| Стандарт | Длина рабочей части (мм) | Ширина (мм) | Толщина (мм) | Накладки |
|---|---|---|---|---|
| ГОСТ 25.602-80 | 60 (для Ec ≥ 20 ГПа) | 10-12 | ≥ 1,5 | Ортогональный композит |
| ГОСТ 33519-2015 | 60 (для Ec > 20 ГПа) | 10-25 (реком. 20) | ≥ 1 | Рекомендуется |
| ISO 14126 (метод 1) | Свободная зона 12-25 | 10-25 | 1-6 | Обязательны |
| ASTM D6641 | 13 (свободная зона) | 13 | По проекту | Требуются |
| Характеристика | Скорость траверсы (мм/мин) | Температурный диапазон | Условия испытания |
|---|---|---|---|
| Предел прочности при сжатии | 1-15 | от -60°C до +180°C | Нагружение до разрушения |
| Модуль упругости при сжатии | 1-15 | 20°C (нормальная) | Линейный участок диаграммы |
| Коэффициент Пуассона | 1-15 | 20°C (нормальная) | Двусторонняя тензометрия |
| ГОСТ 33519-2015 | 1-15 | от -80°C до +350°C | Расширенный диапазон |
| Характеристика | Формула расчета | Число образцов | Критерий отбраковки |
|---|---|---|---|
| Предел прочности σc (МПа) | σc = Fmax / (b × h) | ≥ 5 | Разрушение вне рабочей зоны |
| Модуль упругости Ec (МПа) | Ec = (ΔF × l) / (b × h × Δl) | ≥ 3 | Изгиб образца > 10% |
| Коэффициент Пуассона νc | νc = |Δε⊥ / Δε‖| | ≥ 3 | Неравномерность деформаций |
| Доверительная вероятность | P = 0,95 | - | Статистическая обработка |
Нормативная база испытаний на сжатие
Механические испытания композитных материалов на сжатие регламентируются комплексом национальных и международных стандартов. Основополагающим российским документом является ГОСТ 25.602-80, который устанавливает метод кратковременного испытания композитов с полимерной матрицей при нормальной температуре 20°C, повышенной до 180°C и пониженной до минус 60°C. Данный стандарт применяется для материалов, армированных непрерывными высокомодульными углеродными, борными, органическими волокнами со структурой, симметричной относительно срединной плоскости.
Современным развитием отечественной нормативной базы стал ГОСТ 33519-2015, который расширил температурный диапазон испытаний до 350°C для повышенных температур и до минус 80°C для пониженных температур. Стандарт гармонизирован с международным ASTM D3410 и введен в действие с 2017 года. Для стеклопластиков применяется отдельный стандарт ГОСТ 4651, учитывающий специфику этого класса материалов.
Стандарт ISO 14126 определяет два основных метода испытаний на сжатие армированных композитов: метод 1 использует передачу нагрузки через сдвиг по боковым поверхностям образца, метод 2 реализует комбинированное нагружение с одновременной передачей усилий через торцы и боковые грани. Американские стандарты ASTM D3410 и ASTM D6641 широко применяются в аэрокосмической промышленности благодаря высокой воспроизводимости результатов.
Подготовка образцов и геометрические требования
Образцы для испытаний на сжатие изготавливаются в виде параллелепипедов с прямоугольным сечением. Геометрия образца критически влияет на результаты, поскольку неправильно подобранные размеры приводят к потере устойчивости или концентрации напряжений в зонах захвата.
Определение длины рабочей части
Согласно ГОСТ 25.602-80, при определении модуля упругости и коэффициента Пуассона материалов с модулем упругости 20000 МПа и более при толщине образца не менее 1,5 мм и нагрузке до 50 процентов от разрушающей длину рабочей части принимают равной 60 мм. При иных значениях модуля упругости и толщины длину определяют расчетным путем, учитывая критическое напряжение потери устойчивости и модуль межслойного сдвига.
Накладки на торцы образца изготавливают из ортогонально армированных материалов. Модули упругости накладок в направлениях, перпендикулярных к оси образца, не должны превышать соответствующие модули испытываемого материала. Относительное удлинение при разрушении материала накладок во всех направлениях должно быть больше или равно соответствующей характеристике материала образца.
Требования к качеству поверхности
Торцевые поверхности образцов должны быть строго параллельны друг другу и перпендикулярны продольной оси. Шероховатость торцевых поверхностей образца должна соответствовать Ra менее 0,63 мкм по ГОСТ 2789. Рабочие поверхности площадок испытательной машины должны иметь шероховатость Ra менее 0,32 мкм согласно ГОСТ 25.602-80. Изменение толщины и ширины по длине образца допускается не более одного процента для ширины и не более двух процентов для толщины согласно ГОСТ 33519-2015.
Приспособления и оснастка для испытаний
Существует три основных типа приспособлений для передачи сжимающей нагрузки на образец: с торцевым нагружением, с передачей нагрузки через сдвиг и комбинированные системы.
Приспособления с клиновыми зажимами
Приспособление по ГОСТ 25.602-80 состоит из двух пар клиновидных зажимов, заключенных в цилиндрический корпус. Роликовые направляющие исключают перекос зажимов относительно вертикальной оси образца и обеспечивают равномерную передачу давления на опорные поверхности. Клиновидная конструкция обеспечивает надежную установку, крепление и выемку образца после испытания.
Рабочие поверхности площадок испытательной машины должны иметь шероховатость Ra менее 0,32 мкм и термообработку до твердости 45-50 HRC, а для боропластиков требуется твердость до 70 HRC. Площадки приспособления, передающие нагрузку на торцевые поверхности образца, должны иметь шероховатость Ra менее 0,63 мкм и твердость 45-50 HRC. Площадки, передающие усилия по боковым поверхностям, оснащаются насечкой для предотвращения проскальзывания. Приспособление работает без смазки и позволяет проводить испытания в регламентированном температурном диапазоне.
Гидравлические компрессионные приспособления
Современные гидравлические системы обеспечивают точное центрирование образца в оси нагружения и равномерное распределение нагрузки. Они позволяют проводить испытания в широком температурном диапазоне от минус 80 градусов до плюс 350 градусов согласно ГОСТ 33519-2015. Конструкция включает противовыгибные элементы и предусматривает возможность установки тензометрических датчиков в углублениях корпуса.
Предотвращение потери устойчивости образцов
Потеря устойчивости представляет собой критическое явление при испытаниях композитов на сжатие. При достижении определенной нагрузки образец внезапно деформируется по изгибной форме, что искажает результаты измерений характеристик материала.
Критерии устойчивости
Для оценки устойчивости образца используется контроль процента изгиба. Деформации регистрируются одновременно с двух противоположных сторон образца тензодатчиками. Процент изгиба вычисляется при величине продольной деформации 0,2 процента по формуле, учитывающей разность показаний датчиков. Результаты испытаний считаются достоверными, если процент изгиба не превышает 10 процентов согласно ГОСТ 33519-2015.
Противовыгибные устройства монтируются на образец перед началом нагружения. Они ограничивают боковое смещение, не создавая паразитных напряжений в рабочей части. Для измерения модуля упругости применяются противовыгибные элементы с углублениями под тензодатчики. При определении прочности используются упрощенные конструкции без углублений для обеспечения максимальной свободной длины.
Расчет критической длины
Максимально допустимая длина рабочей части определяется из условия, что критическая нагрузка потери устойчивости должна превышать разрушающую нагрузку материала. В расчете по ГОСТ 25.602-80 учитываются модуль упругости при сжатии, модуль межслойного сдвига, толщина образца и предполагаемый предел прочности, принимаемый равным пределу прочности при растяжении.
Методика проведения испытаний
Испытательная машина должна обеспечивать сжатие образца с постоянной скоростью перемещения активного захвата и измерение нагрузки с погрешностью не более одного процента от измеряемой величины. Машина оснащается двумя плоскопараллельными площадками, которые сближаются с заданной скоростью. Одна из площадок выполняется самоустанавливающейся для компенсации непараллельности торцов.
Последовательность операций
Образец устанавливается в приспособление таким образом, чтобы продольная ось совпадала с направлением действия сжимающей нагрузки, а торцевые поверхности были параллельны опорным поверхностям плит. После фиксации образца устанавливаются измерители деформаций. Тензорезисторы наклеиваются в середине рабочей части в продольном и поперечном направлениях с двух сторон за 16-24 часа до испытаний.
Устанавливают скорость перемещения активного захвата машины. Рекомендуемая скорость по ГОСТ 25.602-80 составляет от 1 до 15 миллиметров в минуту. Для определения предела прочности образец равномерно нагружают до разрушения и записывают наибольшую нагрузку. При определении модуля упругости проводят двух-трехкратное нагружение-разгружение в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования.
Измерение деформаций
Точность измерения деформаций определяет качество получаемых характеристик материала. Применяются механические, оптико-механические тензометры, электротензометры, тензорезисторы или другие приборы, обеспечивающие измерение деформации с погрешностью не более одного процента предельного значения измеряемой величины.
Тензометрические датчики
Тензорезисторы наклеиваются в средней части рабочей зоны образца в продольном и поперечном направлениях с двух сторон. Длина измерительной базы определяется конструкцией датчика. Симметричное расположение датчиков позволяет контролировать возможный изгиб образца в процессе нагружения. Регистрация показаний осуществляется осциллографами, измерителями статических деформаций, потенциометрами с чувствительностью не ниже одной стотысячной относительных единиц деформации.
Бесконтактные системы
Методы цифровой корреляции изображений обеспечивают измерение полей деформаций на поверхности образца без физического контакта. Такие системы особенно эффективны при испытаниях образцов с концентраторами напряжений или при температурных воздействиях, когда применение наклеиваемых датчиков затруднено или может влиять на результаты.
Обработка результатов испытаний
Предел прочности при сжатии определяется как отношение наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к площади поперечного сечения, вычисляемой как произведение ширины на толщину. Модуль упругости вычисляется по формуле, учитывающей приращение нагрузки, базу тензометра, площадь сечения и изменение базы тензометра при данном приращении нагрузки.
Статистическая обработка
Испытывают не менее пяти образцов для определения предела прочности и не менее трех образцов для модуля упругости и коэффициента Пуассона согласно ГОСТ 25.602-80 и ГОСТ 33519-2015. Результаты обрабатывают методами математической статистики при доверительной вероятности 0,95. Вычисляют среднее арифметическое значение, среднеквадратичное отклонение и доверительный интервал.
Результаты испытаний не учитываются, если разрушение произошло вне рабочей зоны образца, обнаружено проскальзывание в захватах или процент изгиба превысил допустимое значение в 10 процентов. Также отбраковываются образцы с видимыми дефектами структуры, заметными невооруженным глазом, включая вздутия, сколы, трещины.
Протокол испытаний
Протокол должен содержать полную информацию об аппаратуре, образцах, условиях испытаний и полученных результатах. Указываются характеристики испытательной машины, измерителей деформаций, регистрирующей аппаратуры. Фиксируется материал образца с указанием расположения арматуры, условий кондиционирования. Описываются температура, относительная влажность, режим и скорость нагружения. Результаты представляются в табличной форме с указанием вида разрушения каждого образца.
