Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Стандарт распространяется на композиционные намоточные материалы с полимерной матрицей, армированные высокомодульными волокнами, и регламентирует методику испытания кольцевых образцов на растяжение. Документ устанавливает единые требования к определению прочностных и упругих характеристик в окружном направлении при различных температурах эксплуатации.
Область применения стандарта охватывает намоточные изделия из композитов, армированных непрерывными углеродными, борными, органическими и другими высокопрочными волокнами. Методика позволяет проводить испытания при нормальной температуре двадцать градусов Цельсия, повышенной до ста восьмидесяти градусов и пониженной до минус шестидесяти градусов. Температурный диапазон обеспечивает возможность оценки характеристик материалов для различных условий эксплуатации.
Стандарт взаимосвязан с нормативными документами по материалам для изготовления оснастки, требованиям к шероховатости поверхностей по ГОСТ 2789-73, крепежным элементам по ГОСТ 3128-70 и условиям кондиционирования образцов по ГОСТ 12423-66. Материалы для полудисков и тяг изготавливаются из конструкционной стали по актуальной редакции стандарта ГОСТ 1050-2013, заменившего ГОСТ 1050-88. Соблюдение всех нормативных требований обеспечивает достоверность получаемых результатов.
Методика основана на кратковременном растяжении кольцевых образцов самозамыкающимися полудисками, что позволяет определить механические характеристики композитов в окружном направлении. Конструкция приспособления обеспечивает равномерное распределение нагрузки по периметру образца, исключая концентрацию напряжений в зонах крепления.
При растяжении кольцевых образцов определяют следующие показатели:
Комплексное определение всех характеристик может выполняться на одних образцах при условии, что предварительная нагрузка не превышает двадцати процентов от разрушающей и составляет не более восьмидесяти процентов от предела пропорциональности.
Приспособление состоит из двух тяг с полудисками, фиксируемых пальцами. Штифты исключают смещение полудисков относительно друг друга в процессе испытания. Образец устанавливается на полудиски, которые при растяжении передают нагрузку на его внутреннюю поверхность. Разница между внутренним диаметром кольцевого образца и диаметром полудисков в сборе не должна превышать четырех десятых миллиметра.
Шероховатость опорных поверхностей полудисков должна быть не более шестидесяти трех сотых микрометра. Это требование обеспечивает равномерный контакт с образцом и предотвращает его преждевременное разрушение из-за концентрации напряжений на неровностях поверхности.
Намоточные композиты представляют собой материалы, изготовленные методом спиральной или кольцевой намотки непрерывных армирующих волокон, пропитанных связующим, на оправку требуемой формы. Технология намотки позволяет создавать изделия с заданной ориентацией волокон и оптимальным распределением прочностных свойств по направлениям нагружения.
Углеродные волокна получают термической обработкой полимерных прекурсоров при температурах до двух тысяч градусов Цельсия. Процесс карбонизации обеспечивает формирование упорядоченной графитоподобной структуры с выдающимися механическими характеристиками. Высокомодульные углеродные волокна на основе полиакрилонитрила характеризуются модулем упругости около четырехсот гигапаскалей при пределе прочности от двух до двух с половиной гигапаскалей, а волокна на основе мезофазных пеков достигают модуля упругости от четырехсот до семисот гигапаскалей.
Высокопрочные углеродные волокна демонстрируют модуль упругости от двухсот до двухсот пятидесяти гигапаскалей при пределе прочности от трех до трех с половиной гигапаскалей. Выбор типа волокна определяется требованиями к жесткости и прочности конструкции. Углеродные волокна выпускаются в виде нитей, содержащих до десяти тысяч элементарных волокон диаметром около семи микрометров.
Борные волокна изготавливают осаждением бора из газовой фазы на вольфрамовую подложку диаметром двенадцать микрометров. Процесс протекает при температуре основы от тысячи ста до тысячи двухсот градусов Цельсия с использованием треххлористого бора. Общий диаметр борного волокна составляет от ста до двухсот микрометров, при этом наиболее распространенным является диаметр сто сорок микрометров.
Прочность борных волокон достигает четырех тысяч мегапаскалей, а модуль упругости находится в диапазоне от трехсот восьмидесяти до четырехсот гигапаскалей. Модуль сдвига борных волокон не превышает ста восьмидесяти гигапаскалей. Использование борных волокон в композитах благодаря их полупроводниковым свойствам приводит к понижению тепло- и электропроводности материала.
Органические волокна на основе ароматических полиамидов получают формованием концентрированных растворов через фильеры. Арамидные волокна характеризуются плотностью от тысячи четырехсот двадцати до тысячи четырехсот пятидесяти килограммов на кубический метр, пределом прочности при растяжении от трех до трех с половиной гигапаскалей и модулем упругости от семидесяти до ста семидесяти гигапаскалей.
Благодаря низкой плотности органические волокна превосходят по удельной прочности все известные армирующие материалы и металлические сплавы. По модулю упругости они уступают углеродным и борным волокнам, но сочетают высокую прочность с малой массой, что критично для авиакосмических применений.
Наибольшее распространение в намоточных композитах получили эпоксидные, фенолоформальдегидные и полиамидные матрицы. Эпоксидные связующие обеспечивают хорошую адгезию к волокнам и технологичность при переработке. Фенолоформальдегидные матрицы характеризуются повышенной термостойкостью и низким дымообразованием. Полиамидные связующие отличаются высокой ударной вязкостью и стойкостью к динамическим нагрузкам.
Кольцевые образцы могут быть изготовлены намоткой каждого в отдельности или нарезаны из цилиндрической заготовки. При намотке отдельных колец обеспечивается максимальная идентичность образцов по структуре и свойствам. Нарезка из цилиндра позволяет получить большее количество образцов из одной заготовки и гарантирует их изготовление в идентичных технологических условиях.
Стандартное соотношение внутреннего диаметра к толщине образца составляет от пятидесяти до ста пятидесяти. Толщину измеряют в направлении радиуса, ширину — в направлении, перпендикулярном к плоскости кольца. Для материалов, армированных только в окружном направлении, ширина составляет от шести до пятнадцати миллиметров. Для материалов с двунаправленным армированием допускается ширина от десяти до двадцати миллиметров.
Образцы должны иметь гладкую наружную поверхность без вздутий, сколов и других дефектов, заметных невооруженным взглядом. Наличие поверхностных дефектов приводит к концентрации напряжений и преждевременному разрушению, искажающему результаты испытаний. Предельные отклонения размеров должны находиться в допустимых пределах, установленных технологической документацией.
Количество образцов, взятых из одной партии для определения каждой характеристики, должно быть не менее пяти. Каждая характеристика может определяться на отдельных образцах или одновременно на одних и тех же образцах определяется несколько характеристик. При окончательном подсчете число образцов должно быть не менее пяти после исключения результатов, не укладывающихся в границы доверительного интервала.
Испытания проводят на универсальных испытательных машинах, обеспечивающих равномерное нагружение образца с постоянной скоростью деформирования. Электромеханические испытательные машины применяются для точного контроля скорости нагружения и программирования режимов испытаний. Гидравлические машины используются при необходимости создания больших усилий для высокопрочных композитов с большим поперечным сечением.
Приспособление для испытания состоит из двух тяг с полудисками, изготавливаемыми из стали сорок пять. Полудиски фиксируются пальцами, а штифты диаметром пятнадцать миллиметров и длиной тридцать миллиметров исключают возможность их смещения. Материал тяг, полудисков и пальцев обеспечивает достаточную прочность и жесткость конструкции при передаче нагрузки на образец.
Опорные поверхности полудисков должны иметь шероховатость не более шестидесяти трех сотых микрометра. Гладкие поверхности обеспечивают равномерное распределение контактных напряжений и предотвращают локальное повреждение образца. Разница между внутренним диаметром кольцевого образца и диаметром полудисков в сборе не должна превышать четырех десятых миллиметра для обеспечения плотной посадки.
Для регистрации деформаций используют тензодатчики, наклеиваемые на рабочую часть образца за шестнадцать — двадцать четыре часа до испытаний. Экстензометры позволяют измерять деформацию с высокой точностью непосредственно на базовой длине образца. Регистрирующая аппаратура обеспечивает синхронную запись значений нагрузки и соответствующей деформации в процессе испытания.
Современные испытательные комплексы оснащаются системами автоматического сбора данных и программным обеспечением для построения диаграмм деформирования в реальном времени. Цифровая регистрация результатов повышает точность измерений и упрощает последующую обработку экспериментальных данных.
Образец устанавливают на полудиски приспособления и закрепляют в захватах испытательной машины. Измерители деформаций подключают к регистрирующей аппаратуре и проверяют их функционирование. Перед началом нагружения фиксируют начальные размеры образца и базовую длину для измерения деформаций.
При определении предела прочности регистрируют наибольшую нагрузку, выдержанную образцом до разрушения. В расчет принимают результаты, полученные на образцах, разрушившихся по всей площади поперечного сечения. Разрушение может сопровождаться расслоением образца, что является допустимым характером разрушения намоточных композитов.
Образцы, разрушившиеся в зоне захватов или имеющие другие нехарактерные виды разрушения, исключаются из рассмотрения. Нагружение проводят с постоянной скоростью до полного разрушения образца с непрерывной регистрацией диаграммы нагрузка-деформация.
Для определения модуля упругости и предела пропорциональности регистрируют деформацию в окружном направлении и соответствующую ей нагрузку. Образец нагружают в диапазоне нагрузок, соответствующих от пяти до двадцати процентов от разрушающего напряжения в окружном направлении. При нагружении для каждого образца измеряют не менее восьми раз нагрузку и деформации.
Модуль упругости вычисляют как отношение приращения напряжения к соответствующему приращению деформации на линейном участке диаграммы. Предел пропорциональности определяют по максимальному напряжению, при котором сохраняется линейная зависимость между напряжением и деформацией.
Диаграмма деформирования при растяжении выражает зависимость окружного напряжения от окружной деформации. Снятие диаграммы основано на непрерывном измерении деформации и соответствующих им нагрузок в процессе испытания. В качестве регистрирующей аппаратуры используют самопишущие приборы или системы автоматического сбора данных.
Напряжение в окружном направлении определяют как отношение нагрузки к среднему значению начальных площадей поперечных сечений образца по середине измерительной базы. Площадь поперечного сечения вычисляют как произведение ширины образца на его толщину, измеренные в нескольких точках для получения среднего значения.
Модуль упругости в окружном направлении при растяжении вычисляют по формуле, учитывающей отношение приращения напряжения к приращению деформации на линейном участке диаграммы. Для повышения точности используют метод наименьших квадратов при аппроксимации экспериментальных точек прямой линией. Полученное значение модуля упругости характеризует жесткость материала в окружном направлении.
Предел прочности в окружном направлении при растяжении вычисляют как отношение максимальной нагрузки, зафиксированной при разрушении образца, к начальной площади поперечного сечения. Значения, не укладывающиеся в границы доверительного интервала при вероятности девяносто пять сотых, не рекомендуется принимать в расчет.
При окончательном подсчете число образцов должно быть не менее пяти после исключения выбросов. Вычисляют среднее арифметическое значение, среднее квадратическое отклонение и доверительный интервал для каждой определяемой характеристики. Статистическая обработка позволяет оценить разброс свойств материала и достоверность полученных результатов.
Испытания при повышенных температурах до ста восьмидесяти градусов Цельсия проводят с использованием термокамер, обеспечивающих равномерный нагрев образца. Температуру контролируют термопарами, установленными в непосредственной близости от образца. Выдержка при заданной температуре должна обеспечить выравнивание температурного поля по объему образца.
Испытания при пониженных температурах до минус шестидесяти градусов Цельсия выполняют с применением криостатов или низкотемпературных камер. Образец выдерживают при заданной температуре до установления теплового равновесия перед началом нагружения. Температурный режим испытаний должен соответствовать условиям эксплуатации изделия из испытываемого материала.
Перед испытаниями образцы кондиционируют в соответствии с ГОСТ 12423-66. Стандартные условия кондиционирования предусматривают выдержку при температуре двадцать три градуса Цельсия и относительной влажности пятьдесят процентов в течение времени, достаточного для установления равновесного влагосодержания. Кондиционирование обеспечивает сопоставимость результатов испытаний различных партий материала.
Стандарт распространяется на полимерные композиционные намоточные материалы, армированные непрерывными высокомодульными волокнами. К ним относятся композиты на основе углеродных, борных, органических арамидных волокон и других высокопрочных армирующих элементов. Матрица может быть эпоксидной, фенолоформальдегидной, полиамидной или другой полимерной. Методика применима для материалов, изготовленных методом спиральной или кольцевой намотки.
Кольцевая форма образцов наиболее точно воспроизводит напряженное состояние в реальных намоточных изделиях цилиндрической формы, таких как баллоны высокого давления, корпуса ракетных двигателей, трубопроводы. При растяжении кольца самозамыкающимися полудисками создается равномерное окружное напряжение, что позволяет определить прочностные характеристики материала в направлении намотки без краевых эффектов, характерных для плоских образцов.
Согласно требованиям стандарта, количество образцов из одной партии для определения каждой характеристики должно быть не менее пяти. При окончательном подсчете после статистической обработки и исключения выбросов число образцов также должно составлять не менее пяти. Это обеспечивает достаточную статистическую достоверность результатов с учетом естественного разброса свойств композиционных материалов.
Модуль упругости определяют при нагружении образца в диапазоне от пяти до двадцати процентов от разрушающего напряжения в окружном направлении. Этот диапазон соответствует линейному участку диаграммы деформирования, где сохраняется пропорциональная зависимость между напряжением и деформацией. При нагружении для каждого образца измеряют не менее восьми раз нагрузку и деформации для построения точной зависимости.
Шероховатость опорных поверхностей полудисков должна быть не более шестидесяти трех сотых микрометра по ГОСТ 2789-73. Это требование обеспечивает равномерное распределение контактных напряжений между полудисками и образцом, предотвращает концентрацию напряжений на неровностях поверхности и исключает преждевременное локальное разрушение образца в зоне контакта.
Определение характеристик при повторных нагружениях образца разрешается при условии, что предварительная нагрузка не превышала двадцати процентов от разрушающей и составляла не более восьмидесяти процентов от предела пропорциональности. При соблюдении этих условий в материале не происходит необратимых структурных изменений, и повторное нагружение не искажает определяемые характеристики.
В расчет не рекомендуется принимать отдельные значения определяемых показателей, не укладывающихся в границах доверительного интервала при величине вероятности девяносто пять сотых. После исключения выбросов проводят окончательный подсчет, при этом число образцов должно быть не менее пяти. Вычисляют среднее арифметическое значение, среднее квадратическое отклонение и доверительный интервал для оценки достоверности результатов.
При определении предела прочности в расчет принимают результаты, полученные на образцах, разрушившихся по всей площади поперечного сечения. Разрушение может сопровождаться расслоением образца, что является характерным для намоточных композитов и не влияет на достоверность результата. Образцы, разрушившиеся в зоне захватов или имеющие другие нехарактерные виды разрушения, исключаются из рассмотрения.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.