ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА СЖАТИЕ ПОСЛЕ УДАРА В СООТВЕТСТВИИ СО СТАНДАРТОМ ASTM D 7137 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.16

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА СЖАТИЕ ПОСЛЕ УДАРА В СООТВЕТСТВИИ СО СТАНДАРТОМ ASTM

D 7137

© 2018 А.М. Кудрин1, О.А. Караева1, К.С. Габриельс2, А.В. Солопченко3

1ЗАО «Русавиаинтер», г. Воронеж, Россия 2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

Аннотация: проведены физико-механические испытания по определению предела прочности при сжатии после удара в соответствии со стандартом ASTM D 7137. Испытания проводились на специально подготовленных элементарных образцах, изготовленных из однонаправленного безуткового препрега, адаптированного для процессов автоматизированной выкладки, в рамках комплексного исследования материала. Стандарт испытания описывает низкоскоростное ударное воздействие на ПКМ, имитируя возможные повреждения материала, возникающие при производстве и/или ремонте. Испытания проводятся в три этапа: ударное воздействие падающим грузом, определение типа повреждения методом неразрушающего контроля, сжатие до полного разрушения. Каждый элементарный образец был подвергнут локальному поперечному удару силой в 33,5 Дж. Визуально определено разрушение поверхностного слоя ПКМ, методом ультразвукового контроля определен тип разрушения в объеме материала. Проведенные в соответствии со стандартом испытания на сжатие позволили определить основной характер разрушения элементарных образцов ПКМ, величины предела прочности на сжатие после удара (остаточной прочности) и относительной деформации материала. При увеличении сжимающей нагрузки растрескивание матрицы связующего вызвало расслоение в толще образцов в области удара, которое привело к полному разрушению материала по всей ширине образцов

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, ПКМ, удар падающим грузом, сжатие после удара, остаточная прочность

Введение

В последние десятилетия использование полимерных композитных материалов (ПКМ) в качестве конструкционных становится все более оправданным вследствие не только близких к идеальному сочетанию весовых и прочностных характеристик, но и неуклонно снижающейся цене на исходные для них материалы. ПКМ, армированные углеродными волокнами, также известны своей устойчивостью к воздействию окружающей среды и износостойкостью. В авиационных структурах ПКМ с легкостью заменяют металлические сплавы, доводя процент использования композитов до 50 процентов даже в гражданских самолетах.

Вместе с тем ПКМ, как и все авиационные материалы, подвержены риску возникновения структурных дефектов и повреждений. Воздушные пустоты в микроструктуре материала, ошибки проектирования и формования, коробление поверхности, наличие точечных дефектов (концентраторов напряжений) ввиду необходимости

изготовления технических отверстий, коррозия материала являются главными современными

проблемами композиционного производства, приводящими к существенному снижению предельных нагрузок. Качественной оценкой сопротивления предельным кратковременным механическим воздействиям является устойчивость к повреждениям при ударной нагрузке, которым часто подвержены композиционные элементы конструкции во время процесса изготовления, эксплуатации и обслуживания. Ударная нагрузка разделяется на несколько категорий [1]:

- нагрузки малых скоростей (воздействие на скоростях ниже 10 м/с);

- нагрузки средних скоростей (воздействие на скоростях от 10 до 50 м/с);

- высокоскоростные/баллистические нагрузки (до 1000 м/с).

Повреждения, вызванные при малых скоростях воздействия, приводят к частичному разрушению полимерных матриц и волокон, деламинации поверхности. Характер повреждений от баллистических нагрузок в целом схож с низкоскоростными повреждениями, но имеет более угрожающие для всей конструкции последствия, приводящие к расслоению ПКМ, требующих

ремонтных работ по замене. Внимание ученых направлено на повышение эффективности воздействия композитов ударным нагрузкам при низких скоростях воздействия. Среди основных методов выделяются специальная обработка волокон, определенные схемы их чередования, матричная модификация [2-3]. Существенно повысить вязкость разрушения можно с использованием гибридных ПКМ -стеклоуглепластиков [4]. Гибридизация представляет собой комбинацию двух и более видов армирующих наполнителей и часто обусловлена не только необходимостью сопротивления вязкостному разрушению, но и снижению стоимости ПКМ за счет сочетания дорогостоящих материалов с более дешевыми (стеклянными).

С целью апробирования современного стандарта по определению прочностных характеристик ПКМ после воздействия ударных напряжений (остаточная прочность) были проведены исследования чистого углепластика на основе сертифицированного авиационного углеродного волокна и термореактивного клеевого связующего.

Методика эксперимента

В качестве объектов исследовательских испытаний для отработки методики по определению прочностных характеристик полимерных композиционных материалов после повреждения (удара) использовались специально подготовленные образцы ПКМ на основе однонаправленного безуткового препрега с армирующим наполнителем Formosa 12K в термореактивной матрице на эпоксидной основе Т-107. Изготовление препрега производилось в рамках адаптации технологического материала для систем автоматизированной выкладки, которое предусматривало комплексные исследовательские испытания прочностных и эксплуатационных характеристик материала.

Испытания на сжатие после удара проводят при температуре 23 (± 2) °С на двухколонной раме напольного типа серии 5980 модель Instron 5985 в соответствии со стандартом ASTM D 7137 [5] с применением оснастки WTF-C1-84.

Испытание ПКМ на сжатие после удара проводится в три этапа.

На первом этапе образцы для испытаний помещают лицевой стороной вверх по центру

стального основания зажимного

приспособления и закрепляют при помощи четырех зажимов как показано на рисунке 1. Образцы подвергают воздействию поперечного локального удара в соответствии со стандартом ASTM D 7137 [5] на установке для испытания на удар, разработанной ЗАО «ИНУМиТ», с падающим грузом с полусферическим индентором диаметром 16 (± 0,1) мм и направляющим механизмом в виде направляющей колонны как показано на рисунке 2. Энергия падающего груза составляет 6,7 Дж на каждый мм толщины образца.

Рис. 1. Зажимное приспособление для испытания на удар

падающим грузом: 1 - образец для испытания; 2 -направляющий штифт; 3 - зажим; 4 - отверстие длиной 125 (± 1) мм, шириной 75 (± 1) мм; 5 - стальное основание

Энергию воздействия поперечного локального удара вычисляют по формуле:

Е = ЕСХ , (1)

где Ес - коэффициент нормирования энергии удара на толщину образца, равный 6,7 Дж/мм; ^ - толщина образца для испытания, мм.

Рис. 2. Копер с падающим грузом: 1 - зажимное приспособление; 2 - индентор; 3 - траверса; 4 -фиксирующее устройство; 5 - направляющая колонна

На втором этапе устанавливают тип повреждения после удара путем неразрушающего контроля и проводят измерения глубины вмятины до самой глубокой точки с помощью микрометра с добавочным приспособлением. Измерение глубины вмятины производят дважды по взаимно перпендикулярным направлениям, после чего рассчитывают среднее значение.

На третьем этапе проводят испытания на сжатие в соответствии со стандартом Л8ТМ Б 7137 [5] с применением оснастки WTF-C1-84 (рис. 3), в которую закрепляются подготовленные образцы прямоугольной формы. Упор образца обеспечивается с помощью боковых зажимных плит, прикрепленных к боковым угловым стойкам, и верхней и нижней зажимными плитами. Нагрузку на образец подают последовательно с постоянной скоростью перемещения подвижных плит испытательной машины 5985. Фиксируют максимальную нагрузку, предшествующую разрушению образца.

Рис. 3. Оснастка "^Г-С1-84 для проведения испытания на сжатия после удара

Вычисляют предел прочности на сжатие после удара (с, МПа) по формуле:

о = —, (2)

ь с' у '

где F - нагрузка, при которой произошло разрушение, Н;

Ь - ширина образца для испытаний, мм; t - толщина образца для испытаний, мм.

Результаты и обсуждения

Для проведения испытаний были подготовлены элементарные образцы ПКМ в количестве 6 штук. На первом этапе они были подвержены ударной нагрузке в виде

падающего груза массой 5 кг с высоты, обеспечившей энергию удара в 33,5 Дж (согласно формуле (1) при заданной величине в 6,7 Дж/мм и толщине образца 5 ± 0,05 мм). Анализ повреждений выявил локальные вмятины в месте падения груза, не превышающие по площади половину ширины элементарного образца (рис. 4, мелом отмечена область повреждения), что позволило приступить к этапу испытания на сжатие.

Рис. 4. Локальные повреждения на поверхности элементарного образца

Каждый образец был размещен в оснастке WTF-C1-84 (рис. 3) и подвержен нагрузке со скоростью 1,3 мм/мин до момента полного разрушения. Результаты испытаний для всех шести образцов представлены на рис. 5. Расчет предела прочности по формуле (2) приведен в табл. 1.

100

80

я

и «

а

м

60

40

20

° 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Перемещение траверсы, мм

Рис. 5. Зависимость приложенной нагрузки от перемещения траверсы испытательной машины

Полученные значения предела остаточной прочности после воздействия ударной нагрузки существенно ниже истинных значений предела прочности материала [6]. После удара на поверхности ПКМ произошло растрескивание матрицы связующего Т-107, вызвавшее его деформацию. Приложение нагрузки при сжатии привело к увеличению деформации вдоль приложенной нагрузки с образованием значительных микротрещин матрицы в объеме образца [7]. Разрушение матрицы продолжалось вплоть до максимальных значений нагрузки при сжатии (табл. 2), продолжилось расслоением ПКМ в области удара перпендикулярно приложенному напряжению и завершилось разрушением углеродных волокон по всей ширине образца (рис. 6), имея характер разрушения типа LDM [5]. Для образцов 3 и 4 максимальная нагрузка привела к частичному разрушению образцов, для полного разрушения потребовалось продолжение испытания при постоянной нагрузке - разрушение по типу LDM произошло при нагрузках в два раза ниже максимальных (рис. 5, табл. 2).

Таблица 1

Данные по испытанию образцов ПКМ на сжатие после удара

Таблица 2

Максимальная нагрузка, нагрузка разрушения,

относительная деформация П КМ

№ п/п Нагрузка разрушения Рр), кН Максима -льная нагрузка ^тах), кН Длина образца (Ц), мм Деформация, %

1 81,57 84,47 150,17 0,560

2 88,82 88,82 150,04 0,593

Продолжение табл. 2

3 32,89 78,14 150,14 0,502

4 46,37 80,87 150,28 0,503

5 84,95 86,26 150,46 0,527

6 89,62 90,52 150,08 0,542

Рис. 6. Внешний вид разрушенных образцов ПКМ и схематическое изображение механизма разрушения образцов расслаиванием в ширину

Расслоение ПКМ является наиболее критическим механизмом разрушения при воздействии нагрузок на малых скоростях. Расслоение вызвано растрескиванием матрицы и превышением порогового значения ее энергии связи с армирующим волокном. Деламинация (расслоение) приводит к существенному снижению пределов прочности при сжатии и межслоевого сдвига [2]. Относительная деформация образцов ПКМ составила 0,5-0,6 %.

Заключение

Проведенные физико-механические

испытания по определению предела прочности при сжатии после удара в соответствии со стандартом ASTM D 7137 позволили определить основной характер разрушения элементарных образцов ПКМ - LDM (боковой через разрушение по середине образца); рассчитать предел прочности на сжатие (остаточная прочность) - 169 МПа, величина которого существенно ниже истинных прочностных значений материала, не подверженного ударной нагрузке; определить относительную деформацию образцов ПКМ вдоль приложенной нагрузки - 0,5 - 0,6 %. Анализ экспериментальных данных показал, что при увеличении сжимающей нагрузки

№ п/п Толщина образца (Ь), мм Шири -на образца (Ь), мм Максимальная нагрузка ^тах), кН Величина предела прочнос -ти (о), МПа

1 5,05 100,2 84,47 166,37

2 5,05 100,21 88,82 175,62

3 4,98 100,2 78,14 156,74

4 5,02 100,37 80,87 160,42

5 4,96 100,4 86,26 173,4

6 4,96 100,18 90,52 182,14

Ср. 5,00 100,26 84,84 169,115

растрескивание матрицы связующего вызвало расслоение в толще образцов в области удара, которое привело к полному разрушению материала по всей ширине образцов.

Литература

1. Vaidya Uday K., Serge Abrate. Impact Response of Laminated and Sandwich Composites // Impact Engineering of Composite Structures, Brimingham: Springer Wien New York. 2011. P. 97-191.

2. Drop Weight Impact Studies of Woven Fibers Reinforced Modified Polyester Composites / М.Т. Isa, A.S. Ahmed, B.O. Aderemi, R.M. Taib, H.M. Akil, I.A. Mohammed-Dabo // Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies. 2014. Issue 24. P. 97-112.

3. Experimental analysis of CFRP laminates subjected to compression after impact: The role of impact-induced cracks in failure/ S. Rivallant, C. Bouvet, E.A. Abdallah, B. Broll,

J.-J. Barrau // Composite Structures. 2014. vol. 111. P. 147157.

4. The Influence of Content of Reinforcing Filler on Mechanical Properties of Carbon-Glass Fiber Reinforced Plastics in Matrix T-107/ O.V. Ovdak, Yu.E. Kalinin, A.M. Kudrin, O.A. Karaeva, D.Ya. Degtyarev // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Vol. 9. Issue 1. P. 108113.

5. ASTM D 7137 Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates.

6. Разработка технологии автоматизированной выкладки полимерного композиционного материала/ К.С. Габриельс, О.А. Караева, А.М. Кудрин, Д.В. Полухин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 3. С. 139-143.

7. Experimental analysis of CFRP laminates subjected to compression after edge impact / B. Ostre, C. Bouvet, C. Minot, J. Aboissiere // Composite Structures. 2016. vol. 152. P. 768-778.

Поступила 19.02.2018; принята к публикации 27.03.2018 Информация об авторах

Кудрин Алексей Михайлович - канд. физ.-мат. наук, директор по науке Научно-технического департамента, ЗАО «Русавиаинтер» (394004 г. Воронеж, ул. Ленинградская 31-В), e-mail: kudrin@rusaviainter. com

Караева Оля Анатольевна - канд. физ.-мат. наук, ведущий инженер-исследователь Научно-технического департамента, ЗАО «Русавиаинтер» (394004 г. Воронеж, ул. Ленинградская 31-В), e-mail: karaeva@rusaviainter. com

Габриеле Константин Сергеевич - инженер-исследователь кафедры физики твердого тела, Воронежский государственный технический университет (394026 г. Воронеж, Московский пр-т, 14), e-mail: [email protected] Солопченко Александр Викторович - ведущий специалист кафедры химической технологии новых материалов, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (119991 г. Москва, Ленинские горы 1, стр. 3), e-mail: [email protected]

DETERMINATION OF THE ULTIMATE STRENGTH OF POLYMER COMPOSITE MATERIAL FOR COMPRESSION AFTER IMPACT, IN ACCORDANCE WITH STANDARD ASTM D 7137

A.M. Kudrin1, O.A. Karaeva1, K.S. Gabriels2, A.V. Solopchenko3

1Rusaviainter, Voronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 3Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

Abstract: physical and mechanical tests were carried out to determine the compressive strength after impact in accordance with ASTM D 7137. The tests were carried out on specially prepared elementary samples made of unidirectional prepreg, adapted for automated tape laying systems, as part of a comprehensive material study. The test standard describes the low-speed impact on the PCM, simulating possible material damage that occurs during manufacture and/or repair. Tests are carried out in three stages: impact drop, determination of the type of damage by the method of nondestructive testing (NDT), compression before complete destruction. Each elementary sample was subjected to a local lateral impact with a force of 33.5 J. The destruction of the surface layer of PCM was determined visually, the type of destruction in the volume of the material was determined by ultrasonic testing. The compressive tests carried out in accordance with the standard made it possible to determine the main character of the destruction of elementary samples of PCM, the value of the compressive strength after impact (residual strength) and the relative deformation of the material. Cracking of the matrix of the binder caused delamination in the thickness of the sample in the region of impact by compressive stress, which led to a complete destruction of the material over the entire width of the samples

Key words: polymer composite material, PCM, impact drop, compression after impact, residual strength

References

1. Vaidya Uday K. "Serge Abrate Impact Response of Laminated and Sandwich Composites", Impact Engineering of Composite Structures, Brimingham, Springer Wien New York, 2011, pp. 97-191.

2. Isa M.T., Ahmed A.S., Aderemi B.O., Taib R.M., Akil H.M., Mohammed-Dabo I.A. "Drop Weight Impact Studies of Woven Fibers Reinforced Modified Polyester Composites", Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies, 2014, issue 24, pp. 97-112.

3. Rivallant S., Bouvet C., Abdallah E.A., Broll B., Barrau J.-J. "Experimental analysis of CFRP laminates subjected to compression after impact: The role of impact-induced cracks in failure", Composite Structures, 2014, vol. 111, pp. 147-157.

4. Ovdak O.V., Kalinin Yu.E., Kudrin A.M., Karaeva O.A., Degtyarev D.Ya. "Influence of reinforcing fillers on the mechanical properties of carbon-glass fiber plastics in the T-107 matrix", Materials Science (Materialovedenie), 2017, no. 7, pp. 3237.

5. ASTM D 7137 Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates.

6. Gabriels K.S., Karaeva O.A., Kudrin A.M., Polukhin D.V. "Development of an automated layout technology of polymer composite material", Yhe Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 3, pp. 139-143.

7. Ostré B., Bouvet C., Minot C., Aboissière J. "Experimental analysis of CFRP laminates subjected to compression after edge impact", Composite Structures, 2016, vol. 152, pp. 768-778.

Submitted 19.02.2018; revised 27.03.2018 Information about the authors

Aleksey M. Kudrin, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Director of science of Scientific Technical Department, CC Rusaviainter (31-B Leningradskaya st., Voronezh 394004, Russia), e-mail: kudrin@rusaviainter. com

Ol'ga A. Karaeva, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Principal Research Engineer of Scientific Technical Department, CC Rusaviainter (31-B Leningradskaya st., Voronezh 394004, Russia), e-mail: karaeva@rusaviainter. com

Konstantin S. Gabriels, Research Engineer, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospect, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: gabriels [email protected]

Aleksandr V. Solopchenko, Key Specialist, Lomonosov Moscow State University (1 Leninskie gory, Moscow 119991, Russia), e-mail: [email protected]