| Тип композита | Форма образца | Длина, мм | Ширина, мм | Толщина, мм | Накладки |
|---|---|---|---|---|---|
| Однонаправленные высокопрочные | Полоса прямоугольная | 250±2 | 15±0,5 | 1-5 | Обязательны, длина 90-100 мм |
| Однонаправленные умеренной прочности | Полоса без накладок | 200±2 | 10-25 | 2-5 | Не требуются |
| Многонаправленные ламинаты | Лопатка | 200-250 | 25±0,5 | 2-4 | Рекомендованы |
| Тканевые композиты | Полоса прямоугольная | 200±2 | 25±0,5 | 2-5 | По необходимости |
| Случайно армированные | Лопатка | 165±5 | 13±0,5 | 3-6 | Не требуются |
| Определяемая характеристика | Скорость перемещения захвата, мм/мин | Диапазон нагрузки | Цикличность | Измерительные приборы |
|---|---|---|---|---|
| Предел прочности при растяжении | 2-20 | 0 до разрушения | Однократное нагружение | Силоизмерительный датчик с погрешностью не более 1% |
| Модуль упругости | 2-20 | 2-5% до 30-40% от разрушающей нагрузки | Трехкратное нагружение-разгружение | Экстензометр класса B1 по ASTM E83 с базой 10-50 мм |
| Коэффициент Пуассона | 2-20 | В пределах линейного участка диаграммы | Циклическое нагружение | Продольный и поперечный тензорезисторы |
| Относительное удлинение при разрушении | 2-20 | 0 до разрушения | Однократное нагружение | Экстензометр или измерение рабочей базы |
| Предел пропорциональности | 2-20 | От начала до отклонения от линейности | Однократное нагружение | Экстензометр с записью диаграммы деформирования |
| Характеристика | Обозначение | Формула расчета | Единицы измерения |
|---|---|---|---|
| Предел прочности при растяжении | σв | σв = Fmax / (b × h) | МПа |
| Модуль упругости | E | E = Δσ / Δε = (F2 - F1) / [(b × h) × (ε2 - ε1)] | ГПа |
| Относительное удлинение при разрушении | εв | εв = [(L1 - L0) / L0] × 100% | % |
| Коэффициент Пуассона | ν | ν = -Δεпоперечная / Δεпродольная | безразмерная |
| Напряжение | σ | σ = F / S0, где S0 = b × h | МПа |
Назначение и принцип работы разрывных машин
Универсальные испытательные машины представляют собой оборудование для определения механических свойств полимерных композиционных материалов путем статического нагружения образцов до разрушения. Основное применение в лабораториях научно-исследовательских институтов, производственных предприятий и центров технического контроля для квалификационных испытаний, входного контроля сырья и верификации расчетных характеристик композитных конструкций.
Принцип действия базируется на приложении к закрепленному образцу осевой растягивающей нагрузки с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата. В процессе нагружения система непрерывно регистрирует значение прилагаемой силы и соответствующее удлинение образца, формируя диаграмму деформирования. Разрушение материала фиксируется по резкому падению нагрузки, что позволяет определить предел прочности при растяжении.
Современные разрывные машины оснащаются микропроцессорными системами управления и сбора данных, обеспечивающими автоматизацию процесса испытаний согласно ГОСТ 25.601-80, ГОСТ Р 56785-2015 и международным стандартам ASTM D3039, ISO 527-4, ISO 527-5. Точность измерения нагрузки составляет не более одного процента от измеряемой величины, что обеспечивает достоверность получаемых результатов для инженерных расчетов и сертификации материалов.
Область применения
Разрывные машины используются для испытаний однонаправленных композитов на основе углеродных, стеклянных, арамидных и базальтовых волокон, многослойных ламинатов различной укладки, тканевых композиционных материалов, а также случайно армированных систем. Оборудование применяется на всех этапах жизненного цикла изделий от разработки материала до контроля качества серийной продукции.
Классификация испытательных систем
Электромеханические разрывные машины
Электромеханические системы используют серводвигатель и шарико-винтовую передачу для перемещения подвижной траверсы. Диапазон развиваемых усилий составляет от пяти до шестисот килоньютонов, что покрывает потребности испытаний большинства композитных материалов. Точность позиционирования достигает сотых долей миллиметра, обеспечивая стабильное поддержание заданной скорости деформирования в диапазоне от одного до пятисот миллиметров в минуту.
Преимуществами электромеханического привода являются высокая энергоэффективность, низкий уровень шума, отсутствие необходимости в гидравлической станции и простота обслуживания. Настольные модели с усилием до пятидесяти килоньютонов оптимальны для испытаний стандартных образцов композитов. Напольные двухколонные машины усилием сто и более килоньютонов применяются для испытаний толстых ламинатов и крупногабаритных образцов согласно требованиям ГОСТ 28840-90.
Гидравлические испытательные системы
Гидравлические разрывные машины реализуют силовое воздействие через сервоуправляемый гидроцилиндр с рабочим давлением до двадцати восьми мегапаскалей. Данный тип оборудования обеспечивает развитие усилий от ста до двух тысяч килоньютонов, что востребовано при испытаниях толстостенных композитных панелей, элементов конструкций и крупномасштабных образцов. Гидравлический привод характеризуется плавностью хода и способностью длительно поддерживать заданную нагрузку без дрейфа.
Современные электрогидравлические системы оснащаются сервоклапанами высокого быстродействия и цифровыми контроллерами с замкнутым контуром регулирования по нагрузке, деформации или перемещению. Это обеспечивает точность поддержания режимов испытаний, сопоставимую с электромеханическими машинами. Основным недостатком является необходимость в гидростанции, требования к температурной стабилизации рабочей жидкости и периодическому обслуживанию гидравлического тракта.
↑ К оглавлениюКонструкция и основные узлы
Силовая рама и измерительная система
Силовая рама испытательной машины представляет собой сварную или литую конструкцию повышенной жесткости, исключающую деформации при приложении номинальной нагрузки. Двухколонное исполнение с направляющими на прецизионных шарикоподшипниках обеспечивает строгую соосность верхнего и нижнего захватов, что критично для испытаний анизотропных композитных материалов, чувствительных к эксцентриситету нагружения.
Силоизмерительная система строится на тензометрических датчиках с номинальной нагрузкой от двухсот пятидесяти ньютонов до номинала машины. Использование сменных датчиков различной емкости позволяет поддерживать требуемую погрешность измерений не более одного процента в широком диапазоне нагрузок. Датчики подлежат периодической метрологической поверке с использованием эталонных динамометров класса точности ноль целых пять десятых или выше.
Система управления и обработки данных
Современные испытательные машины комплектуются специализированным программным обеспечением, реализующим предустановленные методики испытаний в соответствии с национальными и международными стандартами. Программа автоматически рассчитывает предел прочности, модуль упругости, относительное удлинение при разрушении, коэффициент Пуассона и другие характеристики на основании зарегистрированных данных о нагрузке и деформации.
Интерфейс оператора обеспечивает визуализацию диаграммы деформирования в режиме реального времени, настройку параметров испытаний, ввод информации об образце и формирование протокола результатов в соответствии с требованиями отраслевых стандартов. Система хранения данных позволяет архивировать результаты испытаний с привязкой к партии материала и прослеживаемостью измерений для целей сертификации продукции.
↑ К оглавлениюЗахватные устройства для композитов
Клиновые гидравлические захваты
Клиновые захваты представляют собой самозажимные устройства, в которых усилие зажима увеличивается пропорционально прилагаемой нагрузке за счет клинового механизма с углом наклона рабочих поверхностей. Для испытаний композитов применяются захваты со сменными губками, имеющими насечку под углом сорок пять градусов с шагом от одного до двух миллиметров согласно ГОСТ 25.601-80. Такой профиль обеспечивает надежную фиксацию без проскальзывания высокопрочных композитных образцов с модулем упругости свыше двадцати гигапаскалей.
Гидравлический привод зажима позволяет точно дозировать начальное усилие зажима в диапазоне от пяти до пятидесяти процентов от номинала машины. Пневматические захваты с давлением воздуха шесть атмосфер применяются для образцов умеренной прочности, обеспечивая быстроту установки и снижение риска повреждения материала при зажиме. Длина губок составляет от пятидесяти до ста пяти миллиметров согласно рекомендациям ГОСТ 25.601-80.
Механические винтовые захваты
Винтовые захваты с ручным или электромеханическим приводом используются для образцов с накладками, где концентрация напряжений минимизирована. Усилие зажима регулируется моментом затяжки винтов и должно быть достаточным для предотвращения проскальзывания, но не вызывающим преждевременного разрушения в месте крепления. Для контроля момента затяжки применяются динамометрические ключи с калибровкой.
Конструкция захватов предусматривает возможность точного центрирования образца относительно оси нагружения с погрешностью не более одной десятой миллиметра. Несоосность захватов приводит к появлению изгибающих моментов, искажающих результаты испытаний анизотропных композитов. Проверка выравнивания проводится согласно ASTM E1012 с использованием специального тензометрического датчика или тензорезисторных розеток.
↑ К оглавлениюМетодика проведения испытаний
Подготовка образцов
Образцы для испытаний вырезаются из композитной панели с соблюдением ориентации относительно направления армирования. Для однонаправленных высокопрочных композитов используются образцы в виде полосы прямоугольного сечения с обязательным применением накладок длиной от девяноста до ста миллиметров, предотвращающих разрушение в захватах. Накладки изготавливаются из ортогонально армированных стеклопластиков с модулем упругости не превышающим модуль испытуемого материала.
Геометрические параметры образцов измеряются штангенциркулем по ГОСТ 166-89 и микрометром по ГОСТ 6507-90. Толщина и ширина замеряются не менее чем в трех сечениях рабочей части, среднее значение используется для расчета площади поперечного сечения с точностью до трех значащих цифр. Кондиционирование образцов проводится при стандартной атмосфере двадцать три градуса Цельсия и пятьдесят процентов относительной влажности в течение не менее двадцати четырех часов.
Установка и нагружение
Образец устанавливается в захваты испытательной машины таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с направлением действия растягивающей нагрузки. Рабочая длина образца между захватами устанавливается согласно требованиям стандарта и должна обеспечивать разрушение в пределах измерительной базы. Для определения модуля упругости устанавливается экстензометр класса B1 по ASTM E83 с базой от десяти до пятидесяти миллиметров.
Испытание проводится при скорости перемещения подвижного захвата от двух до двадцати миллиметров в минуту. ASTM D3039 рекомендует типовую скорость два миллиметра в минуту для квалификационных испытаний, допускается увеличение скорости для контроля качества. Образец равномерно нагружают до полного разрушения с непрерывной регистрацией нагрузки и деформации. Для определения модуля упругости проводится трехкратное циклическое нагружение-разгружение в диапазоне от двух до пяти процентов до тридцати-сорока процентов от ожидаемой разрушающей нагрузки.
Требования безопасности
При испытаниях высокопрочных композитов разрушение образца происходит с высвобождением значительной упругой энергии и образованием острых осколков. Оператор должен находиться за защитным экраном из поликарбоната толщиной не менее восьми миллиметров. Обязательно использование средств индивидуальной защиты глаз и органов слуха.
Измерительные системы
Экстензометры и датчики деформации
Экстензометры представляют собой прецизионные приборы для измерения линейной деформации образца на заданной базе с погрешностью не превышающей один микрометр. Контактные экстензометры класса B1 по ASTM E83 и класса ноль целых пять по ISO 9513 с базой от десяти до пятидесяти миллиметров устанавливаются непосредственно на рабочую часть образца и автоматически снимаются при достижении предельного удлинения.
Тензорезисторные датчики наклеиваются на поверхность образца за шестнадцать-двадцать четыре часа до испытания с использованием цианакрилатных или эпоксидных клеев. Для определения коэффициента Пуассона применяются двухкоординатные тензорезисторы с базой пять миллиметров, ориентированные вдоль и поперек направления нагружения. Деформация регистрируется тензометрическими усилителями с разрешением один микрострейн.
Системы температурного контроля
Для испытаний при повышенных и пониженных температурах применяются термокамеры с рабочим диапазоном. Согласно ГОСТ 25.601-80 стандартный температурный диапазон составляет от минус шестидесяти до плюс ста восьмидесяти градусов Цельсия. Современное оборудование для испытаний композитов может обеспечивать расширенный диапазон от минус восьмидесяти до плюс трехсот пятидесяти градусов Цельсия, что позволяет проводить испытания высокотемпературных термостойких композитов на основе полиимидных и керамических матриц.
Нагрев осуществляется электрическими нагревательными элементами с принудительной циркуляцией воздуха, охлаждение реализуется жидким азотом или механическим холодильным контуром. Время выдержки образца при заданной температуре составляет не менее двадцати минут на один миллиметр толщины для обеспечения температурной стабилизации по сечению. Контроль температуры осуществляется термопарами типа К или термосопротивлениями Pt100 с погрешностью не более двух градусов Цельсия.
↑ К оглавлениюТребования стандартов
Национальные стандарты
ГОСТ 25.601-80 устанавливает метод испытания плоских образцов композиционных материалов, армированных непрерывными высокомодульными углеродными, борными, органическими и другими волокнами на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. Стандарт регламентирует форму и размеры образцов, требования к испытательному оборудованию, методику проведения испытаний и обработку результатов. Погрешность измерения нагрузки не должна превышать одного процента от измеряемой величины. Для стеклопластиков применяется отдельный стандарт ГОСТ 11262-80.
ГОСТ Р 56785-2015 представляет собой модифицированную версию ASTM D3039, адаптированную для применения в Российской Федерации с учетом особенностей национальной системы стандартизации. Стандарт определяет метод испытания на растяжение плоских образцов полимерных композитов для определения предела прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. Документ введен в действие с первого января две тысячи семнадцатого года.
Международные стандарты
ASTM D3039 является наиболее широко применяемым в мире стандартом для испытаний композитов на растяжение. Документ охватывает методы испытаний однонаправленных и многонаправленных ламинатов, а также случайно армированных композитов. Стандарт определяет геометрию образцов, требования к захватам, процедуру измерения деформаций и расчет механических характеристик. Критическим параметром является обеспечение разрушения образца в пределах рабочей длины, а не в захватах.
ISO 527-4 и ISO 527-5 регламентируют условия испытаний изотропных и анизотропных волокнистых композитов соответственно. Стандарты определяют скорости деформирования, типы образцов и методы определения характеристик. Для аэрокосмических применений используются отраслевые стандарты Boeing BSS 7260 и Airbus AITM, содержащие более строгие требования к точности измерений и статистической обработке данных.
↑ К оглавлению