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 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.

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.

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, ±45°, слоистый материал, по ISO 14129, ASTM D3518 и Airbus AITM1-0002
• 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 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.

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:

• 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

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.

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

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.