Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 56799-2015 "Композиты полимерные. Метод определения механических характеристик при сдвиге на образцах с V-образными надрезами" (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 ноября 2015 г. N 2056-ст)

Polymer composites. Method for determination of mechanical characteristics at shear on V-notched samples

Дата введения - 1 января 2017 г.

Введен впервые

ГАРАНТ:

Курсив в тексте не приводится

Предисловие

1 Подготовлен Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" совместно с Открытым акционерным обществом "НПО Стеклопластик" и Объединением юридических лиц "Союз производителей композитов" на основе официального перевода на русский язык англоязычной версии указанного в пункте 4 стандарта, который выполнен ТК 497

2 Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 497 "Композиты, конструкции и изделия из них"

3 Утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 ноября 2015 г. N 2056-ст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к стандарту АСТМ Д5379/Д5379 М-12 "Стандартный метод определения характеристик прочности на сдвиг композитных материалов с помощью пластин с V-образным вырезом" (ASTM D5379/D5379 М-12 "Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method"). При этом дополнительные слова, фразы, ссылки, включенные в текст настоящего стандарта для учета потребностей национальной экономии Российской Федерации, выделены курсивом.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного стандарта АСТМ для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (подраздел 3.5).

Разделы и подразделы, не включенные в основную часть настоящего стандарта, приведены в дополнительном приложении ДА.

В настоящем стандарте исключены ссылки на стандарты АСТМ: Д792, Д2584, Д2734, Д3171, Е6, Е111, Е122, Е177, Е251, Е456, Е1237 и документы ANSI Y14.5M-1982, ANSI/ASME В 46.1-1985.

Исключение стандартов АСТМ: Д792, Д2584, Д2734, Д3171 обусловлено тем, что они носят справочный характер, а также в связи с тем, что исключен подраздел 11.2, в котором они упоминаются.

Исключение стандартов АСТМ: Е6, Е111, Е251, Е1237 и документов ANSI Y14.5M-1982, ANSI/ASME В 46.1-1985 обусловлено тем, что в Российской Федерации на национальном уровне нет аналогичных стандартов, а также в связи с тем, что они имеют поясняющий и справочный характер.

Исключение стандартов АСТМ Е456 и АСТМ Е122 обусловлено отсутствием близких по аспекту стандартизации межгосударственных стандартов и необходимостью выделения вопросов статистической обработки данных по результатам испытаний в отдельные стандарты.

Исключение стандарта АСТМ Е177 обусловлено его несоответствием системе основополагающих стандартов, действующих на территории Российской Федерации.

Ссылки на АСТМ: Д883, Д3878, Д5229/Д5229 V, Е4 заменены соответствующими ссылками на межгосударственные и национальные стандарты.

Оригинальный текст не включенных структурных элементов национального стандарта США приведено в дополнительном приложении ДА.

Сравнение структуры настоящего стандарта со структурой указанного стандарта АСТМ приведено в дополнительном приложении ДБ

5 Введен впервые

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт распространяется на полимерные композиты (ПК), армированные непрерывными волокнами или рублеными волокнами в следующих материальных формах:

1.1.1 Слоистые ПК, состоящие только из однонаправленных волокнистых структур, при этом волокна направлены параллельно или перпендикулярно к оси нагружения.

1.1.2 Слоистые ПК, состоящие только из нитевидного тканого материала, при этом деформация направлена параллельно или перпендикулярно к оси нагружения.

1.1.3 Слоистые ПК, состоящие только из однонаправленных волокнистых структур, содержащих равные количества слоев, ориентированных на 0° и 90° в сбалансированной и симметричной последовательности укладки, с направлением 0° или параллельно, или перпендикулярно к оси нагружения.

1.1.4 ПК, армированные рубленым волокном, при этом большинство волокон распределены в случайном порядке.

1.2 Настоящий стандарт устанавливает метод определения упруго-прочностных характеристик при сдвиге путем испытания на асимметричный изгиб образца с V-образными надрезами.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 166-89 (ИСО 3599-76) Штангенциркули. Технические условия

ГОСТ 6507-90 Микрометры. Технические условия

ГОСТ 12423-2013 (ISO 291:2008) Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб)

ГОСТ 24888-81 Пластмассы, полимеры и синтетические смолы. Химические наименования, термины и определения

ГОСТ 28840-90 Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования

ГОСТ 32794-2014 Композиты полимерные. Термины и определения

ГОСТ Р 8.585-2001 Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования

ГОСТ Р 56762-2015 Композиты полимерные. Метод определения влагопоглощения и равновесного состояния

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины, определения и обозначения

3.1 В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 24888, ГОСТ 32794, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 испытание: Осуществление определенного комплекса действий, который может быть воспроизведен сколь угодно большое число раз с целью воздействия на продукцию для изучения ее поведения в данных условиях и определения количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта.

3.1.2 диаграмма деформирования: Графическая зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией (или перемещением).

3.1.3 система координат материала: Декартовая система координат, описывающая нормальную систему координат материала, используя 1, 2 и 3 в качестве осей, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Система координат материала

3.2 В настоящем стандарте приняты следующие обозначения:

3.2.1 деформация сдвига , %: Деформация сдвига, измеряемая на участке между надрезами, под углами 45°.

3.2.2 максимальная деформация сдвига , %: Деформация сдвига, измеряемая на участке между надрезами, под углами 45° вплоть до разрушения материала или по достижению 5% деформации сдвига.

3.2.3 напряжение сдвига , МПа: Соответствует нагрузке, соотнесенной к площади поперечного сечения между надрезами образца в точке i.

3.2.4 прочность при сдвиге , МПа: Соответствует максимальному напряжению при разрушении или по достижении 5% деформации.

3.2.5 модуль сдвига G, ГПа: Определяется по секущей на начальном линейном участке диаграммы "деформация сдвига - напряжение сдвига".

3.2.6 А, : Минимальная площадь поперечного сечения испытуемого образца.

3.2.7 h, мм: Толщина образца.

3.2.8 w, мм: Ширина образца между надрезами.

3.2.9 b, мм: Ширина образца.

3.2.10 n: Количество образцов.

3.2.11 Р, Н: Нагрузка, выдерживаемая образцом.

3.2.12 , МПа: Нормальное напряжение.

3.2.13 , °: Угол ориентации слоя.

4 Сущность метода

4.1 Сущность метода заключается в определении предельного разрушающего напряжения, прочности при сдвиге и модуля сдвига. Испытания проводят на образцах с симметричными V-образными надрезами, расположенными по центру в специализированном приспособлении, позволяющем локализовать деформацию сдвига в образце между надрезами. На приспособление прикладывают нагрузку с постоянной скоростью деформирования до тех пор, пока не произойдет сдвиговое разрушение образца ПК от сдвиговых напряжений или не будет достигнут предел 5% деформации сдвига.

Во время проведения испытания записывают диаграмму нагрузка - деформация.

4.2 Настоящий метод испытаний позволяет определить характеристики прочности на сдвиг композитных материалов, армированных высокомодульными волокнами.

Стандарт распространяется на следующие формы композитного материала:

4.2.1 Слоистые материалы, состоящие только из однонаправленных волокон, с направлением волокон, ориентированным параллельно или перпендикулярно по отношению к оси приложения нагрузки.

4.2.2 Слоистые материалы, состоящие только из слоев ткани, с направлением нитей основы параллельно или перпендикулярно по отношению к оси приложения нагрузки.

4.2.3 Слоистые материалы, состоящие из однонаправленных волокон, содержащих равное количество слоев, расположенных в направлении [0], [90] или в симметричной последовательности укладки слоев, при этом волокна, ориентированные в направлении 0° параллельны или перпендикулярны по отношению к оси приложения нагрузки.

4.2.4 Композитные материалы, дискретно армированные рубленым волокном.

5 Оборудование

5.1 Испытательная машина по ГОСТ 28840, обеспечивающая линейное перемещение активного захвата (траверсы) с заданной постоянной скоростью и измерение нагрузки с погрешностью не более 1% измеряемой величины.

5.2 Испытательная машина должна быть оборудована приспособлением для испытаний на сдвиг образцов с V-образным надрезом посредством асимметричного изгиба в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема приспособления и приложения нагрузки для испытания на сдвиг c V-образным надрезом

Используемое приспособление должно иметь четыре точки касания с образцом, каждая половина приспособления должна содержать зажимной элемент фиксирующий образец. Один из захватов, обычно - нижняя половина, устанавливают на опорной плите, которая также поддерживает направляющий вал, а другой захват, обычно в верхней части, монтируют на вал основания, захват должен свободно перемещаться вдоль оси нагружения. Каждый элемент крепят к (или поддерживают) одному из захватов испытательной машины.

5.3 Приспособление должно гарантировать правильное расположение и центровку образца относительно оси приложения нагрузки. Центрирующий инструмент должен обеспечивать совмещение надреза образца с осью приложения нагрузки приспособления.

5.4 Для условий проведения испытаний, отличных от стандартной лабораторной атмосферы, применяют термокриокамеру для испытаний на воздействие окружающей среды. Данная камера должна поддерживать заданные условия для рабочего участка образца во время механических испытаний.

Термокриокамера должна обеспечивать поддержание заданной температуры в пределах 3°С и заданного уровня относительной влажности в пределах 3%. Условия в камере должны контролироваться либо автоматически и непрерывно, либо вручную с установленным интервалом.

5.5 Средства измерения температуры по ГОСТ Р 8.585 должны обеспечивать измерение с погрешностью 1,5% измеряемой величины. Средства измерения влажности должны обеспечивать измерение с погрешностью 2% измеряемой величины.

5.6 При проведении испытаний при повышенных и пониженных температурах для контроля температуры образца используют термопару, которую крепят на поверхность образца. Способ крепления термопары должен обеспечивать плотное прилегание спая термопары к поверхности образца и исключать влияние термопары на результаты испытаний. Рекомендуется использовать термопары с плоским спаем, закрепленным на поверхности образца алюминиевым скотчем.

5.7 Средства измерения ширины и толщины образца должны обеспечивать измерение с погрешностью не более 1% измеряемой величины. Для измерений рекомендуется использовать штангенциркуль по ГОСТ 166 с погрешностью не более 0,025 мм и микрометр по ГОСТ 6507 с плоскими головками диаметром от 5 до 7 мм с погрешностью не более 0,01 мм. Приборы измерения углов с точностью до 0,5°.

5.8 Для измерения деформации используют тензометры с рекомендуемым сопротивлением 350 Ом, деформацией не менее 3% и длиной измерительной решетки 1,5 мм. Погрешность измерения применяемых тензометров должна быть не более 1% предельного значения измеряемой величины.

Рекомендуется использовать минимально возможное напряжение возбуждения тензомоста, обеспечивающее необходимое разрешение (рекомендуемое напряжение - от 1 до 2 В). Нагрев образца измерительным прибором может оказывать непосредственное влияние на характеристики материала или воздействовать на указанную деформацию в результате разности между степенью температурной компенсации прибора и коэффициентом теплового расширения материала образца. Для испытаний при повышенных и пониженных температурах следует учитывать температурную компенсацию тензометра. Допускается применение других средств измерения деформации с погрешностью не более 1% предельного значения измеряемой величины.

6 Образцы

6.1 Испытания ПК проводят в любых из шести плоскостей, как указано на рисунке 1, а также в соответствии с надлежащей схемой ориентации слоев и типа армирующего наполнителя, как указано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Ориентация слоев в образцах для определения свойств при сдвиге в шести различных направлениях

6.2 Свойства на сдвиг 1-2/2-1

Свойства материала в плоскостях 1-2 и 2-1 являются плоскостными свойствами для слоистых ПК. Подготавливают образцы для оценки данных свойств путем резки контрольных плит из , или ориентированных слоистых материалов таким образом, чтобы направление под углом 0° было вдоль длины образца или в направлении оси нагружения, в соответствующих случаях.

6.3 Свойства на сдвиг 1-3/2-3

Свойства материала в плоскостях 1-3 и 2-3 являются межслойными свойствами для слоистых ПК. Подготавливают образцы для оценки указанных свойств нарезанием контрольных плит из толстолистового (20 мм) или ориентированного слоистого материала. Толстолистовой слоистый материал может быть изготавлен несколькими способами. Процедуры, указанные в 6.4 или 6.5, являются одинаково допустимыми. Процедуру, описанную в 6.6, применяют, только если ни одна из ранее указанных двух процедур не может быть выполнена, поскольку приформованные поверхности могут влиять на результаты.

6.4 Проводят совместное отверждение слоистого материала до получения окончательной толщины панели за одну операцию.

6.5 Проводят формование и совместное формование в целях получения окончательной толщины панели при помощи предварительно отвержденного слоистого материала, используемого для участка испытания, размер по толщине такого слоистого материала должен быть более 14 мм, к нему симметрично на каждой стороне приклеивают дополнительный слоистый материал, чтобы в общей сложности получить толщину панели, равную 20 мм.

6.6 Формуют друг с другом, при помощи однородно тонких слоев адгезива, минимальное количество предварительно отвержденных слоистых материалов для получения общей толщины пластины 20 мм.

6.7 Свойства на сдвиг 3-1/3-2

Свойства материала в плоскостях 3-1 и 3-2 являются межслойными свойствами для слоистых ПК. Подготавливают образцы для оценки указанных свойств нарезанием контрольных плит из или ориентированного слоистого материала, который подготавливают следующим образом: приклеивают или совместно приклеивают определенное количество предварительно отвержденных слоев для участка испытаний с использованием предварительно отвержденного слоистого материала, который имеет максимально возможную толщину (предпочтительно более ширины участка для испытаний) не менее 6 мм, к которому был симметрично приклеен на всех сторонах дополнительный слоистый материал из того же материала до набора общей длины 76 мм. Количество поверхностей склеивания с поворотом участка с надрезом в горизонтальной плоскости, толщину поверхностей склеивания следует сохранять минимальной для избежания влияния адгезии на результаты испытаний.

6.8 Допускается проводить испытания ПК армированных дискретным волокнистым наполнителем в виде рубленых волокон.

6.9 Для определения упруго-прочностных характеристик при сдвиге образцов с V-образным надрезом используют образцы в виде балки прямоугольного сечения, показанного на рисунке 4.

Рисунок 4 - Образец

6.10 Геометрические размеры образца указаны на рисунке 4. Длина образца L - 76 мм, ширина b - 20 мм, расстояние между надрезами w - 12 мм, глубина надрезов d - 4 мм. При необходимости регулируют стандартный угол надреза до 90°, глубину надреза - до 20%, а радиус надреза r - до 1,3 мм для удовлетворения особых потребностей в материалах, любое отклонение от этих значений должно быть зафиксировано в протоколе испытаний. Рекомендуемая толщина образца h - от 3 до 4 мм, допускаются образцы иной толщины с занесением информации в протокол испытаний.

6.11 Рекомендуется использовать накладки для образцов толщиной менее 2,5 мм для снижения концентрации напряжений в зоне фиксации образцов.

Накладки для образцов изготовляют из ортогонально армированных композитных или других материалов, модуль упругости которых в направлениях, перпендикулярных оси образца, не превышает модуль упругости в этих же направлениях материала образца, а относительное удлинение при разрушении накладок не должно быть меньше относительного удлинения испытуемого материала. Направление армирования волокон на прилегающей к образцу поверхности накладок должно совпадать с направлением армирования волокон образца. Рекомендуемая толщина накладок - 1,5 мм.

6.12 Накладки на образец рекомендуется фиксировать с помощью клея или иной технологии изготовления образца с накладками, указанной в нормативных документах или технической документации.

6.13 Образец для испытаний при визуальном осмотре должен иметь гладкую поверхность без вздутий, сколов, неровностей, надрезов, царапин, трещин, расслоений. Требования к параллельности и перпендикулярности поверхностей образцов указаны на рисунке 5.

Рисунок 5 - Требования к состоянию поверхности образцов с накладками и без накладок

6.14 Технология изготовления образцов, механическая обработка, место и направление их вырезки должны соответствовать требованиям нормативных документов или технической документации на материал. Образцы материала одной марки, поступающие на испытания, должны быть изготовлены с применением одного и того же метода формования.

6.15 Для данного вида испытаний очень важной является процедура механической обработки образца. Если вырезку проводят из толстых плит, то требуется соблюдать меры предосторожности для избежания надрезов, подрезов, неровных или грубых (шероховатых) поверхностей, или же дефектов расслоений, которые стали результатом несоответствующих способов механической обработки. Окончательные размеры образца получают методом прецизионного выпиливания, фрезерования или выточки с подводом воды в качестве смазки, рекомендуется использование инструмента с алмазным напылением. Торцы должны быть плоскими и параллельными, а также не выходить за пределы заданных допусков.

6.16 Количество образцов для испытаний одной партии материала должно быть не менее пяти для каждого режима испытания.

6.17 Любые отклонения от условий, указанных в 6.10, должны быть отражены в протоколе испытаний.

6.18 Для определения деформации при сдвиге на рабочую часть образцов предварительно производится аппликация тензометров под углами плюс 45° и минус 45°, как указано на рисунке 6. Допускается аппликация тензометров на двух поверхностях образца. В случае если пренебречь кручением образца нельзя при испытании, тензометры под углами плюс 45° и минус 45° устанавливают на обеих сторонах образца. Следует учитывать возможное повреждение материала образцов