Исследование зависимости механических свойств композиционных материалов от температурного режима их полимеризации для обеспечения безопасности работы сельскохозяйственной техники

На основании сопоставления расчетов по полученным решениям двухслойной задачи методом изотермических поверхностей и решения классической задачи Стефана показано, что расхождение между ними не превышает одного процента. Это сопоставление послужило основой использования метода изотермических поверхностей для исследования второго этапа технологического процесса полимеризации на установках АВТП.

Постановка задачи по радиальной схеме в цилиндрической системе координат для третьего этапа процесса имеет вид:

д1к

ак дт дг2 г дг

д 2Цк

дг

2

г

дг

1 _ц

дг

к _ 1, Ко

ік

ик

, »2

и 2

12

и2

,,

и

, д2

Поставленная задача третьего этапа решена классическим методом преобразования Фурье [1]. Расчеты осуществлены также конечно-разностным методом.

Литература

1. Шафеев, М.Н. Применение теории подобия к исследованию нестационарных процессов замораживания дисперсных материалов / М.Н. Шафеев, И.А. Акимов. Уфимск. авиационный ин-т. Уфа, 1991. 14 с. Деп. в ВИНИТИ. №485 В91. 1991.

г

Исследование зависимости механических свойств композиционных материалов от температурного режима их полимеризации для обеспечения безопасности работы сельскохозяйственной техники

А.И. Акимов, доцент, Оренбургский ГПУ

Композиционные материалы все шире используются в современной сельскохозяйственной технике. Надежность эксплуатации изделий из таких материалов в сельскохозяйственных машинах во многом зависит от прочностных и упругих свойств. В связи с этим проблема оптимизации процесса полимеризации специальных связующих материалов в особых температурных условиях представляет несомненный научный и практический интерес.

Технология получения композиционных материалов состоит в следующем. Стеклоткань пропитывается специальными связующими материалами. Многослойная конструкция из пропитанной стеклоткани, которой придана требуемая форма, подвергается специальной температурной обработке. В результате процесса полимеризации получается изделие, которое по своим прочностным свойствам превосходит некоторые параметры металлических изделий. При этом не требуется дорогостоящая обработка (штамповка, резание и т.д.). В качестве основного оборудования

для полимеризации используется пресс-форма с электроподогревом. Процесс полимеризации определяется термическими условиями, создаваемыми специальными нагревателями. Основным технологическим элементом таких установок, таким образом, являются нагреватели, определяющие теплофизические процессы в пресс-формах [1].

На рис. 1 показана зависимость изменения температуры во времени в многослойном композиционном материале. Видно, что в однослойном материале температура со временем растет линейно. В двухслойном материале эта зависимость соблюдается только в первом узле, слегка начинает нарушаться — во втором и третьем узлах. Нарушение от линейности существенно проявляется в многослойных конструкциях. Это видно из сравнения кривых 4 и 5. Однако с увеличением количества слоев неравномерность изменения температуры во времени во внутренних слоях проявляется слабее, что следует из рис. 2.

Как видно из рис. 3 и 4, изменения температуры по толщине материалов неравномерные. Эта закономерность наиболее проявляется вблизи на-

1

------2

......3

------4

------5

Рис. 1 - Зависимость изменения температуры во времени в многослойном композиционном материале: 1 - однослойный материал, 2-4 двухслойный материал, 5 - тринадцатислойный материал

т:

-V-"

Рис. 2 - Зависимость изменения температуры во времени в восьмом узле многослойного композиционного материала:

1 - двухслойный материал, 2- тринадцатислойный материал

Т,0С

120

100

80

60

40

20

*

\\\

1

.......2

-------4

0 3 6 9 12 15 18

Рис. 3 - Изменения температуры по толщине многослойного композиционного материала (13 слоев) при различных временах: 1-10 мин., 2-30 мин., 3-50 мин., 4-90 мин.

Рис. 4 - Изменения температуры по толщине двухслойного материала при различных временах: 1-90 мин., 2-70 мин.,

3-50 мин.

гревателей, причем в двухслойных материалах она распространяется на всю толщину, а в многослойных образцах — только вблизи нагревателей.

Таким образом, проведенные расчетные исследования показывают, что температура в многослойных материалах изменяется неравномерно

как во времени, так и по толщине. Эти особенности могут существенно влиять на прочностные свойства композиционных материалов.

Исследования композиционных материалов на растяжение. Испытание на растяжение является наиболее универсальным по сравнению с другими видами испытаний, так как оно позволяет определять механические свойства материала на всех стадиях его деформации (от упругой деформации до разрушения).

Для испытания на растяжение использовалась универсальная машина модели Р-2 фирмы «Риле» (США). Эта машина мощностью 294 кН предназначена для растяжения, сжатия, изгиба. Машина состоит из маятникового индикатора и насосного агрегата с устройством для нагружения образца. Устройство для нагружения снабжено двумя головками: верхней 1 и нижней 3 с клиновыми зажимами для испытания на растяжение (рис. 5).

Рис. 5 - Испытательная машина мод. Р-2 с гидравлическим приводом

Методика испытаний на растяжение заключается в следующем. Сначала устанавливают необходимые зажимы для крепления образца. Назначают нагрузку и устанавливают стрелку на шкале индикаторного агрегата на эту нагрузку. Затем на маятнике машины устанавливают груз, соответствующий этой нагрузке. Стол поперечной подачи опускается для обеспечения достаточного хода при окончании испытания образца. Нижнюю тяговую головку регулируют для закрепления образца. Образец вставляют в зажим головок машины, при этом нулевая точка установлена на индикаторном диске. Затем диск поворачивают на необходимую скорость испытания. Производится растяжение образца. Диаграмма растяжения записывается на миллиметровой бумаге, установленной на специальном барабане, который закреплен на левой верхней стороне панели индикаторного агрегата.

Настоящая методика исследований и результаты их распространяются на слоистые компози-

ционные материалы на полимерной матрице типа угле-, боро-, стеклопластиков. На рис. 6 показана зависимость предела прочности композиционного материала от относительной длины растяжения, соответствующей скорости нагрева 2°С/мин. а ,

ш *

— -------------------1----->-

О (1.2 0.4 0.Î 0,8 1 Л»

Pi[ ÏG

Рис. 6 - Зависимость предела прочности от относительной длины растяжения

При использовании вышеописанной методике были определены такие параметры композиционного материала, как предел пропорциональности, равный 640 МПа, предел текучести — 750 МПа, предел прочности — 760 МПа.

Аналогичные исследования были проведены при различных комбинациях скорости нагрева и охлаждения композиционного материала. В частности, скорости нагрева и охлаждения изменялись от 1 до 5°С/мин. На рис. 7 показана зависимость предела прочности материала от этих параметров. Как видно из рис. 7, предел прочности материала — наибольший при скоростях нагрева и охлаждения, равных 2°С/мин. Кроме того, вероятность безотказной работы максимальна при условии, что скорости нагрева и охлаждения равны 2°С/мин. Это следует из рис. 8.

Рис. 7 - Зависимость предела прочности от скорости нагрева и охлаждения

Рис. 8 - Зависимость вероятности безотказной работы от скорости нагрева и охлаждения композиционного материала

Исследования на межслоевой сдвиг композиционных материалов. 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) (рис. 5).

Испытательная машина должна быть оборудована приспособлением для испытаний на статический изгиб, позволяющий менять расстояние между опорами от 25 до 50 мм. Края опор приспособления должны быть закруглены радиусом И2 = 3±0,1 мм, нагружающий нож должен иметь радиус R1 = 5±0,1 мм.

Холодильная или нагревательная камера обеспечили 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—400°С.

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+2И, где 1 — расстояние между опорами, равное 5h мм.

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

т межсл. = 3Р/ 4Ь ^ где Р — величина разрушающей силы в ньютонах;

Ь — ширина образца в метрах;

h — 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 / W

'-'изг. -‘-тхизг./

где Мизг. — изгибающий момент;

W — момент сопротивления изгибу W = Ь^/6.

Отсюда аизг. = 3Р1/2Ь^.

Предел упругости при изгибе образца вычисляют по формуле:

°0,05 = ^М0,05/^^

где М005 — изгибающий момент при остаточном

прогибе образца 0,05 мм.

По этим представленным данным исследовались зависимости пределов прочности и текучести материалов от режима нагрева и охлаждения, которые приведены на рис. 9 и 10.

Как видно из этих рисунков, благоприятными режимами технологического процесса изго-

РЛ

«Я

300 ЙВ 140

о

Рис. 9 - Зависимость предела прочности композиционного материала от стрелы прогиба

Р-Н 340

320

5<П

№

Ш

113 1 \г№шт

Рис. 10 -Зависимость предела текучести композиционного материала от скорости нагрева и охлаждения

товления композиционного материала являются скорости нагрева и охлаждения, равные 2°С/мин.

Исследования композиционных материалов на ударную вязкость. 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 предусмотрены динамические испытания материалов — испытания на ударный изгиб (определение ударной вязкости). Метод основан на разрушении образца ударом маятникового копра. Образец имеет надрез, расположенный в зоне нормальных максимальных напряжений Ст1 и ст2. 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.

Необходимо обратить внимание на правильность надреза образца, отсутствие рисок, перпен-

дикулярных оси образца. Перпендикулярность оси надреза продольной оси образца должна быть 90±2°. Поперечное сечение образца должно быть прямоугольным с отклонением, не превышающим ±0,5°.

Для проведения ударных испытаний применяли специальную машину — копер маятниковый КМ-30 (рис. 11). Испытание на маятниковом копре основано на принципе измерения работы, затраченной на разрушение образца, путем сопоставления энергии физического маятника в момент удара с энергией, которой он обладает после удара.

Рис. 11 - Копер модели КМ-30

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 площадью 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 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, т.е. Ан = Ан^0 кГц/см2.

На рис. 12 показана зависимость ударной вязкости от содержания наполнителей в композиционном материале.

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

Рис. 12 - Результаты испытаний на ударную вязкость

к1".

№.

1 1 к ь^~~~

ш мл. — • _ ** а ш

тм

р IV Н Ч н ы а е«*’

Рис. 13 - Зависимости модуля упругости и предела прочности композиционного материала от содержания наполнителя

Данные, представленные на рис. 12, 13, соответствуют скоростям нагрева и охлаждения 2°С/мин.

В таблице представлены расчеты параметров надежности композиционных материалов.

Зависимость параметров надежности от видов испытаний композиционных материалов

Вид испытания Интенсивность отказов, 106  час-1 Вероятность безотказной работы, %

Растяжение 25 92,3

Межслоевой сдвиг 33 90,4

Ударная вязкость 40 88,7

Крутка 45,7 86,9

Результаты обработки статистических и экспериментальных данных по механическим испытаниям на растяжение композиционных материалов по длине, межслоевой сдвиг, ударная вязкость показывают, что существующая технология изготовления композиционных материалов по рассмотренным параметрам недостаточно надежна. Поэтому следует совершенствовать технологию изготовления композиционных материалов. От технологии изготовления композиционных материалов зависят эксплуатационные характеристики изделий сельскохозяйственной техники.

Литература

1. Тюков, Н.И. Теоретические и экспериментальные исследования теплофизических процессов изготовления изделий из композиционных материалов / Н.И. Тюков, ИА. Акимов, А.И. Акимов. Уфа, 2003. 256 с.