книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

(рис. 3.4), что позволяет проводить обработку регистрируемых опытных данных с учетом податливости всех элементов испытательной машины и оснастки.

Рис. 3.4. Характеристика жесткости нагружающей рамы – 1; тяги и встроенный датчик нагрузки – 2; всей нагружающей системы, включая захватные приспособления – 3

С учетом полученных данных разработаны методики экспериментального исследования влияния жесткости нагружающей системы на процессы и закономерности закритического деформирования и разрушения композиционных материалов. Методики предусматривают выполнение условий устойчивого деформирования и процессов равновесного разрушения полимерных композитов за счет регулируемой жесткости нагружающих систем (цепей), в том числе с учетом используемой оснастки для различных видов испытаний. Регулировка жесткости реализована при механических испытаниях на растяжение, сжатие, трехточечный

51

изгиб и межслоевой сдвиг (метод короткой балки) путем добавления в нагружающую цепь набора тарельчатых пружин.

Проведена серия испытаний образцов стеклотекстолита на основе препрега ВПС-48 и эпоксидного связующего с укладкой [0º/90º] на межслоевой сдвиг по методу короткой балки при разных значениях жесткости нагружающей системы, регулируемой при помощи комбинаций тарельчатых пружин (рис. 3.5). Испытания на межслоевой сдвиг проводились без тарельчатых пружин, с комбинацией из 4 тарельчатых пружин и с комбинацией из 8 тарельчатых пружин, включенных в состав нагружающей цепи (между нижней плитой и оснасткой для испытаний на изгиб).

Рис. 3.5. Испытание на межслоевой сдвиг с регулируемой жесткостью нагружающей цепи: 1 – образец стеклотекстолита; 2 – оснастка

для испытаний на изгиб; 3 – пакет тарельчатых пружин

Результаты испытаний приведены в виде диаграмм нагружения на рис. 3.6. На рис. 3.7 приведены кривые, характеризующие жесткость нагружающей цепи при разных комбинациях тарельчатых пружин.

52

P, H

Рис. 3.6. Диаграммы нагружения образцов на межслоевой сдвиг: без тарельчатых пружин (сплошные линии); с четырьмя пружинами (пунктирные линии); с восьмью пружинами (штрихпунктирные линии)

P, H

Рис. 3.7. Характеристики жесткости нагружающей цепи: без тарельчатых пружин (сплошная линия); с четырьмя пружинами (пунктирные линии); с восьмью пружинами (штрихпунктирные линии)

По результатам испытаний можно отметить, что при снижении жесткости нагружающей цепи существенно изменяется угол наклона кривой нагружения. Если говорить о влиянии жесткости нагружающей системы на реализацию закритической стадии деформирования, то при снижении жесткости уменьшается протяженность равновесных участков на диаграммах, а разрушение происходит наиболее интенсивно. Вне зависимо-

53

сти от жесткости образцы разрушались от изгиба, т.е. при первичном растяжении нижних слоев с последующей потерей устойчивости и доломом. При исследовании влияния жесткости нагружающей системы на закритическое деформирование и разрушение композиционных материалов определены условия, влияющие на степень реализации и стадийность формирования и протекания ниспадающих участков деформирования композиционных материалов.

3.2. Деформирование и разрушение полимерных композиционных материалов при различных скоростях деформирования

На основе применения разработанных методик исследовано поведение полимерных композиционных материалов в широком интервале скоростей деформаций при разных видах нагружения. Испытания на растяжение проводились на сервогидравлической испытательной системе Instron 8850 (100 кН), для измерений деформаций использовался навесной экстензометр Instron 2620-601 с погрешностью не более 0,5 %. Испытания на межслоевой сдвиг проводились на электромеханической системе Instron 5882 (100 кН).

Проведены испытания на растяжение образцов стеклотекстолита на основе препрега ВПС-48 и эпоксидного связующего с укладкой слоев ± 45º с разной длиной рабочей части. По данным испытаний проводилась оценка влияния геометрических параметров образцов на возможность реализации закритической стадии деформирования. За основу взяты стандартные образцы в виде двусторонней лопатки с длиной рабочей зоны l0 75 мм и

шириной b 18 мм. Проведены испытания образцов с длиной рабочей зоны l l0 2 и l l0 4 .

Все образцы разрушались в рабочей зоне. Внешний вид образцов после испытаний и характер разрушения представлен на рис. 3.8.

54

На рис. 3.9 приведены диаграммы деформирования образцов стеклопластика с разными длинами рабочей части (75, 37,5 и 18,75 мм) при постоянной скорости деформирования 0,01 мин–1.

Рис. 3.8. Вид разрушения образцов стеклотекстолита с разной длиной рабочей части: С1 – 75 мм; С2 – 37,5 мм; С3 – 18,75 мм

Рис. 3.9. Диаграммы растяжения образцов стеклопластика с разной длиной рабочей части: С1 – 75 мм; С2 – 37,5 мм; С3 – 18,75 мм

Далее проводились испытания на образцах С3 с длиной рабочей части l0 18,75 мм при различных скоростях деформиро-

вания, так как в этом случае наблюдалась наибольшая степень реализации закритической стадии деформирования. На рис. 3.10

55

представлены результаты испытаний в виде типовых диаграмм деформирования (по две для каждой скорости нагружения) при скоростях растяжения 0,2 мм/мин, 2 мм/мин и 20 мм/мин.

Рис. 3.10. Типовые диаграммы деформирования образцов стеклопластика при разных скоростях растяжения: 0,2 мм/мин (сплошные линии), 2 мм/мин (штрихпунктирные линии); 20 мм/мин (пунктирные линии)

Увеличение скорости деформирования приводит к известному повышению упругих и прочностных характеристик рассмотренного композиционного материала, но при этом снижается степень реализации закритической стадии деформирования, а при скорости 20 мм/мин и выше реализация закритической стадии не наблюдалась.

Аналогичные испытания на растяжение проводились на образцах однонаправленной стеклопластиковой арматуры номинальным диаметром 5,7 мм. Для обеспечения равномерного обжатия образца по всей захватной части использовались разъемные латунные втулки (рис. 3.11) [64, 65]. Полученные характерные диаграммы представлены на рис. 3.12 для скоростей растяжения 0,2 мм/мин, 2 мм/мин, 20 мм/мин.

56

Для оценки влияния скорости нагружения на реализацию закритического деформирования композитов при других видах напряженного состояния проведены испытания образцов стеклотекстолита на основе препрега ВПС-48 и эпоксидного связующего на межслоевой сдвиг (изгиб короткой балки) при аналогичном интервале скоростей прогиба. Испытания проводились на электромеханической испытательной системе Instron 5882. Размеры образцов выбраны с учетом рекомендаций ASTM D 2344, расстояние между опорами составляло 30 мм. Внешний вид оснастки для испытаний на межслоевой сдвиг образцов представлен на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Испытание стеклотекстолита на межслоевой сдвиг

Результаты испытаний в виде диаграмм нагружения представлены на рис. 3.14. В результате обработки и анализа полученных данных отмечено, что при увеличении скорости нагружения на два порядка происходит незначительное увеличение жесткости образцов (не более 7 %) и существенное увеличение прочностных характеристик (до 40 %). Ниспадающая ветвь начинается с динамического срыва, сопровождающегося резким снижением нагрузки на величину от 15 до 30 % с последующим ступенчатым участком разупрочнения, характеризующимся наличием равновесных участков деформирования. При этом с точки зрения влияния скорости на закритическую стадию деформиро-

58

вания можно отметить, что при повышении скорости уменьшается протяженность равновесных площадок на стадии разупрочнения, разрушение происходит более интенсивно, а также возрастает величина первоначального динамического срыва.

Рис. 3.14. Типовые диаграммы нагружения при испытаниях на межслоевой сдвиг образцов стеклопластика при разных скоростях нагружения: 0,2 мм/мин (сплошные линии), 2 мм/мин (штрихпунктирные линии); 20 мм/мин (пунктирные линии)

Таким образом, по результатам экспериментальных исследований установлены характерные зависимости влияния скорости деформирования на закономерности поведения полимерных композитов и степень реализации закритической стадии деформирования при испытаниях на растяжение и межслоевой сдвиг.

3.3. Влияние температуры на поведение полимерных композиционных материалов на закритической стадии деформирования

С использованием оригинальных разработанных методик проведено экспериментальное исследование поведения полимерных композиционных материалов с различными схемами укладки в широком интервале температур испытаний при рассмотренных ранее видах нагружения. Реализованы испытания на растяжение

59

и межслоевой сдвиг на основе использования электромеханической системы Instron 5882 (100 кН), в состав которой входит бесконтактный видеоэкстензометр и температурная камера с рабочим диапазоном температур от –100 до +350 ºС. Скорость нагружения при всех испытаниях составляла 1 мм/мин.

Испытания на растяжение проведены на образцах стеклотекстолита на основе препрега ВПС-48 и эпоксидного связующего с тремя вариантами укладки слоев: [0º/15º/0º/60º/0º/45º/0º/30º/0º/75º/0º], [0º/45º/0º/–45º] и [0º/30º/0º/60º] при температурах –40, 0, 22, 120,

200 ºС. Испытания при пониженных температурах проводились с использованием паров жидкого азота, пример разрушенного при растяжении образца стеклотекстолита при температуре –40 ºС приведен на рис. 3.15. Результаты испытаний приведены на в табл. 3.1–3.3 и на рис. 3.16–3.18 в виде диаграмм деформирования, построенных по данным видеоэкстензометра.

Рис. 3.15. Разрушенный образец стеклотекстолита после испытаний на растяжение при температуре –40 ºС

60