| Тип композита | Ширина, мм | Толщина, мм | Длина рабочей зоны, мм | Длина накладок, мм |
|---|---|---|---|---|
| Однонаправленные углепластики (0°) | 15-25 | 1-2 | 150-200 | 90-100 |
| Однонаправленные углепластики (90°) | 20-25 | 2-3 | 150-200 | 75-90 |
| Тканевые стеклопластики | 20-25 | 2-3 | 150-200 | 50-75 |
| Органопластики | 15-25 | 1-3 | 150-180 | 80-90 |
| Многослойные ламинаты | 20-25 | 2-4 | 150-200 | 75-90 |
| Определяемая характеристика | Скорость перемещения, мм/мин | Класс точности экстензометра | Длина базы, мм |
|---|---|---|---|
| Предел прочности при растяжении | 5-20 | B-1 или класс 1 | 25-50 |
| Модуль упругости продольный | 5-10 | B-1 или класс 0,5 | 25-50 |
| Коэффициент Пуассона | 5-10 | Класс 0,5 (двухосная) | 25-50 |
| Предел пропорциональности | 5-10 | B-1 или класс 0,5 | 25-50 |
| Относительная деформация | 5-20 | B-1 или класс 1 | 50-100 |
| Характеристика | Формула расчета | Единица измерения | Примечание |
|---|---|---|---|
| Предел прочности σв | σв = Fmax / A0 | МПа | Не менее 5 образцов |
| Модуль упругости E | E = Δσ / Δε | ГПа | Линейный участок |
| Коэффициент Пуассона ν | ν = -Δεпоп / Δεпрод | безразмерная | Линейный участок |
| Относительное удлинение δ | δ = (Δl / l0) × 100 | % | При разрушении |
| Стандартное отклонение S | S = √[Σ(xi - x̄)² / (n-1)] | соотв. величине | Вероятность 0,95 |
Методика испытаний композитов на растяжение
Испытания полимерных композитов на растяжение представляют собой ключевой метод определения механических характеристик материалов, используемых в авиакосмической, автомобильной и строительной отраслях. Методика регламентируется государственными и международными стандартами, обеспечивающими воспроизводимость и достоверность результатов. Основным отечественным документом является стандарт для высокомодульных материалов, армированных непрерывными волокнами, действующий с 1981 года. Параллельно применяются зарубежные методики для матричных композитов и европейские нормы для изотропных материалов.
Суть метода заключается в кратковременном нагружении образца прямоугольного сечения с постоянной скоростью деформирования до полного разрушения. В процессе испытания непрерывно регистрируются значения приложенной нагрузки и соответствующей деформации, что позволяет построить диаграмму зависимости напряжений от деформаций. Для однонаправленных высокопрочных композитов применяются образцы с усиливающими накладками на концах, предотвращающими преждевременное разрушение в зоне захватов. Такой подход гарантирует, что разрушение происходит в рабочей зоне образца, где измеряются деформации.
Испытания композитных материалов на растяжение проводятся в соответствии с требованиями нормативной документации. Отечественная методология базируется на положениях стандарта для высокомодульных композитов, который охватывает испытания при температурах от минус шестидесяти до плюс ста восьмидесяти градусов Цельсия. Для полимерных композитов с различными типами армирования применяется модифицированная версия зарубежного стандарта, введённая в действие в 2015 году. Международная практика ориентируется на американские и европейские спецификации, обеспечивающие сопоставимость результатов между различными лабораториями.
Испытательное оборудование и приборы
Для проведения испытаний применяются разрывные или универсальные испытательные машины, способные обеспечить постоянную скорость перемещения активного захвата и измерение нагрузки с погрешностью не более одного процента. Современные системы с усилием до ста килоньютонов оснащаются гидравлическими или механическими клиновыми захватами с насечкой на рабочих поверхностях. Угол насечки составляет сорок пять градусов, шаг от одного до двух миллиметров на длине от ста до ста пяти миллиметров, что обеспечивает надёжное удержание высокопрочных образцов без проскальзывания. Критически важным требованием является соосность приложения нагрузки, которая проверяется специальными образцами с тензорезисторами.
Экстензометры и тензометрические системы
Измерение деформаций осуществляется с помощью экстензометров различных типов. Контактные навесные экстензометры с тензометрическими датчиками соответствуют классу точности В-1 по американской классификации или классу 0,5 по международному стандарту. Эти приборы характеризуются разрешением от двух десятых микрометра и могут работать в широком температурном диапазоне. Для измерения поперечных деформаций и определения коэффициента Пуассона используются специализированные модели с независимым креплением, позволяющие одновременную регистрацию продольных и поперечных деформаций. Бесконтактные оптические и лазерные системы применяются при испытаниях образцов с высокими степенями деформации или в условиях экстремальных температур.
Автоматические экстензометры обладают рядом преимуществ перед традиционными тензометрами. Они движутся по собственным направляющим, минимизируя воздействие на образец, и способны оставаться на образце до момента разрушения. Длина измерительной базы варьируется от десяти до пятидесяти миллиметров в зависимости от типа материала и определяемой характеристики. Для композитов на основе углеродных волокон рекомендуется база от двадцати пяти до пятидесяти миллиметров, для стеклопластиков допустимо увеличение до ста миллиметров.
Подготовка образцов и условия испытаний
Изготовление образцов требует строгого соблюдения геометрических параметров и качества обработки. Вырезка заготовок производится на металлорежущих станках с алмазным или твердосплавным инструментом, обеспечивающим минимальное повреждение волокон. Отклонение от номинальных размеров по рабочей зоне регламентируется стандартами. Шероховатость торцевых поверхностей ограничивается значением полтора - шесть микрометра по параметру среднего арифметического отклонения профиля. Приборы для измерения геометрических размеров должны обеспечивать точность не менее пяти сотых миллиметра для размеров менее десяти миллиметров.
Накладки и усиление захватных зон
Накладки изготавливаются из ортогонально армированных стеклопластиков или других материалов с модулем упругости, не превышающим модуль испытываемого композита в поперечном направлении. Толщина зоны склеивания должна быть менее трёх десятых миллиметра. Клеевое соединение обеспечивает прочность на сдвиг не менее сорока мегапаскалей. Угол скоса накладок варьируется от пяти до девяноста градусов, однако оптимальным считается диапазон от тридцати до тридцати пяти градусов. Для однонаправленных высокопрочных композитов рекомендуемая длина накладок составляет от девяноста до ста миллиметров.
Соосность приложения нагрузки проверяется установкой специального образца с минимум тремя наклеенными тензорезисторами. Два датчика размещаются параллельно оси на одной стороне образца, третий на противоположной стороне. Разность показаний тензорезисторов на линейном участке диаграммы деформирования не должна превышать установленного стандартом значения, что гарантирует отсутствие изгибающих моментов в процессе нагружения.
Проведение испытания и регистрация данных
Перед началом испытания производится кондиционирование образцов в нормальных климатических условиях при температуре двадцать градусов Цельсия и относительной влажности от сорока пяти до пятидесяти пяти процентов в течение не менее двадцати четырёх часов. Образец закрепляется в захватах испытательной машины таким образом, чтобы продольная ось совпадала с направлением действия растягивающей нагрузки. Экстензометр устанавливается на рабочую зону образца с усилием прижима, достаточным для надёжного контакта, но не вызывающим локальных повреждений. Тензорезисторы наклеиваются на образец за шестнадцать - двадцать четыре часа до установки в испытательную машину.
Скорость перемещения активного захвата устанавливается в диапазоне от пяти до двадцати миллиметров в минуту согласно отечественному стандарту. Для определения модуля упругости применяются меньшие скорости в пределах от пяти до десяти миллиметров в минуту. Испытание продолжается до полного разрушения образца, при этом система непрерывно регистрирует значения нагрузки и деформации с частотой не менее десяти измерений в секунду. Такая частота обеспечивает достаточную детализацию диаграммы для корректного определения всех требуемых характеристик.
Диаграмма напряжение-деформация
Получаемая в процессе испытания диаграмма зависимости напряжений от деформаций является основным источником информации о механических свойствах композита. Для большинства полимерных композитов характерна линейная зависимость на начальном участке нагружения, что соответствует упругому поведению материала. Наклон этого участка определяет модуль упругости при растяжении, рассчитываемый как отношение приращения напряжения к приращению деформации на линейном участке диаграммы деформирования.
Предел пропорциональности определяется как напряжение, при котором происходит отклонение от линейной зависимости между напряжением и деформацией. Для его установления используется метод параллельных прямых или критерий отклонения тангенса угла наклона на пятьдесят процентов. У высокомодульных углепластиков линейное поведение сохраняется практически до разрушения, в то время как у стеклопластиков наблюдается выраженная нелинейность при напряжениях свыше семидесяти процентов от предельных. Точка максимума на диаграмме соответствует пределу прочности при растяжении, после чего происходит резкое падение нагрузки вследствие накопления повреждений и разрушения волокон.
Характерные участки диаграммы для композитов
Анализ формы диаграммы позволяет сделать выводы о характере разрушения и качестве материала. Присутствие ступенчатых участков или множественных пиков свидетельствует о последовательном разрушении отдельных слоёв в многослойных ламинатах. Резкий спад нагрузки характерен для хрупкого разрушения однонаправленных композитов, армированных углеродными или борными волокнами. Плавное снижение с остаточной несущей способностью наблюдается у стеклопластиков и органопластиков, обладающих большей деформативностью матрицы. Площадь под кривой напряжение-деформация представляет собой удельную энергию разрушения, характеризующую способность материала к поглощению энергии при нагружении.
Обработка результатов и расчёт характеристик
Предел прочности при растяжении вычисляется как отношение максимальной нагрузки, предшествующей разрушению, к начальной площади поперечного сечения образца. Площадь определяется как произведение ширины и толщины, измеренных в трёх местах рабочей зоны - по краям и в середине. За расчётное значение принимается среднее арифметическое. Модуль упругости определяется по формуле, связывающей приращение напряжения и приращение деформации на линейном участке диаграммы. Для повышения точности рекомендуется использовать метод наименьших квадратов с количеством точек не менее двадцати.
Коэффициент Пуассона рассчитывается как отношение изменения поперечной относительной деформации к изменению продольной деформации при нагружении в пределах упругого участка. Измерение поперечных деформаций выполняется специализированным экстензометром, устанавливаемым одновременно с продольным. Относительное удлинение при разрушении определяется как отношение приращения длины мерной базы в момент разрушения к её начальной длине, выраженное в процентах.
Статистическая обработка данных
Результаты испытаний подлежат статистической обработке в соответствии с установленными стандартами при доверительной вероятности 0,95. Для каждой характеристики рассчитывается среднее арифметическое значение, стандартное отклонение и коэффициент вариации. Количество испытуемых образцов должно быть не менее пяти для обеспечения статистической достоверности результатов. При наличии аномальных значений применяется критерий исключения выбросов. Окончательные результаты представляются в виде среднего значения с указанием доверительного интервала.
Прецизионность метода зависит от множества факторов, включая качество подготовки образцов, точность измерительного оборудования и условия проведения испытаний. Межлабораторные исследования показывают, что коэффициент вариации для модуля упругости составляет от двух до пяти процентов, для предела прочности от пяти до десяти процентов. Наибольшая изменчивость наблюдается при определении деформации разрушения, где коэффициент вариации может достигать пятнадцати процентов в зависимости от типа композита.
