WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 14 |

Способы оценки работоспособности изделий из композиционных материалов методом компьютерной томографии

-- [ Страница 8 ] --

Предел прочности на растяжение по основе Предел прочности на растяжение по утку Предел прочности на сжатие по основе Предел прочности на сжатие по утку Модуль упругости при растяжении по основе Модуль упругости при растяжении по утку Модуль упругости при сжатии по основе Модуль упругости при сжатии по утку Предел прочности на сдвиг в плоскости монослоя Модуль сдвига При необходимости проводят испытания элементарных образцов на трехточечный и пятиточечный изгиб для определения следующих характеристик КМ:

Модуль упругости на изгиб Предел прочности на изгиб Особенности структуры и свойств элементарных образцов из КМ для проведения испытаний в соответствии с нормативной документацией заключаются в следующем:

Необходимость стабильности состояния внутренней структуры материала, отсутствие макродефектов в объеме изделия из КМ;

Сохранение указанных в нормативной документации геометрических размеров образцов для испытаний;

«Ожидаемое разрушение» элементарных образцов под действием соответствующей нагрузки:

Растяжения;

Для элементарных образцов характерно разрушение в определенной области образца – зоне разрушения. При разрушении образца в иной области, в т.ч.

в зоне захватов, результаты испытания образца считаются недействительными и могут свидетельствовать об имеющихся дефектах в зоне разрушения, нерасчетной форме нагружения образца и т.д.

Влияние внешних климатических факторов на образование дефектов внутренней структуры КМ и снижение физико-механических характеристик материала Среди основных климатических факторов, оказывающих влияние на свойства готового КМ, выделяют воздействие ультрафиолетовых лучей, температурный режим и величину относительной влажности окружающей среды. Сочетание данных факторов может приводить к появлению внутренних повреждений, образованию и росту патогенной микрофлоры – грибков, микроорганизмов, плесени и др.

Влияние внешних климатических воздействий на возникновение и развитие микро- и макроповреждений в объеме КМ обуславливается следующими действующими факторами:

Образование внутренних температурных напряжений в структуре материала за счет различных в разных направлениях КЛТР в рамках единичного монослоя (, ) и слоистого пакета КМ ( Растрескивание матрицы и появление микро- и макротрещин в структуре, рост трещин и появление дополнительных концентраторов напряжений в объеме материала;

Возникновение пор и их объемный рост;

Появление расслоений между слоями.

Указанные факторы приводят к ухудшению физико-механических свойств связующего, нарушению монолитности КМ, снижению общей несущей способности конструкции. Степень негативного воздействия внешних климатических факторов на армирующие компоненты КМ зависит от природы материала волокнистой структуры, степени поврежденности поверхности, структуры филаментов нитей и др.

Для углеродных волокон, имеющих открытые поры, повреждения проявляются в виде частичных повреждений фибриллярной структуры, причиной которых может стать переход температуры через точку замерзания водяных паров, их конденсация, замерзание – расширение в объеме – и, как следствие, разрушение микрофибрилл.

Пара- и метаарамидные волокна (арамиды, или органические волокна) при воздействии влагонасыщенной атмосферы частично теряют свои свойства из-за проникания жидкости в внутринитяные поры, а при комплексном циклическом воздействии атмосферы с высокой относительной влажностью и температуры 80°С-100°С может наблюдаться частичная деструкция ароматических колец – разрушение на химическом уровне.

Стеклянные и базальтовые волокна проявляют тенденцию к некоторому снижению механических свойств под воздействием внешних климатических факторов, обусловленную наличием микроповреждений поверхности волокна, в т.ч. микротрещин. Снизить негативное влияние на армирующую структуру КМ на основе стеклянных волокон возможно путем использования химического травления поверхности.

Для определения величины деградации механических характеристик КМ при воздействии внешних климатических факторов проводят испытания элементарных образцов последующим ГОСТ:

ГОСТ 25.601-80 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах»;

ГОСТ 25.602-80 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах»;

ГОСТ Р 50578-93 «Материалы композиционные полимерные. Метод испытания на сдвиг перекашиванием пластины»;

ГОСТ 25.603-82 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на растяжение кольцевых образцов при нормальной, повышенной и пониженной температурах»;

ГОСТ 25.604-82 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах».

По данным, предоставленными фирмой Hexcel–производителем широкой номенклатуры волокон, в том числе углеродных, разброс механических свойств КМ на основе углеродных волокон Т-650 и эпоксидного связующего RTM-6 с объемной долей волокон 66%составляет 6-14%, а снижение показателей прочности и жесткости при климатических испытаниях составляет 13-17%, что соответствует введению в прочностные расчеты конструкций из данного КМ коэффициентов безопасности по разбросу свойств материала = 1.14 и деградации свойств = 1.17 в дополнение к общепринятому коэффициенту безопасности для КМ = 1.5.





Таким образом, очевидно, что качество изготовленных образцов и состояние внутренней структуры изделия из КМ напрямую влияет на значения физико-механических характеристик изделия. Наличие некондиционных образцов, имеющих различные внутренние повреждения и дефекты, может привести к получению недостоверных результатов испытаний и введению ошибочных дополнительных коэффициентов безопасности для конструкции.

В связи с этим большую актуальность представляет качественный анализ внутренней структуры элементарных образцов, предъявляемых на испытания.

Использование современных методов НК на данном этапе позволяет выявлять элементарные образцы с внутренними дефектами, определять факторы, вызывающие появление повреждений, а также снижает разброс получаемых экспериментальных значений соответствующих физико-механических характеристик, что позволяет уточнить вводимые дополнительные коэффициенты безопасности по разбросу свойств КМ.

В ходе климатических испытаний КРТ позволяет определять области возникновения новых дефектов внутренней структуры путем сравнения 2D-сканов и 3D-картин состояния объема материала образцов до воздействия внешних климатических факторов и после них. С помощью данных НК возможно оценить герметичность и монолитность материала, а также степень поврежденности матричной компоненты КМ.

Глава 4. Влияние дефектов внутренней структуры КМ, обнаруживаемых на этапе НК, на свойства изделия 4.1. Оценка изменения физико-механических свойств КМ при наличии дефектов внутренней структуры материала вида «расслоение»

Матрица в КМ обеспечивает герметичность и монолитность всего материала, равномерное включение волокнистой структуры в работу по восприятию силовых потоков, участвует в перераспределении нагрузки между волокнами при повреждении некоторых из них. Она определяет термическую стойкость КМ, поскольку температура деструкции связующего значительно меньше термостойкости волокон. В табл. 8 представлены значения теплостойкости некоторых полимерных термореактивных связующих.

Поскольку КМ – это двухфазный или многофазный материал, то его свойства определяются как природой и физико-механическими свойствами исходных компонент, так и их содержанием в материале.

Используем для определения механических характеристик КМ правило смесей, которое можно представить линейным аддитивным законом:

объемные доли содержания каждого из компонентов композита.

Монослой полимерного волокнистого КМ можно представить в виде двух элементарных слоёв: армирующего слоя и слоя матричной составляющей, для которых удовлетворяется уравнение совместности деформаций:

Примем следующие обозначения: – модуль упругости первого рода для волокна, – модуль упругости матрицы, – разрушающее напряжение для волокна, - напряжение в матрице, соответствующее предельной деформативности волокна и определяемое в соответствии с законом Гука:

Приближенные зависимости для определения модуля упругости и действующих напряжений в КМ с учетом (4.1) запишутся в виде:

и – коэффициенты учета положения волокна в КМ (при использовании однонаправленных волокон они составляют 1.0, при ортогональной системе армирования 0.5) Вклад связующего в жесткостные свойства КМ в направлении армирования оказывается несущественным, поскольку модуль упругости матричной составляющей более чем на порядок меньше модуля упругости волокна. Однако модуль упругости второго рода, который определяется по формулам, указанным в [97],зависит как от системы армирования пакета КМ, так и от механических свойств применяемого связующего. Сдвиговая прочность КМ во многом определяется пределом прочности матрицы на сдвиг, поэтому появление расслоений, трещин и пустот в связующем негативно влияет на несущие свойства конструкции, образование расслоений между монослоями пакета ухудшает восприятие конструкцией нагрузок. Появление дефектов матричной структуры может быть вызвано следующими причинами:

Нарушение технологического процесса пропитки и полимеризации связующего, что приводит к появлению зон с пониженным содержанием связующего, а также областей с отсутствием связи между монослоями (нарушение монолитности слоистого материала);

Образование локальных зон растрескивания связующего и его выкрашивания вследствие динамического воздействия (удар);

Растрескивание матрицы под действием статических нагрузок;

Местная потеря устойчивости конструкции в зоне дефекта вида «расслоение» при действии сжимающих нагрузок.

Рассмотрим изменение механических свойств КМ при наличии дефекта внутренней структуры вида «расслоение», который является повреждением матричной составляющей.

В качестве параметра, который определяет влияние дефекта структуры КМ на изменение НДС, используем коэффициент концентрации действующих напряжений в конструкции:

- напряжения в образце с дефектом вида «расслоение», - напряжения в неповрежденном, бездефектном образце.

В качестве критерия прочности КМ возможно использование нескольких критериев: максимальных напряжений, максимальных деформаций, максимальных работ (критерий Мизеса-Хилла).

При расчете на прочность конструкции из КМ по критерию максимальных напряжений считается, что разрушение монослоя материала произошло, если действующие напряжения в каком-либо из направлений превосходят предел прочности материала монослоя в данном направлении:

- действующие напряжения растяжения-сжатия - действующие сдвиговые напряжения, - предельные напряжения растяжения-сжатия в композите, - предел прочности материала на сдвиг.

Расчет с использованием критерия максимальных деформаций проводится из условия, что деформации материала в направлении главных осей монослоя не превосходят предельные значения деформаций материала:

- деформации растяжения-сжатия композита - сдвиговые деформации, - предельные деформации растяжения-сжатия, – предельные сдвиговые деформации КМ.

Критерий прочности Мизеса-Хилла для плоского напряженного состояния запишется в следующем виде:

Данный критерий более точен, нежели критерии максимальных напряжений и максимальных деформаций, однако, если значения прочности материала на растяжение и на сжатие существенно различаются, предпочтительно воспользоваться критерием Хоффмана:



Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 14 |
 









 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.