Определяемые свойства материалов
При оценке механических свойств различают несколько видов показателей.
1. Показатели свойств материалов, определяемые вне зави-симости от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти показатели определяют путем стандартных испытаний образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость. Проч-ностные и пластические показатели свойств, выявляемые при статических испытаниях на гладких образцах, не полностью характеризуют прочность материала в реальных условиях эксплуатации. Полученные результаты можно использовать лишь для расчета деталей и конструкций, работающих при нормальных условиях и действии статических нагрузок.
2. Показатели конструктивной прочности материалов, характеризующие их работу в условиях эксплуатации конкретного изделия. К этим показателям относятся характеристики долговечности изделий (усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная стойкость) и надежности материалов в изделии (вязкость разрушения, живучесть при циклическом нагружении и т.д.). Количественные характеристики перечисленных свойств определяют при статических и динамических испытаниях образцов с острыми трещинами, аналогичными тем, которые имеются в реальных деталях конструкций в виде надрезов, отверстий, дефектов материала (пор, микропустот, инородных включений и т.п.).
3. Показатели технолигичности конструкционных материалов. Технологические свойства материалов должны обеспечивать возможно меньшую трудомкость изготовления деталей и конструкций. Технологичность характеризуют способностью материала приобретать заданную форму при действии температурных факторов и давления, подвергаться механической обработке, соединяться различными методами и т.д. Различия упругих, прочностных и других свойств, присущих разным материалам, тесно связаны с их составом и структурой. Изменения состава и структуры (внутреннего строения) определенным образом бтражаются и на свойствах материалов. Знание закономерностей, обусловливающих в материале наличие тех или иных физических, механических, теплофизических, технологических и иных свойств, позволяет рационально использо-
|
|
|
340
4. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИЙ
вать их при создании современных эффективных конструкций в различных областях техники.
Методы испытаний
Конструкционные композиционные материалы для оценки их прочности и жесткости подвергают механическим испытаниям. В соответствии с характером воздействия на материалы методы испытаний подразделяют на прямые (разрушающие и методы, основанные на непосредственном измерении перемещений и деформаций, т.е. методы механических испытаний) и косвенные (неразрушающие методы). Неразрушающие методы испытаний развиваются по трем направлениям: контроль физико-механических характеристик, дефектоскопия элементов конструкций и измерение напряжений. Косвенные неразрушающие методы исключительно важны. Однако их необходимо обосновывать и проверять при помощи прямых методов. С помощью прямых методов испытаний получают сведения о свойствах материалов, необходимых при проектировании конструкций.
|
|
|
Разработка и применение композитов в ответственных вы-соконагруженных конструкциях вновь заставляет обратиться к методам механических испытаний, так как методы, применяемые для испытаний металлов, оказались недостаточными. В настоящее время исследовательская практика значительно обогнала методы испытаний, регламентируемые существующими стандартами. Многочисленные исследования композитов на основе разных методов создали обстановку противоречивых суждений о конструкционных возможностях этих материалов и обусловили необходимость критического анализа существующих методов, их оценки и обобщения.
Образцы для испытаний
|
|
|
При выборе формы и способа изготовления образцов из КМ необходимо правильно смоделировать все условия и процессы изготовления предполагаемого материала, изделия или конструкции. Форма образцов для механических испытаний должна быть подобной форме изготавливаемой конструкции. Наглядным примером удачного выбора формы образца явля-
341
5.1. Общая характеристика испытаний
ется использование кольцевых образцов для исследования ме ханических свойств намоточных изделий, имеющих форму тел вращения.
Методы изготовления материала конструкции, соответствующие им образцы и методы испытания показаны на рис. 5.1, Как видно из этого рисунка, в зависимости от способа изго товления образцы для механических испытаний подразделяют на плоские и тела вращения (кольца, трубы). Плоские образцы в свою очередь подразделяют на стержни и пластины.
Представленные схематически на рис. 5.1 образцы и методы испытаний служат для паспортизации монослоя. Как видно ич рисунка, для паспортизации плоских монослоев достаточно иметь образцы одинаковой формы, но с различной укладкой арматуры; для паспортизации намоточных монослоев — образцы разной формы (кольцевые и трубчатые). Кольцевые однонаправленные образцы используют для экспериментального определения характеристик в направлении укладки наполнителя, трубчатые с углом намотки 90° — для определения характеристик в направлении, перпендикулярном направлению укладки наполнителя. Однако назначение трубчатых образцов этим не ограничивается — трубчатые образцы с различной симметричной (относительно продольной оси образца) укладкой наполнителя используют для определения характеристик сдвига и для изучения сложного напряженного состояния; эти способы нагружения на рис. 5.1 не показаны.
|
|
|
К образцу, используемому для механических испытаний, предъявляют следующие требования: возможность применения для всех видов механических испытаний; простота закрепления в испытательной машине; нечувствительность к способу закрепления; воспроизводимость характера разрушения; возможность применения для определения упругих характеристик и исследования влияния окружающей среды.
Форма образца также в значительной степени зависит от цели испытания: проверка научных гипотез; техническая паспортизация материалов; контроль качества метериалов. В научных исследованиях для оценки определенного явления или эффекта применяют специальные образцы и способы их нагружения, которые не пригодны для серийных испытаний (к образцам этого типа относят образцы с укладкой наполнителя
342
5. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИИ
Испытания
Рис.5.1. Методы изготовления материала, конструкции, соответствующие им образцы и схемы испытания
343
5.1. Общая характеристика испытаний
под углом к направлению действия нагрузки или с неоднород ной по толщине укладкой армированных слоев).
Количественная оценка механических характеристик является основой для технической паспортизации материала. Для ее получения применяют простые, изготовленные предпочти тельно из ортотропного материала, образцы, в рабочей части которых обеспечено однородное одноосное напряженное состояние. Для упрощения эксперимента и обработки результатов испытания в образцах этой группы должна быть обеспечена симметрия структуры как в плоскости, так и по толщине образца. В случае, когда последнее требование технологичес ки невыполнимо (например, в намоточных изделиях), все побочные отрицательные явления, связанные с несимметрией структуры, устраняются выбором достаточно большого количества армирующих слоев. При испытаниях неоднородных по толщине материалов обработку результатов следует проводить с учетом особенностей их деформирования; в противном случае грубые погрешности неизбежны. И, наконец,' образцы, применяемые в механических испытаниях для контроля качества изготовления, не обязательно должны быть пригодными для количественной оценки механических характеристик материала.
Статистическая природа прочности армированных КМ обусловливает влияние геометрических размеров на прочность этих материалов в конструкции. В отличие от конструкционных материалов свойства КМ зависят от размеров образца, что проявляется даже при статическом нагружении в условиях однородного напряженного состояния. Это явление называют масштабным эффектом. При растяжении кратковременная статическая прочность уменьшается с увеличением площади поперечного сечения образца; снижение прочности наблюдается также и при малых толщинах образца.
Пониженная прочность толстостенных образцов объясняется тем, что с увеличением площади поперечного сечения возрастает вероятность появления дефектов, приводящих к снижению прочности.
У тонкостенных образцов снижение прочности является следствием относительно большого влияния повреждений поверхности (отсюда и более высокие требования к технологии
344
5 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИЙ изготовления и механической обработке образцов малых размеров) и нарушения условия перехода к сплошной среде (недостаточное количество слоев наполнителя).
Масштабный эффект имеет отчетливо выраженный анизотропный характер. Влияние размеров образца на прочность зависит от того, за счет какого размера происходит изменение
объема.
Масштабный эффект при разных видах нагружения и для разных типов КМ, как и влияние концентрации напряжений на прочность КМ при разных видах нагружения, исследованы явно недостаточно. Однако известно, что наличие сравнительно небольших источников концентрации напряжений (имеются в виду только механические повреждения структуры материала — трещины, царапины на поверхности, надрезы, а не резкие изменения формы изделия) приводит к заметному уменьшению прочности. Например, при нанесении на образец двух царапин глубиной 0,2 мм, составляющей 0,1 от толщины образца, понижает прочность углепластика при трехточечном изгибе примерно на одну треть. Поэтому вполне справедливы весьма жесткие требования разных стандартов к чистоте механической обработки образцов и обращению с ними: например, не допускается нанесение на образец разных отметок острым, режущим инструментом.
5.2. Определение свойств волокнистых армирующих наполнителей
Измерение характеристик волокнистых наполнителей включает в себя уточнение паспортных данных. Набор этих данных может меняться в зависимости от текстильной формы наполнителя (нити, жгуты, ленты), колебаний качества исходного сырья, технологических режимов, а также от завода-изготовителя.
К основным паспортным характеристикам волокнистых наполнителей относят линейную плотность, разрывную нагрузку, относительную разрывную нагрузку при разрыве петлей, плотность, модуль упругости при растяжении, массовую долю аппрета.
345
| [ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИЙ |
| 5. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИЙ |
5.2. Определение свойств волокнистых наполнителей
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 402; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!