Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Измерение твёрдости композиционных материалов представляет собой критически важную процедуру контроля качества в производстве высокотехнологичных изделий. Твёрдость характеризует сопротивление материала локальной пластической деформации при внедрении индентора и коррелирует с другими механическими характеристиками композитов.
Полимерные композиты с различными типами армирования демонстрируют существенный разброс значений твёрдости в зависимости от типа матрицы, наполнителя и технологии изготовления. Для стеклопластиков характерны значения от 30 до 60 единиц по Барколу, углепластики показывают 50-80 единиц, а керамокомпозиты могут превышать значение 90 по соответствующим шкалам.
Практическое значение измерений
Контроль твёрдости позволяет выявлять дефекты отверждения полимерной матрицы, оценивать степень пропитки армирующих волокон, контролировать однородность структуры композита и прогнозировать износостойкость готовых изделий.
Метод Бринелля основан на вдавливании стального закалённого или твердосплавного шарика диаметром от 1 до 10 мм в поверхность испытуемого материала под заданной нагрузкой. Число твёрдости определяется как отношение приложенной нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка.
Для композитов с металлической матрицей метод Бринелля обеспечивает усреднённое значение твёрдости благодаря относительно большому размеру отпечатка. Это особенно важно для неоднородных структур, содержащих армирующие волокна или частицы упрочнителя. Согласно ГОСТ 9012-59 и ISO 6506-1, метод применим для материалов с твёрдостью до 650 единиц HBW.
Нагрузка для испытания композитов выбирается в диапазоне от 62.5 до 3000 кгс в зависимости от диаметра шарика и предполагаемой твёрдости материала. Время выдержки под нагрузкой составляет 10-15 секунд для термореактивных композитов и может достигать 180 секунд для материалов с термопластичной матрицей.
Ограничения метода
Метод Бринелля не применим для тонкостенных композитных изделий, толщина которых менее 8-кратной глубины отпечатка. Измерения вблизи кромки образца недопустимы из-за возможной деформации. Для высокопрочных композитов предпочтителен переход на метод Роквелла.
Метод Роквелла определяет твёрдость по глубине проникновения индентора под действием последовательно приложенных предварительной и основной нагрузок. В качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 120 градусов либо стальной шарик диаметром 1.588 мм.
Для полимерных композитов применяется шкала HRB с использованием стального шарика и нагрузкой 100 кгс. Высокопрочные углепластики и керамокомпозиты тестируются по шкале HRC с алмазным конусом при нагрузке 150 кгс. Шкала HRA применяется для сверхтвёрдых материалов при нагрузке 60 кгс.
Высокая скорость измерений делает метод Роквелла оптимальным для серийного производственного контроля. Результат считывается непосредственно со шкалы прибора без дополнительных оптических измерений. Малый размер отпечатка позволяет тестировать небольшие детали и локальные зоны композита.
Требования к образцам
Поверхность образца должна быть тщательно подготовлена шлифованием для обеспечения точного контакта индентора. Минимальная толщина образца составляет 6-8 мм для предотвращения деформации с обратной стороны. Расстояние между соседними отпечатками должно превышать трёхкратный диаметр отпечатка.
Метод Шора представляет собой измерение твёрдости путём вдавливания специального индентора под действием калиброванной пружины. Стандарт предусматривает двенадцать шкал измерения, из которых для композитов наиболее применимы шкалы A и D.
Шкала A используется для эластомерных композитов и материалов с полимерной матрицей низкой жёсткости. Индентор представляет собой стальную иглу с притуплённым острием. Диапазон измерений от 0 до 100 единиц охватывает материалы от резиноподобных до средней твёрдости.
Шкала D предназначена для жёстких пластмасс и композитов. Используется конический индентор с усиленной пружиной. Типичные значения для стеклопластиков составляют 70-85 ShD, для углепластиков 80-95 ShD. Материалы с показателем выше 90 ShD характеризуются как высокожёсткие.
Дюрометр устанавливается перпендикулярно поверхности образца и прижимается с усилием, обеспечивающим плотный контакт опорной площадки. Показания снимаются через одну секунду после приложения нагрузки для минимизации влияния вязкоупругой релаксации. На одном образце выполняется не менее пяти измерений с усреднением результатов.
Особенности применения
Метод Шора отличается высокой портативностью измерительного оборудования и возможностью контроля готовых изделий без специальной подготовки образцов. Минимальная толщина испытуемого материала составляет 6.4 мм для предотвращения влияния подложки на результаты.
Выбор метода измерения твёрдости определяется типом композита, его структурой и требованиями технического контроля. Для неоднородных материалов с дискретными волокнами предпочтителен метод Бринелля, обеспечивающий усреднённое значение за счёт большого размера отпечатка.
Толщина образца является первичным ограничивающим фактором. Тонкостенные детали толщиной менее 3 мм требуют применения метода Шора. Композиты с высокой степенью анизотропии нуждаются в измерениях по различным направлениям для полной характеризации свойств.
Для серийного производства оптимален метод Роквелла благодаря высокой скорости измерений и хорошей повторяемости результатов. Портативные твердомеры Шора используются для входного контроля сырья и инспекции готовых изделий непосредственно на производственной площадке.
Важное замечание
Результаты измерений, полученные различными методами, не подлежат прямому сравнению. Для корректной оценки динамики свойств материала необходимо применение единого метода на всех этапах контроля качества.
Твёрдость композиционных материалов демонстрирует корреляцию с комплексом механических характеристик. Для полимерных композитов установлена взаимосвязь между твёрдостью и модулем упругости при изгибе, что позволяет использовать измерения твёрдости для экспресс-оценки жёсткости материала.
Повышение твёрдости композита обычно сопровождается увеличением предела прочности при сжатии и сдвиге. Для эпоксидных стеклопластиков прослеживается линейная зависимость между твёрдостью по Барколу и прочностью при межслойном сдвиге. Однако прочность при растяжении определяется преимущественно свойствами армирующих волокон.
Существует прямая корреляция между твёрдостью поверхности композита и его сопротивлением абразивному износу. Композиты с твёрдостью выше 80 ShD демонстрируют в два-три раза более высокую износостойкость по сравнению с материалами в диапазоне 60-70 ShD при прочих равных условиях.
Для термореактивных композитов твёрдость является индикатором полноты отверждения полимерной матрицы. Недоотверждённые материалы показывают значения твёрдости на 15-25 процентов ниже номинальных. Это позволяет использовать измерения твёрдости для контроля технологического процесса изготовления композитных изделий.
Точность определения твёрдости композитов зависит от соблюдения стандартных условий испытаний. Температура окружающей среды должна поддерживаться в диапазоне 23 плюс-минус 2 градуса Цельсия согласно требованиям нормативных документов.
Повышение температуры приводит к снижению значений твёрдости вследствие размягчения полимерной матрицы. Для эпоксидных композитов температурный коэффициент составляет приблизительно 0.5-0.8 единиц на градус Цельсия в диапазоне от 20 до 60 градусов. При приближении к температуре стеклования наблюдается резкое падение твёрдости.
Насыщение композита влагой вызывает пластификацию полимерной матрицы и снижение твёрдости. Стеклопластики после выдержки в воде демонстрируют уменьшение твёрдости на 5-12 процентов в зависимости от типа матрицы. Углепластики менее чувствительны к влаге благодаря гидрофобности углеродных волокон.
Шероховатость и дефекты поверхности искажают результаты измерений. Для методов Бринелля и Роквелла требуется шлифование с обеспечением чистоты поверхности не грубее 0.63 микрометра. Наличие микротрещин или пористости в зоне измерения приводит к занижению показателей твёрдости.
Критическое замечание
Измерения на образцах, хранившихся в нестандартных условиях или подвергшихся воздействию агрессивных сред, могут давать некорректные результаты. Необходимо кондиционирование образцов при стандартной температуре не менее 16 часов перед проведением испытаний.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.