Анизотропия.

Анизотропия (от греческого ан – не,изос – равный,тропос – направление) – зависимость физико-механических свойств композиционных материалов от угла между направлением вектора действующих в материале сил и направлением (направлениями) армирующих волокон (рис. 2).

Аналитическое выражение анизотропии свойств – характерная функция величины соответствующего свойства (прочности, упругости и т.д. ) от угловых координат. Графическое изображение этой функции называют индикатрисой анизотропии. Ее строят по результатам испытаний образцов в полярных или прямоугольных координатах (рис. 2) для плоскостиX–Yна рис. 1, или в сферических координатах для объемной картины (рис. 1 ж, з). Из векторного и тензорного анализа следует, что анизотропия ортогональных пластин описывается функцией вида_в = f(cos), гдеxoy; =0соответствует осиX, а=90соответствует осиY.

При сложнонапряженном состоянии (при изгибе брусьев, в оболочках) в материале возникают касательные напряжения, вызывающие в слоистых пластиках межслоевые сдвиги. Так как в этом случае на сдвиг работает одно полимерное связующее (матрица), имеющее модуль сдвига G в 10-30 раз меньшеЕ, то сдвиговые жесткость и прочность слоистой композиции очень низки (рис. 1, в-е). Их повышают дополнительным армированием в перпендикулярном к плоскости листа направлении путем применения многослойных (трехмерных) тканей или объемнотканных волокнистых заготовок (рис. 1, ж, з), а также специальных вискеризованных «мохнатых» волокон или тканей с выращенными на них перпендикулярно длине волокна или плоскости ткани монокристаллами – «усами» карбида кремния, нитрида алюминия или нитрида кремния (SiC, AlN, Si₃N₄).

Рис. 2 Зависимость прочностных свойств ортотронных пластиков и К.М. от угла нагружения (угла вырезания образцов в плоскости листа X-Y) :

а - схема укладки волокон наполнителя (по рис. 1,г); б - график зависимости 

_в=f(cos в полярных координатах; в - в прямоугольных координатах

В авиационной технике особенно важно создание прочных и надежных конструкций при минимальной массе.

Удельной прочностью(К) материала называют отношение предела прочности_в к его плотности :

К = _{в /}  , км

Это отношение представляет собой так называемую разрывную длину, т.е. длину воображаемого образца данного материала, при которой он, будучи свободно подвешен за один конец,разорветсяот собственного веса. Чем больше эта длина, тем выгоднее материал. Аналогичная характеристика дается для сравнительной оценки упругих свойств: отношение модуля упругости к плотности материала называетсяудельной жесткостью.

Модуль упругостиЕ, характеризующий жесткость материала, определяют как отношение приращения напряжения к приращению относительной деформации на начальном линейном участке кривой деформирования при статическом нагружении образца (см. табл.1) .

Проведение испытаний.

Испытание пластмасс на растяжение проводят на образцах стандартного размера по ГОСТ 9550-71 в форме двухсторонней лопатки. Толщина образцаh(осьZна рис. 1) равняется толщине листа испытуемого материала. При испытании анизотропных пластиков образцы вырезают в разных направлениях: вдоль волокон наполнителя по осиXи по осиYи под углом 45(всего три образца). На каждом образце указывается стрелкой соответствующее направление (x==0,y==90и=45).

Образец растягивают постоянно возрастающей силой (на стандартной испытательной (разрывной) машине со стандартной скоростью при комнатной температуре). Одновременно необходимо следить за его деформацией до разрушения с помощью специального прибора – тензометра.

Предел прочности при растяжении определяют по формуле:

_в = P_разр / bh[МПа] или [кгс/мм²]

где P_разр– наибольшая нагрузка, соответствующая разрушению образца, Н или кгс,b – ширина рабочей части образца, мм,h – толщина образца, мм (см. рис. 1).

Испытания на ударный изгиб(Определение ударной вязкости).

Ударная вязкостьопределяется количеством работы, необходимой для разрушения стандартного образца, свободно лежащего на двух опорах, при испытании его на изгиб ударной нагрузкой. Испытания проводятся на маятниковом копре (лит.2, стр.125).

Образцы для испытания по ГОСТ 4647-69 имеют прямоугольную форму размером 4х6х55 мм. Образец устанавливается на двух опорах копра так, чтобы удар пришелся по его широкой стороне. Маятник поднимается до верхнего исходного положения, в котором он удерживается соответствующей защелкой; в этом положении запас потенциальной энергией маятника равен A₁. Стрелка устанавливается в начальное (нулевое) положение, маятник освобождается и, свободно падая, ударяет по образцу, разрушая его. На это расходуется часть энергии. Оставшаяся энергияA₂ поднимает маятник на некоторую высоту. Работу A, поглощенную образцом при изломе, определяют непосредственно по шкале прибора:

A = A₁ - A₂ , Дж или кгсхсм

Ударная вязкость материала:

КС = A / S, кДж/м²

где S=bh– площадь поперечного сечения образца, м².

Значение КСдля различных материалов приведены в таблице 1.

Рис. 3 Образец на растяжение

Температурная зависимость прочности неметаллических материалов можно показать на примере их ударной вязкости.

Для этого берут несколько образцов (например, три) и выдерживают (кондиционируют) их при разных температурах T₁ = 0C, T₂ = 20C, T₃ = 80C.Проводят испытания, вычисляют соответствующие значенияКСи строят график в координатахКС = f(T). По графику определяют диапазон рабочих температурT_раб. данного материала.

Задание.

1. Определить на стандартной разрывной машине предел прочности при растяжении стеклотекстолита, гетинакса, карболита и пластмасс без наполнителя по ГОСТ 9550-71.

2. Вычислить удельную прочность испытанных материалов и дать сравнительную оценку с другими конструкционными материалами.

3. Определить анизотропию механических свойств ориентированных пластиков (композиционных материалов). Построить экспериментальный график зависимости _в иЕот угла вырезки образца.

4. Определить на маятниковом копре ударную вязкость пластмасс: без наполнителя (оргстекло, винипласт), порошковых (карболит), слоистых (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, углепластик). Определить зависимость ударной вязкости от температуры.

5. Определить ударную вязкость керамики.

Контрольные вопросы.

1. Каков средний уровень прочности свойств и модуля упругости полимерного связующего и наполненных пластиков?

2. Каков уровень прочностных свойств и модуля упругости армирующих волокон: стекловолокна, углеродных волокон, и волокон металлического бора ?

3. Каков уровень прочностных свойств и модуля упругости наполненных пластмасс и композиционных материалов?

4. Что такое анизотропия механических свойств, у каких материалов она проявляется и как это учитывается при проектировании изделий?

5. Какова температурная зависимость ударной вязкости аморфных линейных полимеров?

Литература.

1. Методы испытаний, контроля и исследования машиностроительных материалов, Справочное пособие под редакцией А.Т.Туманова. Т.З. Методы исследования неметаллических материалов. Машиностроение . 1973.

2. Учебник «Строение и свойства авиационных материалов» под редакцией А.Ф.Белова М. Металлургия. 1989

3. Учебник «Материаловедение» Ю.М. Лахтин и В.П.Леонтьева. Машиностроение. 1990. изд. 3-е.