Способ определения показателей трещиностойкости композиционных материалов с трансверсальным армированием прошивочной нитью Российский патент 2023 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к экспериментальным методам оценки свойств полимерного композиционного материала (ПКМ), и может быть использовано для определения показателей трещиностойкости армированных прошивочной нитью ПКМ при моде нагружения I с использованием стандартных образцов в виде двойной консольной балки (ДКБ).

Известен «метод определения удельной работы расслоения в условиях отрыва G_IC» при котором усилия раскрытия трещины прилагаются к образцу в виде ДКБ через петли или блоки нагружения, приклеенные к противоположным поверхностям на одном конце образца, с предварительно выполненным по центру его толщины расслоением. При испытании фиксируют прикладываемое усилие и длину трещины, по которым рассчитывают критическое значение вязкости межслойного разрушения в условиях отрыва по моде I (ГОСТ Р 56815-2015).

Недостатком данного способа является то, что при испытании ПКМ с высокой межслоевой прочностью, в том числе материалов с трансверсальным армированием, в испытуемом образце ДКБ возникают повышенные нагрузки, необходимые для раскрытия трещины, что приводит к изгибу тонких полубалок, вплоть до их излома, и не позволяет достоверно и точно определять показатели трещиностойкости материала.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ определения показателей трещиностойкости материалов на стадии остановки трещины, по которому для нагружения образца ДКБ, с предварительно выполненной исходной трещиной, используют нагружатель в виде клина, воздействуя на образец расклинивающим усилием, затем регистрируют значение усилия при старте и остановке трещины, и с их учетом рассчитывают характеристику трещиностойкости материала (А.с. СССР SU № 1478080 A1, МПК G01N 3/00, опубл. 07.05.1989).

Недостатком данного способа является то, что при вычислении показателей трещиностойкости по зарегистрированному значению приложенного усилия не учитываются силы трения, возникающие при расклинивании образца нагружателем в виде клина, что не позволяет достоверно и точно определять показатели трещиностойкости материала. Кроме того, при испытании ПКМ с армированием прошивочной нитью, при регистрации только значения усилия необходимого для раскрытия трещины, отсутствует возможность определения значения вязкости межслойного разрушения по локальному расположению трещины.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности определения показателей трещиностойкости ПКМ с трансверсальным армированием прошивочной нитью и их определение по локальному расположению трещины, за счет исключения влияния сил трения на итоговый результат и расчета вязкости межслойного разрушения по измеренной локальной длине трещины.

Указанная задача решается тем, что предложен:

1. Способ определения показателей трещиностойкости композиционных материалов с трансверсальным армированием прошивочной нитью, включающий размещение в нагружающем устройстве образца в виде двойной консольной балки с исходной трещиной, заданной в направлении оси образца, воздействие на образец в зоне исходной трещины усилием через рабочий элемент нагружающего устройства, отличающийся тем, что образец нагружают рабочим элементом в виде прямоугольной металлической пластины толщиной в два раза больше толщины образца, рабочая поверхность которой имеет спуск под углом равным углу раскрытию трещины, длиной не более 1/2 длины исходной трещины, со скругленной нижней кромкой рабочей поверхности, и измерение локальной длины трещины, по которой рассчитывают локальную вязкость межслойного разрушения.

Способ по п.1, отличающийся тем, что образец нагружают рабочим элементом пошагово на заранее определенное расстояние, с заранее определенной скоростью.

Рабочий элемент в виде металлической пластины толщиной в два раза больше толщины образца со спуском длиной не более ½ длины исходной трещины обеспечивают необходимое для роста трещины раскрытие, и исключают возможность препятствия трансверсальной системы армирования продвижению клина.

Спуск рабочего элемента под углом равным углу раскрытия трещины, и скругленная нижняя кромка рабочей поверхности обеспечивают большую площадь контакта рабочего элемента с поверхностью консолей образца, что помогает предотвратить их излом, снизить возникающие при продвижении клина силы трения, и получить более точные определения показателей трещиностойкости.

Измерение локальной длины трещины, позволяет производить расчеты параметров трещиностойкости, без учета усилия необходимого для раскрытия трещины, тем самым исключая влияние сил трения на точность полученных результатов, а также позволяет производить оценку параметров трещиностойкости ПКМ с трансверсальным армированием прошивочной нитью с учетом локального расположения трещины.

Пошаговое нагружение образца на заранее определенное расстояние, с заранее определенной скоростью снижает вероятность возникновения крутящих и сдвиговых эффектов в вершине трещины, и уменьшает влияние сил инерции рабочего элемента на показатели трещиностойкости, тем самым повышая точность ее определения.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема нагружения образца; на фиг. 2 изображен фрагмент клина; на фиг. 3 представлена фотография испытания; на фиг. 4 схематически изображены два основных типа локальных зон ПКМ трансверсально армированного прошивочными нитями.

Способ определения показателей трещиностойкости композиционных материалов с трансверсальным армированием прошивочной нитью заключается в определении значения длины трещины после расслаивания предварительно сформированной исходной межслоевой трещины 4 (фиг. 3) расположенной на одном конце образца 1 (фиг. 1 и фиг. 3) в виде ДКБ по центру его толщины, под действием нагрузки, которая передается при помощи рабочего элемента 2 (фиг. 1 и фиг. 3) в виде клина, продвигающегося с шагом постоянной длины при статическом и высокоскоростном нагружении.

Образец 1 (фиг. 1 и фиг. 3) и рабочий элемент 2 (фиг. 1 и фиг. 3) размещаются в захватах 3 (фиг. 1) нагружающего устройства (на чертеже не показан). При испытании, образец 1 (фиг. 1 и фиг. 3) нагружают с заданной скоростью, пошагово, рабочим элементом 2 (фиг. 1 и фиг. 3) в виде прямоугольной металлической пластины толщиной h в два раза больше толщины образца 1 (фиг. 1 и фиг. 3), обеспечивая таким образом раскрытие трещины 5 (фиг. 3) необходимое для ее роста. Площадь контакта рабочего элемента 2 (фиг. 1 и фиг. 3) с поверхностями консолей образца 1 (фиг. 1 и фиг. 3) увеличивается за счет спуска рабочей поверхности 6 (фиг. 2) под углом Y равным углу раскрытию трещины 4 (фиг. 3) и скругленной нижней кромкой 7 (фиг. 2) , что позволяет избежать излишнего изгиба тонких полубалок 11 (фиг.1 и фиг.3) и их излома при испытании образцов с высокой межслоевой прочностью, в том числе ПКМ с трансверсальным армированием прошивочными нитями. Для предотвращения препятствия продвижению рабочего элемента 2 (фиг. 1 и фиг. 3) трансверсальной системой армирования, длина спуска L его рабочей поверхности 6 (фиг. 2) выполняется длиной не более ½ длины исходной трещины 4 (фиг. 3).

После прорастания трещины 4 (фиг. 3), производят измерение ее длины для ПКМ с трансверсальным армированием с учетом ее локального расположения: в области с деформированием и разрушением трансверсального армирования 8 (фиг. 4) в виде переплетения прошивочных нитей 9 (фиг. 4); области между переплетениями 10 (фиг. 4) прошивочных нитей 9 (фиг. 4). По полученным после прорастания трещины 4 (фиг. 3) данным о ее длине, производят расчет показателей трещиностойкости ПКМ с трансверсальным армированием прошивочной нитью с учетом локального расположения трещины 4 (фиг. 3) по известной в линейной упругой механике разрушения формуле определения вязкости межслойного разрушения .

,

где Е - модуль упругости материала при изгибе;

h - полутолщина образца;

δ - раскрытие трещины;

a₀ - длина трещины до прорастания (исходная).

Для определения высокоскоростных (ударных) показателей трещиностойкости, испытания проводят при заранее заданной скорости нагружения.

При испытании образцов с высокой межслоевой прочностью без трансверсального армирования прошивочной нитью, определяют средние значения показателей трещиностойкости.

Способ определения показателей трещиностойкости композиционных материалов с трансверсальным армированием прошивочной нитью позволяет обеспечить высокую точность определения параметров трещиностойкости ПКМ, за счет исключения влияния сил трения на результат, а также позволяет определять показатели трещиностойкости ПКМ с трансверсальным армированием прошивочной нитью по локальному расположению трещины, за счет применения рабочего элемента с предложенными геометрическими параметрами, и расчета вязкости межслойного разрушения по измеренной локальной длине трещины.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к экспериментальным методам оценки свойств полимерного композиционного материала (ПКМ), и может быть использовано для определения показателей трещиностойкости армированных прошивочной нитью ПКМ при моде нагружения I с использованием стандартных образцов в виде двойной консольной балки (ДКБ). Сущность: осуществляют размещение в нагружающем устройстве образца в виде двойной консольной балки с исходной трещиной, заданной в направлении оси образца, воздействие на образец в зоне исходной трещины усилием через нагружающее устройство с рабочим элементом в виде прямоугольной металлической пластины толщиной в два раза больше толщины образца, рабочая поверхность которой имеет спуск под углом, равным углу раскрытию трещины, длиной не более 1/2 длины исходной трещины, со скругленной нижней кромкой рабочей поверхности, измерение локальной длины трещины, по которой рассчитывают локальную вязкость межслойного разрушения. Технический результат: повышение точности определения показателей трещиностойкости ПКМ с трансверсальным армированием прошивочной нитью и их определение по локальному расположению трещины. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения показателей трещиностойкости композиционных материалов с трансверсальным армированием прошивочной нитью, включающий размещение в нагружающем устройстве образца в виде двойной консольной балки с исходной трещиной, заданной в направлении оси образца, воздействие на образец в зоне исходной трещины усилием через рабочий элемент нагружающего устройства, отличающийся тем, что образец нагружают рабочим элементом в виде прямоугольной металлической пластины толщиной в два раза больше толщины образца, рабочая поверхность которой имеет спуск под углом, равным углу раскрытия трещины, длиной не более 1/2 длины исходной трещины, со скругленной нижней кромкой рабочей поверхности, и измерение локальной длины трещины, по которой рассчитывают локальную вязкость межслойного разрушения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образец нагружают рабочим элементом пошагово на заранее определенное расстояние, с заранее определенной скоростью.