Особенности квазистатических испытаний нитей и тканей

2013 Механика № 2

УДК 620.172

Д.С. Лобанов, М.С. Темерова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Пермь, Россия

ОСОБЕННОСТИ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НИТЕЙ И ТКАНЕЙ

Работа посвящена анализу методических вопросов механических испытаний нитей и тканей, которые являются армирующими элементами при создании композиционных материалов. Представлены методики проведения статических испытаний на растяжение кремнеземной ткани KT-11-TOA и стеклянных нитей с определением механических свойств. На образцах ткани определено значение максимальной разрушающей нагрузки, проведен статистический анализ, посчитан коэффициент вариации, построены диаграммы деформирования. На образцах стеклянных нитей получены значения максимальной нагрузки, максимальной удельной нагрузки, упругого модуля и относительного удлинения при разрыве. Построены диаграммы деформирования, проведена статистическая обработка по 60 образцам и получены средние значения механических характеристик и коэффициенты вариации. Испытания проводились на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5965 с использованием бесконтактного видеоэкс-тензометра AVE.

Ключевые слова: испытание на растяжение, экспериментальная механика, армирующий элемент, стеклянная нить, кремнеземная ткань.

D.S. Lobanov, M.S. Temerova

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

FEATURES OF QUASISTATIC TESTS OF THREADS AND FABRICS

This paper devoted to analyzes the methodological issues of mechanical testing of filaments and fabrics, which are the reinforcing elements to create composite materials. In this paper static tensile tests techniques silica fabric CT-11-TOA and glass filaments with determination of mechanical properties develop and approved. On samples of fabric value of the maximum ultimate load is defined, the statistical analysis is carried out, the variation coefficient is counted, deformation charts are constructed. On samples of glass threads values of the maximum loading, the maximum specific loading, the elastic module and relative elongation at a gap. The diagrams of deformation carried out statistical analysis of 60 samples were obtained and the average values of the mechanical characteristics and the coefficients of variation. Tests were carried out on the electromechanical Instron 5965 testing system with use of the contactless video extensometer AVE.

Keywords: tension test, experimental mechanics, reinforced element, glass thread, silica fabric.

Введение

При создании и проектировании изделий из композитов актуальным вопросом является исследование свойств исходных компонентов, в частности армирующих элементов, обеспечивающих качество создаваемого материала [1-2].

В данной работе объектами исследования являются кремнеземная стеклянная ткань КТ 11 ТОА и стеклянные нити, которые используются для создания композитов и конструкций из них. Кремнеземные ткани изготавливаются из суровых тканей, выработанных из стеклянных комплексных крученых нитей переплетением сатин 8/3 или полотняным переплетением. Для получения ткани КТ 11 ТОА производится кислотная обработка, термическая обработка и аппретирование суровых тканей. Аппретирование осуществляется водным раствором продукта АГМ-9 пли АДЭ-3.

Цель работы - отработка методик экспериментального определения механических свойств нитей и тканей как армирующих элементов композиционных материалов.

1. Оборудование

Экспериментальные исследования проводились на базе Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета на универсальной электромеханической испытательной системе Ішіхоп 5965 с использованием бесконтактного видеоэкстензометра Ішіхоп АУБ [3-4].

Универсальная электромеханическая испытательная система Іп-8Іхоп 5965 предназначена для квазистатических испытаний. К основным характеристикам относятся: скорость испытания (варьируется от

0,001 до 3000 мм/мин), допустимая максимальная нагрузка ±5кН. Точность измерения нагрузки составляет 0,4 % от измеряемой величины в диапазоне 1-100 % номинальной мощности датчика нагрузки и 0,5 % от измеряемой величины в диапазоне 0,2-1 % номинальной мощности датчика нагрузки. Для увеличения точности измерений в данную испытательную систему также включены сменные динамометрические элементы номиналом ±100Н и ±5Н. Общий вид системы Ішіхоп 5965 представлен на рис. 1.

Рис. 1. Электромеханическая испытательная система 1ш1хоп 5965 с бесконтактным видеоэкстензометром ЛУБ Тш^оп

Для бесконтактного измерения деформации существуют различные оптические системы, основанные на определении перемещений точек. Примером такой оптической системы является видеоэкстензо-метр ЛУБ 1п81гоп, который активно используется при испытаниях композиционных материалов с неоднородной структурой (см. рис. 1, слева, на колонне испытательной системы) [5-7].

Принцип работы ЛУБ основан на точном определении меток измерительной базы при помощи цифровой видеокамеры с высоким разрешением. Цифровая камера содержит двумерный видеодатчик. При проведении эксперимента камера постоянно получает изображение испытываемого образца. Скорость оцифровки видеосигнала составляет один кадр информации в 20 мкс, т.е. один раз в 20 мкс в памяти сохраняется и обновляется один кадр информации, выдаваемой камерой. Для установки различных полей зрения, соответствующих удлинению разных образцов, возможна замена объектива камеры. Для ЛУБ допускается использование объективов с полем зрения 60, 200 и 500 мм.

2. Испытание стеклоткани

При проведении испытаний учитывались рекомендации стандарта ГОСТ 6943.10-79, который регламентирует методы определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве текстильных

стеклянных материалов. В то же время можно отметить, что данный стандарт имеет ряд недостатков. При определении удлинения при разрыве не учитывается проскальзывание образца в захватах. Деформация измеряется не на образце, а по перемещению захватов, что значительно снижает точность измерения значения деформации материала. Современное испытательное оборудование позволяет решить данные проблемы.

Во время испытания деформации измерялись на образце при помощи бесконтактного видеоэкстензометра. На образцы наносились специальные метки, перемещения которых отслеживалось и фиксировалось видеоэкстензометром. Для фиксации разрушающей нагрузки использовался датчик с диапазоном измерений до 5 кН. При подготовке образцов в соответствии с ГОСТом количество нитей в образцах контролировалось, и было одинаковым (по основе 22 нити, по утку 20 нитей). Образцы закреплялись пневматическими захватами, при этом ленты в захватных частях обклеивались бумагой для того, чтобы образец не проскальзывал в захватах. Длина поперечных нитей превышала ширину рабочей части образца для того, чтобы продольные нити относительно оси нагружения не сыпались по кромкам и сохраняли целостность образца (рис. 2).

Образцы из стеклоткани вырезались в виде лент, вдоль основы и вдоль утка, длиной 220 мм и шириной 25 мм. Расстояние между захватами составляло 100 мм. Испытания проводились при скорости подвижного захвата 100 мм/мин до полного разрушения образца.

Всего на растяжение было испытано 10 образцов стеклоткани, по 5 в каждом направлении. На рис. 3 представлены аппроксимации диаграмм растяжения. Для сравнения на графиках приведены ап-

Рис. 2. Образец ленты стеклянного тканого материала, закрепленный пневматическими захватами испытательной системы

проксимации диаграмм, построенные по видеоэкстензометру и по встроенному датчику перемещений. В табл. 1 приведены полученные в ходе испытания значения максимальной разрушающей нагрузки Р и перемещений (и) - удлинение рабочей части образца.

Рис. 3. Аппроксимации диаграмм деформирования стеклоткани, вырезанной в направлении основы (а) и утка (б): сплошная линия - линия аппроксимации зависимости нагрузки от перемещения, полученного при помощи бесконтактного видеоэкстензометра, пунктирная линия - линия аппроксимации зависимости нагрузки от перемещения, полученного со встроенного датчика

Как видно из рис. 3, диаграммы, построенные по видеоэкстензометру (сплошная линия) и встроенному датчику (пунктирная линия), имеют существенное отличие по значениям удлинения. Аналогичный вопрос исследовался в работе [8]. Начальный участок диаграммы деформирования объясняется не проскальзыванием в захватах, а раскручиванием и выпрямлением нитей, так как удлинение при разрыве измерялось непосредственно на образце при помощи видеоэкстензометра. Данную особенность деформирования тканых материалов следует учитывать при проектировании конструкций и прогнозировании прочностных свойств.

На рис. 4 показан образец стеклоткани до и после испытания на растяжение.

Таблица 1

Результаты испытаний на растяжение образцов стеклоткани

в направлении основы и утка

Номер образ- ца Удлинение при разрыве и

по основе по утку по основе по утку ПО осно- ве по утку по осно- ве по утку по осно- ве по утку

1 2,120 3,122 1262,215 1106,256 1250,6 1015,8 29,57 50,92 2,36 5,01

2 1,841 3,063 1143,453 1126,276

3 2,042 2,906 1313,366 1051,809

4 1,777 2,917 1245,957 862,116

5 1,972 3,056 1264,224 934,439

* Значения удлинения при разрыве измерялись на образце бесконтактным ви-деоэкстензометром AVE.

б

Рис. 4. Образец стеклоткани до испытания (а) и после испытания с характерным

видом разрушения

3. Испытание стеклянных нитей

При разработке методики испытания стеклянных нитей учитывались рекомендации ГОСТ 6611.2-73, ГОСТ 6943.5-79 и опыт проведения экспериментального исследования механических свойств нитей, опубликованный в работе [9]. Данные стандарты регламентируют методы определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве нити. Аналогично ГОСТ 6943.10-79 для испытания нитей также не учитывает проскальзывание образца в захватах при определении удлинения. Деформация измеряется не на образце, а по перемещению захватов, что значительно снижает точность измерения значений деформации испытываемого материала. Для фиксации разрушающей нагрузки использовался датчик с диапазоном измерений до 5 кН, для измерения деформаций - объектив с полем зрения 500 мм. Образцы стеклянных

нитей закреплялись пневматическими захватами так, чтобы расстояние между метками составляло 100 мм. Захватные части образцов обклеивались бумагой для обеспечения отсутствия проскальзывания в захватах и равномерного обжатия образцов. Испытания проводились при скорости подвижного захвата 10 мм/мин до разрушения. Расчетная линейная плотность стеклянной нити равна 176,5 текс (единица линейной плотности - гр/км). Для измерения деформаций на образце использовался бесконтактный видеоэкстензометр. Внешний вид испытательного оборудования образца стеклянной нити с установленными метками для бесконтактного измерения деформаций представлен на рис. 5.

Результаты испытания стеклянных нитеи представлены на рис. 6. В табл. 2 приведены полученные в ходе испытания значения максимальной разрушающей нагрузки, максимальной удельной нагрузки, модуля и относительного удлинения при разрыве для 60 образцов стеклянных нитей.

Рис. 5. Образец стеклянной нити,закрепленный пневматическими захватами испытательной системы

Ру, Н/текс

Рис. 6. Диаграммы деформирования образцов стеклянной нити при испытаниях на одноосное растяжение

Диаграммы деформирования образцов выходят не из нуля, так как перед началом испытания проводилось предварительное нагружение до значения по нагрузке, равное 1 Н, что регламентировано стандартом. Из графика виден достаточно большой статистический разброс по нагрузке и, соответственно, по удельной нагрузке, что необходимо учитывать при расчетах конструкций из композиционных материалов. Важным фактором является масштабный эффект.

Таблица 2

Результаты испытаний на растяжение стеклянных нитей

№ п/п Максимальная нагрузка Р

1 54,6 0,30937 27,875 1,19

2 60,1 0,34028 22,5 1,56

3 58,53 0,33165 27,5 1,3

4 60,6 0,34335 31,25 1,31

5 56,04 0,31756 20 1,53

6 52,84 0,29939 23,75 1,24

7 58,06 0,32897 29,375 1,24

8 61,84 0,35038 29,375 1,35

9 56,69 0,32118 33,125 1,12

10 56,71 0,32131 29,375 1,22

Пр одолжение табл. 2

№ п/п Максимальная нагрузка Р

11 54,84 0,31074 22,5 1,36

12 49,98 0,28315 19,375 1,24

13 56,3 0,319 30,625 1,22

14 45,84 0,25972 25 1,03

15 56,61 0,32071 26,25 1,21

16 52,73 0,29876 30 1,38

17 59,78 0,33871 25 1,42

18 59,01 0,33436 31,25 1,24

19 63,2 0,35808 33,125 1,21

20 52,04 0,29483 27,5 1,18

21 59,6 0,33767 35 1,35

22 62,78 0,3557 27,5 1,67

23 68,63 0,38885 28,125 1,51

24 56,8 0,32179 25 1,41

25 62,52 0,35421 28,75 1,47

26 59,18 0,33528 25 1,44

27 57,23 0,32426 28,75 1,37

28 62,22 0,35251 30 1,38

29 59,47 0,33692 33,125 1,22

30 61,75 0,34986 26,25 1,52

31 48,48 0,27466 25 1,15

32 56,6 0,32069 27,5 1,059

33 54,97 0,31147 27,5 1,32

34 59,96 0,33974 23,75 1,68

35 58,97 0,3341 27,5 1,33

36 57,46 0,32557 26,25 1,43

37 59,1 0,33484 25 1,58

38 54,63 0,30954 27,5 1,17

39 45,44 0,25745 31,25 0,65

40 56,51 0,32018 27,5 1,34

41 62,66 0,35505 28,75 1,45

42 58,92 0,33384 25 1,39

43 60,09 0,34045 26,25 1,45

44 61,06 0,34596 29,375 1,48

45 61,64 0,34922 27,5 1,46

46 58,37 0,33068 30 1,28

47 65,46 0,3709 28,75 1,44

48 59,39 0,33651 26,25 1,45

Окончание табл. 2

№ п/п Максимальная нагрузка Р

49 59,94 0,33961 30 1,29

50 59,79 0,33877 26,25 1,63

51 61,85 0,35042 26,25 1,48

52 55,32 0,31342 31,25 1,27

53 61,05 0,34592 26,25 1,51

54 54,48 0,30864 26,25 1,24

55 59,05 0,33454 30 1,47

56 52,77 0,29898 25 1,26

57 58,95 0,33402 28,75 1,34

58 58,03 0,32878 27,5 1,46

59 61,99 0,35122 22,5 1,63

60 54,63 0,30951 26,875 1,08

На рис. 7 показан характерный вид разрушения образцов стеклянной нити во время испытаний на одноосное растяжение.

Рис. 7. Разрушенные образцы стеклянной нити с установленными шарообразными метками для бесконтактного измерения деформации на образце

Было испытано 60 образцов стеклянных нитей, статистически достоверно определены упругий модуль Е = (27,496±0,398) Н/текс, максимальная нагрузка Рраз = (57,901±0,553) Н, максимальная удельная нагрузка Ру = (0,328±0,003) Н/текс с доверительной вероятностью 0,95.

Таким образом, были отработаны методики испытаний на растяжение кремнеземной стеклоткани с использованием современного научного оборудования. Были определены механические свойства стеклянных нитей, стеклоткани по основе и по утку. С высокой точностью

определена максимальная разрушающая нагрузка, проведен статистический анализ, посчитан коэффициент вариации, построены диаграммы деформирования.

Из испытаний на растяжение армирующих элементов - нитей из стеклоткани - получены значения максимальной нагрузки, максимальной удельной нагрузки, упругого модуля и относительного удлинения при разрыве с измерением деформации на образце при использовании бесконтактного видеоэкстензометра. Построены диаграммы деформирования, проведена статистическая обработка по 60 образцам и получены средние значения механических характеристик и коэффициенты вариации.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-08-31336мол_а, № 13-08-00304 а) и РФФИ-Урал 13-08-96016.

Библиографический список

1. Тарнопольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. Пространственно-армированные композиционные материалы: справочник. - М.: Машиностроение, 1987. - 224 с.

2. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. - М.: Химия, 1981. - 272 с.

3. Экспериментальные исследования свойств материалов при сложных термомеханических воздействиях / под ред. В.Э. Вильдемана. -М.: Физматлит, 2012. - 204 с.

4. Механика материалов. Методы и средства экспериментальных исследований: учеб. пособие / В.Э. Вильдеман [и др.]; под ред.

В.Э. Вильдемана. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи. ун-та,

2011. - 165 с.

5. Бабушкин А.В., Вильдеман В.Э., Лобанов Д.С. Испытание на растяжение однонаправленного высоконаполненного стеклопластика при нормальных и повышенных температурах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2010. - № 7. - С. 57-59

6. Лобанов Д.С., Бабушкин А.В. Методика испытаний на одноосное растяжение однонаправленных композиционных материалов при пониженных температурах // Вестник Перм. нац. исслед. политехи. ун-та. Механика. - 2012. - № 4. - С. 33-41.

7. Экспериментальные исследования деформационных и прочностных свойств наномодифицированных стеклотекстолитов / В.Э. Виль-деман, А.В. Бабушкин, С.М. Никулин, М.П. Третьяков [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2012. - Т. 78, № 7. -

С. 57-61.

8. Вильдеман В.Э., Третьякова Т.В., Лобанов Д.С. Учет жесткости нагружающей системы при испытаниях полунатурных образцов крупноячеистого композиционного материала // Вестник Перм. нац. исслед. политехи. ун-та. Механика. - 2012. - № 2. - С. 34-49.

9. Экспериментальное исследование механических свойств современных хирургических рассасывающихся шовных материалов / А.Е. Федоров, В.А. Самарцев, В.А. Гаврилов, В.Э. Вильдеман [и др.] // Российский журнал биомеханики. - Т. 13, № 4 (46). - 2009. - С. 78-84.

References

1. Tarnopolsky Y.M, ZHigun I.G., Polyakov V.A. Prostranstvenno-armirovannye kompozicionnye materialy [Spatial-reinforced composite materials]. Moscow: Mashinostroenie, 1987. 224 p.

2. Tarnopolsky Y.M., Kintsis T.Y. Metody staticeskikh ispytaniy ar-mirovannykh plastikov [Methods of static tests of reinforced plastics. Chemistry]. Moscow: Khimija, 1981. 272 p.

3. Eksperimentalnye issledovaniya svojstv materialov pri slozhnykh termomekhanicheskikh vozdejstviyakh [Experimental investigations of the materials properties under complex thermomechanical influences]. Ed. V.E. Vildeman. Moscow: Fizmatlit, 2012. 204 p.

4. V.E. Vildeman [et al.] Mehanica materialov. Metody i sredstva eksperimental’nyh issledovaniy: uchebnoe posobie [Mechanics of materials. Methods and means of experimental research: tutorial]. Ed. V.E. Vildeman. Permskiy natsionalniy issledovatelskiy polytekhnicheskiy universitet, 2011, 165 p.

5. Babushkin A.V., Wildemann V.E., Lobanov D.S. Ispytaniya na ras-tyazhenie odnonapravlennogo vysokonapolnennogo stekloplastika pri nor-malnoy I povyshennoy temperaturakh [Tensile tests of unidirectional high-filled fiberglass composite at normal and high temperatures]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov, 2010, vol. 76, no. 7, pp. 57-59.

6. Lobanov D.S., Babushkin A.V. Metodika ispytanij na odnoosnoe rastyazhenie odnonapravlennykh kompozitsionnykh materialov pri poniz-hennykh temperaturakh [Technique of unidirectional composite materials at low temperatures tensile tests]. Vestnik Permskogo natsionalnogo issle-dovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Mekhanika, 2012, no. 4, pp. 33-41.

7. Vildeman V.E., Babushkin A.V, Nikulin S.M., Tret’yakov M.P., Lobanov D.S., Struk N.V. Eksperimentalnye issledovaniya deformacionnyh i prochnostnyh svoystv nanomodificirovannyh steklotekstolitov [Experimental research of deformation and strength properties of nano-modified glass fiber laminate]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov,

2012, vol. 78, no. 7, pp. 57-61.

8. Vildeman V.E., Tretyakova T.V., Lobanov D.S. Uchjot zhjostkosti nagruzhajushhej sistemy pri ispytanijah polunaturnyh obrazcov krupno-jacheistogo kompozicionnogo materiala [Accounting of loading system stiffness in tests on scaled-down wide-meshed composite specimens]. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Mekhanika, 2012, no. 2.

9. Fedorov A.E., Samartsev V.A., Gavrilov V.A., Vil’deman V.E., Slovikov S.V. Eksperimental’noe issledovanie mekhanicheskikh svojstv sovremennykh khirurgicheskikh rassasyvayushhikhsya shovnykh materialov [Experimental investigation the mechanical properties of the contemporary surgical resorbable suture materials]. Rossijskij zhurnal biomekhaniki, 2009, vol. 13, no. 4 (46), pp. 78-84

Об авторах

Лобанов Дмитрий Сергеевич (Пермь, Россия) - аспирант, младший научный сотрудник, инженер Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: cem.lobanov@gmail.com).

Темерова Мария Сергеевна (Пермь, Россия) - студентка кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: cem.temerova@gmail.com).

About the authors

Lobanov Dmitry Sergeevich (Perm, Russian Federation) - Graduate student, Junior Scientific Associate and Engineer of the Center of Experimental Mechanics, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: cem. lobanov@gmail. com).

Temerova Maria Sergeevna (Perm, Russian Federation) - Student of chair of the Mechanics for Composite Materials and Structures Department Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: cem.temerova@gmail.com).

Получено 24.04.13