Надежность композиционных материалов, изготавливаемых методом полимеризации при электронагреве

Надежность композиционных материалов, изготавливаемых методом полимеризации при электронагреве

А.И.Акимов, И.Р. Мурзагулов, соискатель, Оренбургский ГАУ

Настоящая методика распространяется на слоистые композиционные материалы на полимерной матрице, типа угле-, боро-, стеклопластиков.

Статистические испытания не всегда воспроизводят реальные условия нагружения деталей. Важное значение имеет определение механических характеристик в условиях, близких к реальным, когда под действием определенных факторов материалы переходят в хрупкое состояние. Малое сопротивление материалов быстродействующим динамическим (ударным) нагрузкам опасно для работы оборудования и механизмов. В связи с этим во многих технических условиях на изготовление различных изделий для сельскохозяйственной техники предусмотрены динамические испытания материалов [1].

Рассмотрим испытания на ударный изгиб (определение ударной вязкости).

Метод основан на разрушении образца ударом маятникового копра. Образец имеет надрез, расположенный в зоне нормальных максимальных напряжений 1 и 2. Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте надреза. Ударная нагрузка и надрез в образце являются условиями, которые вызывают изменение свойств материалов по сравнению с их свойствами при статических испытаниях гладких образцов. Результаты испытаний на ударный

изгиб не дают конструктору необходимых сведений для расчетов на прочность. Однако значение ударной вязкости важно для технологов. По результатам испытания на ударный изгиб можно установить такие свойства материалов, как хладноломкость, синеломкость, тепловая хрупкость и другие, которые при статических испытаниях не всегда можно обнаружить. Проверка образцов перед испытанием состоит в контроле качества их поверхности и точности геометрических размеров.

Рис. 1 - Образцы для испытаний

Необходимо обратить внимание на правильность надреза образца, отсутствие рисок, перпендикулярных оси образца. Перпендикулярность оси надреза продольной оси образца должна быть 90+20. Поперечное сечение образца должно быть прямоугольным с отклонением, не превышающим ±0,50.

Для проведения ударных испытаний применяют специальные машины — копры. Ударная вязкость — это сложная, комплексная характеристика, зависящая от целого ряда более простых механических свойств, прочностных и пластических. Работа, затрачиваемая на пластическую деформацию и разрушение, определяется площа-

дью под диаграммой динамического изгиба. Ее величина, следовательно, будет тем больше, чем выше пластичность и уровень напряжений течения на всем протяжении испытания. При ударных испытаниях на изгиб образцов с надрезом напряжения и пластическая деформация концентрируется в ограниченной части объема образца вокруг надреза. Именно здесь поглощается практически вся работа удара. Количественно величину деформируемого объема при ударном испытании определить весьма трудно. Поэтому при расчете ударной вязкости полную работу деформации разрушения относят не к объему, а к площади F поперечного сечения в надрезе, что, строго говоря, не имеет физического смысла. При испытании стандартных образцов величина F постоянна и, следовательно, ударная вязкость прямо пропорциональна полной работе Ан. Таким образом ударная вязкость — работа Ан, расходуемая для ударного излома образца, отнесенная к рабочей площади его поперечного сечения F0, то есть Ан = Ан/ F0 кГс/см2

Расчет вязкости разрушения проводят по диаграммам нагрузка — смещение. Задача заключается в том, чтобы определить нагрузку Рq, при которой начинается нестабильное (самопроизвольное) развитие трещины. Общая методика обработки диаграмм нагрузка — смещение сводится к следующему: через начало координат проводят секущую ОРх с наклоном на х % меньше, чем наклон ОА начального линейного участка упругой деформации. Общепринятое значение х = 5%. В результате определяем нагрузку Рх, соответствующую точке пересечения проведенной секущей с диаграммой. Величина Рq равна Рх или другой наибольшей нагрузке, предшествующей Рх.

Таким образом, для диаграммы Рq = Рх, а для других двух Рq соответствует точке максимума, достигаемой обычно до Рх. Перед расчетом вязкости разрушения следует проверить полноценность полученной диаграммы. Для этого проводят горизонтальную линию при Р = 0,8Рq и из-

меряют отрезок V между прямой ОА и кривой нагрузка — смещение. Он характеризует нелинейность диаграммы при Р = 0,8Рq и должен быть меньше четверти смещения V при нагрузке Рх. Если V > 0,25 V, то нелинейность считается обусловленной не только ростом трещины, но и пластической деформацией или погрешностями измерения. Показатель вязкости разрушения К используется как количественный критерий сопротивления материала распространению в нем трещины и как критерий конструктивной прочности. В первом случае величина К служит оценкой склонности к хрупкому разрушению разных материалов в разных условиях. Вязкость разрушения зависит от температуры испытания и скорости деформации. Поэтому температурные зависимости К можно использовать для выявления областей хрупко-вязкого перехода. Применение К как критерия конструктивной прочности позволяет решать целый ряд задач, например, рассчитывать максимально допустимую нагрузку на конструкцию с трещиной известных размеров, при которой еще не начинается ее быстрого развития, заканчивающегося полным разрушением; определять критические размеры трещины при заданном уровне напряжений и т.д.

На рис. 3 показана зависимость ударной вязкости от объемной концентрации содержания наполнителей в композиционном материале.

Аналогичная зависимость была получена для модуля упругости и предела прочности композиционного материала.

По результатам статистической обработки механических испытаний на ударную вязкость по длине и по статистическим данным эксплуатации изделий рассчитана интенсивность отка-

1

зов, она составляет X = 40 • 10-6 ч

Вероятность безотказной работы (надежность) за период времени (0—3000) часов определяется по формуле: _6

Р (3000) = 1^(3000) = £_4010 3000 «0,887, т.е. составляет 88,7%.

Ан,Кдж/м2

350 ' х

300

250

200"

150 '

100 * ' *

50 ' о -1 1 1 1

О 20 40 60 С,об%

Рис. 3 - Результаты испытаний на ударную вязкость

Е, о-, МПа

1—1 * -.

' V. "Г "5 ''

500«

О 10 20 30 40 50 60 С,об%

Рис. 4 - Зависимости модуля упругости и предела прочности композиционного материала от наполнителя

Рассмотрим межслоевой сдвиг композиционного материала путем испытания на изгиб образца в виде короткой балки при нормальной, пониженных и повышенных температурах (от 196 до 400°С). Получаемая характеристика прочности зависит от соответствования упругопрочностных характеристик полимерной матрицы и армирующего наполнителя, структуры. Она должна рассматриваться как условная характеристика, предназначаемая для сравнительной оценки композиционных материалов. Метод предназначен для испытания при проведении исследовательских работ и сравнительных испытаний.

Оборудование для испытания. Прочность при сдвиге путем испытания на изгиб композиционного материала определяют на испытательной машине, позволяющей проводить испытание на сжатие или растяжение (в последнем случае требуется реверсор) с заданной скоростью движения активного захвата и изменять величину нагрузки до 1%.

Испытательная машина должна быть оборудована приспособлением для испытаний на статический изгиб, позволяющий менять расстояние между опорами от 25—50 мм. Края опор приспособления должны быть закруглены радиусом R2 = 3±0,1 мм, нагружающий нож должен иметь радиус R1 = 5±0,1 мм.

Испытания при повышенных и пониженных температурах проводят на специальных машинах или на тех же машинах, что и для испытания при комнатной температуре, если они оборудованы съемными камерами для создания вокруг образца необходимой температуры.

Холодильная или нагревательная камера должна обеспечивать равномерное охлаждение образца до заданной температуры и сохранение этой температуры на протяжении испытания. При

этом допускается отклонение температуры образца от заданной ±2°С при температуре испытаний от 196°С до 200°С; ±3°С при температуре испытаний свыше 200°С 400°С.

Периодический контроль температуры испытуемого образца при испытаниях при повышенной и пониженной температурах осуществляют термопарой с потенциометром класса точности не ниже 0,5 по ГОСТу 9245-79, установленной непосредственно на образце. Измерение повышенной температуры в нагревательной камере и на образцах производят термопарами хромель — алюмель или хромель — копель, удовлетворяющими требованиям ГОСТа 6616-74. Измерение пониженной температуры в камере производят термопарами сопротивления типа ТСП по ГОСТу 6651-78, а температуры образца — термопарой медь — константан.

Образцы для испытаний. Образец для испытания представляет собой брусок прямоугольного сечения с размерами: ширина Ь = 6 мм, толщина h = 6,5±0,5 мм, длину L определяют из уравнения L = 1 + 2^ где 1 — расстояние между опорами, равное 5h мм.

Опорные поверхности образца должны быть параллельными между собой (допуск 0,1 мм).

Число образцов для испытаний должно быть не менее для каждого варианта и режима испытания.

1. При испытании образец должен свободно лежать на опорах. Устанавливают необходимое расстояние между опорами. Допустимое отклонение оси наконечника от середины пролета 0,5 мм.

2. Испытание образцов проводят в воздушной среде при температуре 23±2°С и при температурах, кратных 20 или 25°С.

3. Для испытаний при пониженной (повышенной) температуре образец помещают внутрь холодильной или нагревательной камеры, находящейся на испытательной машине. Продолжительность нагрева или охлаждения должна быть достаточной для достижения образцом требуемой температуры испытания. Обычно продолжительность нагрева или охлаждения образцов в воздушной среде составляет 40 минут, а в среде жидкого хладагента 20—25 минут.

4. Нагружение образца проводят по середине пролета между опорами плавно, без толчков. Скорость приложения нагрузки к образцу определяется скоростью движения подвижной головки машины, которая при испытании должна быть в пределах 1—2 мм/минуту.

5. В процессе испытания фиксируют нагрузку, при которой произошло разрушение (сдвиг) образца.

6. Разрушенный образец осматривают для определения характера разрушения (сдвиг межсло-евой, разрыв в растянутой зоне, смятие в сжатой зоне).

Подсчет результатов испытаний. Прочность композиционного материала при сдвиге, характеризующуюся величиной разрушающего напряжения при межслоевом сдвиге ( межсл.), вычисляют по следующей формуле:

*межсл. = 3Р/ 4Ь h,

где Р — величина разрушающей силы в ньютонах; Ь — ширина образца в метрах; к — высота образца в метрах.

Вычисление ограничивают получением третьей значащей цифры. По результатам испытаний вычисляют среднее арифметическое значение прочности при межслоевом сдвиге.

По результатам испытаний определяют механические характеристики материала. Предел прочности при изгибе определяют по формуле:

а = м / Ш

изг. х Аизг. / ’

где Мизг. — изгибающий момент;

W — момент сопротивления изгибу W = bh3/6; Отсюда изг. = 3Р1/2bh2.

Предел упругости при изгибе образца вычисляют по формуле:

а 0,05 = М0,05/^

где М0,05 — изгибающий момент при остаточном прогибе образца 0,05 мм.

Диаграмма испытания на изгиб в координатах нагрузка Р — стрела прогиба f на рис. 5.

Рис. 5

Знание величины нагрузок Рпц, Руп, Рт, Рв позволяет определять пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности при изгибе.

По экспериментальным данным исследовались зависимости пределов прочности и текучести материалов от режима нагрева и охлаждения, которые приведены на рис. 6 и 7.

Рис. 6 - Зависимость предела прочности композиционного материала от скорости нагрева и охлаждения

Рис. 7 - Зависимость предела текучести композиционного материала от скорости нагрева и охлаждения

Как видно из этих рисунков, благоприятными режимами технологического процесса изготовления композиционного материала являются скорости нагрева и охлаждения, равные 2°С/мин.

По результатам статистической обработки механических испытаний на межслоевой сдвиг и по статистическим данным эксплуатации изделий рассчитана интенсивность отказов, она со-

ставляет

X = 33 -10 -6 ч.

Вероятность безотказной работы (надежность) за период времени (0—3000) часов определяется по формуле: ,

P (3000) = 1-F (3000) = £-3310 3000 « 0,904, т.е. составляет 90,4%.

Таким образом, результаты обработки статистических и экспериментальных данных по механическим испытаниям на растяжение лонжерона на межслоевой сдвиг и на ударную вязкость показывают, что существующая технология изготовления композиционных материалов по рассмотренным параметрам недостаточно надежна. Отсюда следует необходимость совершенствования технологии изготовления лонжеронов лопастей вертолетов.

Литература

1. Тюков, Н.И. Теоретические и экспериментальные исследования теплофизических процессов изготовления изделий из композиционных материалов: монография: [рекомендована к изданию Уфимским научным центром РАН]: Н.И. Тюков, И.А. Акимов, А.И. Акимов. Уфа: Редакционно-издательский центр Башкирского государственного университета, 2003. С. 216.