Испытания композитов

В процессе испытания композитов на растяжение определяют такие упругие характеристики, как модуль растяжения и коэффициент Пуассона, а также прочность при растяжении в главных направлениях усиленных стекловолокном пластмасс.

• Наиболее распространенные стандарты для испытаний композитов на растяжение: ISO 527-4 и ISO 527-5, ASTM D3039, а также EN 2561 и EN 2597.
• Заводской стандарт Airbus AITM 1-0007 содержит описание условий испытаний образцов без надреза из многонаправленных слоистых материалов на растяжение, а также испытаний образцов с надрезом на растяжение для определения прочности при растяжении Open Hole Tension (OHT) и Filled Hole Tension (FHT). Испытания на растяжение «Open Hole» и «Filled Hole» проводятся, в первую очередь, в авиационной промышленности для определения коэффициентов уменьшения многонаправленных слоистых материалов при растяжении с открытым или закрытым отверстием. Другие стандарты для определения прочности при растяжении Open Hole и Filled Hole: ASTM D5766 и ASTM D6742.

В процессе испытания композитов на сжатие определяют модуль сжатия и прочность при сжатии в главных направлениях усиленных волокнами пластмасс. Поскольку прочность при сжатии в направлении волокон слоистого материала зачастую ниже прочности при растяжении и типы разрушения слоистого материала FVK при растяжении и сжатии сильно отличаются друг от друга, испытание композитов на сжатие играет важную роль.

Доступно большое количество методик и стандартов испытаний композитов на сжатие, причем следует различать три принципа приложения нагрузки:

• испытание на сжатие с торцевым приложением усилия по ASTM D695, DIN EN 2850 Тип B и Boeing BSS 7260 Тип III и IV
• Испытание на сжатие с приложением усилия посредством сдвига (Shear Loading) по ASTM D3410, ISO 14126 метод 1, DIN EN 2850 Тип A и Airbus AITM 1-0008 тип образца A
• Испытание на сжатие с комбинированным приложением усилия (Combined Loading) по ASTM D6641, ISO 14126 метод 2 и Airbus AITM 1.0008 тип образца A

Помимо вышеуказанных испытательных методик для определения характеристик сжатия образцов из слоистых материалов без надреза существуют нормативные испытания композитных образцов с надрезом на сжатие для определения характеристик Open Hole Compression (OHC) по ASTM D6484 и Filled Hole Compression (FHC) по ASTM D6742.
Совместно с характеристиками сжатия образцов без надреза можно также определять соответствующие коэффициенты уменьшения многонаправленных слоистых материалов при сжатии. Описание испытаний образцов с надрезом на сжатие также приводится в промышленных стандартах Airbus AITM 1.0008 типы образцов B, D и C, а также Boeing BSS 7260 Тип I.

В процессе испытания композитов на сдвиг определяют такие характеристики плоского сдвига усиленных стекловолокном пластмасс, как модуль сдвига и прочность при сдвиге. У материалов FVK с различными характеристиками в главных направлениях материала модуль сдвига следует всегда определять в процессе испытаний на сдвиг, его нельзя рассчитывать из других упругих характеристик (как, например, у изотропных материалов).

Для определения характеристик сдвига и поведения при сдвиге были разработаны 3 различные испытательные методики:

• Испытание на растяжение под углом ±45° по ISO 14129, ASTM D3518 и Airbus AITM 1-0002
• Испытание на сдвиг «V-Notched Beam (Iosipescu)» по ASTM D5379
• Испытание на сдвиг «V-Notched Rail» по ASTM D7078

Для испытания слоистых материалов на растяжение под углом ±45° (In plane shear test) можно использовать ту же конструкцию, что и для испытаний на растяжение. Однако для расчета деформации при сдвиге обязательно необходима регистрации не только продольной, но и поперечной деформации.

Для испытания на сдвиг Iosipesu и V-Notched Rail необходимы образцы с надрезом и соответствующие испытательные приспособления. Здесь также необходимо двухосное измерение деформации. Часто используют двухосные тензометрические датчики (DMS). В качестве альтернативы можно проводить измерение посредством функции Digital Image Correlation (DIC).
С помощью испытаний образцов с V-образным надрезом на сдвиг можно также определять характеристики антиплоского сдвига (Out-of-Plane), если слоистые материалы обладают соответствующей толщиной.

Благодаря относительной простоте испытательной конструкции, геометрии образцов и способов их изготовления, а также проведению самого процесса испытания композитов на изгиб часто используют в области контроля качества или для быстрого сравнения материалов. При этом различают испытания на 3- и 4-точечный изгиб. Наиболее распространенные методики испытаний усиленных стекловолокном пластмасс на изгиб:

• Испытание на 3- и 4-точечный изгиб по ISO 14125 и ASTM D7264
• Испытание на 3-точечный изгиб по EN 2562, EN 2746 и ASTM D790
• Испытание на 4-точечный изгиб по ASTM D6272

При достаточной жесткости комплексной испытательной конструкции или наличии возможности определения и корректировки упругости испытательной конструкции в программном обеспечении зачастую в процессе испытания на 3-точечный изгиб допускается проводить измерение датчиком хода траверсы.
При испытании на 4-точечный изгиб, напротив, для измерения прогиба в центре образца необходима подходящая система измерения перемещения.

Определение междуслойной прочности при сдвиге (Interlaminar Shear Strength – ILSS Test) представляет собой одно из наиболее часто проводимых статических испытаний усиленных стекловолокном пластмасс, используемых зачастую в области контроля качества. Образец нужен довольно небольшой, испытание проводят легко и быстро, а для анализа важно только полученное в процессе испытания максимальное усилие.

Общепризнанные стандарты для испытания ILSS: ISO 14130, EN 2377, EN 2563 и ASTM D2344.

Во всех 4 стандартах указан прямоугольный образец, однако его значения длины, ширины и толщины частично различаются. В ASTM D2344 дополнительно указан изогнутый образец, извлеченный, например, из баллона или стенки трубы.

Используемое для испытания ILSS приспособление должно быть в состоянии соблюдать указанные в стандартах очень малые допуски в испытательной конструкции.

Критическую скорость высвобождения энергии и скорость высвобождения энергии при непрерывном росте трещины определяют с помощью методов механики разрушения, чтобы понимать характеристики расслаивания композитных материалов. Для изготовления образцов необходим слоистый материал, в центральной плоскости которого создается искусственная трещина с помощью очень тонкой и нелипкой пластиковой пленки (часто используют тефлоновые пленки).

Применяют, прежде всего, испытательную методику с ростом трещины, вызванным растягивающим нагружением, нормальным к плоскости трещины (режим I), и методику с ростом трещины в результате нагружения сдвига в поперечном сечении слоистого материала (режим II). Для калибровки численных методов расчета раскрытия трещины в слоистом материале дополнительно существует методика с нагружением в смешанном режиме I+II:

• Режим I в качестве испытания Double Cantilever Beam (DCB) по ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM 1-0005 и Boeing BSS 7273
• Режим II в качестве испытания End-Notched Flexure (ENF) по ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM 1-0006 и Boeing BSS 7273
• Режим II в качестве испытания Calibrated End-Loaded Split (C-ELS) по ISO 15114
• Смешанный режим I+II в качестве испытания Mixed-Mode Bending (MMB) по ASTM D6671

Испытание «Compression After Impact (CAI)» представляет собой методику определения остаточной прочности слоистого материала при сжатии после повреждения ударным нагружением. При этом испытываемый образец предварительно повреждают с регламентированной в стандарте энергией удара. Эта методика позволяет делать выводы о стойкости композитного материала к повреждениям, чтобы гарантировать безопасность и надежность изделий в композитных структурах с потенциальным ударным нагружением в области авиации.

Для испытания CAI были разработаны следующие стандарты: ASTM D7136 и ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1-0010 и Boeing BSS 7260 type II.

Помимо механических свойств самих усиленных стекловолокном пластмасс, при компоновке и проектировании композитных конструкций также необходимы испытания для определения прочности соединений.

Используемые для этого испытательные методики можно грубо разделить на три области:

• Прочность клеевых соединений (Lap Shear Test) по ASTM D5868, EN 6060 и Airbus AITM 1-0019
• Прочность резьбовых или болтовых соединений и испытания стенок отверстий с нагружением в плоскости слоистого материала по ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM 1-0009, AITM 1-0065 и AITM 1-0067
• Испытания болтов и заклепок на вытягивание (Pull-through) с нагружением, перпендикулярным плоскости слоистого материала, по ASTM D7332 и Airbus AITM 1-0066

Для определения усталостных свойств композитных материалов и построения кривых Вёлера проводят динамические циклические испытания с переменным растягивающим нагружением. Стандарты для динамических испытаний композитов: ASTM D3479 и ISO 13003. В стандарте ISO 13003 дополнительно приводится описание усталостного испытания композитов с динамическим циклическим изгибом.

Другие нормативные методики динамических испытаний композитов:

• Open Hole Tension и Open Hole Compression Fatigue по ASTM D7615
• Междуслойный рост трещины с усталостным нагружением в режиме I по ASTM D6115
• Усталостные испытания резьбовых соединений и динамические испытания стенок отверстий по ASTM D6873 и Airbus AITM 1-0074
• Стандарт Airbus AITM 1-0075 содержит исчерпывающую информацию для проведения испытаний ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, Pull-Through, CAI и Lap-Shear Fatigue.