Способ определения усталостных характеристик полимерных композиционных материалов в условиях циклического изгибающего нагружения Российский патент 2024 года по МПК G01N3/20 

Изобретение относится к способам определения усталостных характеристик плоских образцов армированных волокнами полимерных композиционных материалов постоянного прямоугольного сечения и может быть использовано при оценке изменения их прочности, интенсивности накопления поврежденности и наступления локальной релаксации напряжений в материале матрицы в условиях многоциклового изгибающего нагружения.

В процессе эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов подвергаются воздействию нагрузок статического и динамического характера. Наиболее распространенными являются деформации изгиба (статического или циклического). Поэтому на этапе проектирования изделий из полимерных композиционных материалов для оценки их циклической долговечности необходимо иметь инструмент, позволяющий точно оценить изменение усталостных характеристик при различном количестве циклов изгибающего нагружения.

Известен способ определения характеристик усталости в условиях циклического нагружения (см. ГОСТ 33845-2016 «Композиты полимерные. Метод определения характеристик усталости в условиях циклического нагружения»). Сущность способа заключается в трех- или четырехточечном изгибе плоского образца постоянного прямоугольного сечения, свободно лежащего на двух опорах, с постоянной скоростью нагружения до момента разрушения образца или до того момента, когда деформация растяжения на внешней поверхности образца достигнет предварительно заданного значения, с определением: прочности при изгибе; модуля упругости при нагружении образца в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования; максимальной деформации растяжения на внешней поверхности образца; диаграммы деформирования в координатах напряжение - прогиб.

Недостатком известного способа является то, что при его реализации измеряют предельное число циклов до разрушения и реакцию образца на действующую нагрузку, поэтому при использовании данного способа нет возможности оценить изменение прочности в процессе многоциклового нагружения, интенсивность накопления поврежденности и наступление локальной релаксации напряжений в материале матрицы полимерного композиционного материала, так как при циклическом нагружении приложенные напряжения постоянны и разрушение образца происходит, когда рост дефектов в матрице композита снизит реализацию прочности волокон до уровня приложенных напряжений, в свою очередь, при кратковременном статическом нагружении свойства матрицы не успевают измениться и разрушение происходит при достижении растущими напряжениями предела статической прочности.

Достигаемым при использовании предлагаемого изобретения техническим результатом является обеспечение возможности оценки интенсивности накопления поврежденности и определения этапов наступления локальной релаксации напряжений в материале матрицы армированных волокнами полимерных композиционных материалов в процессе циклического изгибающего нагружения, а также остаточной прочности армированных волокнами полимерных композиционных материалов после циклического изгиба.

Технический результат достигается тем, что в способе определения усталостной прочности полимерных композиционных материалов в условиях циклического изгибающего нагружения, заключающемся в том, что часть одинаковых плоских образцов армированного волокнами полимерного композиционного материала заданного в соответствии с техническим заданием на проведение испытаний или рекомендациями ГОСТа размера испытывают на трех- или четырехточечный изгиб на заданных техническим заданием на проведение испытаний или ГОСТом режимах с помощью машины для испытания конструкционных материалов с целью определения усилия разрушения и максимального прогиба, после чего оставшуюся часть аналогичных образцов свободно укладывают на опоры ложемента установки циклического нагружения и циклически нагружают изгибающим трех- или четырехточечным усилием с постоянной частотой и амплитудой, составляющей некоторую величину от среднего значения максимального прогиба предварительно испытанных до разрушения образцов, при этом полное число циклов многоциклового нагружения делят на равные блоки, по окончанию каждого из которых выполняют испытание на статический трех- или четырехточечный изгиб до заданного прогиба, равного величине амплитуды циклического нагружения, с фиксацией усилия изгиба. После выполнения всех блоков нагружения и достижения полного числа циклов многоциклового нагружения образцы испытывают на статический трех- или четырехточечный изгиб до разрушения для определения остаточной прочности. По полученным значениям усилий изгиба на заданную величину прогиба и разрушающих усилий образцов в соответствии с правилами обработки результатов испытаний рассчитывают значение прочности для каждого образца серии и определяют ее среднюю величину после реализации каждого блока циклического нагружения и среднюю величину остаточной прочности образцов после многоциклового нагружения. По полученным данным строят кривую зависимости средней прочности и/или среднего усилия при заданной величине прогиба от числа циклов нагружения. Среднее значение остаточной прочности образцов сравнивают с результатами предварительных испытаний на статическую прочность при трех- или четырехточечном изгибе и определяют потерю прочности после циклического нагружения.

Так как, в отличие циклического нагружения при статическом нагружении свойства матрицы не успевают измениться, то выполнение регистрации усилия изгиба на заданную величину прогиба после каждого блока циклического нагружения, сумма циклов которых составляет полное число циклов многоциклового нагружения, позволяет оценить механический параметр поврежденности матрицы по снижению напряжений в образцах при фиксированном размахе деформации. Повышение усилия изгиба и прочности после реализации отдельных блоков многоциклового нагружения будут указывать на релаксацию напряжений в материале матрицы полимерных композиционных материалов в условиях циклического нагружения.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:

Изготавливают серию одинаковых плоских образцов армированных волокнами полимерных композиционных материалов, форма и размеры которых соответствуют требованиям технического задания на проведение испытаний или рекомендациям ГОСТа. Направление армирования образцов задается таким, чтобы нити основы используемой ткани располагались вдоль образцов и перпендикулярно прикладываемой изгибающей нагрузке. Рекомендуемое количество образцов в серии составляет не менее 10 шт. Часть (половину) образцов серии испытывают на статический трех- или четырехточечный изгиб с помощью машины для испытания конструкционных материалов на режимах, соответствующих требованиям технического задания на испытание или рекомендациями ГОСТа для определения усилия разрушения образцов при изгибе и величины максимального прогиба v_max. По среднему значению максимального прогиба задается величина амплитуды циклического нагружения, составляющая некоторую долю от величины максимального прогиба (например, 0,1….0,9v_max). Частота циклического изгибающего нагружения задается в соответствии с требованиями технического задания на проведение испытаний или рекомендациями ГОСТа. Для выполнения циклического изгибающего нагружения образец свободно укладывают на опоры ложемента установки циклического нагружения и циклически нагружают изгибающим трех- или четырехточечным усилием с постоянной заданной частотой и заданной амплитудой. Общее количество циклов многоциклового нагружения делят на равные блоки после завершения каждого из которых с помощью машины для испытания конструкционных материалов выполняют испытание на статический трех- или четырехточечный изгиб на заданную величину прогиба, равную величине амплитуды циклического изгиба с регистрацией усилия изгиба. По достижению полного числа циклов многоциклового нагружения выполняют испытание образцов на статических трех- или четырехточечный изгиб до полного разрушения с регистрацией усилия разрушения и величины максимального прогиба. В случае, если образец разрушился в процессе циклического нагружения до достижения полного числа циклов, испытание этого образца прекращается с регистрацией усилия изгиба, полученного при реализации предшествующего разрушению блока циклического нагружения. Используя значения усилия изгиба на заданную величину прогиба для каждого образца серии, полученного после реализации каждого блока циклического нагружения, а также усилия при разрушении каждого образца серии, полученного до и после циклического нагружения в соответствии с правилами обработки результатов испытаний рассчитывают прочность каждого образца: при реализации блоков циклического нагружения - прочность при заданном прогибе; при испытаниях до и после циклического нагружения - предел прочности при изгибе. Далее определяют среднее значение прочности серии образцов при заданном прогибе при реализации каждого блока циклического нагружения и среднее значение предела прочности серии образцов до и после циклического нагружения. Используя значения прочности при заданной величине прогиба, полученных при реализации каждого блока циклического нагружения, строится кривая изменения прочности и/или усилия изменения при заданной величине прогиба от числа циклов нагружения. При анализе полученных кривых оценивается интенсивность потери прочности при циклическом изгибе, по которой судят о характере накопления поврежденности в материале матрицы: вначале медленное, затем ускоренное, вначале ускоренное (происходит насыщение), затем медленное или наблюдается монотонно убывающее изменение прочности, что характеризует линейное суммирование повреждений. Также построенные кривые могут быть использованы для определения числа циклов, при достижении которых происходит наступление релаксации напряжений, выраженной в локальном повышении прочности или усилия при изгибе на заданную величину прогиба. Результаты измерений статической прочности при изгибе до и после циклического нагружения позволяют получить сведения о потере прочности при заданном способе циклического нагружения.

Предлагаемое изобретение поясняется примером и рисунком, где на фиг. 1 представлена кривая зависимости прочности при заданном прогибе от числа циклов нагружения.

Пример

Примером реализации способа является испытание на циклический трехточечный изгиб углепластика, изготовленного методом вакуумной инфузии из 4-х слоев углеродной ткани (плетение саржевое (твилл) 2x2) марки GG-240T (нить 3K), в качестве связующего использовалась эпоксидная смола марки EPR 320 с отвердителем марки EPH 943, отверждение осуществлялось при комнатной температуре в течение 24 часов с постотверждением при температуре 80±2°С в течение 6 часов. Получение образцов осуществлялось фрезерованием рашпильной фрезой из твердосплавного материала марки AST417 диаметром 4 мм на следующих режимах: подача s=150 мм/мин, частота вращения фрезы = 10⋅10³ об/мин. Габаритные размеры образцов составили 15 х 100 х 1,2 мм. Испытание по определению статической прочности при трехточечном изгибе осуществилось с помощью машины для испытаний конструкционных материалов «УТС 110М-50» со скоростью нагружения 10 мм/мин, расстояние между опорами составило 80 мм. По результатам испытаний части образцов углепластиков на статический трёхточечный изгиб до циклического нагружения было установлено, что среднее усилие разрушения составляет 105 Н, средняя прочность при изгибе - 1640 МПа, средний максимальный прогиб равен 18,5 мм. Для выполнения последующего циклического изгибающего нагружения амплитуда задается равной 75% от средней величины максимального прогиба и составляет 14 мм. Оставшуюся часть аналогичных образцов изготовленной серии свободно укладывают на опоры ложемента установки циклического нагружения (расстояние между опорами равно 80 мм) и циклически нагружают изгибающим трехточечным усилием с постоянной частотой, равной 5 Гц и амплитудой, равной 14 мм, полное число циклов многоциклового нагружения, которое составляет 10⁵ циклов, делится на блоки равные 5⋅10³ циклов, по окончанию каждого из которых выполняется испытание на статический трехточечный изгиб со скоростью нагружения 10 мм/мин до заданного прогиба, равного величине амплитуды циклического нагружения (14 мм), с фиксацией усилия изгиба, расстояние между опорами - 80 мм. По полученным данным строится кривая зависимости средней прочности от числа циклов нагружения, из которой видно, что до 55⋅10³ циклов накопление повреждений в матрице композита происходит медленно, с наступлением локальной релаксации напряжений после 10⋅10³, 20⋅10³ и 35⋅10³ циклов. После 55⋅10³ циклов наблюдается ускоренное накопление повреждений. Такой характер изменения прочности в условиях циклического изгибающего нагружения указывает на устойчивость материала к накоплению повреждений и его хорошие усталостные характеристики.

Испытания по определению остаточной прочности при изгибе показали, что после реализации всех блоков многоциклового нагружения прочность составила 1490 МПа при максимальном прогибе 16 мм. Таким образом, потеря прочности после циклического изгиба составила 150 МПа или 9%.

Изобретение относится к способам определения усталостных характеристик плоских образцов армированных волокнами полимерных композиционных материалов постоянного прямоугольного сечения и может быть использовано при оценке изменения их прочности, интенсивности накопления поврежденности и наступления локальной релаксации напряжений в материале матрицы в условиях многоциклового изгибающего нагружения в условиях многоциклового изгибающего нагружения с постоянной частотой и амплитудой. В способе определения усталостных характеристик полимерных композиционных материалов в условиях циклического изгибающего нагружения часть испытуемых образцов предварительно испытывают на статический изгиб до разрушения с определением прочности при изгибе и максимального прогиба, от величины которого задают величину амплитуды циклического нагружения. Далее оставшиеся образцы подвергают циклическому нагружению. Полное число циклов многоциклового нагружения делят на равные друг другу блоки, после выполнения каждого из которых выполняют испытание образца на статический трех- или четырехточечный изгиб до заданного прогиба, равного амплитуде циклического нагружения. По полученным данным строят кривую изменения его усилия изгиба и/или прочности при заданном прогибе от числа циклов нагружения. После реализации всех блоков циклического нагружения образец испытывают на статический изгиб до разрушения с определением остаточной прочности. Технический результат - обеспечение возможности оценки интенсивности накопления поврежденности и определения этапов наступления локальной релаксации напряжений в материале матрицы армированных волокнами полимерных композиционных материалов в процессе циклического изгибающего нагружения, а также остаточной прочности армированных волокнами полимерных композиционных материалов после циклического изгиба. 1 ил.

Способ определения усталостной прочности полимерных композиционных материалов в условиях циклического изгибающего нагружения, заключающийся в циклическом изгибающем трех- или четырехточечном нагружении плоского образца постоянного прямоугольного сечения, свободно лежащего на двух опорах, с заданной частотой и амплитудой, которая задается равной доле от величины максимального прогиба, предварительно испытанного до разрушения на трех- или четырехточечный изгиб образца аналогичного материала, отличающийся тем, что в нем полное число циклов многоциклового нагружения делят на равные друг другу блоки, после выполнения каждого из которых выполняют испытание образца на статический трех- или четырехточечный изгиб до заданного прогиба, равного амплитуде циклического нагружения, и по полученным данным строят кривую изменения его усилия изгиба и/или прочности при заданном прогибе от числа циклов нагружения, после реализации всех блоков циклического нагружения образец испытывают на статический изгиб до разрушения с определением остаточной прочности.