Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов». Калгин А.В

Определение пределов прочности при сжатии полимерных композиционных материалов

Цель работы: определить пределы прочности при сжатии полимерных композиционных материалов.

1. Краткие теоретические сведения

Механические свойства среди прочих свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) конструкционного назначения часто являются основными, поскольку большинство конечных изделий из таких материалов в той или иной степени подвергаются силовым нагрузкам. Механические свойства конструкционных ПКМ оцениваются и сравниваются в первую очередь по пределам прочности, определяемым, в том числе, методом испытания на сжатие.

Предел прочности при сжатии ПКМ (σ_в, МПа) – механическое напряжение, приложенное к образцу при сжатии, выше которого происходит разрушение материала.

Метод испытания на сжатие ПКМ состоит в кратковременном сжатии образца из ПКМ с постоянной скоростью деформирования, при котором определяют предел прочности при сжатии σ_в как отношение максимальной нагрузки, предшествующей разрушению образца, к начальной площади его поперечного сечения. Типичная зависимость механического напряжения σ в Па от деформации ε в % при сжатии образца из ПКМ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Диаграмма сжатия ПКМ: σ_в – предел прочности ПКМ

Для определения пределов прочности при сжатии в направлении армирования однонаправленных ПКМ применяют образцы в виде полос прямоугольного поперечного сечения с закрепленными на концах накладками (рис. 2).

Рис. 2. Образец из однономерноармированного ПКМ для испытания на сжатие: 1 – накладки, 2 – образец

Для определения пределов прочности при сжатии ПКМ с укладкой армирующего материала, отличной от однонаправленной, а также одномерноармированных ПКМ в направлении, перпендикулярном армированию, применяют образцы согласно рис. 2, но шириною 15 мм или в виде двусторонней лопатки (рис. 3).

Рис. 3. Образец из двумерно- или трехмерноармированного ПКМ для испытания на сжатие

2. Методика эксперимента

При проведении испытания на сжатие образец из ПКМ сжимают вдоль продольной оси с помощью опрессовочного инструмента (рис. 4).

Рис. 4. Схема испытания на сжатие образца из ПКМ

3. Порядок выполнения работы

Задание. Определение предела прочности при сжатии ПКМ

1. Измерить толщину a и ширину b образца.

2. Образец установить на опорные плиты испытательной машины так, чтобы продольная ось его совпала с направлением действия нагрузки, а торцевые поверхности были параллельны опорным поверхностям плит.

3. Для измерений удлинения/деформации на образец установить механические экстензометры или другие приспособления.

4. Равномерно нагрузить образец с заданной скоростью перемещения активного захвата машины 1-15 мм/мин вплоть до его разрушения.

5. Записать диаграмму сжатия σ = f(Δl) или σ = f(ε) и определить σ_в.

6. Повторить пункты 1-5 не менее чем для пяти образцов.

7. Вычислить среднее арифметическое значение σ_в для всех образцов.

8. Рассчитать среднеквадратичное отклонение σ_в по формуле

(1)

где n – число образцов, – предел прочности для i-го образца и – среднее арифметическое результатов измерений для n образцов.

8. Рассчитать стандартное отклонение σ_в по формуле

(2)

9. Рассчитать коэффициент вариации σ_в по формуле

(3)

4. ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет о работе должен содержать:

1. Методику испытания на сжатие образцов из ПКМ.

2. Расчет прочностных характеристик ПКМ.

3. Результаты испытаний и расчетов: таблица и диаграммы сжатия.

4.Вывод.

Результаты испытаний на сжатие образцов из ПКМ

5. Контрольные вопросы

1. Для каких ПКМ испытания на сжатие являются основными?

2. Какую форму и размеры имеют образцы из ПКМ при испытаниях на сжатие?

3. Какова методика определения предела прочности при сжатии ПКМ?

4. Что называется диаграммой сжатия ПКМ?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 25.602-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах. – Введ. 1981–07–01. – М: Государственный комитет СССР по стандартам, 1980. – 18 с.

Лабораторная работа № 14

Определение плотности полимерных композиционных материалов методом гидростатического взвешивания

Цель работы: знакомство с методом определения плотности ПКМ гидростатическим взвешиванием и получение навыков работы с аналитическими весами.

1. Краткие теоретические сведения

Плотностью среды называется физическая величина, численно равная массе среды в единице ее объема

. (1)

В Международной системе единиц СИ плотность измеряется в кг/м³.

Если плотность среды во всех ее точках одна и та же, среда называется однородной, в противном случае – неоднородной.

В том случае, когда некоторое тело имеет правильную форму (шар, цилиндр, параллелепипед, конус и т.п.), а вещество, из которого оно состоит, – однородная среда, для определения плотности материала, из которого оно изготовлено, можно воспользоваться непосредственно определением плотности. Для этого нужно измерить линейные размеры тела и по формулам определения объемов правильных тел вычислить объем тела. Так, для определения объема параллелепипеда нужно измерить его высоту, длину и ширину. Объем будет равен произведению этих трех величин. Аналогичные формулы имеются и для объемов других тел правильной формы. Для определения плотности тела достаточно взвесить его и поделить массу тела на объем. Если вещество в данном теле распределено неравномерно (вещество неоднородно, например, имеются включения другого вещества или пустоты и т.п.), то таким способом определяется средняя плотность вещества.

Если тело имеет неправильную форму и его объем нельзя найти с помощью простой математической формулы через линейные размеры, то воспользоваться определением плотности нельзя. В этом случае используется другой метод определения плотности – метод гидростатического взвешивания. В основе этого метода лежит закон Архимеда, который гласит: на всякое тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая (архимедова) сила, равная весу вытесненной телом жидкости или газа. Сила Архимеда приложена к центру масс тела и направлена вертикально вверх.

Метод гидростатического взвешивания заключается в следующем. Сначала взвешивают тело в воздухе и находят его массу. Это значение массы, вообще говоря, приближенное, поскольку взвешивание выполняется в воздухе, а не в пустоте. Сила Архимеда, действующая на тело в воздухе, уменьшает показания весов, и масса тела определяется в этом случае по недостатку. Пока мы будем пренебрегать этой ошибкой, учтем ей позднее. Обозначим приближенную массу тела, определенную в воздухе, через m₁.

Затем тело взвешивают в дистиллированной воде, плотность которой при 4-х градусах Цельсия равна точно 1000 кг/м³. Для определения ее плотности при другой температуре используется таблица зависимости плотности воды от температуры. Обозначим приближенную массу тела, определенную в воде, через m₂ .

Зная эти две величины и пользуясь законом Архимеда, можно найти объем тела. А именно, согласно закону Архимеда, на тело в воде действует выталкивающая сила:

, (2)

где F_A – величина силы Архимеда, которая направлена вверх; g – ускорение свободного падения; V – объем тела; ρ₀ – плотность воды при данной температуре.

Наличие силы Архимеда приводит к уменьшению силы, которая действует на коромысло весов со стороны тела. Поэтому условие равновесия равноплечих весов можно записать следующим образом:

, (3)

где ρ₁ – плотность тела.

Первое слагаемое в формуле (3) − масса тела, найденная в воздухе, умноженная на ускорение свободного падения, поэтому формулу (3) можно записать в виде:

. (4)

Из этого равенства находим объем тела:

. (5)

Определив объем тела, можно найти и его плотность. Для этого массу тела, найденную в воздухе, нужно разделить на этот объём:

. (6)

Это и есть формула определения плотности тела произвольной формы методом гидростатического взвешивания. Однако в этой формуле не учитывается тот факт, что воздух так же, как и вода, выталкивает погруженные в него тела с силой Архимеда. Поскольку сила Архимеда в воздухе не учитывается в формуле (6), эта формула является лишь приближенной. По этой причине она называется формулой неисправленной плотности. Чтобы исключить ошибку, связанную с наличием силы Архимеда в воздухе, нужно учесть эту силу в балансе сил (3).

На тело при взвешивании его в воздухе действует сила Архимеда, направленная вверх. В связи с этим при взвешивании в воздухе силы уравновешиваются следующим образом:

, (7)

где ρ₂ – плотность воздуха при данной температуре.

При взвешивании тела в воде оно должно быть полностью погружено в воду. Поэтому непосредственно на него воздух не действует, и равенство (3) сохраняет силу. Из формулы (7) следует, что

. (8)

Тогда получаем новое равенство баланса сил:

. (9)