| Параметр | Метод Шарпи | Метод Изод |
|---|---|---|
| Положение образца | Горизонтальное, свободно на двух опорах | Вертикальное, консольное закрепление |
| Точка удара | Центр между опорами, напротив надреза | Верхняя часть образца, со стороны надреза |
| Стандарты для пластмасс | ГОСТ 4647-2015, ISO 179-1:2010, ASTM D6110 | ГОСТ 19109-2017 (ISO 180:2000), ASTM D256 |
| Стандарты для композитов | ГОСТ 4647-2015, ISO 179-1:2010 | ГОСТ Р 57715-2017, ISO 180:2019, ASTM D256 |
| Размеры образца (типовые) | 80×10×4 мм (ISO), варьируются по ASTM | 63,5×12,7×3,2 мм (ASTM) / 80×10×4 мм (ISO) |
| Тип надреза | V-образный (тип A, B, C) или без надреза | V-образный (тип A, B, C) |
| Единицы измерения | кДж/м² (энергия на площадь сечения) | Дж/м (энергия на толщину ASTM) или кДж/м² (ISO) |
| Скорость удара (ISO) | 2,9 м/с (≤5 Дж), 3,8 м/с (>5 Дж) | 3,5 м/с |
| Скорость удара (ASTM) | 3,46 м/с | 3,46 м/с |
| Тип нагружения | Трехточечный изгиб | Консольный изгиб |
| Применение | Широкое применение для композитов, материалы с тенденцией к расслоению | Общая оценка ударопрочности, контроль качества |
| Тип композита | Схема армирования | Ударная вязкость по Шарпи, кДж/м² | Ударная вязкость по Изод, Дж/м |
|---|---|---|---|
| Стеклопластик (E-glass/эпоксид) | Однонаправленный | 100-180 | 1000-1800 |
| Стеклопластик (E-glass/эпоксид) | Квазиизотропный | 150-250 | 1500-2500 |
| Углепластик стандартный (T300/эпоксид) | Однонаправленный | 40-80 | 400-800 |
| Углепластик стандартный (T300/эпоксид) | Квазиизотропный | 60-120 | 600-1200 |
| Углепластик высокопрочный (IM7/эпоксид) | Однонаправленный | 50-90 | 500-900 |
| Арамидный композит (Kevlar/эпоксид) | Однонаправленный | 120-200 | 1200-2000 |
| Гибридный (стекло+углерод) | Чередующиеся слои | 80-140 | 800-1400 |
| Полиэфирная матрица/стекло | Рубленое волокно | 15-40 | 150-400 |
| Температура испытаний | Эпоксидная матрица | Полиэфирная матрица | Термопластичная матрица |
|---|---|---|---|
| минус 60 градусов Цельсия | Снижение на 45-55 процентов от значений при плюс 23 градусах Цельсия | Снижение на 55-65 процентов | Снижение на 60-70 процентов |
| минус 40 градусов Цельсия | Снижение на 30-40 процентов | Снижение на 40-50 процентов | Снижение на 50-60 процентов |
| минус 20 градусов Цельсия | Снижение на 20-30 процентов | Снижение на 25-35 процентов | Снижение на 35-45 процентов |
| 0 градусов Цельсия | Снижение на 10-15 процентов | Снижение на 15-20 процентов | Снижение на 20-25 процентов |
| плюс 23 градуса Цельсия (норма) | Базовые значения (100 процентов) | Базовые значения (100 процентов) | Базовые значения (100 процентов) |
| плюс 50 градусов Цельсия | Снижение на 5-10 процентов | Снижение на 10-20 процентов | Снижение на 15-30 процентов |
| плюс 80 градусов Цельсия | Снижение на 15-25 процентов | Снижение на 30-45 процентов | Снижение на 40-60 процентов |
Основные понятия ударной вязкости композитов
Ударная вязкость представляет собой способность полимерных композиционных материалов поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием динамических нагрузок. Данный параметр критически важен для конструкторов при оценке живучести композитных конструкций, работающих в условиях резких механических воздействий. Испытания на ударную вязкость позволяют определить поведение материала при высоких скоростях деформирования, что невозможно оценить статическими методами.
Для полимерных композитов существует два основных стандартизированных метода определения ударной вязкости: метод Шарпи и метод Изод. Оба подхода основаны на разрушении призматического образца единичным ударом маятникового копра, однако отличаются схемой установки образца и способом приложения нагрузки. Выбор конкретного метода зависит от геометрии изделия, типа композита и условий его эксплуатации.
Надрез на образце создает концентратор напряжений, что позволяет оценить чувствительность материала к дефектам структуры. Форма надреза может быть V-образной типа A (радиус вершины 0,25 миллиметра), типа B (радиус 1,0 миллиметр) или типа C (радиус 0,1 миллиметра), при этом острый V-образный надрез типа A создает наиболее высокую концентрацию напряжений и приводит к более низким значениям ударной вязкости. Радиус вершины надреза строго регламентирован стандартами.
Метод Шарпи: принцип и особенности
Метод Шарпи регламентирован международными стандартами ISO 179-1:2010 и ASTM D6110, а также национальным стандартом ГОСТ 4647-2015. Сущность метода заключается в испытании, при котором призматический образец свободно располагается на двух опорах в горизонтальном положении. Маятник наносит удар в центральной части образца, находящейся между опорами, причем линия удара располагается непосредственно напротив надреза.
Схема нагружения и геометрия установки
Расстояние между опорами для стандартных образцов композитов составляет 62 или 40 миллиметров в зависимости от размеров образца согласно ISO 179-1. Образец устанавливается таким образом, чтобы надрез находился на стороне, противоположной точке удара. Такая схема создает напряженное состояние растяжения в зоне надреза, что приводит к инициированию и распространению трещины от концентратора напряжений.
Маятниковый копер должен обеспечивать начальную потенциальную энергию, достаточную для разрушения образца, но не превышающую её более чем в 2 раза. Скорость удара в момент контакта с образцом составляет 2,9 метра в секунду для маятников с энергией до 5 джоулей и 3,8 метра в секунду для маятников с энергией свыше 5 джоулей согласно ISO 179-1. Для стандарта ASTM D6110 используется скорость 3,46 метра в секунду. Энергия, поглощенная образцом при разрушении, определяется как разность между первоначальным запасом потенциальной энергии маятника и энергией, оставшейся после разрушения образца.
Преимущества метода Шарпи для композитов
Метод Шарпи имеет более широкое применение для композиционных материалов, особенно для материалов с тенденцией к образованию внутренних трещин и расслоений. Горизонтальное расположение образца позволяет более точно оценить поведение слоистых структур под действием изгибающих нагрузок. Для композитов с длинными волокнами метод позволяет учесть влияние ориентации армирования относительно направления удара.
Метод Изод: характеристики и применение
Метод Изод регламентируется стандартами ISO 180:2019 и ASTM D256 для пластмасс, а также специализированным стандартом ГОСТ Р 57715-2017 для полимерных композитов. Принципиальное отличие от метода Шарпи заключается в вертикальном консольном закреплении образца в зажимном приспособлении. Маятник наносит удар по верхней незакрепленной части образца, на которой расположен V-образный надрез.
Особенности испытательной схемы
Образец зажимается в тисках таким образом, чтобы надрез находился на уровне верхней кромки зажима и был обращен к направлению удара маятника. Свободная консольная часть образца выступает над зажимом на строго определенную высоту. Для стандарта ASTM D256 эта высота составляет 22 миллиметра от центра удара до верхней поверхности зажима. Для стандарта ISO 180 используются образцы размером 80 на 10 на 4 миллиметра.
Консольная схема нагружения создает более сложное напряженное состояние в зоне надреза по сравнению с методом Шарпи. Кроме изгибающих напряжений возникают значительные касательные напряжения вблизи места закрепления. Это делает метод Изод чувствительным к качеству закрепления образца и требует точного соблюдения методики испытаний. Скорость удара для ISO 180 составляет 3,5 метра в секунду, для ASTM D256 применяется скорость 3,46 метра в секунду.
Различия между стандартами ISO и ASTM
Стандарты ISO 180 и ASTM D256 используют образцы различных размеров, что приводит к несопоставимости результатов между этими системами. Стандарт ASTM предписывает образец размером 63,5 на 12,7 миллиметра с толщиной 3,2 или 6,4 миллиметра, в то время как ISO использует образец 80 на 10 на 4 миллиметра. Единицы измерения также различаются: ASTM выражает результат в джоулях на метр (энергия на единицу толщины), а ISO может использовать килоджоули на квадратный метр (энергия на площадь сечения).
Образцы для испытаний и подготовка надрезов
Качество подготовки образцов и надрезов критически влияет на воспроизводимость результатов испытаний. Образцы должны иметь строго прямоугольное сечение с взаимно перпендикулярными гранями. Отклонения от плоскостности и параллельности поверхностей не должны превышать значений, указанных в соответствующих стандартах. Поверхность образцов не должна иметь видимых царапин, раковин и вмятин, которые могут стать дополнительными концентраторами напряжений.
Технология выполнения надрезов
Надрезы на композитных образцах выполняются на специализированном оборудовании с использованием дисковых фрез или концевых фрез с регламентированным радиусом режущей кромки. Для V-образного надреза типа A угол раскрытия составляет 45 градусов, а радиус вершины надреза должен находиться в диапазоне 0,25 плюс-минус 0,05 миллиметра. Глубина надреза для стандартных образцов обычно составляет 2 миллиметра, оставляя под надрезом сечение толщиной 8 миллиметров для образца высотой 10 миллиметров.
При изготовлении надрезов на композитах необходимо тщательно контролировать температурный режим обработки. Высокие скорости резания и недостаточное охлаждение могут привести к локальному нагреву материала, особенно в термопластичных матрицах, что изменит свойства материала в зоне надреза. Рекомендуется использование смазочно-охлаждающих жидкостей и относительно низкие скорости подачи инструмента.
Кондиционирование образцов
Перед испытаниями образцы должны быть выдержаны при стандартных атмосферных условиях согласно ISO 291: температуре 23 плюс-минус 2 градуса Цельсия и относительной влажности 50 плюс-минус 10 процентов. Время кондиционирования составляет не менее 40 часов после выполнения надреза согласно ГОСТ 4647-2015. Для гигроскопичных матриц, таких как полиамиды, могут потребоваться специальные условия кондиционирования или испытание образцов в сухом состоянии сразу после формования.
Энергия разрушения и интерпретация результатов
Энергия разрушения при ударных испытаниях складывается из нескольких компонентов: энергии упругой деформации, энергии пластической деформации матрицы, энергии разрушения волокон, энергии расслоения на границе раздела волокно-матрица и энергии образования новых поверхностей разрушения. Соотношение этих компонентов зависит от типа композита, схемы армирования и условий испытания.
Механизмы разрушения композитов
Для композитов с однонаправленным армированием при ударе перпендикулярно волокнам основной вклад в энергию разрушения вносит растрескивание матрицы и расслоение между слоями. При ударе вдоль волокон преобладает разрушение самих волокон, что требует значительно большей энергии. Это объясняет высокую анизотропию ударной вязкости однонаправленных композитов.
Для квазиизотропных композитов с укладкой под углами 0, плюс-минус 45 и 90 градусов энергия разрушения более равномерно распределена между различными механизмами. Такие материалы демонстрируют более стабильные значения ударной вязкости при различных направлениях удара, но абсолютные значения обычно в 1,5-2 раза ниже, чем у однонаправленных композитов при оптимальной ориентации.
Влияние матрицы на вязкость разрушения
Полимерная матрица играет определяющую роль в ударной вязкости композитов. Термореактивные эпоксидные матрицы обеспечивают хорошую адгезию к волокнам и высокие механические характеристики, но имеют ограниченную пластичность. Модификация эпоксидных связующих эластомерами позволяет повысить ударную вязкость на 20-40 процентов без существенного снижения прочностных характеристик.
Термопластичные матрицы на основе полиамидов, полиэфиркетонов или полифениленсульфида демонстрируют значительно более высокую ударную вязкость по сравнению с термореактивными аналогами. Это связано с их способностью к значительной пластической деформации перед разрушением. Однако термопластичные композиты более чувствительны к температуре испытаний и могут терять свои преимущества при повышенных температурах эксплуатации.
Влияние температуры на ударную вязкость
Температура оказывает значительное влияние на ударную вязкость полимерных композитов. При понижении температуры полимерная матрица переходит из высокоэластического в стеклообразное состояние, что сопровождается резким снижением способности материала к пластической деформации. Для большинства эпоксидных матриц критический диапазон температур находится между минус 40 и 0 градусов Цельсия.
Явление хрупко-вязкого перехода
Критическая температура хрупко-вязкого перехода представляет собой точку, в которой механизм разрушения материала меняется от вязкого к хрупкому. Для определения этой температуры проводят серию испытаний на ударную вязкость в широком температурном диапазоне. По результатам строят график зависимости доли вязкой составляющей в изломе от температуры. Температура, при которой доли вязкой и хрупкой составляющих равны, принимается за критическую.
Для композитов на основе эпоксидных матриц температура хрупко-вязкого перехода обычно находится в диапазоне от минус 30 до минус 10 градусов Цельсия. Полиэфирные матрицы демонстрируют более высокую критическую температуру, что ограничивает их применение в конструкциях, работающих при отрицательных температурах. Термопластичные матрицы имеют критическую температуру, близкую к их температуре стеклования.
Испытания при пониженных температурах
Для материалов, предназначенных для эксплуатации в условиях холодного климата, проводят испытания при температурах минус 40, минус 60 или даже минус 70 градусов Цельсия. Образцы предварительно выдерживают в климатической камере до достижения температурного равновесия, после чего быстро переносят к копру и проводят испытание. Время от извлечения образца из камеры до момента удара должно быть минимальным и обычно не превышает 5 секунд согласно ISO 179-1.
При повышенных температурах, приближающихся к температуре стеклования матрицы, также наблюдается снижение ударной вязкости. Это связано с размягчением полимерной матрицы и снижением её способности эффективно передавать нагрузку на армирующие волокна. Для конструкционных композитов важно обеспечить достаточный запас между рабочей температурой и температурой стеклования матрицы.
