МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 1, с. 150—154

УДК 620.1:678.067

О. Е. Ольховик, А. В. Савчук, В. И. Казурин

УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ КОМПОЗИТОВ ПРИ ОБЪЕМНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

При использовании композитных материалов в ответственных конст­ рукциях необходимо учитывать реальное напряженное состояние, кото­ рое в большинстве случаев является объемным. Однако, несмотря на то, что неоднократно подчеркивалась важность изучения свойств полимер­ ных материалов при сложном напряженном состоянии [1, 2], системати­ ческое исследование композитов при объемном напряженном состоянии не получило сколько-нибудь заметного развития. Так, например, как отмечается в [3, 4], мы не располагаем даже качественной информацией о роли среднего напряжения (гидростатического давления) в вопросах прочности и деформативности композитных материалов. Из сказанного следует, что большинство гипотез и построенных на их основе критериев кратковременной и длительной прочности композитных материалов ос­ таются не проверенными в полной мере и поэтому их достоверность при объемном напряженном состоянии не является доказанной. Очевидно, причина такого положения кроется в отсутствии испытательной техники, позволяющей выполнять исследование механических свойств конструк­ ционных материалов при объемном напряженном состоянии, поскольку как отечественная, так и зарубежная промышленность ее не выпускают.

Целью настоящей работы является создание экспериментальной уста­ новки, предназначенной для испытания композитов при некоторых част­ ных траекториях объемного напряженного состояния, а именно, при од­ ноосном растяжении и сжатии в камере под давлением, максимальная величина которого составляет 500 МПа. Необходимо отметить, что ис­ пользование гидростатического давления для передачи нагрузки на об­ разец обладает тем преимуществом, что нагрузка, создаваемая жид­ костью, обеспечивает свободу сдвиговых деформаций. В противном слу­ чае, например, как это делается при одноосном сжатии, когда нагрузка передается жестким телом, сдвиговые деформации стеснены и напря­ женно-деформированное состояние статически неопределимо, и, следова­ тельно, положение траектории нагружения, строго говоря, не определено. Хорошо известно, что разрушение материала происходит путем отрыва или сдвига. Это обстоятельство накладывает определенные ограничения на методику проведения испытаний, а именно, опыты необходимо выпол­ нять так, чтобы условия передачи нагрузки на образец не препятство­ вали развитию деформации отрыва или сдвига. Наиболее полно этим условиям отвечают испытания на одноосное растяжение длинных образ­ цов и кручение трубок в камере под давлением. Такого типа испытания позволяют получить необходимое число траекторий нагружения, обеспе­

чивающих проверку достоверности критериев прочности анизотропных материалов.

Разработанная установка не позволяет в полном объеме получить ин­ формацию, необходимую для всесторонней проверки критериев проч­ ности, однако результаты исследований по разработанной схеме дают возможность получить ответ на некоторые частные вопросы механиче­ ского поведения композитов при объемном напряженном состоянии, и в частности, дать количественную оценку роли среднего напряжения в их

прочности. Отметим, что ранее созданные установки [5, 6] оказались не­ пригодными для испытания композитов вследствие их весьма малой мощности по растягивающей и сдвиговой нагрузке.

Основу установки (рис. 1) составляет термообработанный цилиндр 1 из стали 38XH3MA с наружным диаметром 200 мм, высотой 320 мм и внутренним отверстием диаметром 60 мм. Сверху цилиндр запирается фланцем 2 посредством шести шпилек 3 (резьба М33х2,5) и гаек 4. Уп­ лотнения 5 со стороны нижнего 6 и верхнего 7 обтюраторов, а также вала <5, механизма осевого нагружения, выполнены по типу некомпенси­ рованной площади [7] из фторопласта-4. Сборка установки произво­ дится в следующей последовательности. Образец 9 устанавливается в корпус захватов 10, где и удерживается с помощью клиньев 11. С целью исключения проскальзывания образца из захватов при высоком давле­ нии вследствие ослабления ввиду большой разности в сжимаемости ком­ позита и стали клинья поджимаются винтами 12. Эта операция выполня­ ется после того, как образец с захватами вставлен в направляющую втулку 13, которая одновременно выполняет роль тензодинамометра. Крепление втулки 13 к верхнему обтюратору 7 выполнено на резьбе. На­ гружение исследуемого материала растягивающей силой выполняется вращением валика 8 с помощью червячно-винтового привода 14. Макси­ мальная величина растягивающей нагрузки определяется прочностью резьбового соединения вала 8. Для резьбы М20Х2 (материал сталь 40Х) надежная работа установки обеспечивалась до величины растягивающей нагрузки в 50 кН.

С целью исключения вращения корпуса верхнего захвата 10 преду­ смотрена направляющая шпонка 15. Гидростатическое давление в ци­ линдре создается веретенным маслом, которое поступает от мультипликатора через боко­ вое отверстие в корпусе ци­

линдра.

Растягивающая нагрузка на образце измеряется прово­ лочными тензорезисторами (ПКБ-20-100) 16 по схеме двух

Рис. 1. Схема установки для испытания композитов при растяжении с наложением гид­ ростатического давления. Пояснения в тексте.

Рис. 2. Ячейка для испытания композитов при сжатии под давлением: 1 — образец; 2 — клинья; 3 — корпус захвата; 4 — тензорезисторы; 5 — шпонка; 6 — направляю­ щая втулка; 7 — вал.

активных датчиков [8]. Весьма важным моментом при испытании мате­ риалов в камере под давлением является нечувствительность тензодинамометра к изменению гидростатического давления. В этом случае воз­ можно выполнение испытаний при изменяющемся давлении без введения поправок на показание тензодинамометра. По нашему опыту исключить чувствительность тензодатчиков к изменению давления можно примене­ нием полумостовой схемы с двумя активными тензорезисторами [8] и специальной технологией их наклеивания, которая заключается в прове­ дении термообработки клеевого шва в камере под давлением не менее 400—500 МПа и температуре 430—450 К (для клея ВС-ЮТ [9]) в тече­ ние 4—6 ч. При этом охлаждение тензодинамометра следует выполнять под указанным выше давлением до температуры порядка 340 К. Такая термообработка обеспечивает бездефектный монолитный клеевой шов, в результате чего полумостовая схема из двух идентично наклеенных тен­ зодатчиков, находящихся под давлением, нечувствительна к последнему.

Одноосное сжатие с наложением гидростатического давления вы­ полняли с помощью сменной измерительной ячейки (рис. 2), принцип действия которой во многом схож с предыдущей схемой и не нуждается в подробном описании.

Исследования проводили на образцах из стеклотекстолита СТЭФ при температуре 315 К. Образцы имели форму лопаток при следующих размерах: общая длина 120 мм, ширина в захватах 16 мм, ширина и длина рабочей части были соответственно равны 10 и 60 мм, толщина 2 мм. Отметим, что параметры установки позволяют испытывать образцы толщиной до 6 мм.

Опыты на одноосное сжатие выполняли на образцах-лопатках по приведенной схеме с отношением высоты рабочей части к толщине, равном пяти при ширине рабочей части образца в 8 мм. Перед испытаниями образцы дважды покрывали клеем № 88 [9] с последующей термообработкой при 350 К.

Испытание стеклотекстолита в условиях одноосного растяжения и сжатия прово­ дили при шести уровнях гидростатического давления, равных 0,1, 100, 200, 300, 400 и 500 МПа, в направлении основы, утка и под углом в 45° Нагружение осевой силой проводили через 10 мин после наложения гидростатического давления. Скорость дефор­ мирования (перемещение активного захвата) была равна 0,4 мм в минуту.

Результаты выполненных исследований по разрушению стеклотек­ столита в условиях одноосного растяжения, а также напряженное со­ стояние материала в момент разрушения представлены в таблице. Здесь каждая точка является среднеарифметической величиной по данным че­ тырех-пяти идентичных образцов. Средневзвешенная дисперсия опытных данных при доверительном интервале р = 0,95 указана в таблице. Раз­ рушение образцов при одноосном растяжении с наложением гидроста­ тического давления во всех случаях для направления основы и утка происходило путем отрыва в направлении растягивающей нагрузки. Для образцов, вырезанных под углом 45°, разрушение происходило пу­ тем отрыва под углом 45° к оси образца. В условиях одноосного сжатия образцы разрушались путем расслоения в средней части с последую­ щим смятием. При атмосферном давлении прочность стеклотекстолита при сжатии в направлении основы, утка и под углом 45° была соответ­ ственно равна 190, 176 и 105 МПа. Пронормированные значения проч­ ности исследуемого композита при растяжении и сжатии для трех на­ правлений в функции давления представлены на рис. 3. Видно, что влияние среднего напряжения на прочность исследуемого материала сказывается в меньшей степени, чем для термопластов [ 10], причем это влияние наиболее выражено по наименее прочным направлениям. В пер­ вом приближении можно считать, что Прочность СТЭФ линейно увеличи­ вается с ростом гидростатического давления.

Особого внимания заслуживают результаты испытаний при растяже­ нии под давлением при соотношении растягивающего напряжения к гид­ ростатическому давлению, равному едцНИц^ Этот случай испытания от-

Характеристики прочности стеклотекстолита при объемном напряженном состоянии

вечает двухосному сжатию в «чистом» виде, т. е. при этом в момент раз­ рушения по четырем граням элементарного кубика действуют только сжимающие напряжения, а две оставшиеся грани свободны от напряже­ ний. При этом, поскольку при такой схеме испытания нагрузка на обра­ зец передается жидкостью, то в этом случае, в отличие от передачи на­ грузки жесткими штампами, нет касательных напряжений по плоскос­ тям нагружения и система статически определима, и, следовательно, полностью исключены факторы, затрудняющие перемещения в мате­ риале для разрушения образца путем отрыва или сдвига. Значения проч­ ности при двухосном сжатии в плоскостях, перпендикулярных основе, утку и под углом 45° (см. табл.), были соответственно равны 400, 300 и 200 МПа. Характер разрушения указан в таблице.

Качественное сопоставление результатов Р 10'2 МПа настоящей работы по двухосному сжатию с литературными данными [И ], полученными

вусловиях передачи нагрузки жесткими штампами, показывает, что во втором слу­ чае несущая способность материала сущест­ венно выше. В первом приближении такое расхождение можно объяснить различиями

вметодике испытаний. При этом практиче­ ское использование полученных результатов может быть выполнено учетом конкретной ситуации, поскольку на практике встреча­ ются примеры, в которых нагрузка переда­

и замеряя при этом деформации на коаксиальных поверхностях цилиндра, можно од­ новременно определить все упругие характеристики, необходимые для расчета изде­ лия, находящегося в условиях плоского напряженного состояния.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Болотин В. В. Влияние технологических факторов на механическую надеж­

Поступило в редакцию 19.05.81

Механика композитных материалов, 1982, № 1, с. 155-156

УДК 539.32:678

Т, И. Шишелова, Л. В. Чиликанова, М. С. Мецик, Н. В. Леонова

ИЗМЕНЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МИКАЛЕКСА С ТЕМПЕРАТУРОЙ

Микалекс представляет собой твердый композитный материал, получаемый из смеси мелкокристаллической слюды и тонкодисперсного легкоплавкого стекла путем горячего прессования под давлением 50—70 МПа при температуре до 700—750° С [1]. Это сложная гетерогенная тройная система с прочными связями компонентов. Наряду с исходным стеклом в микалексе наблюдается новообразованное стекло, кристаллизую­ щееся при рабочих температурах и имеющее переменный состав; вблизи кристаллов слюды оно более насыщенно компонентами слюды, а вблизи частиц исходного стекла близко к его составу [2, 3].

Микалекс обладает высокой нагревостойкостью, дугостойкостью, большой меха­ нической прочностью, допускает механическую обработку. Он широко используется в радиотехнике и электровакуумной технике: из него изготавливаются гребенки катушек индуктивности, держатели мощных ламп, платы и т. п. [4]. Применяется микалекс и в качестве литейной оснастки при производстве алюминия.

В специальной технике как конструкционный материал микалекс эксплуатируется при высоких температурах, поэтому представляет интерес изучение его механических свойств в данных условиях. В связи с этим проведено исследование изменения дина­ мического модуля упругости микалекса с температурой.

Динамический модуль упругости определяли ультразвуковым методом [5, 6] с по­ мощью высокотемпературной ультразвуковой установки, созданной в ВОСТИО [7].

Образцы микалекса устанавливали в печь с силитовыми нагревателями на две вы­ сокотемпературные опоры, нагревали до 750° С со скоростью 5° в минуту, а затем охлаждали до комнатной температуры с той же скоростью. В процессе нагревания и охлаждения осуществлялось продольное сквозное прозвучнвание образца ультразвуко­ выми импульсами.

величина модуля упругости слабо меняется с ростом температуры, при температуре выше 500° С она довольно быстро уменьшается. При охлаждении образцов значение модуля быстро растет, оставаясь выше, чем при нагреве, и при 600—500° С кривая обратного хода пересекает кривую нагрева и далее мало меняется по величине. При охлаждении до комнатной температуры значение модуля оказывается на 17—25% меньше начального.

Петлеобразный температурный ход динамического модуля упругости можно объ­ яснить следующим образом. В области температур 500—600° С начинается резкое уменьшение модуля за счет размягчения стекла, причем у флогопитового микалекса размягчение больше, чем у мусковитового из-за худшей связи стекла с частицами слюды. В результате дегазации микалекса в процессе нагрева модуль в области «петли» больше в обратном ходе, чем в прямом. Уменьшение модуля упругости после прогрева можно объяснить остаточным расслоением образцов, вызванным вспучива­ нием слюды.

Изменение динамического модуля упругости с температурой и температура раз­ мягчения микалексов различного состава указаны в таблице.

Как видно из таблицы, микалексы обычного состава на стекле 203 при стандарт­ ной технологии производства не выдерживают прогрева до 750° С и претерпевают существенные изменения при температурах выше 500° С. Температура размягчения флогопитового микалекса несколько ниже, чем мусковитового. Резкое уменьшение ди­ намического модуля упругости при нагревании вызывает значительные изменения в образце в процессе испытаний. Худшие упругие характеристики флогопитового мика­ лекса объясняются слабой связью стекла 203 с флогопитом, слюда флогопит плохо смачивается этим стеклом.

Для выяснения влияния на упругость мусковитового микалекса многократного нагрева образец был подвергнут двум циклам нагрева—охлаждения. Нагрев прово­

Таким образом, исследуемые микалексы обычного состава на стекле 203 со слкЭдой мусковит или флогопит в качестве наполнителя сохраняют упругие свойства при нагреве до 500° С, не меняющиеся при многократном воздействии высоких температур.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Аснович Э. 3., Забырина К. И., Колганова В. А., Тареев В. Я. Электроизоля­ ционные материалы высокой нагревостойкости. М., 1979. 240 с.

2.Федосеев Г. П. Микалекс, его свойства и применение. М., 1953. 6 с.

3.Волков К. И., Загибалов П. Н., Мецик М. С. Свойства, добыча и переработка слюды. Иркутск, 1971. 350 с.

4.Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев В. М. Электротехнические мате­ риалы. 6-е изд. Л., 1977. 352 с.

5.Рапопорт Ю. М. Ультразвуковая дефектоскопия строительных деталей и кон­ струкций. Л., 1975. 128 с.

8.Мецик М. С., Лиопо В. А. Изучение структурных изменений флогопитов при нагревании. — Изв. вузов СССР. Физика, 1966, № 3, с. 40—43.

9.Шишелова Т. И., Мецик М. С. Изучение ОН-группировок в слюдах методом ИКС. — Журн. прикл. спектроскопии, 1968, т. 8, № 5, с. 321—329.

10. Шишелова Т. И. Исследование связанной воды в слюдах. Дис. на соиск. учен, степ. канд. физ.-мат. наук. Иркутск, 1968. 148 с.

11.Мецик М. С., Шишелова Т. И. Метод определения молекулярной воды в слю­ дах по ИК-спектрам. — Журн. прикл. спектроскопии, 1971, т. 15, с. 927—928.

12.Мецик М. С., Шишелова Т. Я., Соколов К. Я. Исследование дегидратации слюд и слюдопластовых материалов методом ИК-спектроскопии. — В кн.: Тр. Иркут, политехи, ин-та. Физика, 1972, вып. 71, с. 206—215.

13.Шишелова Т. И., Мецик М. С., Соколов К. Я-, Филиппова Р. Я. Температурное исследование слюд и слюдинитовых материалов. — В кн.: Физика твердого тела. Ир­ кутск, 1973, с. 192—205.

14.Шишелова Т. И., Мецик М. С., Соколов К. Я. Изменение ИК-спектров слюд

при нагревании. — Журн. прикл. спектроскопии, 1974, т. 20, вып. 6, с. 1041— 1044.

15.Векслер А. С. Исследование физических процессов при прогреве и срезе крис­ таллов флогопитов. Дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук. Иркутск, 1978. 130 с.

16.Калихман В. М. Изучение структурных изменений кристаллов мусковита и флогопита при их нагревании в вакууме. Дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук. Иркутск, 1978.

Механика композитных материалов, 1982, № 1, с. 156—159

УДК 621:678.067

В. Я. Воропаев, Г. Г. Портнов, JI. Н. Селезнев

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЕМКОСТИ МАХОВИКОВ ИЗ КОМПОЗИТОВ

1. Композиты из стеклянных, органических и графитовых волокон на эпоксидном связующем в качестве материалов для маховиков обладают двумя основными преиму­ ществами — высокой удельной прочностью при нагружении вдоль волокон и относи­ тельной безопасностью разрушения. Однако исследования, посвященные маховикам из композитов, носят в основном теоретический характер. Дело в том, что разгонные ис­ пытания маховиков связаны с выделением большой энергии при их разрушении и требуют специального оборудования. Установки для испытаний маховиков из компо­ зитов, кроме этого, должны быть и высокоскоростными, так как предельная окружная скорость на периферии таких маховиков ~1000 м/с. Высокие скорости порождают опасность аэродинамического разогрева и даже самовозгорания маховиков. Для из­ бежания этого и уменьшения аэродинамических потерь необходим высокий и надеж-

(Заметим, что при асимптотическом анализе выражений (2.6), (2.8) —

Из неравенства (2.18) следует, что ряд (2.14) сходится, следовательно, бесконечный определитель системы (2.7) является определителем нор­ мального типа.

3. Исследуем сформулированные выше задачи для потенциала типа Трелоара

Ф= С (Л -3 ).

Вэтом случае величины, входящие в предыдущие соотношения согласно [9], определяются следующим образом:

\i\2= -р°Х2; |Из = -р°Х~х\ 2С = -Х р °;

( о Л )

Для волокна соотношения (3.1) следует брать с индексом «единица». Ясно, что критические значения X, т. е. корни уравнения (2.13) будут за­ висеть от следующих величин: Tc=nRhl — параметр волнообразования; т]= Сб)С-1 — отношение жесткостей; p= R\2R~l — безразмерное расстоя­ ние между центрами поперечных сечений волокон; 0ь 02 — направления потери устойчивости первого и второго волокон соответственно. В отли­ чие от задач для одного волокна [7], в задачи для двух волокон входят величины р, р ь р2. Для изучения влияния этих параметров при г| = 10 про­ ведено численное исследование на ЭВМ для двух случаев. Результаты представлены на рисунке, где штриховой линией показана зависимость Х=Х(тс) для одного волокна [7] и выбраны разные масштабы по тс.

Первый случай. Допустим, что оба волокна теряют устойчивость в плоскости волокон {х2д = 0, q = 1,2), когда 01 = я, 02= 0. Тогда в силу сим­ метрии задачи получаем следующие соотношения между неизвест­ ными (2.3):

Формулы (3.2) дают возможность удовлетворить условия (1.3) на по­ верхности только одного из волокон. На рисунке кривые 1, 2 иллюстри­ руют зависимость X от х, когда, соответственно, р= 4, р= 3. Как видно из графиков, получаемые максимальные значения X меньше, чем у одного волокна. С уменьшением расстояния между волокнами максимальное значение X уменьшается. При увеличении тс критические значения X для одного и двух волокон совпадают.

Второй случай. Рассмотрим потерю устойчивости из плоскости воло­ кон при 01 = 02= л/2. Зависимость А,=А,(х)

показана на рисунке кривыми 3, 4 (соответ­ ственно р= 4, р= 3). В этом случае макси­ мальное значение X больше, чем у одного волокна. При уменьшении расстояния между волокнами максимальное значение увеличи­ вается. При увеличении тс значения X для одного и двух волокон совпадают.

Для иллюстрации численной сходимости полученных результатов в таблице для пер­ вого случая при р= 4 приведено сравнение критического значения X вблизи максимума,