книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

Таблица 3.1

Механические характеристики образцов стеклопластика с укладкой [0º/15º/0º/60º/0º/45º/0º/30º/0º/75º/0º]

при различных температурах

№	Толщина,	Ширина,	Предел		Модуль		Темпера-
п/п	мм	мм	прочности, МПа		упругости, ГПа		тура, ºС
1	3,18	15,14	290		15,0
2	3,15	15,14	297	299 ± 11	15,2	15,2 ± 0,3	22
3	3,15	15,15	311		15,5
4	3,20	15,18	346		16,9
5	3,18	15,16	370	356 ± 12	17,0	16,9 ± 0,1	–40
6	3,19	15,17	352		16,8
7	3,16	15,15	330		15,5
8	3,18	15,08	340	337 ± 6	16,6	15,8 ± 0,7	0
9	3,16	15,12	342		15,4
10	3,14	15,11	256		16,9
11	3,05	15,12	271	265 ± 8	16,0	15,9 ± 1,0	120
12	3,06	15,15	267		14,9
13	3,12	15,15	158		13,2
14	3,10	15,11	200	177 ± 21	13,5	13,3 ± 0,2	200
15	3,12	15,14	173		13,3

Таблица 3.2

Механические характеристики образцов стеклопластика с укладкой [0º/30º/0º/60º]3 при различных температурах

№	Толщина,	Ширина,	Предел		Модуль		Темпера-
п/п	мм	мм	прочности, МПа		упругости, ГПа		тура, ºС
1	3,15	15,19	267		13,0
2	3,17	15,22	261	274 ± 18	13,7	13,5 ± 0,5	22
3	3,15	15,21	294		13,9
4	3,18	15,21	358		14,3
5	3,15	15,20	362	353 ± 12	14,9	14,7 ± 0,4	–40
6	3,17	15,22	339		15,0
7	3,16	15,23	315		13,6
8	3,18	15,21	310	316 ± 6	13,0	13,4 ± 0,4	0
9	3,16	15,24	322		13,7

61

Окончание табл. 3.2

№	Толщина,	Ширина,	Предел		Модуль		Темпера-
п/п	мм	мм	прочности, МПа		упругости, ГПа		тура, ºС
10	3,10	15,20	240		14,0
11	3,10	15,17	248	244 ± 4	12,9	13,3 ± 0,6	120
12	3,12	15,21	243		13,0
13	3,16	15,20	143		9,0
14	3,12	15,21	163	156 ± 12	10,5	10,1 ± 0,9	200
15	3,10	15,22	163		10,7

Таблица 3.3

Механические характеристики образцов стеклопластика с укладкой 0º/+45º/0º/–45º]4 при различных температурах

	№	Толщина,	Ширина,	Предел		Модуль		Температура
								испытаний,
	п/п	мм	мм	прочности, МПа		упругости, ГПа
								ºС
	1	2,91	15,36	278		16,0
	2	2,99	15,22	258	273 ± 14	15,6	15,8 ± 0,2	22
	3	2,88	15,17	284		15,7
	4	2,97	15,27	348		16,9
	5	2,94	15,26	365	353 ± 10	16,2	16,8 ± 0,6	–40
	6	2,98	15,06	346		17,4
	7	2,87	15,25	323		16,1
	8	2,93	15,27	323	326 ± 5	15,8	15,7 ± 0,4	0
	9	2,94	15,25	331		15,3
	10	2,80	15,24	295		16,8
	11	2,84	15,18	273	287 ± 12	15,7	16,3 ± 0,6	120
	12	2,84	15,07	292		16,3
	13	2,88	15,28	158		12,2
	14	2,85	15,21	163	165 ± 8	13,1	13,5 ± 1,5	200
	15	2,88	15,23	174		15,1

По результатам испытаний на растяжение трех групп образцов стеклотекстолита с различной укладкой структуры в широком диапазоне температур (–40 ºС, 0 ºС, 22 ºС, 120 ºС, 200 ºС) отмечено, что понижение температуры приводит к увеличению упругих и прочно-

62

стных характеристик рассмотренного композиционного материала. Реализация закритической стадии для исследуемых структур проявляется незначительно, при этом для структуры [0º/30º/0º/60º]3 можно отметить повышение степени реализации ниспадающего участка диаграмм деформирования при температуре 200 ºС.

Рис. 3.16. Диаграммы деформирования при растяжении образцов с укладкой [0º/15º/0º/60º/0º/45º/0º/30º/0º/75º/0º] при температурах:

–40, 0, 22, 120 ºС (черные линии); 200 ºС (серые линии)

Рис. 3.17. Диаграммы деформирования при растяжении образцов с укладкой [0º/45º/0º/–45º] при температурах:

–40, 0, 22, 120 ºС (черные линии); 200 ºС (серые линии)

63

Рис. 3.18. Диаграммы деформирования при растяжении образцов с укладкой [0º/30º/0º/60º] при температурах:

–40, 0, 22, 120 ºС (черные линии); 200 ºС (серые линии)

В следующей серии испытаний проведена оценка влияния температуры на деформирование и разрушение образцов стеклопластика на основе ткани объемного плетения из кремнеземной нити К11С6170-БА и эпоксидного связующего (рис. 3.19) при повышенных температурах.

а

б

в

Рис. 3.19. Внешний вид многослойной кремнеземной ткани МКТ-3,0 (а); стеклопластика (с торца) на основе МКТ-3,0 и эпоксидного связующего (б); образца стеклопластика в захватах испытательной системы (в)

64

Программа исследований включала в себя испытания групп по 5 образцов при температурах 22, 100 и 250 ºС и по 2 образца при температурах 175 и 300 ºС. Все образцы разрушились в рабочей части. Результаты испытаний приведены в табл. 3.4 и на рис. 3.20.

						Таблица 3.4
		Результаты испытаний образцов стеклопластика
			на растяжение при температурах
			22, 100, 175, 250 и 300 ºС
	№	Е, ГПа	σВ, МПа	εВ, %	Коэффициент	Температура,
	п/п				Пуассона	ºС
	1	10,8	119	2,89	0,10
	2	11,3	132	3,35	0,18
	3	10,7	114	3,05	0,18	22
	4	10,5	126	3,05	0,10
	5	9,5	107	3,08	0,08
	6	2,0	74	5,28	0,17
	7	1,7	73	5,46	0,13
	8	2,2	78	4,79	0,19	100
	9	2,1	76	5,07	0,18
	10	2,0	77	5,20	0,16
	11	1,7	70	5,80	0,11	175
	12	1,6	75	6,80	0,16
	13	1,3	64	7,48	0,09
	14	1,4	72	7,51	0,18
	15	1,2	58	8,53	0,09	250
	16	1,9	64	–	0,11
	17	1,3	58	8,64	0,24
	18	0,8	88	10,32	0,16	300
	19	0,9	99	9,90	–

На рис. 3.21 приведен внешний вид образцов стеклопластика после разрушения при температурах испытаний. При повышении температуры испытаний наблюдается увеличение необратимых остаточных деформаций материала к моменту разрушения.

65

Рис. 3.20. Диаграммы деформирования образцов при температуре: 22 ºС (черные линии); 100 ºС (серые линии); 175 ºС (черные полужирные линии); 250 ºС (штрихпунктирные линии); 300 ºС (пунктирные линии)

Рис. 3.21. Внешний вид разрушенных образцов стеклопластика в зависимости от температур

По результатам испытаний на растяжение образцов стеклопластика на основе ткани объемного плетения в диапазоне температур от 22 до 300 ºС отмечено, что при повышении температуры снижаются упругие и прочностные характеристики материала. Степень реализации закритической стадии деформирования увели-

66

чивается при повышении температуры, а при температуре 250 ºС наблюдается полная диаграмма деформирования с равновесным ниспадающим участком. При температуре 300 ºС отмечается снижение степени реализации закритической стадии, однако это можно объяснить полной деструкцией матрицы и качественным отличием диаграммы деформирования, имеющей вид диаграммы растяжения сухих тканей [66, 67].

После испытаний проведены микроструктурные исследования опытных образцов композиционных материалов при различных степенях реализации закритической стадии деформирования после испытаний на растяжение образцов стеклопластика при рассмотренных температурах. Соответствующие фотографии приведены на рис. 3.22.

а

б

в

Рис. 3.22. Структура стеклопластика при повышении температуры верхней (а) и нижней (б) поверхности плиты стеклопластика

при 65-кратном увеличении; структурно-периодический смоляной карман (в) при 150-кратном увеличении

Исследование микроструктуры испытанных образцов при нормальной и повышенных температурах с разной степенью реализа-

67

ции закритической стадии деформирования показало, что с повышением температуры уже после 100 ºС происходит частичная деструкция связующего. При достижении температуры 250 ºС происходит значительная деструкция связующего и возникновение трещин на поверхности проходящих вдоль переплетений волокон, что приводит к возникновению равновесного полного ниспадающего участка на диаграмме деформирования (см. рис. 3.20). При температуре 300 ºС наблюдается полная деструкция и высыпание связующего, что приводит к развороту системы переплетенных волокон в направлении приложения нагрузки. Таким образом, для исследуемого материала степень реализации закритической стадии деформирования зависит от жесткости и объемного содержания матрицы в композите, уменьшение которых приводит к изменению процессов деформирования и механизмов разрушения.

С целью оценки влияния повышенных температур на проявление закритического поведения композитов при сдвиге проведены испытания образцов стеклотекстолита на основе препрега ВПС-48 и эпоксидного связующего с укладкой [0º/90º] на межслоевой сдвиг по методу короткой балки при температурах 22, 100, 135, 150, 200 ºС. Методика испытаний и форма образцов аналогичны экспериментам при комнатной температуре, которые описаны выше. Результаты испытаний представлены в виде диаграмм нагружения на рис. 3.23.

В результате анализа опытных диаграмм отмечено, что при данном виде испытания с повышением температуры происходит снижение прочностных характеристик от 20 до 80 %. При этом ниспадающий участок диаграмм начинается с динамического срыва на величину от 30 до 50 % с последующими ступенчатыми участками и наличием равновесных площадок перераспределения напряжений. Разрушение образцов происходило от изгиба при первичном растяжении нижних слоев с последующей потерей устойчивости и разрушения. При температурах 150 и 200 ºС зарегистрированы полные равновесные ниспадающие участки диаграмм, образцы разрушаются от межслоевого сдвига. Анализ картин из-

68

ломов показал, что при повышении температуры (150 и 200 ºС), как и в предыдущем виде испытаний, происходит частичная деструкция матрицы, сопровождающаяся появлением межслоевых трещин, что приводит к смене механизмов разрушения и как следствие к реализации равновесных ниспадающих участков на закритической стадии деформирования.

Рис. 3.23. Типовые диаграммы нагружения при испытаниях на межслоевой сдвиг образцов стеклотекстолита при разных температурах: 22 ºС (черная сплошная линия); 100 ºС (серая сплошная линия); 135 ºС (черная пунктирная линия); 150 ºС (серая пунктирная линия); 200 ºС (черная штрихпунктирная линия)

Таким образом, по результатам экспериментальных исследований установлены характерные зависимости влияния повышенных и пониженных температур на закономерности поведения полимерных композиционных материалов и реализацию закритической стадии деформирования при испытаниях на растяжение

имежслоевой сдвиг.

3.4.Деформирование и разрушение армирующих элементов композиционных материалов

Исследование закритической стадии деформирования базальтовых волокон проводилось на электромеханической испытательной системе Instron 5965, при разработке методики испытаний

69

учитывались рекомендации ГОСТ 6611.2-73, ГОСТ 6943.5-79. Для измерения нагрузки использовался динамометрический датчик нагрузки мощностью 5 кН. Точность измерения нагрузки составляет 0,5 % от измеряемой величины в диапазоне 0,2–1 % номинальной мощности датчика нагрузки. Исследовались пучки базальтовых волокон с количеством нитей n = 1, 2, 3, 5 и 10 по десять образцов каждого, а также рассмотрено влияние скорости деформирования на реализацию закритической стадии.

Образцы закреплялись в испытательной машине прорезиненными тисочными пневматическими захватами. Расстояние между захватами составляло 100 мм. Захватные части нитей обклеивались бумагой для устранения проскальзывания в захватах и равномерного обжатия образцов. Испытания проводились при скорости подвижного захвата 5 мм/мин. Расчетная линейная плотность равна 78 текс, которая пересчитывалась для определенного количества нитей в пучке.

а

б

Рис. 3.24. Базальтовая нить в процессе разрушения (а) и типовая полная диаграмма деформирования пучка (б)

Из рис. 3.24, а приведен пучок базальтовых нитей в испытательной машине в процессе разрушения. На рис. 3.24, б приведена типовая диаграмма деформирования для пучка волокон с n = 1. При растяжении всех пучков нитей получена развитая

70