Приложение ДБ (справочное). Оригинальный текст модифицированных структурных элементов

Приложение ДБ
(справочное)

Оригинальный текст модифицированных структурных элементов

ДБ.1

1 Область применения

1.1 Настоящий метод испытаний используют для определения характеристик прочности заполнителя на сдвиг в плоских слоистых конструкциях, которые подвергают изгибу, при котором в результате приложенной силы возникает искривление плоскостей обшивки. Заполнитель может быть изготовлен как из материалов со сплошной поверхностью склеивания (например, пробковое дерево и пенопласты), так и из материалов с прерывистой поверхностью (например, ячеистая структура).

1.2 Значения, указанные в единицах СИ или единицах системы мер "дюйм/фунт", рассматривают отдельно в качестве стандартных. Значения, приведенные для каждой из систем, не являются строго эквивалентными, каждую систему используют независимо друг от друга. Объединение значений из двух систем может привести к несоответствиям стандарту.

1.2.1 В тексте документа в скобках указаны единицы дюйм-фунтовой системы.

1.3 Данный стандарт не претендует на освещение в полном объеме всех вопросов соблюдения техники безопасности (если таковые имеются), которые могут возникать в связи с его применением. В обязанности пользователя данного стандарта входит обеспечение соответствующих мер техники безопасности и охраны труда, а также решение вопроса о применимости нормативных ограничений до применения стандарта.

ДБ.2

2 Нормативные ссылки

2.1 Стандарты ASTM:

С273 Метод испытания, применяемый при определении сдвиговых свойств материалов со слоистым заполнителем

С274 Многослойные "сэндвич"-конструкции.

Термины

D883 Пластмассы. Термины

D3878 Композитные материалы. Термины

D5229/D5229M Метод испытания свойств влагопоглощения и приведение их в сбалансированное состояние для композитных материалов с полимерной матрицей

D7249/D7249M Метод испытания, применяемый при определении свойств обшивки "сэндвич"-конструкций путем изгиба длинной балки

D7250/D7250M Практические указания по определению жесткости на изгиб и сдвиг составных слоистых балок

Е4 Методы проверки усилий установок для испытаний

Е6 Методика механических испытаний. Термины

Е122 Практические указания по расчету объема выборки с целью определения с заданной точностью среднего значения требуемого параметра для партии или процесса

Е177 Практика использования терминов "точность" и "систематическая погрешность" в методах испытаний ASTM

Е456 Качество и статистика. Термины

Е1309 Руководство по идентификации композитных материалов, армированных волокном, с полимерной матрицей в базах данных

Е1434 Руководство по внесению результатов механических испытаний композитных материалов, армированных волокном, в базы данных

ДБ.3

4 Краткое описание метода

4.1 В соответствии с данным методом испытаний балку слоистой конструкции подвергают изгибающему моменту, направленному перпендикулярно к плоскости слоев. Фиксируют измерения зависимости упругой деформации от силы.

4.2 Единственными приемлемыми разрушениями являются разрушение заполнителя при сдвиге или разрушение связи между заполнителем и обшивкой. Случаи разрушения обшивки до разрушения заполнителя или связи между заполнителем и обшивкой не рассматривают. Для определения прочности обшивки используют метод испытаний D7249/D7249M.

ДБ.4

7 Аппаратура

7.1 Микрометр и штангенциркуль. Используют микрометр с плоской опорной поверхностью или штангенциркуль подходящего размера. Погрешность прибора (приборов) должна быть не более 0,025 мм [0,001 дюйма] при измерении толщины и не более 0,254 мм [0,010 дюйма] - при измерении длины и ширины.

Примечание 3 - Приведенные выше погрешности обеспечивают получение измерений с точностью до 1 % от длины, ширины и толщины образца.

7.2 Нагружающее приспособление. Данное приспособление должно обеспечивать трех- или четырехточечную нагрузку и должно быть снабжено двумя опорами, равными ширине образца и расположенными под ним, и одной или двумя нагружающими штангами, равными ширине образца и расположенными поверх него (Рисунок 1). Нагрузка подается вертикально через нагружающую(ие) штангу(и), при этом опоры зафиксированы в испытательной установке.

7.2.1 Стандартная конфигурация. Стандартное нагружающее приспособление имеет трехточечную конфигурацию с опорами, осевые линии которых расположены на расстоянии 150 мм [6,0 дюймов] друг от друга.

7.2.2 Нестандартные конфигурации. Все остальные конфигурации нагружающего приспособления считаются нестандартными, и информация о его геометрических параметрах должна быть занесена в протокол испытаний. На рисунке 3 показана стандартная установка для испытания коротких балок четырехточечным изгибом.

Нестандартные трех- и четырехточечные конфигурации установок описаны в настоящем стандарте с целью (а) обеспечения преемственности ранее используемого метода испытаний С393, (b) по причине необходимости применения к некоторым конструкциям слоистых панелей нестандартных конфигураций нагрузки для достижения условий разрушения заполнителя или связующего слоя, (с) для возможного использования данных об упругой деформации под нагрузкой при нестандартном изгибе совместно с методом D7250/D7250M для определения жесткости на изгиб и на сдвиг балки из слоистого материала.

Нагружение в середине пролета

а - трехточечное нагружение (стандартная конфигурация)

нагружение четверти пролета

Рисунок 1 лист 1

Нагружение в третях пролета

b - четырехточечное нагружение (нестандартная конфигурация)

	Конфигурация	Пролет со стороны опор (S)	Пролет со стороны нагружения (L)
Стандартная	Трехточечное нагружение (в середине пролета)	150 мм [6,0 дюймов]	0,0
Нестандартная	Четырехточечное нагружение (Нагружение четверти пролета)	S	S/2
	Четырехточечное нагружение (в третях пролета)	S	S/3

Рисунок 1 лист 2 - Конфигурации нагружения

1 - обшивка, 2 - заполнитель

Рисунок 2 - Определение толщины слоистой панели

Рисунок 3 - Короткая балка. Четырехточечная конфигурация нагружения короткой балки (в третях пролета)

7.2.3 Опорные и нагружающие штанги. Штанги должны обеспечивать свободное вращение образца в точках нагружения и опоры. Жесткость материала должна быть достаточной, чтобы исключить существенную деформацию штанг под нагрузкой. Любое явное искривление штанги или зазоры между штангой и испытуемым образцом считаются существенной деформацией. Рекомендуемая конфигурация - нагружающий блок шириной 25 мм [1,0 дюйм] из листовой стали, контактирующий с образцом (через прижимные резиновые прокладки). Нагружение происходит через цилиндрический стержень или V-образную штангу, которая перемещается по V-образной канавке в верхней части нагружающей стальной плиты с плоским дном. Радиус закругления краев V-образных нагружающих штанг должен быть не менее 3 мм [0,12 дюйма]. Радиус закругления V-образной канавки в нагружающей плите должен быть больше радиуса наконечника нагружающей штанги, и угол раствора конуса канавки должен быть таким, при котором боковые поверхности нагружающих штанг не будут контактировать со сторонами V-образной канавки во время испытания. Допускается использование нагружающих штанг, состоящих из стальных цилиндров диаметром 25 мм [1,0 дюйм], однако в этом случае риск смятия образца в месте контакта с цилиндром увеличивается. Также существует тенденция к увеличению длины пролетов между опорными и нагружающими штангами, так как происходит прогибание образца при использовании цилиндрических штанг без V-образных нагружающих плит (например, вращающиеся опоры).

7.2.4 Прижимные прокладки. Прижимные прокладки из резины, равные ширине образца, твердостью на дюрометре по Шору примерно 60, номинальной шириной 25 мм [1,0 дюйм], номинальной толщиной 3 мм [0,125 дюйма], устанавливают между нагружающими штангами и образцом для предотвращения местного разрушения образца.

7.3 Испытательная установка. Испытательная установка должна соответствовать практическим указаниям Е4 и отвечать следующим требованиям:

7.3.1 Комплектация испытательной установки. Испытательная установка комплектуется двумя головками: главной фиксированной и перемещаемой.

7.3.2 Приводной механизм. Приводной механизм агрегата для испытаний должен обеспечивать передачу регулируемого темпа смещения подвижной головки относительно фиксированной. Скорость смещения перемещаемой головки регулируют в соответствии с 11.4.

7.3.2 Динамометр. Датчик усилия испытательной установки должен обеспечивать измерение общего усилия, действующего на испытательный образец. В данном приборе должна полностью отсутствовать инерция при указанном темпе проведения испытаний, а погрешность измерения должна составлять  1 % отображаемого значения в пределах исследуемого диапазона (диапазонов) усилий.

7.4 Дефлектометр. Упругую деформацию образца измеряют в середине пролета между опорными штангами прибором, надлежащим образом откалиброванным, с погрешностью не более 1 %.

Примечание 4 - Применение смещения направляющей головки или приводного механизма для измерения упругой деформации в середине пролета дает неточные результаты, особенно в случае четырехточечного изгиба; необходимо выполнить прямое измерение упругой деформации в середине пролета балки с помощью подходящего прибора.

7.5 Камера кондиционирования. Для кондиционирования материалов во внелабораторных условиях требуется камера с регулированием температуры/уровня испарения, которая должна обеспечивать поддержание требуемой температуры с точностью до 3 °С [°5 F] и уровня относительной влажности до 3 %. Контроль параметров в камере - непрерывный автоматический или через равные промежутки времени, ручной.

7.6 Камера для моделирования окружающих условий. Данное оборудование необходимо для создания условий испытаний, отличных от условий испытательной лаборатории. Камера должна обеспечивать поддержание требуемых условий в ходе проведения механических испытаний на образце рабочей длины.

ДБ.5

8 Отбор образцов для испытаний

8.1 Отбор образцов. Сначала проверяют не менее 5 образцов по каждому режиму испытания, только после этого можно получить достоверные результаты испытания с использованием меньшего количества образцов, т.е. выполнить спланированный эксперимент. Методика сбора и обработки статистически значимых данных описана в практическом руководстве Е122. Способ отбора образцов заносят в протокол испытаний.

8.2 Геометрические параметры. Образец стандартной конфигурации используют в тех случаях, когда согласно уравнениям 8.2.3 будет обеспечено разрушение заполнителя или связующего слоя между заполнителем и обшивкой. В случаях, когда стандартная конфигурация не обеспечивает требуемого разрушения, необходимо создать образец с нестандартными параметрами.

8.2.1 Стандартная конфигурация. Используют испытательный образец прямоугольного сечения шириной 75 мм [3,0 дюйма] и длиной 200 мм [8,0 дюймов]. Глубина образца должна быть равной толщине слоистой конструкции.

8.2.2 Нестандартные конфигурации. Минимальная ширина образцов нестандартной конфигурации должна быть в 2 раза больше общей толщины и в 3 раза больше внутреннего объема заполнителя; максимальное значение ширины должно быть меньше шестикратной общей толщины и не более половины длины пролета. Длина образца должна равняться длине пролета между опорными штангами плюс 50 мм [2 дюйма] или плюс половина толщины слоистой конструкции, в зависимости от того, что больше. Ограничения максимальной ширины образца введены для упрощения расчетов параметров слоистых балок; в образцах, ширина которых превышает указанные ограничения, необходимо учитывать возможность возникновения изгибающих усилий, характерных для плит.

8.2.3 Конструкция образца. Конструкция слоистого образца для испытания на изгиб с целью определения предела прочности на сдвиг заполнителя или связующего слоя между заполнителем и обшивкой должна исключать разрушение обшивки. Для этого выбирают сравнительно большую толщину обшивки и/или достаточно короткое расстояние между опорами, при которых возникающие поперечные срезывающие силы в точках их приложения будут незначительными, благодаря чему напряжение обшивки не превысит допустимого значения. Однако при большой толщине обшивки поперечная срезывающая сила будет действовать в значительной степени на обшивку, и в результате, согласно расчетам с использованием уравнений настоящего стандарта, будет получен высокий предел прочности на сдвиг для заполнителя. Для определения размеров испытательных образцов используют следующие уравнения (предполагают, что обе обшивки имеют одинаковую толщину и модуль упругости, и толщина обшивки относительно толщины заполнителя невелика [t/c   0,10]):

Длина пролета между опорами должна удовлетворять уравнению

(1)

или прочность заполнителя на сдвиг должна быть равной

.

(2)

Прочность заполнителя при сжатии должна удовлетворять уравнению

,

(3)

где S - длина пролета между опорами, мм [дюймы];

L - длина пролета между точками нагружения, мм [дюймы] (L = 0 для трехточечной нагрузки);

- предполагаемый предел прочности обшивки, МПа [psi];

t - толщина обшивки, мм [дюймы];

с - толщина заполнителя, мм [дюймы];

- расчетная прочность заполнителя на сдвиг, МПа [psi];

k - коэффициент запаса прочности обшивки для обеспечения разрушения заполнителя (рекомендуется k = 0,75);

- размер нагружающей плиты по длине образца, мм [дюймы];

- допускаемый предел прочности при сжатии для заполнителя, МПа [psi].

8.3 Обшивки

8.3.1 Укладка. Кажущаяся жесткость на изгиб, полученная данным методом, может зависеть от последовательности укладки слоев обшивки, хотя и в меньшей степени, чем при изгибе многослойных пластиков. Для испытаний с использованием стандартной конфигурации образца обшивка, состоящая из многослойного композитного материала, должна иметь уравновешенную конструкцию, расположенную симметрично по отношению к срединной плоскости слоистой балки.

8.3.2 Жесткость. Обшивка стандартного образца должна быть выполнена из одинаковых материалов с идентичной толщиной и укладкой слоев. Для данных расчетов предполагают, что жесткостные свойства верхней и нижней обшивок постоянны и равны. Подобное условие может быть неприменимо к определенным обшивочным материалам (например, композиты из арамидных волокон), которые обладают существенно отличающимися модулями растяжения и сжатия или которые характеризуются значительными нелинейными деформациями при растяжении.

8.3.3 Толщина обшивки. Определение точной толщины обшивки после склеивания или соотверждения обшивки и заполнителя затруднено. Заказчик испытаний должен указать толщину обшивки для расчетов по данному методу. Толщину обшивки из материала с металлической матрицей или предварительно отвержденного материала, которую не сразу соединяют с заполнителем, измеряют перед склеиванием. В этих случаях заказчик испытания указывает, какую толщину (измеренную и/или номинальную) использовать в расчетах. Толщину обшивки из соотверждаемых композитов определяют, как правило, используя номинальные значения толщины каждого слоя.

8.4 Подготовка и обработка образца для испытаний. Для данного метода большое значение имеет надлежащая подготовка образца. Образцы вырезают из плит. Зазубрины, надрезы, шероховатость или неровность поверхности, а также расслоение вследствие неправильной обработки не допускаются. Окончательные размеры получают методом прецизионного опиливания, фрезерования или шлифования с водяной смазкой. Для многих систем материалов использование алмазных обрабатывающих инструментов оказалось очень эффективным. Кромки ровные, расположенные параллельно относительно друг друга, в пределах заданных допусков. Фиксируют и вносят в протокол метод подготовки образцов.

8.5 Маркировка. На образцы для испытаний наносят маркировку, которая позволит отличить их друг от друга, а также определить плиту, из которой они были вырезаны. Маркировка должна сохраняться в ходе испытания и не должна влиять на него.

ДБ.6

10 Кондиционирование

10.1 Рекомендуемое кондиционирование перед испытанием проводят с целью достижения равновесия между материалом и атмосферой кондиционирования при определенной относительной влажности согласно методу испытаний D5229/D5229M; однако если заказчик испытания не регламентировал условия кондиционирования образца перед испытанием, данная процедура не требуется и образцы тестируют без выдержки.

10.2 Параметры кондиционирования образца перед испытанием, включая заданные уровни воздействия окружающих условий и полученное в результате влагосодержание, записывают в протокол вместе с результатами испытаний.

Примечание 5 - Термин "влажность" в соответствии с методом испытаний D5229/D5229M включает не только пар жидкости и его конденсат, но и саму жидкость в больших количествах, например, при погружении.

10.3 Если кондиционирование не проводят, в протоколе испытаний указывают "кондиционирование не проводилось", влагосодержание "неизвестно".

Примечание - Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ 1.5 (пункт 7.9.7).

ДБ.7

11. Процедура

11.1 Параметры, которые надо определить перед испытанием:

11.1.1 Метод отбора образцов и их геометрические параметры, технологические карты кондиционирования (если необходимо).

11.1.2 Свойства и формат представления данных.

11.1.3 Параметры окружающей среды при испытании.

11.1.4 Номинальную толщину материала обшивки.

Примечание 6 - Перед проведением испытания определяют свойства конкретного материала, требуемую точность и формат отчетности для правильного выбора измерительной аппаратуры и регистрирующего оборудования. Оценивают прочность образца с целью выбора преобразователя, калибровки оборудования и определения его настроек.

11.2 Общие указания:

11.2.1 В протоколе необходимо указать любые отклонения от данного метода испытаний, намеренные или неизбежные.

11.2.2 Выполняют кондиционирование образца, если это необходимо. Если условия испытаний отличаются от условий кондиционирования, образцы хранят при условиях кондиционирования до начала испытаний.

11.2.3 Перед испытанием измеряют и записывают длину, ширину и толщину образца в трех точках рабочей части. Погрешность измерения длины и ширины образца составляет не более 0,254 мм [0,010 дюймов]. Погрешность измерения толщины образца - не более 0,025 мм [0,001 дюйма]. Значения записывают с точностью до трех значащих чисел в миллиметрах [дюймах].

11.3 Измеряют и записывают длину пролетов со стороны опоры и нагружения.

11.4 Скорость испытания. Скорость испытания должна обеспечивать разрушение образца в пределах от 3 до 6 мин. Если предельную прочность нельзя достоверно установить, проводят предварительную проверку, используя стандартные режимы скорости, до определения предела прочности материала и податливости системы. Полученное значение используют для регулировки скорости. Рекомендуемая стандартная скорость перемещения направляющей головки - 6 мм/мин [0,25 дюйма/мин].

11.5 Условия проведения испытаний. Если возможно, испытание образца проводят с теми же параметрами, при которых выполнялось его кондиционирование. Тем не менее, такое условие, как высокая температура при испытании образца во влажном состоянии, не может быть обеспечено климатическими камерами стандартных испытательных установок. В таких случаях может быть необходимо изменение условий механических испытаний, например, проведение данной процедуры при повышенной температуре без контроля воздействия влажности, но с ограничением времени между разрушением образца и его изъятием из камеры для кондиционирования. Любые изменения условий проведения испытаний фиксируют.

11.6 Установка приспособления. Устанавливают нагружающее приспособление, как показано на рисунке 1, в соответствии с конкретной ситуацией и помещают в испытательную установку.

11.7 Установка и центровка образца. Помещают образец на стенд. Следует отрегулировать приспособление и образец таким образом, чтобы продольная ось образца была перпендикулярна (в пределах 1°) к продольным осям нагружающих штанг, а штанги размещались параллельно (в пределах 1°) плоскости обшивок образца.

11.8 Установка преобразователя. Датчик измерения прогиба крепят к приспособлению и образцу и подключают к регистрирующей аппаратуре. Снимают любую оставшуюся предварительную нагрузку, обнуляют тензодатчики и выполняют балансировку датчика прогиба.

11.9 Нагружение. Образец подвергают действию силы сжатия с заданной скоростью и одновременной фиксацией данных. Образец нагружают до разрушения или до получения упругой деформации, равной толщине образца.

Примечание 7 - Некоторые материалы заполнителя не демонстрируют четко определенного разрушения с изломом и внезапной потерей несущей способности, скорее разрушение в них характеризуется увеличением предела текучести заполнителя, подвергающегося сдвигу, что приводит к существенной сдвиговой деформации заполнителя с сохранением несущей способности. Испытания таких материалов останавливают в пределах линейной теории изгиба балок.

11.10 Регистрация данных. Регистрацию данных изменения силы в зависимости от перемещения направляющей головки и зависимости упругой деформации от силы ведут постоянно или через короткие промежутки времени (примерно 2-3 показания в секунду, чтобы для каждого теста получить не менее 100 зафиксированных показаний). При обнаружении начальных разрушений записывают силу, смещение и характер разрушения в таких точках. Следующие потенциальные начальные (некритичные) разрушения должны быть включены в протокол испытаний: расслоение обшивки, нарушение связи между заполнителем и обшивкой, частичный излом заполнителя и его смятие. Записывают характер, место и объект, в котором отмечено подобное разрушение. Используют коды иде