В современной промышленности композитные материалы занимают особое место благодаря своим уникальным свойствам. Легкость, высокая прочность и устойчивость к внешним воздействиям делают их незаменимыми в авиации, строительстве, транспорте и других сферах. Однако, перед практическим применением необходимо провести ряд испытаний, чтобы удостовериться в надежности и предсказуемости поведения материала. Одним из ключевых методов определения механических характеристик композитов является испытание на растяжение.
Значение испытаний композитных материалов
Композитные материалы представляют собой сочетание как минимум двух компонентов: армирующего наполнителя (чаще всего волоконного) и связующего вещества (матрицы). Примеры композитов: железобетон — где наполнителем является стальная арматура, а матрицей — бетон; стеклопластик и углепластик — состоят из стеклоткани или углеткани и смолы.
В этой статье мы будем говорить про испытание полимерных композитов (ПКМ) на растяжение. ПКМ Могут быть армированы углеродными, борными, органическими или другими высокопрочными волокнами, включая материалы с однонаправленными, многонаправленными и хаотично распределенными волокнами.
Проведение механических испытаний ПКМ позволяет:
- установить соответствие материала требованиям ГОСТов или международных стандартов (ГОСТ Р 56785-2015 — для полимерных композитов, и ГОСТ Р 56800-2015 — для стеклопластиков и пластмасс),
- прогнозировать поведение материалов в реальных условиях эксплуатации;
- выявить слабые места конструкции до начала серийного производства и оптимизировать состав и структуру композитов.
Почему растяжение — ключевой вид испытаний
Испытания на растяжение — один из наиболее информативных и стандартизированных методов. В отличие от сжатия или изгиба, растяжение позволяет с высокой точностью определить следующие параметры:
- максимальное напряжение, которое выдерживает материал до разрушения — прочность на растяжение;
- показатель жесткости, отражающий соотношение между напряжением и деформацией — модуль упругости;
- меру пластичности материала — удлинение при разрыве;
- оценить характер повреждений/ тип разрушения (волокно, матрица, межфазные зоны).
Эти данные важны для определения сферы применения композита, при проектировании и выборе материалов для ответственных конструкций.
Первичные результаты испытаний представляются в виде кривой зависимости напряжения от деформации — диаграмм деформирования.
В композитах этот график может отличаться от классических диаграмм для металлов: наличием нескольких участков с различной жесткостью, резким разрушением без видимого предела текучести, изменениями в поведении при разной ориентации волокон.
Методика проведения испытаний на растяжение
Для испытаний ПКМ применяют образцы в виде лопаток прямоугольного сечения (рисунок 2), трубок или стержней.
Расположение армирующего наполнителя должно быть симметрично относительно срединной плоскости образца.
Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность без вздутий, сколов, неровностей надрезов, царапин, трещин или других видимых невооруженным глазом дефектов. Отклонения от параллельности боковых граней — не более 0,2 мм.
Образца маркируют в захватной части. Маркировка должна позволять точно идентифицировать образцы и не должна повреждаться при испытании, а также влиять на выполнение и результаты испытаний.
Количество образцов для испытаний одной партии материала должно быть не менее пяти для каждого режима испытания.
Испытания проводятся на специализированных универсальных разрывных машинах. В состав системы входят:
- электромеханические или гидравлические испытательные машины,
- тензодатчики для измерения усилий,
- видеоэкстензометры или контактные датчики деформаций,
- специальные зажимы, обеспечивающие равномерное распределение нагрузки.
Также важны условия проведения испытаний, такие как: температура окружающей среды, влажность воздуха и скорость нагружения.
Ключевые параметры испытаний
Ниже приведены основные параметры, которые определяются в ходе испытаний.
Прочность при растяжении: максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца, площадь поперечного сечения образца.
Относительное удлинение при разрыве: абсолютное удлинение расчетной длины образца при разрушении, начальное значение расчетной длины.
Модуль упругости при растяжении — отношение напряжения (номинального) к соответствующей деформации на участке менее предела пропорциональности материала.
Коэффициент Пуассона — абсолютное значение отношения поперечной деформации к соответствующей продольной деформации.
Предел текучести — это напряжение, при котором материал испытывает указанное отклонение от пропорциональности соотношения напряжения к деформации.
Условный предел текучести и относительное удлинение при текучести.
Особенности композитов при растяжении
Композиты — анизотропные и неоднородные по своей природе. Это означает:
Анизотропия — свойства материала различаются в зависимости от направления нагрузки. Неоднородность — в одном и том же образце могут сочетаться участки с разной плотностью, ориентацией волокон или степенью отверждения матрицы.
Характеристики композитов зависят и от типа волокна:
- стекловолокно — обеспечивает хорошую прочность, но менее жёсткое (рис.3);
- углеродное волокно — высокий модуль упругости, но более хрупкое;
- арамидные волокна — высокая ударная вязкость, сложны в механической обработке.
Матрица (чаще полимерная) также влияет на характеристики — она отвечает за передачу нагрузок между волокнами и определяет термостойкость материала.
Практическое значение испытаний
Испытания на растяжение позволяют не просто проверить композитный материал «на прочность». Полученные данные используются для:
- проектирования изделий, где важно учитывать прочность и деформационные характеристики;
- оценки срока службы особенно в условиях циклических нагрузок;
- выбора оптимального состава композита(подбор волокон и матрицы);
- анализа разрушений после эксплуатации или аварий.
Заключение
Испытание композитов на растяжение — ключевой этап в оценке их прочностных характеристик. Этот метод позволяет выявить поведение материала в условиях эксплуатации, прогнозировать его долговечность и обеспечить безопасность конечных изделий. С развитием технологий и появлением новых типов армирующих волокон и матриц методики испытаний также продолжают совершенствоваться. Их актуальность только возрастает, особенно в условиях быстрого внедрения композитов в критически важные отрасли.
Автор: Диана Новолодская, инженер строительной лаборатории
