Экспериментальное исследование механических характеристик дискретно-упрочненных композиционных материалов на полиэфирной основе

УДК 539.3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСКРЕТНО-УПРОЧНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЛИЭФИРНОЙ

ОСНОВЕ

А.Ю. Ершова, М.И. Мартиросов

Композиционные материалы и конструкции внедряются в современную промышленность очень высокими темпами, начиная от небольших второстепенных деталей и заканчивая самыми важными системами. Эта тенденция связана, в первую очередь, с возможностями, которые открывает использование новых материалов, применение которых в машиностроении невозможно без значительного объема научно-исследовательских работ по изучению механических свойств этих материалов. Представлено экспериментальное изучение механических свойств нового вида зернистых композитов - литьевого искусственного камня, а именно, разработка методики и проведение испытаний по определению механических характеристик данного материала.

Ключевые слова: дискретно-упрочненные композиты, экспериментальные исследования, механические характеристики материала, зернистые композиты, литьевой искусственный камень.

В современных машиностроительных системах большое распространение получили полимерные композиционные материалы (ПКМ), которые обладают характеристиками, выгодно отличающимися от традиционных конструкционных материалов. Такие материалы открывают широкие возможности как для совершенствования уже существующих конструкций, так и для разработки новых изделий [1].

ПКМ - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью и жесткостью. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя материалы матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию армирующих элементов, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они существенно легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или даже улучшении ее механических характеристик.

Благодаря своим свойствам и механическим характеристикам одним из наиболее интересных и перспективных видов дискретно-упрочненных композитов является литьевой искусственный камень (ЛИК) [2].

ЛИК представляет собой конструкционный композиционный материал, основными компонентами которого являются ненасыщенная полиэфирная смола и инертный зернистый наполнитель. В зависимости от используемой смолы и наполнителя можно имитировать цвет и фактуру натурального природного камня: мрамора, малахита, змеевика, оникса, гранита, яшмы и т.д. Он не содержит вредных для здоровья веществ, не токсичен, у него полностью отсутствует радиоактивный фон, присущий декоративным природным камням.

На механические характеристики ЛИК существенное влияние оказывает технология изготовления. В настоящее время литьевая технология позволяет изготавливать изделия практически любой сложности, при этом будут сохранены природные качества и внешний вид натурального камня. ЛИК [3] обладает следующими основными свойствами: механические характеристики сопоставимы с соответствующими характеристиками натурального камня; не изменяет цвет со временем;

стоек к колебаниям температуры окружающей среды (рабочий диапазон температур от - 50 до + 800 С); высокое шумопоглощение;

готовое изделие из него получается беспористым и однородным; низкая теплопроводность (высокая теплоизоляционная способность);

высокая электроизоляционная способность; высокие антибактериальные свойства;

отсутствие радиоактивного фона, присущего природному камню; стойкость к некоторым химически агрессивным средам и коррозии;

способность к восприятию ударных нагрузок; стойкость к вибрационным нагрузкам; высокая износостойкость;

поддается механической обработке (резка, фрезерование, шлифование, полирование и т.д.), а также склеиванию (используется специальный высокопрочный клей, шов затем полируется и становится невидимым) и монтажу;

ремонтопригодность;

возможность использовать отходы производства (например, мраморную крошку);

длительный срок эксплуатации;

отличное качество поверхности, красивый внешний вид; материал полностью приспособлен для производства изделий, отвечающих требованиям современного дизайна; невысокая стоимость производства; сравнительно небольшие производственные площади.

Особенностью механических свойств ЛИК, как и натурального камня, является малый уровень деформаций (0,5% при сжатии и 0,05% при растяжении). Точное определение характеристик подобных материалов в таком диапазоне деформаций возможно лишь при использовании современного оборудования и методов испытаний, позволяющего с высокой точностью регистрировать перемещения и деформации.

Для определения механических свойств исследуемого ЛИК применялась современная универсальная испытательная машина ZWICKZ100 (Германия). Установка предназначена для измерений силы, деформации и перемещения в процессе испытания конструкционных материалов на растяжение и сжатие в широком диапазоне скоростей деформаций и напряжений [4].

При испытаниях на растяжение и сжатие испытываемый образец устанавливается в захватах между подвижной и неподвижной траверса-ми.Нагружение образца осуществляется за счет перемещения активного захвата в заданном режиме. В процессе испытания возможно реализовать режимы нагружения образца с постоянной скоростью изменения напряжений, силы, перемещения активного захвата или деформации.

По результатам испытаний были определены предел прочности, модуль упругости и характеристики трещиностойкости ЛИК.

Для определения коэффициента Пуассона необходимо проводить одновременные измерения продольной и поперечной деформаций при растяжении и сжатии. В комплект используемой установки ZWICKZ100 не входит экстензометр для измерений поперечной деформации. В этой связи для определения коэффициента Пуассона и уточнения значения модуля упругости материала проведена серия статических испытаний на растяжение и сжатие с использованием тензометрического метода измерения продольной и поперечной деформации в процессе испытаний с применением цифрового тензоусилителя и персонального компьютера. Выходной сигнал с усилителя подавался на персональный компьютер для регистрации и обработки экспериментальных данных. Таким образом, осуществлялось синхронное измерение продольной и поперечной деформации в процессе испытаний, что позволило значительно повысить точность определения коэффициента Пуассона.

Собранная полумостовая схема подключалась к цифровому тензо-усилителю типа Spider-8, фирмы «Хоттингер» (Германия),преобразующего изменение электрического сопротивления тензодатчика в деформацию материала.

Механические свойства ЛИК при растяжении определены по результатам испытаний образцов материала в виде двойной лопатки при постоянной скорости деформации. Для измерения деформации образца использовался стандартный экстензометр, входящий в комплект установки ZWICKZ100 или тензодатчики, наклеенные на поверхность образца. Температура при проведении испытаний составляла Т =20±10С.

486

На рис. 1 представлена характерная кривая растяжения исследуемого ЛИК, полученная при постоянной скорости деформации е = 0,01 п-. Анализ кривой растяжения дает возможность определить значения предельной деформации, предела прочности как наибольшего значения напряжения и модуля упругости как тангенса угла наклона прямой линии, аппроксимирующей начальный участок диаграммы.

Рис. 1. Экспериментальная кривая растяжения ЛИК,

полученная при скорости деформации 0,01 с-1

Следует отметить низкий уровень предельной деформации ЛИК при растяжении и отклонение диаграммы от линейности при нагрузках, близких к предельным. Можно предположить, что снижение сопротивления деформированию материала при высоких уровнях нагрузок обусловлено процессом накопления повреждений в виде нарушения прочности скрепления между полимерной матрицей и частицами зернистого наполнителя. По результатам серии испытаний [5] определены модуль упругости, предел прочности и предельная деформация материала:

ов =4,85 МПа, епр =0,0423% .

Среднее значение модуля упругости указано далее с учетом данных тензометрических измерений.

Использованная модификация установкиZWICKZ100 не оснащена датчиком поперечной деформации. В этой связи для определения коэффициента Пуассона использовался тензометрический метод измерения продольной и поперечной деформации в процессе ступенчатого нагружения образца. При каждом заданном уровне силы проводилось измерение деформаций образца с применением цифрового тензоусилителя типа Spider-8.

На рис.2 и 3 представлены характерные экспериментальные зависимости напряжения и поперечной деформации от продольной деформации, полученные в испытаниях с тензометрированием при растяжении. Зависимость напряжения от продольной деформации позволяет уточнить значения модуля Юнга, полученные по результатам монотонных испытаний с использованием стандартного экстензометра.

На диаграммах растяжения нанесены прямые линии, полученные как результат линейной аппроксимации экспериментальных данных, определяющей модуля упругости и коэффициента Пуассона исследуемого материала. Из анализа графиков на рис. 2 и 3, полученных по результатам тензометрических измерений, видно, что экспериментальные зависимости удовлетворительно аппроксимируются прямыми линиями, наклоны которых определяют модуль упругости и коэффициент Пуассона материала с учетом данных, полученных в результате испытаний.

Рис.2. Диаграмма растяжения и линейная аппроксимация зависимости напряженияот продольной деформации при тензометрировании

488

-0,002

о\°

-0,004

Я т

-0,006

о ш н

^ -0,008

К Р Ш СР ш

к -0,010 о и

-0, 012--1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045

Продольная деформация

Рис.3. Зависимость поперечной деформацииот продольной

деформации при растяжении, полученная по результатам тензометрических измерений

После статистической обработки результатов испытаний на растяжение были получены следующие средние значения предельных характеристик материала: ов =4,85 МПа, епр =0,0423% .

Среднее значение модуля Юнга Е =14 000 МПа.

Средние значения модуля упругости и коэффициента Пуассона при растяжении по данным испытаний тензометрическим способом измерения деформации: Е=15 216 МПа, т =0,276.

Статистические оценки для модуля упругости определялись в совокупности с анализом данных на растяжение: среднее значение модуля упругости по результатам испытаний материала по двум методикам составляет Е = 14 300 Мпа.

Механические свойства изучаемого ЛИК при сжатии определены по результатам испытаний образцов материала в виде прямоугольно параллелепипеда при постоянной скорости изменения напряжения. Для измерения деформации образца использовался стандартныйэкстензометр или тензодатчики, наклеенные на поверхность образца. Температура при проведении испытаний составляла О = 20 ± 10N .

489

На рис. 4 представлена характерная диаграмма напряжение-деформация при сжатии исследуемого ЛИК, полученная при постоянной скорости изменения напряжения 1МПа/с. По результатам испытаний определены предел прочности, предельная деформация и модуль упругости материала.

Полученный уровень предельной деформации (около 0,5%) существенно превосходит предельное значение относительного удлинения при растяжении (около 0,04%).

зо ооо -

20 000

I

10 000

1 1 1 1 1 1 1 1 1 / 1 уГ I 1 1 \ / г \ 1 \ ' V » 1 1 1 г

—[—1—1—1—1—1—1—1—1— 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 | 1 1 1 1 1 . , 1

0,0 0,5 1,0

Деформация, %

Рис. 4. Экспериментальная зависимость напряжений от деформации ЛИК при сжатии, полученнаяпри скорости изменения напряжения 1МПа/с

Определение коэффициента Пуассонакак при сжатии, таки при растяжении проведено с использованием тензометрического метода измерения деформации. При этом нагружение образца осуществлялось по ступенчатой программе изменения силы. При каждом заданном уровне силы производилось измерение деформаций образца с применением цифрового тензоусилителя типа Spider-8. На рис. 5 и 6 приведены зависимости напряжения и поперечной деформации от продольной деформации, полученные в испытаниях с тензометрированием при сжатии. На этих же графиках нанесены прямые линии, полученные как результат линейной аппроксимации экспериментальных данных. Как видно из представленных данных, экспериментальные зависимости удовлетворительно аппроксимируются прямыми линиями, наклоны которых определяют модуль упругости и коэффициент Пуассона материала с учетом данных, полученных по диаграммам «Напряжение - деформация».

1-'-1-1-1-1-1-1-'-г

о 2 л е 8 ю

Мадупь продольной деформации,

Рис. 5. Начальный участок диаграммы сжатия. Зависимость напряжения от продольной деформации при тензометрировани

0,035•

0,030-

К (О

а а о е ш и

0,025•

0,020-

0,015 -

к

(О

я

л

ч о и

о

а 0,010-

Эксперимент Линейная аппроксимация

°,°05-|-1-.-1-.-1-.-1-.-1-.-1-.-г

-0,08 -0,07 -0,06 -0,05 -0,04 -0,03 -0,02

Поперечная деформация

Рис. 6. Экспериментальная зависимость поперечной деформации от продольной деформации при сжатии, полученная по результатам

тензометрических измерений

491

В результате статистической обработки результатов серии испытаний получены следующие средние значения механических характеристик материала при сжатии: ов =74,5 МПа, епр =0,374%, Е =18 900 МПа

Средние значения модуля упругости и коэффициента Пуассона в ходе испытаний на сжатие при тензометрическом методе определения продольной и поперечной деформаций имеют следующие значения:

Е =21 444,97 МПа, т =0,398.

В работе [6] при численном моделировании процессов гидравлического разрушения горной породы для модуля упругости при сжатии принято Е=42 000 МПа, а для коэффициента Пуассона т=0,25. В работе [7] для коэффициента Пуассона скальных пород рекомендованы следующие значения:т =0,26...0,29, что удовлетворительно согласуется с данными, представленными в настоящем исследовании.

Одной из важнейших характеристик, определяющих работоспособность изделий и конструкций из хрупких материалов, является вязкость разрушения [8], определяющая сопротивление материала к образованию и развитию трещин. Классические теории прочности рассматривают только внешнюю сторону процесса разрушения, но не связаны с внутренними процессами, происходящими в материале до момента разрушения. В исследуемом ЛИК, как и во всех реальных материалах, имеются нарушения структуры в виде дислокаций, пор и трещин.Однако при рассмотрении процессов деформирования, определении напряжений и характеристик прочности наличие дефектов не мешает считать материал однородным. Тем не менее, процесс разрушения сопровождается образованием трещин в окрестности исходных дефектов структуры и их развитием при дальнейшем нагружении.

В данной работе для определения характеристик трещиностойкости исследуемого ЛИК использованы метод податливости для определения интенсивности высвобождения энергии 01С и метод К -тарировки для определения критического значения коэффициента интенсивности напряжений. В соответствии с методом податливости проведена серия испытаний на трехточечный изгиб образцов-брусов прямоугольного сечения с центральными краевыми надрезами [8].

На рис. 7 представлены экспериментальные зависимости сосредоточенной силы Р от перемещения 5, полученные при испытании образцов с глубиной надреза 5 и 12 мм.Подобные данные использовались для определения экспериментальной зависимости податливости бруса 1 от относительной длины трещины (надреза) I / Ь. Естественной особенностью этой зависимости является то, что податливость возрастает с увеличением глубины надреза и для аппроксимации экспериментальной зависимости возможно использовать монотонную функцию.

492

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Перемещение, мм

Рис. 7. Экспериментальная зависимость сосредоточенной силы Р от перемещения д образцов с различными размерами надрезов:

1 - 5мм; 2 - 12 мм

На рис. 8 представлена экспериментальная зависимость податливости 1 от относительной длины исходной трещины (надреза) I / Ь.

Полученная зависимость 1(1 / Ь) аппроксимировалась экспоненциальной зависимостью

1

В соответствии с принятой методикой вязкость разрушения определяется по формуле

С, = 4 ,

1С 2НЬ

где Р - наибольшее значение прикладываемой силы, которое соответствует моменту начала движения трещины;^, Ь- высота и толщина образца; 1 - податливость бруса; ( = 1/Ь - относительная длина трещины (надреза).

Экспериментальные оценки вязкости разрушения рассматриваемого ЛИК получены для следующих надрезов: I =5мм и I =12 мм. Разрушающие нагрузки составляли Ркр =212Н и Ркр =83 Н соответственно.

В результате для этих двух вариантов надрезов по формуле (2) получены следующие значения интенсивности высвобождения энергии:

ОСС =110,1 Н/м, ОСС =57,7 Н/м.

Различия в значениях интенсивности высвобождения энергии для образцов с различной глубиной надреза обусловлены естественным разбросом свойств материала и погрешностями измерений.

493

0.0 0 6 о -,

0.0 о о о

0 1 0.2 0.3 0.4 0.5

Относительная Одина ирещняы, Ш

Рис. 8. Зависимость податливости 1 от относительной длины

трещины 1/Ь

Экспериментальные данные, полученные при испытаниях на изгиб образцов с надрезами, позволяют определить другую характеристику тре-щиностойкости материала - критическое значение коэффициента интенсивности напряжений К1С . Для этого использовался метод К -тарировки.

В соответствии с этим методом К1С определяется как предельное значение коэффициента интенсивности напряжений при изгибе образца с трещиной с заданными геометрическими размерами [8]

К1СНЬ2

р V/

кр 4

Ш,

где Ркр - предельное значение силы, соответствующее разрушению образца; И и Ь - высота и толщина образца; / - глубина исходной трещины; 71(Р)- поправочный коэффициент, учитывающий конечные размеры образца.

Для выбранной геометрии образца и схемы испытания функция У1(Р) имеет вид [8]

71(Р) = 1,0375-2,99Ь + 14,3125р2 -24,8275р3 + 25,655р4,

Ш = А0 + + лр2 + лр3 + лр4.

В результате вычислений по формуле (4) получены следующие значения КС изучаемого материаладля надрезов глубиной I =5мм и I = 12 мм:

К1С =1,11 МПа м1/2 и К1С = 1,1 МПа м1/2.

Соотношения линейной механики разрушения, используемые для оценки сопротивления хрупкого разрушения образцов из рассматриваемого ЛИК, позволяют вычислить интенсивность высвобождения энергии по известным значениям К1С и упругим характеристикам материала:

К 2

Сс = кКг.

Е

Для выбранной схемы испытаний к = 1 - т2. С использованием полученных в работе значений К1С и упругих характеристик материала (Е=14 300МПа, т =0, 276) расчетные значения для указанных двух надрезов таковы:

СС = 77,1 Н/м и Ссс = 63,8 Н/м, что удовлетворительно согласуется со значениями, полученными при использовании метода податливости.

В работе [9] приведены следующие характеристики натурального

1/2

гранита: К1С =1,08 МПа- м , предел прочности при растяжении ов = 19,5 МПа. Следует отметить, что вязкость разрушения ЛИК практически совпадает с этой характеристикой для гранита. Данные по прочности натурального природного материала несколько отличаются от данных для ЛИК, представленных в настоящей работе. Тем не менее, следует отметить, что для натуральных пород (в том числе и для гранита) имеет место достаточно большой разброс величин механических характеристик. Так, в работе [10] значения модуля упругости для гранита приведены в пределах от 35 000 до 100 000 МПа. Характеристики натурального гранита зависят от многих факторов, например, от месторождения данного камня, от глубины залегания, геологического строения массива и проч.

Выводы.Разработаны и реализованы следующие методики экспериментального исследования механических свойств литьевого искусственного камня: методика определения упругих характеристик при растяжении и сжатии; методика определения упругих постоянных при растяжении и сжатии с использованием тензометрических методов измерения деформации; методика экспериментального исследования реологических свойств; методика экспериментального определения характеристик трещиностой-кости исследуемого материала.

По результатам механических испытаний с использованием современного измерительного оборудования определены следующие величины для ЛИК: упругие характеристики при растяжении и сжатии; методами податливости и К -тарировки получены экспериментальные значения ха-

рактеристик вязкости разрушения исследуемого материала: интенсивности высвобождения энергии G1C и критическое значение коэффициента интенсивности напряжений K1C.

Показано, что механические характеристики ЛИК, полученные с использованием стандартного датчика силы и экстензометра, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, найденными с помощью тензометрического метода измерения деформации; полученные значения механических характеристик материала сопоставимы с аналогичными характеристиками натурального природного камня.

Список литературы

1. Мэтьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. М.: Техносфера, 2004. 408с.

2. Ершова А.Ю., Мартиросов М.И. Особенности и преимущества использования литьевого искусственного камня // Материалы Х международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред». М.: МАИ, 2004. Т.1.С.145-146.

3. Ершова А.Ю., Мартиросов М.И. Литьевой искусственный камень: технология производства // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии-2006». М.:МАТИ, 2006.Т.1. С. 122-123.

4. Ершова А.Ю., Мартиросов М.И., Рабинский Л. Н. Определение механических характеристик полимерных композиционных материалов мелкозернистой структуры // Тезисы докладов конференции «XVII Петербургские чтения по проблемам прочности и роста кристаллов». СПб., 2008.Ч.1. С.200-202.

5. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента: справочноепособие. М.: Наука, 1971.192 с.

6. Numerical Simulation of Propagation with Shear Slip Induced by Hydraulic Fracturing. Nihon kikaigakkaironbunshu /M.Uchigata, M.Itaoka, K.Sato, T.Hashida// A Trans. Jap. Spc. Mech. Engl.A.2006. V. 72, №716.P.419-424.

7. Спивак А.И., Попов А.Н. Механика горных пород. М.: Недра, 1975. 200 с.

8. У. Браун, Дж. Сроули Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации. М.: Мир, 1972. 246с.

9. Прогнозирование динамической вязкости разрушения горных пород /Н.Ф.Морозов, Ю.В.Петров, В.И.Смирнов, С.И. Кривошеев // Проблемы механики деформируемых твердых тел и горных пород: сборник статей к 75-летию Е.И. Шемякина. М.: Физматлит, 2006. С.484-496.

10. Абрамсон М.Г., Байдюк Б.В., Зарецкий В.С. Справочник по механическим и абразивным свойствам горных пород нефтяных и газовых месторождений. М.: Недра, 1984. 207 с.

496

Ершова Алена Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, YershovaA@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),

Мартиросов Михаил Иванович, канд. техн. наук, доцент, Yershova A a mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт

EXPERIMENTAL STUDY MECHANICAL CHARACTERISTICS DISCRETE-REINFORCED COMPOSITE MA TERIALS ON POLYESTER BASE

A.Yu. Ershovа, M.I. Martirosov,

Composite materials and structures are introduced into the modern industry at a very high rate, from small secondary parts to the most important systems.This trend is associated with the possibilities that opens up the use of new materials, the use of which in engineering is impossible without a significant amount of research work on the study of the mechanical properties of these materials.The article presents an experimental study of the mechanical properties of a new type of granular composites - cast artificial stone , namely, the development of methods and testing to determine the mechanical characteristics of the material.

Key words: discrete-strengthened composites, experimental studies, mechanical properties of the material, granular composites, cast artificial stone.

Ershova Alena Yurievna, candidate of technical sciences, docent, Yershova A@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),

Martirosov Mikhail Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, Yershova A@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute