СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЫХ ТРУБЧАТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF DETERMINING MECHANICAL CHARACTERISTICS OF HOLLOW TUBULAR ARTICLES FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к способам определения механических характеристик материалов, конкретно - к способу определения модуля упругости, предела прочности и предельной деформации.
Определение механических характеристик оболочечных изделий в форме труб с учетом анизотропии полимерных композиционных материалов необходимо проводить в двух плоскостях: в осевом и поперечном направлениях соответственно, для этого необходимы разные методы испытаний.
Для определения механических характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) в настоящее время используют методы испытаний на растяжение, изгиб и сжатие.
Известен способ испытания образцов из ПКМ на растяжение (ГОСТ 11262-80, ГОСТ 25.601-80). Сущность испытания заключается в растяжении образца в виде пластины, закрепленного в концевых захватах испытательной машины, и измерении параметров (нагрузки и изменений размеров), получаемых при растяжении. По полученным во время растяжения результатам измерений определяют численные значения модуля упругости и прочности материала.
Недостатками известного способа является его трудоемкость, обусловленная высокими требованиями к точности размеров плоских образцов. Механическая обработка фрагментов изделий при изготовлении образцов стандартизованных форм и размеров приводит к перерезанию волокон, повреждению структуры, что также искажает получаемые результаты. Для испытаний тонких оболочечных изделий невозможно изготовить стандартные образцы в виде пластин, а испытания образцов с размерами и профилем (кривизной) стенки трубы ГОСТом не предусмотрены. Изготовление пластин с профилем трубы без обработки внутренней и наружной поверхности исключает использование универсальных плоских захватов при испытаниях и требует для каждого типоразмера трубы (изделия) отдельное приспособление.
Кроме того, основным признаком корректности проведенного испытания и правильности изготовления образца является разрушение образца в его рабочей зоне (в зоне с постоянным сечением), однако в случае испытания анизотропных ПКМ, обладающих высокой прочностью в направлении армирования и низкой - в поперечном направлении, а также низкой прочностью на сдвиг вдоль направления армирования, соблюсти указанное условие, как правило, не удается, разрыв происходит, главным образом, в месте перехода от рабочей части к захватам или в захватах от действия сдвиговых напряжений.
Известен способ испытания образцов на изгиб (ГОСТ 4648-71, ГОСТ 25.604-82). Этот способ также требует изготовления плоских образцов регламентированных размеров и в этом обладает теми же недостатками, что и способ испытаний на растяжение. При сопоставлении результатов испытаний на поперечный изгиб анизотропных ПКМ обычно получают наиболее высокие значения прочности, близкие к расчетным, и низкие значения модуля упругости по сравнению с испытаниями на сжатие и растяжение. Также выявлена зависимость значений прочности и модуля упругости от типа нагружающего наконечника и длины нагружаемой базы образца. Несоответствие значений прочности и модуля упругости вызывают недоверие и препятствуют более широкому использованию этого метода испытаний.
Известен способ испытания образцов на сжатие по ГОСТ 4651-82 и ГОСТ 25.602-80. Сущность испытания заключается в сжатии образца, закрепленного в концевых захватах испытательной машины, и измерении параметров (нагрузки и изменений размеров), получаемых при сжатии, и последующем вычислении механических характеристик. Способ допускает проводить испытания на образцах прямоугольного и круглого сечения, однако обладает рядом недостатков:
- часто при испытании стержней из ПКМ происходит комбинированное разрушение - сжатие с изгибом, т.к. образец, рекомендуемый стандартом, работает в зоне, близкой к потере устойчивости;
- стандартные испытательные машины не позволяют направить осевое сжимающее усилие строго по оси образца, в результате этого происходит внецентренное сжатие с изгибом, которое сопровождается подломом либо срезом образца в зажимах;
- разрушение образца происходит гораздо чаще по краю металлического захвата в месте наибольшей концентрации напряжений, чем в рабочей части образца;
- закрепление тензорезисторов для измерения деформации образца с целью определения модуля упругости при сжатии повышает трудоемкость подготовки образцов и испытаний, жесткие требования по расстоянию между захватами ограничивают измерительную базу механических экстензометров, что приводит к снижению точности результатов.
Известны способы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе по ГОСТ 9550-81. Сущность способов заключается в нагружении образцов, измерении значений усилия при заданных значениях деформации и определении модуля упругости как отношения приращения напряжения к соответствующему приращению относительной деформации. Эти методы обладают вышеперечисленными недостатками методов испытаний на растяжение, сжатие и изгиб. Следует отметить, что размеры образцов и длина нагружаемой базы для определения модуля упругости по ГОСТ 9550-81 отличаются от размеров образцов и длины базы при определении прочности по ГОСТ 25.601-80, ГОСТ 25.602-80, ГОСТ 25.604-82. Таким образом, методы определения прочности и модуля упругости не универсальны.
Наиболее совершенным по сравнению с рассмотренными выше стандартизованными методами испытаний и апробированным на испытаниях образцов из различных анизотропных ПКМ, в том числе углепластиков, стеклопластиков, базальтопластиков различных форм и размеров, является метод испытаний на продольный изгиб (Пат. RU №2451281, опубл. 2012.20.05). Сущность испытаний заключается в нагружении до разрушения образца из ПКМ в виде тонкого стержня круглого или прямоугольного сечения продольным изгибом путем сближения концов стержня в осевом направлении, регистрации осевой силы и перемещения (прогиба), с последующим определением прочности, модуля упругости и предельной деформации при разрушении. В технических приложениях этот метод наиболее точно позволяет определить ряд механических характеристик (прочность, модуль упругости и предельную деформацию) в одном испытании, при этом в зоне разрушения на материал не оказывают воздействия металлические захваты и таким образом на результат не влияют контактные напряжения, как в других стандартизованных методах. Этот метод может быть применен для определения механических характеристик образцов, вырезанных вдоль трубы без обработки внутренней и наружной поверхности, но не позволяет определить свойства трубчатого изделия в окружном направлении.
Наиболее близким к предлагаемому является способ испытаний кольцевых образцов из композиционных намоточных материалов на растяжение (ГОСТ 25.603-82) для определения диаграммы деформирования, предела прочности и модуля упругости в окружном направлении. Сущность способа заключается в подготовке образцов в виде колец методом формования на оправке или вырезкой из готовой отвержденной трубы поперек оси с последующим нагружением их растягивающей силой до разрушения в приспособлении, имеющем два полудиска с диаметром, соответствующим внутреннему диаметру кольца, с регистрацией силы и деформации образца, и определении прочности, модуля упругости и деформации в окружном направлении. Недостатком известного способа является разрушение кольца в зоне действия металлических полудисков (что искажает результаты определения окружной прочности и деформации), трудоемкость испытаний, вызванная необходимостью наклеивания или закрепления тензорезисторов для измерения деформации при определении модуля упругости. Этот метод не является универсальным для труб разного диаметра, так как разница между внутренним диаметром кольцевого образца и диаметром полудисков в сборе не должна превышать 0,4 мм, т.е. на каждый типоразмер изделий требуется отдельный комплект полудисков для испытаний. Кроме того, способ не позволяет проводить испытания полых изделий, по форме отличающихся от круглой (например, треугольной, прямоугольной, овальной, многоугольной).
Таким образом, известные и стандартизованные методы испытаний обладают рядом недостатков, что приводит при испытаниях анизотропных ПКМ к погрешности определения механических характеристик вследствие воздействия металлических захватов на образец. Отсутствуют универсальные методы испытаний образцов трубчатой формы для определения основных механических характеристик: прочности, модуля упругости и предельной деформации в осевом и окружном направлении. Если применять стандартные методы испытаний при растяжении, сжатии, изгибе, то необходимо вырезать лопатки или полоски из труб в виде прямоугольного параллелепипеда, что не всегда возможно ввиду изогнутого профиля изделия.
Технической задачей изобретения является разработка универсального способа определения механических характеристик (прочности, предельной деформации и модуля упругости) в осевом и окружном направлении полых трубчатых изделий из композиционных материалов, повышение точности (достоверности) результатов испытаний и снижение их трудоемкости.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается способ определения механических характеристик полых трубчатых изделий из полимерных композиционных материалов, предусматривающий формование полого трубчатого изделия на оправке, вырезку из него листа-спутника с последующим отверждением, изготовлением и испытанием образцов, заключающийся в том, что лист-спутник требуемых размеров получают путем разрезки фрагмента полого изделия на оправке вдоль и поперек оси с последующей разверткой и отверждением листа на плоской оправке, вырезкой вдоль и поперек первоначальной оси изделия образцов заданных размеров с толщиной листа без обработки внутренней и наружной поверхностей и определение механических свойств (модуля упругости, прочности и деформации при разрушении) в осевом и окружном направлениях известными методами испытаний на растяжение, сжатие, изгиб преимущественно методом продольного изгиба.
Способ определения механических характеристик полых трубчатых изделий из полимерных композиционных материалов осуществляется следующим образом.
Сущность способа демонстрирует Фиг. 1.
Способ заключается в формовании полого изделия на оправке 1 и вырезке из него листа-спутника 2 путем разрезки вдоль и поперек оси фрагмента изделия требуемых размеров и развертке его в неотвержденном состоянии с последующим отверждением на плоской оправке в идентичных с изделием режимах. Для определения механических характеристик из отвержденного листа вырезают в продольном и поперечном направлении образцы в виде пластин (или лопаток) с необходимыми для каждого метода испытаний размерами с толщиной, равной толщине листа. Схема разрезки листа показана на Фиг. 2. Испытания допускается проводить по вышеперечисленным стандартным методам испытаний на растяжение, сжатие и изгиб при условии соблюдения требований по разрушению образца в рабочей части. Предпочтение рекомендуется отдавать методу продольного изгиба (Пат. RU №2451281, опубл. 2012.20.05) для определения наибольшего количества параметров в одном испытании: прочности, модуля упругости и предельной деформации.
в
в
Для определения прочности, модуля упругости и предельной деформации образец из полимерного композиционного материала в виде пластины постоянного сечения длиной преимущественно не менее 36 толщин листа устанавливают в шарнирные опоры испытательного устройства и, нагружая вдоль его первоначальной оси, подвергают продольному изгибу до разрушения. В процессе нагружения в постоянном или ступенчатом режиме регистрируют осевую силу Р с помощью силоизмерительного датчика и осевое перемещение Δ (или стрелу прогиба f) датчиком перемещений. Испытания продолжают до разрушения образца, которое характеризуется резким падением осевой силы. Типичная диаграмма нагружения в координатах «сила-перемещение» для плоских образцов показана на Фиг. 3. При обработке исходных данных значения напряжения σ и деформации ε вычисляют по известным формулам (1) и (2), после чего строят график зависимости σ=f(ε), как показано на Фиг. 4. Наибольшее напряжение, выдерживаемое образцом, принимают за предел прочности σ. За предельную деформацию ε принимают соответствующее пределу прочности значение деформации.
На графике зависимости σ=f(ε) определяют линейный участок. Модуль упругости вычисляют как отношение приращения напряжения Δσ к соответствующему приращению относительной деформации Δε на линейном участке (преимущественно в пределах изменения деформации от 0,01 до 0,02), по формуле (3).
где  - приложенная к концам образца осевая сила (реакция шарнирных опор), Н;
- стрела прогиба образца при продольном изгибе, мм;
3
- момент сопротивления поперечного сечения образца, мм;
2
- площадь поперечного сечения образца, мм;
- толщина образца, мм;
- радиус кривизны в зоне максимального прогиба образца, мм.
Величину стрелы прогиба образца при продольном изгибе  и радиус кривизны  в зоне максимального прогиба образца измеряют непосредственно при испытаниях или рассчитывают по известным формулам (Пат. RU №2451281, опубл. 2012.20.05) в зависимости от длины образца и величины сближения концов образца в осевом направлении Δ.
Заявляемый способ может быть реализован на испытательных машинах, широко используемых в практике, имеющих измерители силы и осевого перемещения подвижного захвата, при этом отсутствует необходимость трудоемкой наклейки тензорезисторов на образец для измерения деформации, как в прототипе. Изготовление листа-спутника с помощью разрезки и развертки трубчатых изделий делает универсальным способ определения механических характеристик для испытаний полых изделий разной конфигурации (например, круглой, треугольной, прямоугольной, овальной, многоугольной) и разных размеров поперечного сечения, также позволяет определять прочность, модуль упругости и предельную деформацию в окружном и осевом направлениях для трубчатого изделия, что исключает недостатки, присущие прототипу (определение характеристик кольцевых образцов круглой формы только в окружном направлении) и существенно снижает трудоемкость подготовки и испытаний образцов.
Подготовка образцов без обработки наружней и внутренней поверхности и испытание их преимущественно методом продольного изгиба повышает точность и достоверность получаемых результатов ввиду отсутствия повреждений структуры ПКМ при обработке, исключения воздействия контактных напряжений со стороны металлических захватов в зоне разрушения образца - основных недостатков, присущих стандартным методам испытаний на растяжение, изгиб, сжатие. Кроме того, заявляемый способ позволяет определить в одном испытании ряд механических характеристик материала - прочность, модуль упругости и предельную деформацию, тогда как стандартные методы требуют проведения испытаний по определению прочности и модуля упругости на разных образцах.
Проведена апробация предлагаемого метода в условиях лаборатории ИПХЭТ СО РАН, при изготовлении и испытаниях однонаправленных образцов в форме колец и пластин толщиной 3-4 мм на основе базальтового непрерывного ровинга и эпоксидного связующего с содержанием связующего 19-24% по массе. Кольца и пластины были изготовлены в идентичных условиях (на одном сырье, в одинаковых климатических условиях с отверждением в одинаковых температурно-временных режимах), вырезку образцов из листа и испытания проводили вдоль направления армирования. Средние для партии образцов результаты испытаний колец по ГОСТ 25.603-82: прочность 1076 МПа, модуль упругости 44167 МПа, предельная деформация 0,037 (разрушение произошло в зоне контакта колец с металлическими полудисками); результаты испытаний пластин: на растяжение по ГОСТ 25.601-80 - прочность 863 МПа (разрушение в захватах), по ГОСТ 9550-81 - модуль упругости 46985 МПа; на сжатие ГОСТ 25.602-80 - прочность 698 МПа (разрушение в захватах), предлагаемым методом при испытаниях на продольный изгиб - модуль упругости 45117 МПа, прочность 1490 МПа, предельная деформация 0,034 (разрушение в средней рабочей части образца, вне зоны действия захватов). Таким образом, преимущества предлагаемого способа, которые заключаются в его универсальности, снижении трудоемкости испытаний и повышении точности (достоверности) получаемых механических характеристик, подтверждены экспериментальным путем.