Испытания композитов на растяжение - требования стандарта 25.601-80

Область применения ГОСТ 25.601-80

Государственный стандарт ГОСТ 25.601-80 устанавливает методологию механических испытаний полимерных композиционных материалов на растяжение. Стандарт распространяется на композиты с полимерной матрицей, армированные непрерывными высокомодульными волокнами различной природы, включая углеродные, борные, органические и другие волокна. Ключевым требованием стандарта является симметричность структуры материала относительно срединной плоскости.

Метод предназначен для определения прочностных и деформационных характеристик композиционных материалов в широком диапазоне температур. Стандарт охватывает испытания при нормальной температуре 20°С, повышенных температурах до 180°С и пониженных температурах до минус 60°С. Для стеклопластиков применяется отдельный стандарт ГОСТ 11262-80.

Стандарт введен в действие с 01.07.1981 постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 27 августа 1980 года № 4448. Несмотря на длительный период эксплуатации, методика остается актуальной для технических специалистов, работающих с композиционными материалами, поскольку устанавливает фундаментальные принципы испытаний.

Определяемые характеристики при испытаниях на растяжение

Метод испытаний по ГОСТ 25.601-80 представляет собой кратковременное растяжение образцов композиционного материала с постоянной скоростью деформирования. В процессе испытаний определяется комплекс механических характеристик, необходимых для проектирования изделий и контроля качества материалов.

Предел прочности при растяжении

Предел прочности при растяжении представляет собой отношение максимальной нагрузки, предшествующей разрушению образца, к начальной площади его поперечного сечения. Данная характеристика измеряется в мегапаскалях и является ключевым параметром при оценке несущей способности композитного материала. Для получения достоверных результатов необходимо обеспечить разрушение образца в рабочей зоне, а не в местах закрепления.

Предел пропорциональности

Предел пропорциональности определяется как отношение нагрузки, при которой происходит отклонение от линейной зависимости между напряжением и деформацией, к площади начального поперечного сечения образца. Эта характеристика позволяет установить границу упругого поведения материала и критически важна для расчетов конструкций, работающих в упругой области.

Относительное удлинение при разрушении

Относительное удлинение при разрушении представляет собой отношение приращения длины мерной базы в момент разрушения к начальной длине мерной базы, выраженное в процентах. Данный параметр характеризует деформационную способность композита перед разрушением и позволяет оценить его пластические свойства.

Модуль упругости

Модуль упругости определяется как отношение напряжения к соответствующей относительной деформации при нагружении материала в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования. Измеряется в мегапаскалях и характеризует жесткость материала. Для высокомодульных композитов эта характеристика может достигать сотен гигапаскалей, что обуславливает их применение в высоконагруженных конструкциях.

Коэффициент Пуассона

Коэффициент Пуассона представляет собой отношение поперечного относительного укорочения к продольному относительному удлинению образца при растяжении в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования. Эта безразмерная величина необходима для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций из композитов и учета эффектов поперечного сжатия.

Требования к испытательному оборудованию

Испытания композиционных материалов на растяжение проводятся на разрывных и универсальных испытательных машинах, которые должны соответствовать строгим требованиям стандарта. Оборудование должно обеспечивать растяжение образца с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата и измерение нагрузки с погрешностью не более 1% от измеряемой величины.

Захватные устройства испытательных машин

Захваты испытательной машины должны обеспечивать надежное крепление и точное центрирование образца. Продольная ось образца должна совпадать с направлением действия растягивающей нагрузки. Для испытания высокомодульных и высокопрочных композиционных материалов рекомендуется применять захваты с насечкой на рабочих поверхностях под углом ±45° с шагом 1-2 мм на длине 100-105 мм.

Проверка соосности приложения нагрузки

Для проверки соосности приложения нагрузки необходимо установить и испытать специальный образец с минимум 3 наклеенными тензорезисторами. Два тензорезистора располагают параллельно оси образца на одной его стороне, третий - по оси образца с противоположной стороны. Разность показаний тензорезисторов на линейном участке диаграммы растяжения не должна превышать установленных стандартом значений.

Измерительные приборы для определения деформаций

Для измерения деформаций применяют механические тензометры, тензорезисторы или другие приборы, обеспечивающие точность измерения перемещений не менее 0,02 мм. При использовании тензорезисторов их база должна составлять не менее 5 миллиметров, а сопротивление - не менее ста Ом. Измерительные приборы должны быть откалиброваны и иметь действующие свидетельства о поверке.

Приборы для измерения геометрических размеров

Приборы для измерения геометрических размеров образца должны обеспечивать измерение с погрешностью не более плюс-минус 0,05 мм для размеров менее десяти миллиметров и плюс-минус 0,1 мм для размеров 10 мм и более. Для измерения используются микрометры, штангенциркули и другие измерительные инструменты соответствующего класса точности.

Типы образцов и их геометрические параметры

ГОСТ 25.601-80 предусматривает использование различных типов образцов в зависимости от структуры испытываемого композиционного материала. Выбор типа образца определяется характером армирования композита и целями испытаний.

Образцы для однонаправленных композитов

Для испытаний однонаправленных композиционных материалов применяют образцы в виде полосы прямоугольного сечения с закрепленными на концах накладками. Длина рабочей части составляет 250 мм, ширина - 15 мм с допуском ±0,5 мм. При определении модулей упругости и коэффициента Пуассона могут использоваться образцы-полоски без накладок.

Накладки необходимы для предотвращения преждевременного разрушения образца в местах крепления в захватах испытательной машины. Рекомендуемая длина накладок для однонаправленных высокопрочных композитов составляет 90-100 мм. Накладки изготавливают из ортогонально армированных стеклопластиков или других материалов, модуль упругости которых в направлениях, перпендикулярных оси образца, не превышает модуль упругости материала образца.

Образцы для композитов с неоднонаправленной арматурой

Для испытаний композиционных материалов с неоднонаправленной арматурой применяют образцы в виде лопатки. Длина рабочей части таких образцов составляет 180 мм с допуском плюс-минус 5 мм, ширина рабочей зоны - 25 мм с допуском ±0,5 мм. Допускается использование образцов, указанных для однонаправленных композитов.

Требования к точности изготовления образцов

Отклонение образцов от номинальных размеров по ширине и толщине рабочей зоны не должно превышать 0,05 мм. Расположение арматуры должно быть симметрично относительно срединной плоскости образца, проходящей через его ось и параллельной плоскости укладки арматуры. Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность без вздутий, сколов, неровностей, расслоений, надрезов, царапин, трещин или других дефектов, видимых невооруженным глазом.

Изготовление и крепление накладок

Направление укладки волокон на прилегающей к образцу поверхности накладок должно совпадать с направлением укладки волокна образца. При многократном использовании накладки крепятся к образцу с помощью шлифовальной тканевой шкурки, на поверхность полотна которой приклеивают накладки. Рекомендуется использовать клей БФ-2 или другие аналогичные по механическим свойствам клеевые составы.

Относительное удлинение при разрушении материала накладок во всех направлениях должно быть больше или равно соответствующей характеристике материала образца. Это требование обеспечивает разрушение образца в рабочей зоне, а не в местах крепления накладок.

Подготовка образцов к испытаниям

Качественная подготовка образцов является критически важным этапом, определяющим достоверность результатов испытаний. Подготовка включает кондиционирование образцов, измерение их геометрических параметров и установку измерительных средств.

Кондиционирование образцов

Перед испытанием образцы кондиционируют в соответствии с требованиями ГОСТ 12423, если в нормативно-технической документации на композиционные материалы не указаны особые условия кондиционирования. Время от окончания изготовления формованных образцов или композиционного материала, из которого они вырезаются, до испытания образцов, включая время на их кондиционирование, должно составлять не менее шестнадцати часов.

Измерение геометрических параметров

Перед испытанием образцы нумеруют краской. Измеряют толщину и ширину рабочей части образца не менее чем в трех местах - по краям и в середине. Участки размером менее десяти миллиметров измеряют с точностью до пяти сотых миллиметра, размером 10 мм и более - до одной десятой миллиметра. Среднее значение толщины и ширины образца записывают в протокол испытаний и по ним с точностью до 3 значащих цифр определяют площадь поперечного сечения образца.

Установка тензометрических датчиков

На рабочей части образца укрепляют измерители деформаций. Тензодатчики наклеивают за 16-24 ч до испытаний, обеспечивая тем самым полную полимеризацию клеевого слоя. При определении модуля упругости используют продольные тензорезисторы, при определении коэффициента Пуассона дополнительно устанавливают поперечные датчики.

Предварительное нагружение

После установки образца в захватах испытательной машины и подсоединения регистрирующей аппаратуры проводят предварительное нагружение. Образец нагружают силой, составляющей 10-20% предела статической прочности испытуемого материала, затем уменьшают нагрузку до двух - пяти процентов и принимают это состояние за исходное. Предварительное нагружение позволяет выбрать зазоры в системе крепления и обеспечить равномерное распределение напряжений.

Методика проведения испытаний

Методика проведения испытаний на растяжение включает последовательность операций по нагружению образца и регистрации измеряемых параметров. Точное соблюдение методики обеспечивает воспроизводимость и сопоставимость результатов.

Определение предела прочности при растяжении

При определении предела прочности при растяжении образец равномерно нагружают с заданной скоростью перемещения активного захвата до его разрушения. Фиксируют максимальную нагрузку, которую выдержал образец перед разрушением. В расчет принимают результаты, полученные на образцах, разрушившихся в рабочей зоне. Разрушение в местах крепления или вблизи накладок свидетельствует о некорректной подготовке образца.

Определение модуля упругости

Для определения модуля упругости образец равномерно с заданной скоростью нагружают в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования. Записывают изменение продольной деформации образца в зависимости от нагрузки. Измерения проводят на участке диаграммы, где зависимость между напряжением и деформацией сохраняет линейный характер.

Образец подвергают неоднократному нагружению-разгружению, при каждом нагружении считывают показания деформаций при двух нагрузках - начальной, равной 2-5% максимальной нагрузки, и максимальной - 30-50% предела прочности. Циклическое нагружение позволяет учесть эффекты нелинейности и получить более точные значения модуля упругости.

Определение коэффициента Пуассона

Для определения коэффициента Пуассона образец нагружают равномерно с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования. Одновременно записывают приращение продольной и поперечной деформаций образца в заданной его плоскости. Поперечную деформацию измеряют по ширине или толщине образца в зависимости от задания.

Построение диаграммы деформирования

Диаграмма деформирования выражает зависимость напряжения от относительной деформации при растяжении. Метод снятия диаграммы основан на измерении деформации рабочей части образца и соответствующих им усилий при нагружении вплоть до разрушения. Для записи диаграммы используются автоматические схемы записи нагрузка-деформация, при их отсутствии для одновременного отсчета показаний нагрузки и деформаций применяют счетчик времени.

Скорость нагружения

Скорость деформирования должна быть постоянной в течение всего испытания. Конкретное значение скорости зависит от типа композита и определяется техническими условиями на материал. Для большинства композитов рекомендуемая скорость перемещения захвата составляет 5-15 мм/мин. Изменение скорости нагружения может существенно повлиять на определяемые характеристики, особенно для полимерных матриц.

Расчет механических характеристик

После завершения испытаний проводят обработку полученных данных и расчет механических характеристик композиционного материала. Расчеты выполняются по формулам, установленным стандартом.

Расчет предела прочности

Предел прочности при растяжении рассчитывается как отношение максимальной нагрузки, зафиксированной перед разрушением образца, к начальной площади его поперечного сечения. Формула имеет вид: предел прочности равен максимальной нагрузке, деленной на начальную площадь поперечного сечения. Результат выражается в мегапаскалях с точностью до 3 значащих цифр.

Расчет модуля упругости

Модуль упругости при растяжении определяют по формуле, учитывающей изменение нагрузки и соответствующее изменение относительной продольной деформации образца на линейном участке диаграммы. Модуль упругости равен произведению изменения нагрузки и начальной длины образца, деленному на произведение начальной площади поперечного сечения и приращения расчетной длины образца. Расчеты проводятся в мегапаскалях.

Расчет коэффициента Пуассона

Коэффициент Пуассона определяют по формуле, представляющей собой отношение изменения поперечной относительной деформации образца к изменению продольной относительной деформации при изменении нагрузки на заданную величину. Измерения проводят на линейном участке диаграммы деформирования. Коэффициент Пуассона является безразмерной величиной и для большинства композитов находится в диапазоне 0,1-0,4.

Статистическая обработка результатов

Статистическую обработку результатов испытания проводят в соответствии с СТ СЭВ 876-78 при доверительной вероятности 0,95. Для каждой температуры испытаний необходимо использовать не менее 5 образцов. Рассчитывают среднее арифметическое значение, среднее квадратическое отклонение и доверительный интервал для каждой определяемой характеристики.

Особенности испытаний при различных температурах

ГОСТ 25.601-80 предусматривает проведение испытаний композитов на растяжение при трех температурных режимах: нормальной, повышенной и пониженной температуре. Каждый режим требует специального оборудования и соблюдения особых условий испытаний.

Испытания при нормальной температуре

Испытания при нормальной температуре проводят в помещении или закрытом объеме при температуре 20°C Цельсия с допустимым отклонением ±2°C. Относительная влажность окружающего воздуха должна соответствовать значениям, указанным в технических условиях на испытываемый материал. Температура 20°C принята как стандартная для большинства механических испытаний.

Испытания при повышенной температуре

Для испытаний при повышенной температуре до 180°C используют термокамеры, обеспечивающие равномерный нагрев образца по всей длине. Перед началом испытания образец выдерживают в термокамере до установления равновесной температуры. Время выдержки зависит от геометрических размеров образца и теплофизических свойств материала, обычно составляет 30-60 минут.

При повышенных температурах необходимо учитывать возможное размягчение полимерной матрицы и изменение механических характеристик композита. Скорость нагружения может потребовать корректировки для обеспечения квазистатического характера испытаний. Важно обеспечить стабильность температуры в течение всего испытания с точностью ±2°C.

Испытания при пониженной температуре

Испытания при пониженной температуре до минус 60°C проводят с использованием криокамер или жидких охлаждающих сред. Образец выдерживают при заданной температуре до достижения теплового равновесия. При низких температурах полимерная матрица становится более хрупкой, что может привести к изменению характера разрушения композита.

Особое внимание при испытаниях при пониженных температурах следует уделять предотвращению конденсации влаги на поверхности образца и образованию инея, которые могут повлиять на результаты измерений. Рекомендуется использовать осушенный воздух или инертную атмосферу в испытательной камере.

Типичные ошибки при испытаниях

Анализ практики проведения испытаний композитов на растяжение показывает, что наиболее распространенные ошибки связаны с подготовкой образцов, настройкой оборудования и обработкой результатов. Понимание этих ошибок позволяет избежать получения недостоверных данных.

Ошибки при подготовке образцов

Неправильное изготовление образцов является одной из наиболее частых причин некорректных результатов. Превышение допусков по геометрическим размерам, несимметричное расположение арматуры, наличие поверхностных дефектов - все это приводит к преждевременному разрушению образца и искажению определяемых характеристик. Особое внимание следует уделять соблюдению требований к точности изготовления - отклонение от номинальных размеров по ширине и толщине рабочей зоны не должно превышать 0,05 мм.

Ошибки при установке образца

Неправильная установка образца в захватах испытательной машины может привести к несоосности приложения нагрузки и возникновению изгибающих моментов. Это проявляется в разрушении образца вне рабочей зоны или получении аномально низких значений прочности. Для предотвращения таких ошибок необходимо тщательно контролировать выравнивание образца перед началом испытания.

Ошибки при измерении деформаций

Неправильная установка тензорезисторов или использование датчиков с недостаточной точностью приводит к ошибкам в определении модуля упругости и коэффициента Пуассона. База тензорезисторов должна быть не менее 5 миллиметров, а сопротивление - не менее ста Ом. Тензорезисторы следует наклеивать строго по оси образца, обеспечивая надежное сцепление с поверхностью.

Ошибки при выборе скорости нагружения

Несоблюдение требований к скорости нагружения может существенно повлиять на результаты, особенно для материалов с полимерной матрицей, проявляющих вязкоупругие свойства. Слишком высокая скорость приводит к завышению прочностных характеристик, слишком низкая - к проявлению эффектов ползучести. Скорость деформирования должна быть постоянной в течение всего испытания и соответствовать требованиям технических условий на материал.

Ошибки при обработке результатов

Включение в статистическую обработку результатов испытаний образцов с разрушением вне рабочей зоны или с видимыми дефектами приводит к искажению определяемых характеристик. Необходимо тщательно анализировать каждый результат и исключать из обработки данные, полученные на дефектных образцах. Статистическая обработка должна проводиться с использованием не менее 5 корректных результатов для каждой температуры.