СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОД НАГРУЗКОЙ
METHOD FOR DETERMINING THE DURABILITY AND LONG-TERM STRENGTH OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS UNDER LOAD

Изобретение относится к способам определения эксплуатационных характеристик полимерных композиционных материалов, конкретно к способам определения долговечности и длительной прочности полимерных композиционных материалов под нагрузкой.
Длительная прочность и долговечность являются важнейшими характеристиками любого конструкционного материала.
Долговечность - время, прошедшее с момента приложения к образцу материала не изменяющейся механической нагрузки до момента его разрушения.
Длительная прочность - не изменяющаяся по величине механическая нагрузка, приложенная к образцу материала и вызывающая его разрушение за заданный промежуток времени.
Методы испытаний полимерных композиционных материалов (ПКМ) на длительную прочность и долговечность не стандартизованы. Из уровня техники [ГОСТ 10145-81 Металлы. Метод испытания на длительную прочность] известен способ испытания на длительную прочность металлов. Сущность способа заключается в доведении образца до разрушения под действием постоянной растягивающей нагрузки при постоянной температуре. В результате испытаний устанавливается зависимость между напряжением и временем до разрушения при заданной постоянной температуре. При этом число уровней напряжений должно быть не менее трех. По результатам испытаний серии образцов для каждого напряжения определяется среднее значение времени до разрушения. Графическая зависимость между напряжением и средним значением времени до разрушения представляется в логарифмических или полулогарифмических координатах, также ее называют силовой зависимостью долговечности и используют для прогнозирования долговечности или длительной прочности материала. Не рекомендуется проводить экстраполяцию на срок службы, превышающий максимальное среднее значение времени до разрушения более чем на один-полтора порядка.
Применение полимерных композиционных материалов расширяется. Например, в электротехнике ПКМ используют для создания полимерных электроизоляторов на основе несущего стеклопластикового сердечника, траверс из композитных материалов, опор ЛЭП из намоточных композитов. Описаны крупные аварии в электросетях, связанные с разрушением несущего стеклопластикового стержня в подвесных полимерных изоляторах [CIGRE Working Group 10 of Study Committee 22. Suspension and tension composite insulators for overhead lines.: CIGRE 1980 Session, 1980. - Pr. 22-80]. Причиной аварий назван «хрупкий излом», вызванный одновременным воздействием на стеклопластик механической нагрузки и водного раствора азотной кислоты, который образуется в результате воздействия коронных разрядов, возникающих в окрестности токонесущего провода, на влажный воздух, контактирующий со стержнем или находящийся в порах стержня [Kumosa, М., Kumosa, L. and Armentrout, D. "Failure Analyses of Non-Ceramic Insulators: Part I - Brittle Fracture Characteristics," IEEE Electrical Insulation Magazine. Vol. 21, No. 3 (2005) pp.14-27.
Также стержни и изделия из композитов широко используют в строительстве - для армирования бетона, в мостах, тоннелях, метро. В этих сооружениях стержни чаще всего испытывают одновременно механические нагрузки и щелочное воздействие среды бетона, агрессивную среду морских пирсов, блуждающих токов - для шпал и бетонных столбов, армированных неметаллической арматурой, коррозионную среду гальванических цехов. Армированные полимерными композитами, мостостовые настилы, дорожные ограждения, плиты, парковки, железнодорожные переходы контактируют с антиобледенительными солями и испытывают циклические нагрузки.
В условиях эксплуатации происходит старение ПКМ, представляющее собой результат разнообразных физико-химических и структурных превращений на поверхности и в глубине конструктивных элементов. До настоящего времени не удается достоверно прогнозировать изменение механических показателей ПКМ на сроки эксплуатации 30-50 и более лет из-за недостатка знаний о закономерностях старения ПКМ, учитывающих синергизм воздействия наиболее значимых факторов. К значимым факторам старения относят суточные и сезонные циклы температуры, влажности, солнечной радиации, осадков, ветра, воздействие агрессивной среды (воды, кислот, щелочей и их растворов) и механические нагрузки [Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения // Деформация и разрушение материалов. - 2011. - №1. - С. 34-40]. Отмечено, что воздействие двух и более факторов одновременно более интенсивно, чем последовательное воздействие этих факторов.
Известен способ ускоренного определения устойчивости к щелочам полимерной композитной арматуры [ГОСТ 31938-2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2014. - 34 с. Приложение Е] Сущность способа заключается в выдержке образцов композитной арматуры в щелочной среде с уровнем рН от 12,6 до 13 (соответствующей жидкой фазе затворенного бетона), при температуре (60±3)°С в течение 30 суток. После этого концы образца закрепляют в захваты и проводят испытания на растяжение до разрушения, определяя остаточную прочность состаренных образцов.
К недостаткам этого способа испытаний можно отнести следующие: стержни находятся в ненагруженном состоянии, следовательно интенсивность воздействия менее выраженная, чем одновременно воздействие щелочной среды и механической нагрузки.
Известен способ и устройство для исследований коррозионного разрушения ПКМ под нагрузкой в кислой среде [Kumosa, М., Kumosa, L. and Armentrout, D. "Failure Analyses of Non-Ceramic Insulators: Part I - Brittle Fracture Characteristics," IEEE Electrical Insulation Magazine. Vol. 21, No. 3 (2005) pp. 14-27]. Способ заключается в четырехточечном поперечном изгибе образца в форме пластины. В месте наибольшего прогиба на образец устанавливается емкость с коррозионной средой. К существенному недостатку этого метода можно отнести сложную систему измерения величины деформации стержня, требующую двух датчиков перемещения, и сложность герметизации емкости с агрессивной средой.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ испытаний ПКМ на коррозионное разрушение при растяжении, которое описано в ACI 440.3R-04 разделе В6 пункте 1.2.2 [Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures] и [Kumosa, M., Kumosa, L. and Armentrout, D. "Failure Analyses of Non-Ceramic Insulators: Part I - Brittle Fracture Characteristics," IEEE Electrical Insulation Magazine. Vol. 21, No. 3 (2005) pp.14-27]. В этом способе образец закрепляется в захватах и реализуется одноосное растяжение. На середине рабочей части образца помещается емкость с агрессивной средой. Изделие в нагруженном состоянии выдерживается 2000 часов при температуре 60°С. После истечения срока выдержки, изделие испытывается одноосным растяжением до разрушения.
Недостатком этого способа являются высокие растягивающие нагрузки, которые необходимо приложить к образцу. Однонаправленные ПКМ, используемые в указанных областях - электротехнике и строительстве в качестве неметаллической арматуры, имеют высокую прочность вдоль направления армирования (1600-2000 МПа), превышающую прочность сталей. Поэтому для растяжения, например, стеклопластикового стержня диаметром 15 мм на величину 50% от разрушающей, необходимо приложить усилие 88 кН.
Недостатком всех перечисленных способов является определение остаточной прочности, т.е. они не позволяют определить долговечность и длительную прочность материала образца при одновременном воздействии агрессивной среды, температуры и нагрузки.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа определения долговечности и длительной прочности полимерных композиционных материалов под нагрузкой, повышение достоверности результатов испытаний и снижение их трудоемкости.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения долговечности и длительной прочности полимерных композиционных материалов под нагрузкой, включающем нагружение образца постоянным напряжением заданной величины, выдержку нагруженного образца при заданной температуре с помещенной в средней части - в месте наибольшего прогиба, емкости с коррозионной средой и определении времени до разрушения (долговечности), заданную величину напряжения (длительную прочность) создают путем нагружения образца продольным изгибом.
Для реализации способа используется устройство (Фиг. 1). Устройство для нагружения образца продольным изгибом содержит раму (1) с закрепленной на ней неподвижной шарнирной опорой (2) и подвижной шарнирной опорой (3), имеющей возможность горизонтального перемещения, снабженной нагружающим механизмом - винтом (4). Образец (5) зажимается между опор (2, 3), в его средней части (зоне наибольшего прогиба) закрепляется емкость с агрессивной средой (6).
Способ определения долговечности и длительной прочности полимерных композиционных материалов под нагрузкой осуществляется следующим образом. В качестве образцов используют стержни постоянного сечения, при этом их длина выбирается преимущественно в интервале 30-50 диаметров (толщины) образца. Образец (5) из полимерного композиционного материала в виде стержня устанавливают между шарнирными опорами (2, 3) испытательного устройства. В средней части образца (зоне наибольшего прогиба) закрепляется емкость с агрессивной средой (6). С помощью нагружающего механизма (4) с усилием Р создается продольный изгиб образца (5) до определенной величины напряжения о в образце. После этого подвижную опору (4) фиксируют, устройство помещают в нагревательную (климатическую) камеру и проводят длительные испытания образца в условиях постоянной нагрузки при постоянной температуре до разрушения. Долговечность определяют, как время, прошедшее с начала испытания образца до момента его разрушения. Длительную прочность определяют, как напряжение о, постоянно действующее в образце и вызывающее его разрушение в течение определенного времени.
Задаваемое напряжение при продольном изгибе а, определяется по известной формуле
где Р - продольная сила, Н;
ƒ - стрела прогиба образца при продольном изгибе, мм;
3
w - момент сопротивления поперечного сечения образца, мм.
Продольная сила может быть определена по известной формуле Эйлера:
4
где I -момент инерции поперечного сечения образца, мм;
Е - модуль упругости материала образца, МПа;
μ - коэффициент, учитывающий условия заделки образца при продольном изгибе (для шарнирной заделки принимаем μ=1);
L - длина образца, мм.
Зная геометрические размеры образца, можно в широких диапазонах регулировать величину длительно действующего напряжения путем изменения прогиба образца, по выражению (1). Осевое усилие, необходимое для продольного изгиба образца, можно определить по выражению (2).
Предлагаемый способ определения долговечности и длительной прочности полимерных композиционных материалов обеспечивает использование осесимметричных образцов, в том числе круглого сечения, что с одной стороны исключает необходимость механической обработки при их изготовлении, которая вызывает нарушение структуры материала и приводит к изменению его свойств, а с другой - снижает время и трудозатраты при подготовке испытаний. Кроме того, способ может быть использован для испытаний трубчатых образцов и образцов прямоугольного сечения.
При продольном изгибе разрушение образца всегда происходит в средней части - в месте наибольшего прогиба и воздействия агрессивной среды, при этом остальная часть образца работает подобно нагружающей пружине и доламывает образец в случае ослабления. Образец принимает треугольную форму, что повышает достоверность определения долговечности - времени до разрушения. Общеизвестно, что при изгибе максимальные напряжения в образце реализуются в крайних слоях образца в месте наибольшего прогиба (на растянутых и сжатых волокнах), и достигают нуля в центре образца на нейтральной средней линии, совпадающей с осью. Таким образом достигается комплексное испытание на растяжение/сжатие крайних слоев, в большей степени подвергнутых агрессивному воздействию химических реагентов. При продольном изгибе осевое усилие Р, необходимое для создания заданных напряжений в образце, значительно ниже чем при растяжении. Для продольного изгиба рассмотренного стеклопластикового стержня диаметром 15 мм достаточно усилия 5 кН, что в 17,6 раз ниже, чем при растяжении.
Способ обладает простотой, не требует дополнительных приборов для измерений физических величин. Локализация напряжений в зоне наибольшего прогиба позволяет консервировать нагрузку в образце в течение всего времени испытаний, не требует дополнительных нагружающих устройств и испытательных машин и не ограничено во времени. Образец в нагруженном состоянии может быть помещен в климатическую камеру для поддержания заданной температуры, влажности, контролируемой атмосферы.
Предлагаемый способ может быть использован для определения эксплуатационных характеристик широкого класса материалов - композитов, армированных различными волокнами: минеральными стеклянными и базальтовыми, углеродными, органическими, натуральными, растительными и синтетическими полимерными. Также может применяться для других материалов (металлических и неметаллических), обладающих достаточной упругостью для реализации продольного изгиба. Наиболее эффективное применение способ может получить в строительстве для определения долговечности и длительной прочности неметаллической композиционной арматуры, длительное время контактирующей со щелочной средой бетона в напряженном состоянии, под действием влажности воздуха и сезонных перепадов температур, а также в электротехнике, где в условиях влажности и осадков композитные стержни для электроизоляторов испытывают комплексное воздействие кислотной среды (образующейся от электрических разрядов), температуры и растягивающей нагрузки.