на половину толщины образца в центральной его части, с противоположных сторон, на расстоянии друг от друга (рис. 2.30, б). 57 б) а) Рис. 2.30. Схема приспособления (а) и размеры образца из ПКМ (б) при испытаниях по определения предела прочности при сдвиге в плоскости армирования при сжатии образцов с надрезами Данная схема испытаний, описанная в стандарте ASTM C1292–16 применяется и для КМ с керамической матрицей. Размеры образцов из КМК с прямоугольными надрезами приведены на рис. 2.31. Рис. 2.31. Размеры образца из КМК с прямоугольными надрезами для испытаний на сдвиг по ASTM С1292–16 Прочность при сдвиге в плоскости армирования П xy Pсд bh , где Рсд – максимальная сдвиговая нагрузка; b – ширина образца; h – длина зоны разрушения. Аналогичные испытания проводят и на круглых стержнях (стеклопластик), полученных методом пултрузии (ГОСТ Р 56655–2015 и 58 ASTM D 3914–02). Диаметры таких образцов лежат в интервале 19…32 мм, расстояние между надрезами 18,8…19,3 мм. Прочность при сдвиге в плоскости армирования вычисляют по формуле П xy Pсд dh , где Рсд – максимальная сдвиговая нагрузка; d – диаметр образца; h – длина зоны разрушения. Следует отметить, что на результаты испытаний образцов сильно влияет качество нанесения надрезов. Недорез (недоведение надреза до срединной плоскости образца) приводит к повышению замеренной прочности Пхy, перерез (переход за срединную плоскость образца) – к понижению Очень близки по сути методы по определению прочности клеевого соединения полосок из КМ при растяжении (ГОСТ 57066–2016, EN 2243–1, EN 2243–6, CRAG method 102, DIN 65148, ASTM D 3528–08). Виды вариантов соединений при проведении данных испытаний приведены на рис. 2.32. а) б) в) г) Рис. 2.32. Виды клеевых соединений по определению прочности на сдвиг: а – внахлест (ГОСТ 57066–2016); б – внахлест с накладками (CRAG method 102); в, г – двойное соединение (ASTM D 3528–08, CRAG method 102) Прочность на сдвиг зависит от отношения разрушающей нагрузки к площади клеевого соединения. Различного типа сдвиговые характеристики ПКМ, армированных непрерывными или дискретными волокнами, в зависимости от ориен59 тации волокон относительно направлению нагрузки определяются методом перекашивания образцов V-образными надрезами («rail» метод). Метод испытаний, согласно ГОСТ Р 57207–2016 и ASTM D7078–12, заключается в растяжении образца из ПКМ с V-образными надрезами, закрепленного в двух захватах так, что рабочая зона образца между вершинами надрезов располагается параллельно оси нагружения, что обеспечивает создание в образце деформаций (напряжений) сдвига (рис. 2.33). б) а) Рис. 2.33. Схема испытаний на сдвиг образцов с V-образными надрезами (а) и размеры образца (б) по ГОСТ Р 57207–2016 и ASTM D7078–12 При испытаниях в условиях нормальной, пониженной и повышенной температур определяют прочность при сдвиге, модуль при сдвиге, предельную деформацию сдвига. Испытания на сдвиг выполняют в любой из шести плоскостей возможного сдвига в материале. Однако стандарты не рекомендуют проводить такого рода испытаний на однонаправленных образцах со структурой 0º (из-за завышенных показателей модуля сдвига) и 90º (из-за высокой вероятности разрушения образца при креплении в приспособлении). Предел прочности при сдвиге Пij определяют по формуле Пij Pp F , (2.7) где Рр – нижний предел разрушающей нагрузки или фактическое значение при 5% относительной деформации сдвига; F – площадь поперечного сечения. 60 Модуль упругости при сдвиге или максимальной относительной деформации сдвига вычисляют через относительную деформацию сдвига в i-й точке данных γi по показаниям измерений датчиков деформаций при +45° и –45° в каждой необходимой точке: G i 2 i1 , i 2 i1 (2.8) где i 45 45 ; ε+45º – относительная деформация сдвига +45° в i-й точке данных; ε-45º – относительная деформация сдвига –45° в i-й точке данных; Δη – разность в измеряемом напряжении при сдвиге между двумя точками деформаций; Δγ – разность между двумя точками деформаций (до 0,4% деформации сдвига); ηi2 – напряжение при сдвиге в точке 2; ηi1 – напряжение при сдвиге в точке 1; γi2 – деформация сдвига в точке 2; γi1 – деформация сдвига в точке 1. Похожий метод определения сдвиговых характеристик ПКМ с использованием образцов с V-образнымыми надрезами, отличающийся условиями приложения нагрузки и размерами образцов, приведен в ГОСТ Р 56799–2015 и ASTM D5379/D5379 М–12 (метод Иосипеску) (рис. 2.34). Рис. 2.34. Схема испытаний на сдвиг образцов с V-образными надрезами (а) и размеры образца из ПКМ (б) по ГОСТ Р 56799–2015 и ASTM D5379/D5379 М–12: 1 – адаптер испытательной машины; 2 – нижний захват; 3 – нижняя опора; 4 – подшипники для перемещения верхней части приспособления; 5 – верхний захват на направляющей; 6 – регулируемые зажимы образца, фиксируемые винтами; 7 – элемент выравнивания образца; 8 – образец (толщина образца h = 3…4 мм) Данную схему испытания применяют и для КМ с керамической матрицей, описанной в стандарте ASTM C1292–16. Размеры образцов из КМК с V-образнымыми надрезами приведены на рис. 2.35. 61 Рис. 2.35. Размеры образца из КМК с V-образными надрезами для испытаний на сдвиг по ASTM С1292–16 Прочность и модуль при сдвиге определяют по формулам (2.7) и (2.8). Исследование характеристик межслойного сдвига при испытаниях на трехточечный изгиб – метод распространенный, но весьма ненадежный (см. подразд. 2.4). Сущность метода заключается в том, что образец, свободно лежащий на опорах, нагружают с постоянной скоростью в середине между опорами до его полного разрушения при межслойном сдвиге. При этом из рассмотрения отбрасывают образцы, разрушенные от растяжения; сжатия; их комбинаций совместно с межслоевым сдвигом; пластичного изгиба. На 2018 г. в России действуют два стандарта на проведение испытаний по определению межслоевого сдвига при изгибе: ГОСТ 32659–2014 и ГОСТ Р 57745–2017, различающиеся главным образом формой и размерами образцов. Схема испытания и размеры стандартного плоского образца из слоистого ПКМ, согласно ГОСТ 32659–2014, приведены на рис. 2.36. Рис. 2.36. Схема испытания и размеры образца при определении межслоевой прочности при изгибе (ширина образца 10±0,2 мм) 62 При невозможности изготовления образца регламентированного размера допускается испытание образцов других размеров исходя из соотношений: полная длина 10h; ширина 5h, длина пролета 5h±0,3 мм. Кажущийся предел прочности при межслоевом сдвиге ηм определяют по формуле м 3Рм 4bh , где Рм – нагрузка при разрушении; b – ширина образца; h – толщина образца. Согласно ГОСТ Р 57745–2017 и ASTM D 2344/D 2344M–16, испытанию на межслоевой сдвиг при изгибе могут подвергаться два типа образцов из ПКМ на базе высокомодульных волокон, форма и размеры которых приведены на рис. 2.37. При этом расстояние между опорами при испытании равно 4h ± 0,3. б) а) Рис. 2.37. Форма и размеры образцов плоских (а) и типа изогнутой балки (б) для испытаний на межслоевой сдвиг при изгибе по ГОСТ Р 57745–2017 Предел прочности при межслоевом сдвиге ηм, вычисляем по формуле (2.6). Испытания на определение межслоевой прочности при изгибе проводят также и на стеклопластиковых круглых стержнях, полученных методом пултрузии, по ГОСТ Р 56653–2015. Следует отметить, что стандартом диаметр стержней не определен. Кажущийся предел прочности при межслоевом сдвиге определяется по формуле: м 0,849 Рmax d 2 , где Рmax – максимальная 63 нагрузка, предшествующая разрушению образца; d – диаметр образца. Испытания на изгиб применяют также для определения сдвиговой прочности клеевого соединения по ГОСТ Р 57732–2017. Схема проведения испытаний и размеры образца приведены на рис. 2.38. Рис. 2.38. Схема проведения испытаний и размеры приспособления и образца для определения сдвиговой прочности клеевого соединения при изгибе: Р – нагрузка; 1 – наконечник; 2 – траверса и опоры; 3 – подкладка; ширина образца 25,5 ± 0,5, длина каждого склеиваемого элемента образца 100 мм Прочность на сдвиг находят по отношению разрушающей нагрузки к площади клеевого соединения. Помимо рассмотренных выше стандартизированных методов определения сдвиговых характеристик КМ, существует еще ряд методов, на текущий момент времени нестандартизированных, но иногда применяемых в исследовательской практике [1]. Среди них можно отметить испытания на двухосное растяжение-сжатие для определения прочности и модуля упругости при сдвиге в плоскости армирования (рис. 2.39); испытания целых и разрезных колец на кручение для определения модулей сдвига Gθr и Gθz (направление осей: r – по радиусу, z – перпендикулярно плоскости кольца, θ – по окружности с радиусом R) (рис. 2.40); испытания кольцевых образцов с надрезами для определения прочности межслойного сдвига (рис. 2.41); испытания по 64 определению прочности при межслоевом сдвиге пространственноармированных образцов с кольцевой выемкой (рис. 2.42). а) б) Рис. 2.39. Схемы двухосного нагружения: а – образца-полоски с осевыми прорезями; б – трехслойной крестовины а) г) б) д) в) е) Рис. 2.40. Схемы нагружения целых (а–в) и разрезных (г–е) колец на кручение: а – двухточечная; б – трехточечная; в – нагружение в центре кольца; г – двумя 65 противоположно направленными силами в центре кольца; д – то же в месте разреза; е – двумя одинаково направленными силами в месте разреза а) б) Рис. 2.41. Кольцевые образцы для испытаний на межслойный сдвиг (по окружности): а – образец с двумя пазами; б – образец с четырьмя диаметрально расположенными пазами Рис. 2.42. Образцы с кольцевой выемкой: а – сплошной; б – с центральным отверстием; lр – длина рабочей части образца; h – толщина рабочей части образца; d – диаметр выемки 2.3.4. Испытания на срез Испытания на срез проводятся для оценки сопротивления материала в элементах конструкций, подверженных воздействию срезывающих сил. Главная трудность при испытаниях на срез – обеспечение в расчетном сечении образца равномерного распределения касательных напряжений. 66 При испытаниях на срез взаимно перемещаются пары режущих кромок приспособления, при этом распределение деформаций в материале такое же, как и при сжатии, и, следовательно, в расчетном сечении образца нет состояния чистого сдвига. Кроме касательных напряжений, действуют и нормальные напряжения, и разрушение материала происходит именно вследствие действия контактных нормальных напряжений, причем имеет место высокая концентрация напряжений. В неточно изготовленных или изношенных приспособлениях образец испытывает также изгиб. Тем не менее, в России и за рубежом применяют стандарты, описывающие процедуру проведения такого рода испытаний. Согласно методике, предложенной в ГОСТ Р 57968–2017, суть испытаний состоит в кратковременном с постоянной скоростью нагружении образца из ПКМ, при котором определяют силу, необходимую для среза пуансоном по окружности центральной части плоского образца. Для испытаний используют образцы в виде пластины квадратной формы со стороной 50,0±0,1 мм, с центральным отверстием диаметром 12+0,1 мм. Допускаемая толщина образцов должна быть от 1,27 до 12,70 мм. Рекомендуемая толщина образцов от 2 до 4 мм. Образец должен иметь схему армирования, симметричную относительно срединной плоскости. Сборочный чертеж приспособления для проведения испытаний на срез приведен на рис. 2.43. Рис. 2.43. Приспособления для проведения испытаний на срез в сборе: 1 – образец; 2 – пуансон; 3 – нож; 4, 11 – гайка; 5 – шайба; 6 – нижняя плита в сборе; 7 – штифт; 8 – винт; 9 – верхняя плита; 10 – шпилька 67 Прочность при срезе ηср вычисляют по формуле ср Рmax dh, где Рmах – максимальная сила, прикладываемая к образцу при испытании; d – внешний диаметр ножа; h – толщина образца. 2.4. Испытания на изгиб Испытания на изгиб, в первую очередь стержней и пластин, получили широкое распространение благодаря простоте их осуществления. При испытаниях на изгиб, помимо рассмотренных ранее методов определения межслоевой прочности и модуля межслойного сдвига, можно найти также модуль упругости КМ при изгибе и прочность по нормальным напряжениям. Несмотря на большой объем получаемой информации, испытания на изгиб часто считаются второстепенными, и их результаты многие авторы не рекомендуют использовать при расчете конструкций из армированных КМ. Причин такого недоверия несколько: ограниченные возможности корректной обработки результатов испытаний; особенности испытываемых материалов и напряженное состояние при изгибе. В то же время испытания армированных КМ на изгиб являются, например, эффективным способом исследования влияния окружающей среды, когда из-за частичной деструкции материала меняется соотношение сопротивлений его компонентов – арматуры и матрицы; в этом случае схемы нагружения на изгиб позволяют варьировать соотношение нормальных и касательных напряжений. Главная трудность при испытаниях на изгиб связана с обработкой результатов испытаний. При испытаниях на изгиб замеряют нагрузку и прогиб или деформацию наружных слоев образца и по этим параметрам оценивают свойства материала. Анализ результатов испытаний на изгиб анизотропных материалов не так прост и нагляден, как, например, при одноосном растяжении. Измеряемые при испытаниях величины (нагрузка, прогиб, деформации) связаны с исследуемыми характеристиками материала (прочность и упругие постоянные) аналитическими зависимостями, точность которых зависит от лежащих в их основе гипотез. Элементарная (техническая) теория изгиба, излагаемая в курсах сопротивления материалов, построена на ряде упрощающих гипотез. Принимают материал изгибаемого стержня изотропным, однородным и равносопротивляющимся растяжению и сжатию; прогиб стержня w малым по сравнению с пролетом l, что позволяет в дифференциальном уравнении изогнутой оси стержня пренебречь величиной (dw/dx)2; в большинстве случаев пренебрегают влиянием поперечных 68 сдвигов, т.е. пользуются гипотезой плоских или недеформируемых сечений, это равноценно наделению материала бесконечной сдвигои вой ( G xz → ∞) и трансверсальной ( Е zи → ∞) жесткостью; не учитывают влияние неравномерного распределения напряжений по ширине стержня. Вносимые этими допущениями погрешности существенно увеличиваются с ростом отношения высоты к пролету и анизотропии механических характеристик. Работоспособность перечисленных гипотез в случае однородных изотропных материалов проверена многолетней практикой. Возможность их использования для армированных КМ зависит от степени анизотропии материала и реализуемого напряженно-деформируемого состояния, т.е. от размеров, схемы нагружения и опирания образца. Для рассматриваемых материалов, к сожалению, отсутствуют четко сформулированные оценки границ применимости изложенных выше гипотез. Поэтому даже в самых простых расчетных случаях могут возникать трудности при выборе размеров образцов и режима нагружения. В то же время опыт показывает, что необоснованное применение формул элементарной теории изгиба при обработке результатов испытаний стержней из сильно анизотропных неоднородных материалов, какими являются современные армированные КМ, ведет к грубым ошибкам в толковании результатов эксперимента и к недооценке возможностей методов испытаний на изгиб. Учет особенностей механических свойств армированных КМ привел к разработке и экспериментальной проверке ряда схем нагружения на изгиб (рис. 2.44). Для испытаний образцов из изотропных материалов почти без исключения применяется так называемая трехточечная схема (рис. 2.44, а), т.е. свободно опертый стержень на двух опорах, нагруженный сосредоточенной силой Р в середине пролета l. Эта схема нагружения наиболее распространена и при испытаниях армированных КМ, однако в этом случае трехточечная схема является сложной: напряженное состояние образца переменно по длине, по высоте и по ширине образца; на образец действует изгибающий момент и перерезывающая сила, т.е. возникают нормальные и касательные напряжения. При испытаниях армированных КМ возможности трехточечной схемы расширены, она применяется и для определения характеристик межслойного сдвига. Попытки исключить влияние касательных напряжений привели к схеме чистого изгиба (рис. 2.44, б), при которой в идеальном случае образец нагружается приложенными к его торцам моментами. Преимущества этой схемы нагружения – однородное напряженное со69 стояние по всей длине образца и отсутствие деформации сдвига. Реализация нагружения моментами технически сложна, поэтому на практике больше распространены разновидности схемы чистого изгиба – четырехточечные схемы, в которых изгибающий момент по концам стержня создается сосредоточенными силами Р внутри пролета l (рис. 2.44, в) или вне его (рис. 2.44, г). Недостаток этих схем нагружения по сравнению со схемой чистого изгиба состоит в том, что на участках образца длиной а или с (см. рис. 2.44, в, г) действует перерезывающая сила, т.е. касательные напряжения. Тем не менее, главное преимущество четырехточечной схемы – это однородное напряженное состояние по всей длине рабочей части образца, вследствие чего четырехточечная схема нагружения при определении модулей упругости считается более надежной, чем трехточечная. Пятиточечная схема (рис. 2.44, д), являющаяся модификацией трехточечной, применяется относительно редко из-за сложного напряженного состояния образца, однако возможности ее явно недооценены. Наиболее сложной с точки зрения напряженного состояния является схема испытаний стержней с заделанными концами (рис. 2.44, е). Она применяется редко из-за неопределенности условий крепления опорных сечений образца. а) б) г) д) в) е) Рис. 2.44. Схемы нагружения призматических стержней на изгиб: а – трехточечная; б – чистый изгиб; в, г – четырехточечная; д – пятиточечная; е – стержень с заделанными концами Поперечная нагрузка при испытаниях материалов на изгиб обычно создается одной или несколькими сосредоточенными силами или моментами. Нагружение образцов равномерно распределенной по 70 пролету нагрузкой затруднительно из-за громоздкости приспособлений, хотя и полезно при проверке теоретических решений. При испытаниях на изгиб применяют стержни с прямой или круговой осью (кольца и их сегменты), с постоянным по длине прямоугольным поперечным сечением и трехслойные балки. Хотя при испытаниях стержней с круговой осью (сегментов кольца) обычно используют зависимости, полученные для прямых стержней, поведение стержней с прямой и круговой осью, изготовленных из сильно анизотропных материалов, существенно различно. Особенности поведения стержней из анизотропных материалов при изгибе привели к появлению соответствующих расчетных формул и оценке их точности. При уточненной оценке результатов эксперимента необходимо учитывать ограничения, накладываемые при теоретическом рассмотрении. Применяемые в настоящее время уточненные формулы для определения прогиба и распределения напряжений получены для стержней из однородного анизотропного материала с одинаковыми характеристиками при растяжении и сжатии в предположении, что прогиб стержня мал. Задача усложняется, когда характеристики материала при растяжении и сжатии различны (материал по-разному сопротивляется растяжению и сжатию) и когда главные оси упругой симметрии материала не совладают с продольной осью образца, а также в случаях, когда прогиб стержня нельзя считать малым и наблюдается сползание его с опор. Появление материалов, слабо сопротивляющихся поперечному отрыву, заставило также оценивать погрешность, вносимую анизотропией армирующих волокон. Особенности структуры армированных КМ приводят к тому, что при испытаниях на изгиб по существу исследуется составная конструкция, а не однородный материал, поэтому опытные характеристики при изгибе лишь условно, при соблюдении условий перехода к сплошной среде, можно считать характеристиками материала. Расчетные зависимости для разных схем нагружения на изгиб получены для однородного материала и не учитывают схему армирования, число слоев арматуры, ее общие и местные искривления, взаимодействие арматуры с матрицей, технологические дефекты (пустоты в матрице, нарушения адгезионной связи). Напряженное состояние при изгибе, в отличие от одноосного растяжения, переменно по высоте и в ряде случаев по длине образца. С учетом локальных эффектов, обусловленных структурой материала и технологическими дефектами, это может привести к аналитически 71 трудно оцениваемым результатам, в большинстве случаев – к занижению значений прочности и упругих постоянных. Опыт показывает, что только путем обоснованного выбора схемы и режима нагружения и размеров образца (в первую очередь числа слоев арматуры, необходимого для перехода от слоистого, неоднородного материала к сплошной, однородной среде) можно обеспечить соответствие результатов испытаний на изгиб теоретическим предположениям. На текущий момент времени стандартизированы испытания на изгиб по трех- и четырехточечной схеме нагружения для армированных КМ (рис. 2.45) на плоских стержнях круглого и прямоугольного сечения, секторах колец и трехслойных балках. а) б) Рис. 2.45. Установки для проведения испытаний на трех- (а) и четырехточечный (б) изгиб Наиболее распространены при определении изгибных прочности и модуля упругости испытания на плоских коротких балках при трехи четырехточечном изгибе, определяемые стандартами EN ISO 14125, ГОСТ 56805–2015, ГОСТ 57866–2017, ASTM D7264/D7264M–15, ASTM D 790–17, ASTM D 6272–17, ASTM C 1341–13 и др. Сущность испытаний заключается в изгибе плоского образца постоянного прямоугольного сечения, свободно лежащего на двух опорах, с постоянной скоростью нагружения до момента разрушения образца или до того момента, когда деформация растяжения на внеш72 ней поверхности образца достигнет предварительно заданного значения. Рекомендованные размеры образцов для трех типов ПКМ (ГОСТ 56805–2015) и КМК для двух вариантов изгиба приведены в табл. 2.5, а для УУКМ для трехточечного изгиба на рис. 2.46. Т а б л и ц а 2.5 Рекомендуемые размеры образцов для испытания на 3- и 4-точечный изгиб Материал и виды испытаний* Термопласты, армированные дисперсным волокном ПКМ с E11/G13 от 5 до 15 ПКМ с E11/G13 от 15 до 50 КМК** Пролет, мм 1 2 80 80 60 100 Длина между нижними опорами L, мм 1 2 64 Пролет между верхними опорами, мм 1 2 66 40 81 100 – 80 – 70 –5 50 75 L/2 Ширина, мм Толщина, мм 1 2 1 2 10 10 4 4 15 5 2 2 16 – 2 – 10 10 ≥2 ≥2 L/3 (L/4) L/3 (L/4) * 1 – трехточечный изгиб; 2 – четырехточечный изгиб по стандарту ASTM C 1341–13 возможны 36 типоразмеров образцов для каждого вида нагружения. ** Размеры образца, мм h От 2 до 4 Свыше 2 до 4 Свыше 73 Расстояние между опорами l, мм b L 15±0,5 60±2 40 15±0,5 80±2 60 15±0,5 100±2 80 6 до 8 Свыше 8 до 10 Рис. 2.46. Вид и геометрические размеры образцов из УУКМ при испытаниях на изгиб по ОСТ 92-1462–77 После проведения испытаний проводят анализ типа разрушения в соответствии с табл. 2.6. При этом разрушения, вызванные растяжением и сжатием на поверхностях образцов, допустимы, а разрушения, вызванные межслойным сдвигом, недопустимы. Т а б л и ц а 2.6 Возможные типы разрушения образца 74 15±0,5 120±2 100 Прочность при трехточечном изгибе иВ Рmax L 2bh 2 , при четырехточечном изгибе (здесь и далее для величины пролета между верхними опорами L/3): иВ Рmax L bh 2 . В случае больших прогибов, составляющих более 0,1L, прочность при трехточечном изгибе иВ вычисляют по формуле иВ 2 3Рmax L h 1 6 3 2 , 2 2bh L L при четырехточечном изгибе иВ Рmax L h 1 8,78 7,04 2 . 2 bh L L 2 Трение между нагружающими элементами, опорами и образцом может оказывать существенное влияние на результат испытаний. Для уменьшения влияния трения на результат испытаний, нагружающие элементы могут быть установлены на подшипники, испытания огра75 ничивают небольшими прогибами (не являются предпочтительными). В этом случае используют формулы: при трехточечном изгибе иВ 2 3Рmax L h h 1 6 3 2 (2 ) ; 2 L L L 2bh L при четырехточечном изгибе иВ 2 Рmax L h 1 8 , 78 7,04 2 3,39 , 2 L L bh L где L – пролет между опорами; b – ширина образца; h – толщина образца; Pmах – максимальная нагрузка; ω – прогиб образца. Модуль упругости при поперечном трехточечном изгибе Е ип вычисляют по формуле Е ип РL2 4bh 2 ; при четырехточечном изгибе: Еип 0,21РL2 bh 2 , где ΔР – приращение нагрузки на упругом участке нагружения, соответствующее изменению прогиба Δω; Δω – разность прогибов и , которые соответствуют значениям деформации изгиба f = = 0,0005 и f = 0,0025, для трехточечного изгиба f L2 6h , f L2 6h ; при четырехточечном изгибе f L2 4,7h , f L2 4,7h , f и f – деформации изгиба. При испытаниях на трехточечный изгиб (рис. 2.47, а) стержней из стеклопластика, полученных методом пултрузии, образцы могут быть исходного круглого сечения или распилены вдоль осевой линии (рис. 2.47, б). Диаметр образцов не менее 12,7 мм. а) б) 76 Рис. 2.47. Схема установки образца (а) и его поперечное сечение (б): Т – толщина образца; D – диаметр пултрузионного стеклокомпозитного стержня; R – радиус пултрузионного стеклокомпозитного стержня; C – расстояние от центра масс до крайних точек; O – центр масс Длина образца Lобр 1,2L . Расстояние L kT , где k – коэффициент, равный значению от 16 до 24; Т – толщина образца. Максимальное напряжение ζи, МПа, вычисляют по формуле и PLC 4I , где Р – нагрузка в конкретной точке на графике «нагрузка – деформация»; L – расстояние между опорами; C – расстояние от центра масс до крайних точек; I – момент инерции. Максимальное напряжение с учетом горизонтальной составляющей реакции опор ζr и равно: r и PLC 4Y 2 1 2 4 I L , где Y – максимальное значение упругой деформации при выбранной нагрузке. При испытании полукруглых образцов момент инерции 1 2 A3 B I R 4 2G H 1 2G H 8 77 8 A 6 9 2G H , где R – радиус пултрузионного стеклокомпозитного стержня; A, B, H – безразмерные коэффициенты; G – арксинус A. При испытании образцов круглого сечения момент инерции I R 4 4 . (2.9) Коэффициент A вычисляют по формуле A 2 , где γ – относительная толщина образца, T R ; T – толщина образца. Коэффициент B равен: B 1 . Коэффициент H вычисляют по формуле H 2 AB . При испытаниях расстояние от центра масс до крайних точек С рассчитывают для образцов: полукруглых 4 A3 С R1 6G 3H . круглого сечения С R. Модуль упругости при изгибе Еи PL3 48IY . Модуль упругости при изгибе с учетом горизонтальной составляющей реакции опор Еr и вычисляют по формуле Er и PL3 48IY 4Y 2 1 L2 . При испытании полукруглых образцов момент инерции 1 2 A3 B I R 4 G H 1 2G H 8 8 A 6 9 2G H . При испытании образцов круглого сечения момент инерции I вычисляют по формуле (2.9). 3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ 3.1. Импульсное и циклическое нагружение КМ Для определения величин модульных характеристик КМ, помимо статических испытаний материала, используют различные динамиче78 ские способы, основанные на зависимости частоты вынужденных колебаний от модуля упругости (от модуля Юнга при продольных колебаниях и колебаниях при изгибе и от модуля сдвига при крутильных колебаниях). При этом динамический модуль упругости приблизительно равен (или немного завышен на 5…12%) начальному модулю упругости при статических испытаниях. При импульсном нагружении композит проявляет вязкоупругие свойства, которые невозможно оценить при статическом воздействии. Кроме того, динамическое нагружение моделирует наиболее жесткие условия, которым может подвергаться КМ в процессе эксплуатации. Поэтому данные исследования проводят для определения, помимо начальных модулей упругости, влияния температуры, внешней среды (химическая и газовая коррозия, набухание и др.), старения на характеристики КМ, интервала вязкоэластичности, степени кристалличности полимерных матриц и др. Для возбуждения в образце продольных, поперечных и крутильных колебаний при нахождении динамического модуля упругости могут быть использованы электромагнитные, пьезоэлектрические, электростатические, электродинамические, механические и другие методы. В идеально упругом материале величина напряжения пропорциональна деформации, и угол сдвига фазы между деформацией и напряжением δ = 0º. В идеально вязкой среде напряжение ζ пропорционально скорости деформации и отстает по фазе от деформации на угол 90º. Реальные полимеры и ПКМ являются вязкоупругими системами. В них угол сдвига фазы между деформацией и напряжением δ находится в диапазоне от 0º до 90º. Величина этого угла зависит от времени релаксации кинетических элементов полимерных молекул при периодических деформациях. Поэтому напряжение в момент времени t при периодических деформациях является суммой двух слагаемых: ζ = ζ0 sin(ωt +δ) = ζ0 sinωt cosδ + ζ0 cosωt sinδ, (3.1) где ζ0 – максимальное напряжение, ω – частота колебаний. Первое слагаемое имеет амплитуду ζ0 cosδ и совпадает по фазе с деформацией, а второе – с амплитудой ζ0 sinδ и отстает по фазе на угол 90º. Соотношение (3.1) можно представить в виде ζ = ε0 E ' sin ωt + ε0 E''cos ωt, 79 где E′ = (ζ0/ε0) cos δ, E′′ = (ζ0/ε0) sin δ. Величины E′ и E′′ определяют комплексный динамический модуль Юнга E* материала, который представляется в виде E* = E' + + iE''. Действительная часть E′ комплексного модуля Юнга известна как динамический модуль Юнга или «модуль накопления», так как она соответствует изменению потенциальной энергии при периодических деформациях. Мнимую часть E′′ называют «модулем потерь», поскольку она связана с энергией, переходящей в теплоту при колебаниях. При крутильных колебаниях аналогично E* определяется комплексный динамический модуль сдвига G* = G′ + iG′′. Составными частями комплексного модуля сдвига являются: динамический модуль сдвига G′ – отношение максимальной амплитуды напряжения сдвига к максимальной амплитуде деформации сдвига для составляющей момента вращения, совпадающей по фазе с синусоидальной деформацией, и динамический модуль потерь G" – отношение максимальной амплитуды напряжения сдвига к максимальной амплитуде деформации сдвига для составляющей момента вращения с фазовым сдвигом 90º относительно синусоидальной деформации. Величины E′ и G′ характеризуют упругость материала при выбранной температуре и частоте воздействия, а величины E′′ и G" являются показателями его вязкости. Тангенс угла механических потерь tg δ = E′′ / E′; tg δ = G′′ / G′. В дальнейшем будут приводиться стандартизованные зависимости по определению только динамических модулей КМ E′ и G′. Основные акустические методы исследования физико-механических свойств КМ – резонансный и импульсный ультразвуковой. Сущность резонансного метода заключается в нахождении частоты собственных колебаний f0 стержня, призмы (бруска) или пластины, изготовленных из исследуемого материала. Для нахождения резонансной частоты fr в образце материала возбуждают вынужденные продольные, изгибные, крутильные колебания и, меняя частоту внешнего воздействия, по максимуму амплитуды находят состояние резонанса, а следовательно, и f0. Затем путем несложных расчетов определяют модули упругости исследуемого материала. 80 Сущность импульсного ультразвукового метода заключается в периодическом возбуждении в изучаемой среде (образце) короткого импульса механических колебаний и регистрации времени его распространения на участке известной длины и изменения динамических характеристик регистрируемого сигнала: амплитуды, формы, периода, фазы и др. По измеренному времени определяется скорость распространения соответствующего типа упругих волн, а по динамическим характеристикам – поглощающие и диссипативные свойства изучаемого материала. Далее по значениям скорости разных типов волн можно рассчитать модули упругости исследуемого материала. Динамические испытания могут проводиться с предварительным нагружением и без него, а образец в зависимости от определяемых характеристик, может быть закреплен разными способами (рис. 3.1). а) г) б) д) в) е) Рис. 3.1. Схемы проведения динамических импульсных испытаний: а – одноплечевой изгиб; б – двуплечевой изгиб; в – трехточечный изгиб; г – растяжение; д – сжатие; е – сдвиг ГОСТ Р 57862–2017 и стандарт ASTM Е 1875–13 распространяются на ПКМ, а стандарт ASTM C1198−09 на КМК и устанавливают определение динамического модуля упругости, модуля упругости при сдвиге и коэфициента Пуассона методом акустического резонанса. Кроме того, такого рода испытания для пластмасс, в том числе армированных волокном, регламентированы ГОСТ Р 56803–2015 и ISO 6721–3:1994. Сущность метода заключается в возбуждении колебаний посредством воздействия на образец периодической силой, направленной вдоль его оси. Соответствующие основные резонансные частоты, размеры и масса образца используются для расчета динамического модуля упругости, динамического модуля упругости при сдвиге и 81 коэффициента Пуассона. Схемы крепления образца на опорах (пробка, резина и т.п.) с одним защемленным концом или на подвесных нитях приведены на рис. 3.2, 3.3, а и 3.3, б соответственно. а) б) Рис. 3.2. Крепление образца на опорах по ГОСТ Р 57862–2017: а – изгибные вибрации; б – крутильные вибрации; 1 – излучающий преобразователь; 2 – приемный преобразователь а) б) 6 1 2 3 4 5 1 4 7 2 5 6 7 3 8 Рис. 3.3. Крепление образца по ГОСТ Р 56803–2015: а – с одним защемленным концом: 1 – зажим; 2 – к усилителю; 3 – детектор; 4 – камера с регулируемой температурой; 5 – образец; 6 – от генератора колебаний; 7 – устройство возбуждения; б – на подвесных нитях: 1 – тонкие волокна; 2 – устройство возбуждения; 3 – от генератора колебаний; 4 – образец; 5 – узлы колебаний; 6 – камера с регулируемой температурой; 7 – детектор; 8 – к усилителю Для определения изгибного модуля применяют образцы с прямоугольным или круглым поперечным сечением, у которых отношение L к минимальному размеру поперечного сечения должно составлять 25. Для измерения G'п прямоугольных образцов рекомендуемое отношение ширины к толщине должно быть равно пяти. 82 После включения оборудования в режиме, обеспечивающем на излучающем преобразователе достаточную мощность для возбуждения образца, перестраивают частоту генератора до появления на экране осциллографа фигуры Лиссажу в виде круга (эллипса) или синусоиды с максимальной амплитудой, которая свидетельствует о совпадении частоты генератора с частотой собственных вибраций образца. Динамический модуль упругости для основной резонансной частоты при изгибных колебаниях образца с прямоугольным поперечным сечением Е'п по ГОСТ Р 57862–2017 и ГОСТ Р 56803–2015 вычисляют соответственно по формулам mf 2 Eп 0,9465 r b L3 T1 ; h 3 2 (3.2) 2 4L2 3 f r , E п k2 h i где m – масса образца; fr – основная резонансная частота образца при изгибных колебаниях; b – ширина образца с прямоугольным поперечным сечением; L – длина образца; h – толщина образца; ρ – плотность материала образца; k2i – числовой множитель, зависящий от i-го порядка колебаний и схемы крепления образца (берется из ГОСТ Р 56803–2015). Поправочный коэффициент Т1 при L/h ≥ 20 для основной резонансной частоты при изгибных колебаниях, который учитывает конечную толщину образца с прямоугольным поперечным сечением, вычисляют по формуле 2 h T1 1 6,585 . L (3.3) Динамический модуль упругости для основной резонансной частоты при изгибных колебаниях образца с круглым поперечным сечением (3.4) Eк 1,6067 L3 mf r2T D 4 , где m – масса образца; fr – основная резонансная частота образца при изгибных колебаниях; D – диаметр образца; L – длина образца. 83 Поправочный коэффициент Т'1 при L/D ≥ 20 для основной резонансной частоты при изгибных колебаниях, который учитывает диаметр образца с круглым поперечным сечением, вычисляют по формуле T1 1 4,939D L 2 . (3.5) Динамический модуль упругости при сдвиге для резонансной частоты при крутильных вибрациях для образца с прямоугольным G'п и круглым G'к поперечным сечением вычисляют по формулам Gп 4 Lmf r2 B ; bh 1 A Gк 16 Lmf r2 D 2 (3.6) . Коэффициенты поправки В и А равны: b hh b B ; 2 6 4h b 2,52h b 0,21h b 2 3 b b b 0,5062 0,8776 0,3504 0,0078 h h h . A 2 b b 12,03 9,892 h h Коэффициент Пуассона E 2G 1. (3.7) Если измерения проводились при повышенной или пониженной температуре, необходимо ввести в рассчитанные модули поправку на линейное тепловое расширение: 2 f 1 M T M 0 T , f 0 1 T 84 (3.8) где МТ – динамический модуль упругости при температуре испытания (либо Е', либо G'); М0 – динамический модуль упругости при комнатной температуре (либо Е', либо G'); fТ – резонансная частота в печи или криогенной камере, измеренная при температуре испытания; f0 – резонансная частота при комнатной температуре в печи или криогенной камере; ΔТ – разность между температурой испытаний и комнатной температурой; α – средний коэффициент линейного теплового расширения при изменении температуры от комнатной до температуры испытаний. ГОСТ Р 57947–2017 и ASTM Е 1876–15 распространяются на ПКМ, а ASTM C1259–15 на КМК и устанавливают методы определения динамического модуля упругости, модуля упругости при сдвиге и коэффициента Пуассона методом импульсного воздействия вибрации. Сущность метода заключается в определении основной резонансной частоты образцов, вызванной одиночным механическим возбуждением. Соответствующие основные резонансные частоты, размеры и массу образца используют для расчета динамического модуля упругости, динамического модуля упругости при сдвиге и коэффициента Пуассона. Источник импульсов представляет собой приспособление, создающее возбуждающие колебания путем нанесения ударов по образцу с определенной силой. Для образцов с прямоугольным, круглым поперечным сечением, а также образцов в форме дисков (для КМ с квазиизотропной структурой) примером источника импульсов может служить стальной шар диаметром 5 мм, приклеенный к концу стержня из испытываемого КМ длиной 10 см. В качестве альтернативного источника импульсов может использоваться металлический, керамический или полимерный шар (диаметром от 1 до 10 мм), падающий на образец по направляющей трубке, обеспечивающей заданное место приложения импульса. Для измерения вибрации применяют контактные (пьезоэлектрические или тензометрическими акселерометры) или бесконтактные (акустические микрофоны) датчики. Испытывают образцы с прямоугольным или круглым поперечным сечением, у которых отношение L к минимальному размеру поперечного сечения должно составлять 20…25. Для измерения G'п прямоугольных образцов рекомендуемое отношение ширины к толщине должно быть равно пяти. Для образцов в форме дисков отношение диаметра к толщине должно составлять 10…20. При определении основной резонансной частоты при изгибных колебаниях (изгиб вне плоскости) образец устанавливают на опоры, 85 размещенные у основных узловых точек, на расстоянии 0,224 L от каждого конца образца. При определении основной резонансной частоты при изгибных колебаниях (изгиб внутри плоскости) измерение выполняют одним из следующих способов: поворачивают датчик и источник импульсов на 90º вокруг продольной оси образца для возбуждения и обнаружения вибраций в основной плоскости или поворачивают образец на 90º вокруг его продольной оси и переставляют его на опорах. В этом случае необходимо поменять местами значение ширины и толщины в расчетах. При исследованиях по образцу наносят упругий удар либо посредине образца, либо по концу, противоположному тому, на котором установлен датчик (рис. 3.4). а) б) Рис. 3.4. Схемы испытаний с импульсным изгибным воздействием вибрации: а – изгиб вне плоскости; б – изгиб в плоскости; 1 – узловая линия изгиба; 2 – точка импульса изгибающей вибрации вне плоскости; 3, 7 – точка установки контактного датчика; 4, 8 – точка установки бесконтактного датчика; 5 – опоры; 6 – точка импульса изгибающей вибрации в плоскости При определении основной резонансной частоты при крутильных и продольных вибрациях образец устанавливают на опоры, как показано на рис. 3.5. 86 Рис. 3.5. Схемы испытаний с импульсным крутильным и продольным воздействием вибрации: 1 – узловая линия изгиба; 2 – узловые линии кручения; 3 – точка импульса крутильных вибраций; 4 – точка установки контактного датчика крутильных вибраций; 5 – точка установки микрофонного датчика крутильных вибраций; 6 – опоры; I–IV – номера квадрантов; b – ширина образца с прямоугольным поперечным сечением; L – длина образца При крутильных вибрациях датчик устанавливают на образец в I квадранте в направлении к краю, на расстоянии 0,224 L от конца образца и наносят удар на расстоянии 0,224 L от конца образца, в квадранте III рядом с краем. При продольных вибрациях датчик располагают по центру одной из торцевых поверхностей образца и наносят удар по торцевой поверхности образца, противоположной той, на которой находится датчик. Динамический модуль упругости для основной резонансной частоты при изгибных колебаниях образцов с прямоугольным и круглым поперечным сечением Е'п и Е'к при L/h (или L/D) ≥ 20 вычисляются по формулам (3.2) и (3.4), а соответствующие поправочные коэффициенты Т1 и Т'1 по формулам (3.3) и (3.5). Динамический модуль упругости для основной резонансной частоты при продольных колебаниях образца с круглым Е'к пр и с прямоугольным Е'п пр поперечным сечением вычисляют по формулам Eк пр 16mLf r2 D 2 K Eп пр ; 4mLf r2 , bhK где m – масса образца; fr – основная резонансная частота образца при изгибных колебаниях; D – диаметр образца; L – длина образца; b – 87 ширина образца с прямоугольным поперечным сечением; h – толщина образца. Поправочные коэффициенты К и К' для основной резонансной частоты при продольных колебаниях, которые учитывают конечное отношение диаметра к длине и коэффициент Пуассона ν, вычисляют по формулам 2 ν 2 D 2 K 1 2 8L 2 2 Dэф 2 K 1 8L2 ; . Эффективный диаметр образца с прямоугольным поперечным сечением Dэф равен: 2 Dэф 2 b2 h2 . 3 Динамический модуль упругости при сдвиге для резонансной частоты при крутильных вибрациях для образца с прямоугольным поперечным сечением Gп 4mLf r2 R . bh Поправочный коэффициент на геометрию образца 2 0,00851n 2 b 2 1 b h R 1 L2 h 1,991 4 2,521 1 b b h e 1 3/ 2 2 0,060 nb b 1 , L h где n – порядок резонанса (1, 2. 3,...). Динамический модуль упругости при сдвиге для резонансной частоты при крутильных вибрациях для образца с круглым поперечным сечением G'к и коэффициент Пуассона ν вычисляют по формулам (3.6) и (3.7) соответственно. Если измерения проводились при повышенной или пониженной температуре, необходимо внести во все рассчитанные модули поправку на линейное тепловое расширение по формуле (3.8). Динамический изгибной модуль упругости ПКМ (до 200 ГПа) может быть определен методом трехточечного изгиба по 88 ГОСТ Р 57916–2017 и ISO 6721–5:1996, когда испытуемый образец подвергают синусоидальному поперечному нагружению или деформации при частоте существенно ниже собственной резонансной частоты колебаний. В рамках данных стандартов возможны два варианта размещения образцов: свободно лежащие на опорах (рис. 3.1, в) и с защемленными концами (рис. 3.1, б). При испытаниях, в которых значение модуля упругости материалов (> 50 ГПа) высокое, должны применяться длинные и тонкие образцы прямоугольного сечения, чтобы создаваемые смещения могли измеряться с высокой точностью. К образцам, свободно лежащим на опорах, также прикладывают статическое нагружение, достаточное для предотвращения поперечной деформации (обычно около 0,2%) при динамической нагрузке. Приближенное значение динамического модуля упругости при изгибе для образца, закрепленного в зажимах Е' из и свободно лежащего на опорах Е' исв, вычисляют соответственно по формулам: Е з и FA L3a L3a h 2 E 1 cos k Ef a 2bh 3 s A L2a G 2bh 3 2 1 h E cos ; Ef 2 La G и Есв FA L3a L3a h 2 E h 2 E 1 cos k 1 cos Ef , Ef a bh 3 s A 4 L2a G bh 3 4 L2a G (3.9) (3.10) где ΔFА – измеренное значение амплитуды динамической нагрузки; sA – измеренное значение амплитуды динамического смещения; La – длина части образца между центральным зажимом (опорой) и одним (любым) из крайних зажимов (опор); b – ширина образца; h – толщина образца; Е' – модуль упругости при изгибе; G' – модуль упругости при сдвиге; δЕf – измеренное значение фазового угла между амплитудами циклической нагрузки и смещением; kа – измеренное значение величины комплексной жесткости образца. Комплексная жесткость – отношение амплитуды гармонической вынуждающей силы к комплексной амплитуде перемещения при гармонической вынужденной вибрации линейной системы. Как видно из формул (3.9) и (3.10), для вычисления динамического модуля при изгибе необходимо предварительно определить динамические модули Юнга и сдвига. Динамический модуль сдвига ПКМ (до 10 ГПа) можно определить нерезонансным методом крутильных колебаний по 89 ГОСТ Р 56802–2015 и ISO 6721–7:1996, когда испытуемый образец подвергают синусоидальной скручивающей или угловой деформации при частоте значительно ниже собственной резонансной частоты кручения. Измеряют амплитуды сил и смещения на образце, а также угол сдвига фаз между ними. В рамках данных стандартов возможны два конструктивных варианта узлов нагружения (рис. 3.6). а) б) Рис. 3.6. Схемы узлов нагружения для определения динамических модулей сдвига путем вынужденных крутильных колебаний нерезонансным методом: Т – датчик крутящего момента; C1, С2 – зажимы; s – образец для испытания; R – датчик углового смещения; D – приводное устройство; su – подвеска На рис. 3.6, а приводное устройство D и датчик крутящего момента Т являются отдельными элементами, в то время как на рис. 3.6, б обе функции выполняет элемент D. Стандарты рекомендуют использовать образцы для испытания в форме прутков прямоугольного поперечного сечения или цилиндрических стержней. Требования к размерам образцов не предъявляются. В условиях испытания, при которых модули упругости высокие (>1 ГПа), рекомендуются тонкие и длинные образцы, чтобы возникающие угловые смещения могли быть измерены с высокой точностью. Приближенное значение динамического модуля упругости при сдвиге 90 G T A La L cos G Г A a cos G , Ak k где ТА – измеренная амплитуда динамического крутящего момента, приложенного к образцу; ΘА – измеренная амплитуда динамического углового смещения; Lа – длина образца между двумя зажимами; k – коэффициент формы, представляющий собой отношение комплексной жесткости при кручении к комплексному модулю упругости при сдвиге на единицу длины образца; δG – измеренный фазовый угол между крутящим моментом и угловой деформацией в цикле; ГА – измеренное абсолютное значение комплексной жесткости при кручении образца. Коэффициент формы k для прямоугольного прута с соотношением ширины и толщины от 0 до 0,6 вычисляют по формуле k bh 3 0,63h 1 , 3 b где b – ширина прямоугольного образца; h – толщина прямоугольного образца. При соотношении b/d от 0,6 до 1 используют уравнение k bh 3 0,843 . 3 1 h2 b2 Для цилиндрического стержня коэффициент формы k R 4 2 , где R – радиус цилиндрического образца. Динамический модуль упругости ПКМ может быть определен, когда к образцу, размещенному между двух параллельных плоских пластин, прикладывают динамическую сжимающую нагрузку (рис. 3.1, д). Вынужденная деформация образца осуществляется при фиксированной или при переменной частоте (значительно ниже собственной резонансной частоты колебаний образца). Данный метод испытаний регламентирован ГОСТ Р 58017–2017 и ASTM D5024–15. 91 Образцы для испытаний должны иметь форму цилиндра, рекомендуется использовать образцы диаметром 25 мм и высотой до 5 мм, допускаются и другие размеры. Динамический модуль упругости Е'сж вычисляют по формуле Есж 4 LF d 2 s cos , где F – измеренная амплитуда динамической нагрузки; s – измеренная амплитуда динамического смещения; L – расстояние между пластинами; d – диаметр образца; δ – измеренный фазовый угол между нагрузкой и смещением. Динамический модуль упругости ПКМ можно найти и через синусоидальное растягивающее нагружение при частоте значительно ниже собственной резонансной частоты продольных колебаний образца со свободными или закрепленными концами по ГОСТ Р 56804–2015. При этом измеряют амплитуды сил и смещения на образце, а также угол сдвига фаз между ними. Главным недостатком данного метода является определение модуля упругости материала до 5 ГПа, что явно ниже показателей типовых ПКМ, армированных непрерывными волокнами, и только для дисперсно-армированных композитов. 3.2. Определение ударной вязкости КМ Способность материалов противостоять ударным нагрузкам оценивается по величине ударной вязкости. Данный показатель – один из важнейших для КМ. Под ударной вязкостью понимают отношение работы, затраченной на разрушение стандартного образца, к площади его поперечного сечения в месте излома. Следует учитывать, что величина ударной вязкости зависит от температуры. По мере понижения температуры ударная вязкость образцов может существенно уменьшаться. В этой связи, для некоторых КМ, особенно с термопластичными матрицами, существует температурный интервал, в котором ударная вязкость резко меняет свое значение. Чем больше он смещен в сторону низких температур, тем материал более надежен в работе. Испытания на ударную вязкость проводят для оценки надежности и работоспособности материалов в условиях динамического нагружения и их склонности к хрупкому разрушению, которые, в свою очередь, зависят от скорости изменения нагрузки и вида напря92 женного состояния. Поскольку вязкость (в том числе ударная) является интегральной характеристикой, зависящей одновременно от прочности и деформационных свойств, то она более резко реагирует на изменения структурного состояния материалов, чем другие свойства, что особенно ярко проявляется при пониженных температурах. Для определения ударной вязкости используют маятниковый копер. В большинстве случаев этот вид испытания сочетают с наиболее простым в реализации видом деформации – изгибом. Так как показатель ударной вязкости измеряется на маятниковых копрах, то он определяется величиной работы, затраченной на разрушение образца. Образец в держателе копра может располагаться подобно балке при двухопорном изгибе (рис. 3.7, а) (по методу Шарпи) или консольно (рис. 3.7, б) (по Изоду). Рис. 3.7. Схема испытаний по Шарпи (а) и по Изоду (б): 1 – образец; 2 – ударная часть механического копра; N – сила удара; l – длина образца; h – толщина образца Сравнивая указанные методы, отметим следующее. На сопротивление КМ ударным нагрузкам большое влияние оказывают концентраторы напряжений. Ими могут быть дефекты поверхности образца (шероховатости, резкие переходы расположения поверхностей), внутренние дефекты образца (пустоты, чужеродные включения), дефекты материала (внутренние напряжения, дефекты физической структуры). В связи с этим, к качеству образцов предъявляют повышенные требования. Чем меньше размеры образца, тем качественнее он должен быть изготовлен. Особенно требовательно необходимо относиться к надрезам, искусственно уменьшающим сечение образца механиче93 ской обработкой. Кроме того, полученные по Изоду результаты нельзя сопоставлять с двухопорным ударным изгибом. Они могут использоваться только для сравнительных характеристик, что удобно в лабораторной практике при ограниченных количествах образцов. Сущность метода по Изоду заключается в разрушении консольно-закрепленного образца из КМ с надрезом и без надреза ударом маятника поперек образца на определенном расстоянии от места закрепления. Образец вертикально крепится в испытательной установке с маятниковым принципом ударного воздействия (на маятниковом копре). Затем в свободном падении производят удар бойком маятника. Испытание на удар маятниковым копром позволяет определить энергию разрушения стандартных испытательных образцов указанного размера в установленных условиях крепления маятника и скорости маятника при ударе. Метод испытаний образцов из ПКМ без надрезов по Изоду, описанный ГОСТ Р 57948–2017 и ASTM D 4812–11, имеет преимущество по сравнению с методом испытаний образцов с надрезами (ГОСТ Р 57715–17 и ASTM D 256–10 е1). Отсутствие надреза на образцах делает настоящий метод испытания особенно полезным в случае с армированными КМ, где надрез может нарушать схему ориентирования армирующего наполнителя, исключая отдельные слои. При испытаниях на ударную прочность по Изоду образцов без надреза получают более высокие результаты по сравнению с аналогичными испытаниями образцов с надрезом из-за отсутствия места концентрации напряжений. Для определения энергии, затраченной маятником при разрушении образца, используют либо стрелку-указатель со счетным механизмом, либо электронную систему, состоящую из цифрового указателя и датчика, как правило, кодового датчика или расчетного устройства. В любом случае указанная энергия разрушения находится по высоте подъема маятника над точкой удара для данного конкретного маятника. Рекомендуемые геометрические размеры образцов из ПКМ без надрезов (допускается проводить испытания образцов, имеющих другую толщину): толщина (12,70 ± 0,15) мм; длина 60,30…63,50 мм; ширина (3,17 ± 0,13) мм, а с надрезами указаны на рис. 3.8. Ударная вязкость а, Дж/м2, равна а А bh , 94 (3.11) где А – энергия удара (суммарная энергия, затраченная маятником на удар); b – ширина образца; h – толщина образца. При испытаниях образцов с надрезом толщина h – это минимальная толщина образца в зоне надреза. Рис. 3.8. Геометрические размеры образца из ПКМ с надрезом для испытаний по Изоду Метод испытаний образцов из ПКМ с надрезами и без надрезов по Шарпи описывают ГОСТ 4647–2015 и ISO 179-1:2010 и устанавливают метод определения ударной вязкости разрушения. Рекомендуемые геометрические размеры образцов из ПКМ с надрезами и без надрезов приведены в табл. 3.1. Т а б л и ц а 3.1 Геометрические размеры образов из ПКМ для испытаний по Шарпи Тип образца Без надреза С надрезом Без надреза С надрезом Без надреза С надрезом Длина, мм Ширина, мм Толщина h, мм Расстояние между опорами, мм 120±2 15±0,5 10±0,5 70 80±2 10±0,5 4±0,2 60 50±1 6±0,5 4±0,2 40 95 Толщина под надрезом, мм h 8±0,3 h 3,2±0,2 h 3,2±0,3 Библиографический список 1. Тарнопольский Ю.М., Кинцис. Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. М.: Химия, 1981 272 с. 2. Казуров А.В. Свойства и методы испытаний полимерных композиционных материалов: учебное пособие. Волгоград: Волгоградский государственный технический университет, 2017. 88 с. 3. Баурова Н.И., Зорин В.А. Методы оценки эксплуатационных свойств деталей из полимерных композиционных материалов: метод. пособие. М.: МАДИ, 2017. 84 с. 4. Садова А.Н., Бортников В.Г., Заикин А.Е. и др. Практикум по технологии переработки и испытаниям полимеров и композиционных материалов М.: Колосс, 2013. 191 с. 5. Шах В. Справочное руководство по испытаниям пластмасс и анализу причин их разрушения. СПб.: НОТ, 2009. 732 с. 96 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 3 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ АРМИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ........................... 4 1.1. Классификация методов механических испытаний ...................................... 4 1.2. Особенности испытаний образцов из КМ ...................................................... 5 1.3. Образцы для испытаний ................................................................................... 8 1.4. Кондиционирование образцов и условия испытаний .................................. 11 2. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ..................................................... 13 2.1. Испытания на одноосное растяжение ........................................................... 13 2.1.1. Измеряемые величины ............................................................................ 14 2.1.2. Форма и размеры образцов .................................................................... 16 2.2. Испытания на одноосное сжатие................................................................... 33 2.2.1. Общие положения .................................................................................. 33 2.2.2. Форма и размеры образцов .................................................................... 34 2.2.3. Испытания на смятие ........................................................................... 44 2.3. Испытания на сдвиг ........................................................................................ 46 2.3.1. Общие положения .................................................................................. 46 2.3.2. Сдвиг в плоскости укладки арматуры .................................................. 47 2.3.3. Определение характеристик межслоевого сдвига.............................. 56 2.3.4. Испытания на срез ................................................................................. 66 2.4. Испытания на изгиб........................................................................................ 68 3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ...................................................................... 78 3.1. Импульсное и циклическое нагружение КМ ............................................... 78 3.2. Определение ударной вязкости КМ .............................................................. 92 Библиографический список ................................................................................... 96 Кулик Виктор Иванович, Нилов Алексей Сергеевич Статические и динамические испытания образцов из композиционных материалов Редактор Г.В. Никитина Корректор Л.А. Петрова Компьютерная верстка: Н.А. Андреева Подписано в печать 25.04.2019. Формат 60×84/16. Бумага документная. Печать трафаретная. Усл. печ. л 5,6. Тираж 100 экз. Заказ № 73 Балтийский государственный технический университет Типография БГТУ 190005, С.-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1 97