Переход к содержанию страницы

Испытания композитов

Испытательные методики для определения механических свойств усиленных стекловолокном пластмасс

Усиленные стекловолокном пластмассы (FVK) представляют собой класс высокоэффективных материалов, которые по причине превосходных удельно-массовых механических характеристик, очень хороших усталостных свойств и высокой гибкости дизайна используют, в первую очередь, для изготовления легких конструкций в области авиации и космонавтики, ветроэнергетики, автомобильной промышленности и других. При этом, как правило, для тонкостенных структур применяют многослойные композитные материалы, составленные из отдельных слоев. Типы усиления волокнами варьируются от армирования бесконечными однонаправленными волокнами (UD), ткани и тканевых композитов до FVK с прерывистыми и хаотично распределенными армирующими волокнами.

Для определения механических характеристик материалов FVK в целях разработки, сертификации, контроля качества или регламентирования исполнения и дизайна композитных структур существует большое количество нормативных испытаний композитов:

Методики испытаний композитов:

Испытания на растяжение Испытания на сжатие Испытания на сдвиг Испытания на изгиб Испытания ILSS Межслойная скорость высвобождения энергии Compression After impact (CAI) Прочность стенок отверстия Усталостное испытание

Дополнительная информация об испытаниях композитов:

Модульная испытательная система Криогенные испытания композитов Выравнивание несоосности Проекты заказчиков

Видео: введение в испытание композитов

Вебинар по теме Введение в испытание композитов:
Узнайте больше об основополагающих испытательных методиках и оборудовании для контроля качества и исполнения композитных структур:

  • Области применения композитных материалов (с 3:28)
  • Испытания на растяжение и соосность (с 15:32)
  • Испытания на сжатие (с 20:25)
  • Испытания на сдвиг и срез (с 31:07)
  • Испытания на изгиб (с 37:58)
  • ILSS / междуслойная прочность при сдвиге (с 42:21)
  • Статические испытательные машины с приспособлениями (с 45:26)
  • Измерение деформации и прогиба (с 49:40)

Загрузить pdf

Другие интересные вебинары по теме «Композиты»

Испытания композитов на растяжение

 

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 AITM1-0007 содержит условия как испытаний образцов без надреза из многонаправленных слоистых материалов на растяжение, так и 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.
Испытание композитов на растяжение
ISO 527-4, ISO 527-5
к Испытание композитов на растяжение
Испытание композитов на растяжение
ASTM D3039
к Испытание композитов на растяжение

Испытания композитных образцов (в т.ч. с надрезом) на сжатие

 

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 AITM1-0008 тип образца A
  • Испытание на сжатие с комбинированным приложением усилия (Combined Loading) по ASTM D6641, ISO 14126 метод 2, и Airbus AITM1-0008 тип образца A

Помимо вышеуказанной испытательной методики для определения характеристик сжатия слоистых материалов без надреза существуют нормативные испытания композитных образцов с надрезом на сжатие для определения значений Open Hole Compression (OHC) по ASTM D6484 и Filled Hole Compression (FHC) по ASTM D6742.
Вместе с характеристиками слоистого материала без надреза при сжатии в этом случае можно также определять соответствующие коэффициенты уменьшения для многонаправленных слоистых материалов при сжимающем нагружении. Описание испытаний образцов с надрезом на сжатие также приводится в промышленных стандартах Airbus AITM1-0008, типы образцов B, D и C, а также Boeing BSS 7260 тип I.

 

Испытание композитов и пластмасс на сжатие (end loading compression)
ASTM D695, DIN EN 2850 метод B, Boeing BSS 7260 тип III и IV
к Испытание композитов и пластмасс на сжатие (end loading compression)
Испытание на сжатие с приложением усилия посредством сдвига
ISO 14126, ASTM D3410, DIN EN 2850
к Испытание на сжатие с приложением усилия посредством сдвига
Испытание на сжатие с комбинированным приложением усилия
ISO 14126 (метод 2), ASTM D6641, Airbus AITM1-0008
к Испытание на сжатие с комбинированным приложением усилия
Open Hole Compression, Filled Hole Compression, испытание образца с надрезом на сжатие
ASTM D6484, ASTM D6742, Boeing BSS 7260 Type I, AITM1-0008
к Open Hole Compression, Filled Hole Compression, испытание образца с надрезом на сжатие

Испытания композитов на сдвиг

 

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:

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 измерять деформацию с помощью функции Digital Image Correlation (DIC).
С помощью испытаний образцов с V-образным надрезом на сдвиг можно также определять характеристики внеплоскостного сдвига, если доступны слоистые материалы соответствующей толщины.

 

Испытание IPS (in plane shear)
можно осуществлять и измерять в процессе испытания на растяжение или сжатие под углом ± 45° к направлению волокон.
к Испытание IPS (in plane shear)
Испытания образцов с V-образным надрезом на сдвиг / V-notch shear test
применяются для определения характеристик при сдвиге вдоль слоев.
к Испытания образцов с V-образным надрезом на сдвиг / V-notch shear test

Испытания композитов на изгиб

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:

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.

Испытание композитов на изгиб
ISO 14125, ASTM D7264, EN 2562, EN 2746
к Испытание композитов на изгиб
Испытание на 3-точечный изгиб, пластмассы
ASTM D790
к Испытание на 3-точечный изгиб, пластмассы

Междуслойная прочность при сдвиге (Interlaminar shear strength (ILSS)

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.

Междуслойная прочность при сдвиге ILSS
ASTM D2344, ISO 14130, EN 2377, EN 2563
к Междуслойная прочность при сдвиге ILSS

Испытания для определения межслойной скорости высвобождения энергии

 

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:

  • Mode I в качестве Double Cantilever Beam (DCB) Test по ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM1-0005 и Boeing BSS 7273
  • Mode II в качестве End-Notched Flexure (ENF) Test по ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM1-0006 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
Скорости высвобождения энергии G
Режим I, испытание DCB по ASTM D5528 | Режим II, испытание ENF по ASTM D7905 | Испытание MMB по ASTM D6671, включая стандарты ISO
к Скорости высвобождения энергии G

Испытание на сжатие «Compression After Impact (CAI)»

 

Испытание Compression After Impact (CAI) - это испытательная методика для определения остаточной прочности слоистого материала при сжатии после ударного повреждения. 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 AITM1-0010 и Boeing BSS 7260 type II.

 

Испытание Compression After Impact (CAI)
ASTM D7136, ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM1-0010, Boeing BSS 7260 type II
Испытание CAI предназначено для характеризации повреждения, возникающего, например, у самолетов или автомобилей вследствие удара камнем, столкновения с птицами или другими транспортными средствами.
к Испытание Compression After Impact (CAI)

Прочность стенок отверстия и прочность соединений

 

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 AITM1-0019
  • Прочность резьбовых или болтовых соединений и испытания стенок отверстий с нагружением на междуслойном уровне по ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM1-0009, AITM1-0065 и AITM1-0067
  • Испытание на вытягивание болтов и заклепок (Pull-through) с нагружением, перпендикулярным плоскости слоистого материала по ASTM D7332 и Airbus AITM1-0066
Lap Shear Test Composites
ASTM D5868, EN 6060, Airbus AITM1-0019
Прочность клеевых соединений слоистых материалов
к Lap Shear Test Composites

Усталостное испытание композитов

 

Для определения усталостных свойств композитных материалов и построения кривых Вёлера проводят динамические циклические испытания с переменным растягивающим нагружением. Нормативные динамические испытания 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
  • Усталость резьбовых соединений и динамические испытания стенок отверстий по ASTM D6873 и Airbus AITM1-0074
  • Стандарт Airbus AITM1-0075 содержит обобщенные данные для проведения испытаний ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, Pull-Through, CAI и Lap-Shear Fatigue.
Методики динамических циклических испытаний
применяются для оценки срока службы образцов, структурных элементов и готовых изделий.
к Методики динамических циклических испытаний

Модульная машина для испытаний композитов

Большие лаборатории с высокой интенсивностью проведения испытаний используют для самых разных испытаний композитов различные машины, сводя к минимуму затраты времени на переоборудование. При этом отдельные испытательные машины можно адаптировать к диапазону усилия различных видов испытаний. Если же интенсивность испытаний не так высока, или регулярность их проведения такова, что приобретение нескольких машин не имеет смысла, лучше оснастить единственную машину таким образом, чтобы на ней можно было проводить как можно больше видов испытаний с малыми затратами времени на переоборудование.

Для этого на фирме ZwickRoell была разработана концепция модульной машины для испытаний композитов. Эта статическая испытательная машина на 100кН или 250кН охватывает 21 методику и примерно 120 стандартов (ISO, EN, ASTM, а также Airbus AITM и Boeing BSS), с ее помощью можно определять большое количество характеристик композитных материалов при комнатной температуре или в температурном диапазоне от -80°C до +360°C.

Для любого Вашего пожелания мы ищем и находим оптимальное решение.

Свяжитесь с нашими отраслевыми экспертами напрямую.

Мы с удовольствием Вас проконсультируем!

Связаться сейчас

Имя Тип Размер Загрузить
  • Отраслевая брошюра: Композиты PDF 7 MB
  • Доклад: введение в испытание композитов PDF 2 MB

Интересные проекты заказчиков в сфере испытаний композитов

Top