Испытания композитов на изгиб - требования стандарта 25.604-82

Область применения стандарта ГОСТ 25.604-82

Межгосударственный стандарт ГОСТ 25.604-82 устанавливает методы испытаний полимерных композиционных материалов на изгиб и применяется для определения прочностных характеристик композитов с полимерной матрицей. Стандарт распространяется на материалы, армированные непрерывными высокомодульными волокнами различной природы, включая углеродные, борные, органические и другие типы арматуры.

Документ был введен в действие постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от двадцать второго октября тысяча девятьсот восемьдесят второго года с датой начала применения первого января тысяча девятьсот восемьдесят четвертого года. Ограничение срока действия было снято по протоколу Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации, что подтверждает актуальность методики для современных технических специалистов.

Сущность метода испытаний на изгиб

Метод испытаний образцов из композиционных материалов на изгиб основан на определении трех основных характеристик материала. Первая характеристика представляет собой предел прочности при изгибе, который определяется как отношение максимального изгибающего момента в момент разрушения образца к моменту сопротивления сечения при изгибе. Данный параметр критически важен для оценки несущей способности композитных конструкций.

Вторая определяемая характеристика - модуль упругости при нагружении образца в пределах пропорциональности прогиба от нагрузки. Этот показатель характеризует жесткость материала и его способность сопротивляться деформации в упругой области. Третья характеристика представляет собой зависимость прогиба от нагрузки при нагружении образца вплоть до разрушения, что позволяет построить полную диаграмму деформирования материала.

Определяемые механические характеристики

Испытания позволяют получить комплексную информацию о поведении композита под нагрузкой. Предел прочности при изгибе измеряется в мегапаскалях и показывает максимальное напряжение, которое материал способен выдержать перед разрушением. Модуль упругости, также измеряемый в мегапаскалях, характеризует связь между приложенным напряжением и возникающей деформацией на линейном участке диаграммы.

Зависимость прогиба от нагрузки строится на основании непрерывных измерений в процессе испытания. Эта кривая позволяет наладчикам оборудования и инженерам-технологам определить момент перехода материала из упругого состояния в пластическое, оценить запас прочности и прогнозировать поведение конструкции при эксплуатационных нагрузках.

Типы испытаний: поперечный и чистый изгиб

Стандарт предусматривает два основных варианта проведения испытаний - на поперечный изгиб и на чистый изгиб. При испытании на поперечный изгиб образец располагается на двух опорах, а нагрузка прикладывается в середине пролета с помощью наконечника. Такая схема нагружения создает в поперечном сечении образца как изгибающий момент, так и поперечную силу.

Схема чистого изгиба реализуется при помощи четырехточечного нагружения, когда образец опирается на четыре точки - две внешние опоры и две внутренние точки приложения нагрузки. В центральной части образца между точками приложения нагрузки создается зона чистого изгиба, где поперечная сила равна нулю, а изгибающий момент постоянен. Это позволяет исключить влияние касательных напряжений на результаты испытаний.

Выбор схемы нагружения

Для большинства практических задач используется схема поперечного изгиба как более простая в реализации и требующая меньших затрат времени на подготовку оборудования. Испытания на чистый изгиб применяются для высокомодульных композитов, когда необходимо исключить влияние межслоевого сдвига на результаты измерений. Расстояние между опорами при поперечном изгибе устанавливается равным сорока толщинам образца с допуском один миллиметр.

Требования к испытательному оборудованию

Испытания проводятся на универсальных испытательных машинах, обеспечивающих нагружение на изгиб с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата. Ключевым требованием является погрешность измерения нагрузки не более одного процента от измеряемой величины. Машина должна обеспечивать возможность плавного регулирования скорости нагружения образца в широком диапазоне.

Для испытаний на поперечный изгиб машина комплектуется траверсой с двумя подвижными опорами и нагружающим наконечником. Траверса должна обеспечивать надежную фиксацию опор при испытаниях и иметь шкалу с ценой деления один миллиметр для точной установки расстояния между опорами. При испытаниях на чистый изгиб используются две траверсы, каждая из которых несет по две опоры.

Геометрия опорных элементов

Радиус закругления краев опор должен составлять два миллиметра с допуском один миллиметр, а наконечника - пять миллиметров с таким же допуском. Поверхности опор и наконечника обрабатываются до шероховатости не грубее шестидесяти трех сотых микрометра по ГОСТ 2789-73 и подвергаются термической обработке закалкой. Это требование обеспечивает минимальное влияние контактных деформаций на точность измерений.

Средства измерения прогиба

Для измерения прогиба образца применяются различные типы приборов с погрешностью не более двух процентов от измеряемой величины. Современные испытательные лаборатории используют автоматические системы записи зависимости нагрузка-прогиб, цифровые индикаторы перемещений, а также преобразователи деформаций на основе консольных стальных балочек с наклеенными тензорезисторами. Все измерительные системы перед началом работы проходят тарировку с погрешностью не более одного процента.

Подготовка образцов и условия кондиционирования

Образцы для испытаний изготавливаются в виде полос прямоугольного сечения. Они формируются непосредственно из композиционного материала или вырезаются из готовых плит строго в направлении главных осей ортотропии материала. Критически важным требованием является симметричное расположение арматуры относительно срединной плоскости образца, проходящей через его продольную ось параллельно плоскости укладки волокон.

Отклонение размеров образцов от номинальных значений по ширине и толщине не должно превышать пяти сотых миллиметра. Такие жесткие допуски обусловлены тем, что размеры образца напрямую входят в расчетные формулы для определения прочностных характеристик. Даже небольшие погрешности в геометрии могут привести к существенным ошибкам в конечных результатах.

Требования к качеству поверхности образцов

Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность с параметром шероховатости не грубее двадцати микрометров по ГОСТ 2789-73. На поверхности образцов не допускается наличие вздутий, сколов, трещин, расслоений и других дефектов, заметных невооруженным глазом. Соблюдение требований к шероховатости поверхности критически важно для обеспечения равномерного контакта образца с опорами испытательной машины и получения достоверных результатов измерений.

Процедура кондиционирования

Перед проведением испытаний образцы подвергаются кондиционированию в соответствии с требованиями ГОСТ 12423-66, если в нормативно-технической документации на конкретный композиционный материал не указаны особые условия подготовки. Время от окончания изготовления формованных образцов или композиционного материала до момента испытания, включая период кондиционирования, должно составлять не менее шестнадцати часов.

Данное требование связано с необходимостью завершения процессов релаксации внутренних напряжений в материале и стабилизации его структуры после технологических операций. Для полимерных композитов, содержащих остаточный растворитель или непрореагировавшие компоненты связующего, этот период может быть увеличен в соответствии с технологической документацией производителя.

Методика проведения испытаний

Перед началом испытаний на поперечный изгиб на испытательной машине устанавливают наконечник с траверсой и опорами. Проводится тщательная юстировка системы с использованием специально изготовленной стальной балочки с высокой чистотой обработки поверхности. Опоры и наконечник регулируются таким образом, чтобы допускаемое отклонение от параллельности поверхностей соответствовало требованиям стандарта - не более пяти сотых миллиметра в горизонтальной плоскости.

После установки образца на опоры фиксируется расстояние между ними, которое для поперечного изгиба устанавливается равным сорока толщинам образца. Нагружение проводится с постоянной скоростью перемещения активного захвата машины. В процессе нагружения непрерывно регистрируются значения прилагаемой нагрузки и соответствующего ей прогиба образца в середине пролета.

Регистрация измерений

При определении модуля упругости измерения проводятся на начальном линейном участке диаграммы деформирования. Фиксируется приращение нагрузки и соответствующее ему приращение прогиба в пределах упругой области материала. Для определения предела прочности образец нагружают до полного разрушения, регистрируя максимальную нагрузку, которую выдержал образец перед началом разрушения.

Расчет прочностных характеристик

Модуль упругости при поперечном изгибе вычисляется по формуле, учитывающей приращение нагрузки, расстояние между опорами, размеры поперечного сечения образца и приращение прогиба. Формула имеет вид: модуль упругости равен произведению приращения нагрузки на куб расстояния между опорами, деленному на произведение четырех, ширины образца, куба толщины образца и приращения прогиба.

Значение прогиба определяется либо непосредственно прибором, либо рассчитывается как произведение тарировочного коэффициента на показания регистрирующего устройства при использовании преобразователей деформаций. Важно обеспечить линейность показаний измерительной системы во всем диапазоне измеряемых прогибов.

Определение предела прочности

Предел прочности при поперечном изгибе рассчитывается на основании максимальной нагрузки, зарегистрированной непосредственно перед разрушением образца. Расчетная формула учитывает расстояние между опорами и геометрические параметры сечения образца. Предел прочности равен произведению трех, максимальной нагрузки и расстояния между опорами, деленному на произведение двух, ширины образца и квадрата толщины образца.

Для испытаний на чистый изгиб используется модифицированная формула расчета модуля упругости, которая учитывает расстояние между крайними опорами. В этом случае в формулу вводится дополнительный множитель, зависящий от соотношения расстояний между внешними и внутренними опорами.

Практический пример расчета

Рассмотрим расчет для образца углепластика с шириной десять миллиметров и толщиной три миллиметра. При расстоянии между опорами сто двадцать миллиметров (сорок толщин) зарегистрировано приращение нагрузки пятьсот ньютонов, вызвавшее приращение прогиба ноль целых восемь десятых миллиметра. Подставляя значения в формулу, получаем модуль упругости приблизительно сто двадцать гигапаскалей, что соответствует типичным значениям для однонаправленных углепластиков.

Особенности испытаний при различных температурах

Стандарт предусматривает возможность проведения испытаний не только при нормальной температуре двадцать градусов Цельсия, но также при повышенных температурах до ста восьмидесяти градусов и при пониженных температурах до минус шестидесяти градусов Цельсия. Это позволяет оценить работоспособность композиционных материалов в широком диапазоне эксплуатационных условий.

Испытания при нестандартных температурах проводятся на машинах, оборудованных специальными термокриокамерами. Эти устройства обеспечивают равномерный прогрев или охлаждение образца до заданной температуры и поддержание стабильного температурного режима на протяжении всего времени испытания. Допускаемые колебания температуры определяются в соответствии с техническими условиями на конкретный материал или по ГОСТ 14359-69.

Системы температурного воздействия

Для охлаждения камер до низких температур применяются различные хладагенты. Наиболее распространенным является использование твердой углекислоты, обеспечивающей температуру до минус семидесяти девяти градусов Цельсия. Для достижения более низких температур используется жидкий азот с температурой кипения минус сто девяносто шесть градусов. В некоторых установках применяется фреон двадцать два как более удобный в обращении хладагент.

При испытаниях полимерных композитов при повышенных температурах критически важно обеспечить равномерность прогрева по всему объему образца. Время выдержки образца при заданной температуре перед началом нагружения должно быть достаточным для выравнивания температурного поля и составляет обычно от пятнадцати до тридцати минут в зависимости от толщины образца и теплопроводности материала.

Статистическая обработка результатов

Статистическую обработку результатов испытаний проводят в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. При обработке данных не рекомендуется принимать в расчет отдельные значения определяемых показателей, которые не укладываются в границы доверительного интервала при величине доверительной вероятности ноль целых девяносто пять сотых.

Процедура статистической обработки начинается с проверки выборки на наличие грубых промахов. Значения, существенно отличающиеся от основного массива данных, подлежат исключению из дальнейших расчетов. После отбраковки подозрительных результатов число образцов в выборке должно составлять не менее пяти. При меньшем количестве образцов статистическая значимость результатов не гарантируется.

Форма представления результатов

Результаты испытаний оформляются в виде протокола, форма которого приведена в приложении к стандарту. В протоколе указываются все существенные параметры испытания: характеристики материала, размеры образцов, условия проведения испытаний, полученные значения прочностных характеристик с указанием доверительных интервалов. Для каждого типа испытаний рассчитываются среднее арифметическое значение, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации.