Приложение ДА (справочное). Оригинальный текст невключенных структурных элементов

Приложение ДА
(справочное)

Оригинальный текст невключенных структурных элементов

ДА.1 1 Область применения

1.2 Использование данной методики испытаний ограничено композитами, состоящими из слоистых лент с хрупкими и вязкими однофазными полимерными матрицами, армированных однонаправленным углеродным волокном и стекловолокном. Указанные ограничения - результат опыта, накопленного в ходе межлабораторных испытаний. Данная методика испытаний может оказаться полезной для других видов и классов композитных материалов; влияние определенных мешающих воздействий - см. 6.5.

1.3 Значения, указанные в единицах СИ, должны рассматриваться в качестве стандартных. Значения, приводимые в скобках, предназначены исключительно для справки.

1.4 Использование данного стандарта может сопровождаться применением опасных материалов и оборудования, а также проведением опасных действий, процессов.

1.5 Данный стандарт не предполагает рассмотрения всех положений касательно безопасности, если таковые имеются, которые сопряжены с его использованием. 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.

ДА.2 5 Значение и применение

5.1 Восприимчивость у большинства усовершенствованных слоистых композиционных структур к расслоениям является одной из их основных слабых сторон. Наличие сведений о свойствах стойкости к межслойному растрескиванию у композитных материалов из слоистых пластиков представляет практическую ценность для разработки изделия и отбора материалов. Более того, определение межслоевой вязкости разрушения по моде I, который не зависит от геометрических параметров образца или метода приложения нагрузки, практически полезно для определения расчетных припусков, которые используются в расчетах стойкости композитных структур из подобных материалов к повреждениям.

5.2 Данная методика испытаний соответствует следующим задачам:

5.2.1 количественному определению воздействия обработки поверхностей волокон, локальных вариаций по объему волокон в долях, а также переменных, которые относятся к обработке и условиям внешней среды на конкретного композитного материала;

5.2.2 количественному сравнению относительных значений для композитных материалов, имеющих различные элементы состава;

5.2.3 количественному сравнению значений , полученных из различных партий конкретного композитного материала, к примеру, для использования в качестве критерия отсева материалов или для того, чтобы установить припуски при конструировании;

5.2.4 подготовке критериев для оценки разрушения через расслоение применительно к анализам стойкости композитных материалов к повреждениям, а также для анализа их долговечности.

ДА.3 6 Мешающие воздействия

6.1 Динамика линейно упругого поведения берется из расчета G, используемой в данной методике испытаний. Такое допущение является состоятельным, если зона повреждения или нелинейная деформация в точке расслоения, либо и то, и другое, являются малыми, относительно наименьшего размера образца, который, как правило, является толщиной образца для проведения испытания на двухконсольном образце.

6.2 В испытании двухконсольного образца по мере роста расслоения, начиная со вставки, растет такое поведение материала, которое свидетельствует о сопротивляемости росту трещины, в этих случаях расчетное значение сначала имеет монотонное увеличение, а затем стабилизируется при последующем росте расслоения. В данной методике испытаний кривая сопротивления (кривая R), которая отображает величину в виде функции длины расслоения, формируется для предоставления характерных сведений о начале и росте расслоения в образце с однонаправленным материалом (рисунок 2). Главной причиной для наблюдаемого сопротивления расслоению является развитие мостов волокон. Подобный механизм развития мостов волокон происходит по причине роста расслоения между двумя однонаправленными слоями, расположенными под углом 0°. Большинство расслоений, которые формируются в композитных структурах из нескольких слоистых материалов, имеют место между слоями различной ориентации, не происходит образование мостов волокон. Образование мостов волокон расценивается как артефакт испытания двухконсольного образца на однонаправленных материалах. Ставится под вопрос общая значимость роста значений , рассчитанная за пределами конечной точки во внедренной вставке, а также предпочтительно производить измерение изначального значения от внедренной вставки. По причине значимости начальной точки данная вставка требует должной установки внутри материала и контроля (8.3).

Рисунок 2 - Кривая сопротивляемости к расслоению (R), по результатам испытания двухконсольного образца

6.3 Были произведены три оценки в процессе межлабораторных испытаний для определения изначального значения . Расчет значений проводился с использованием нагрузки и измеренного значения упругой деформации (1) в точке отклонения от линейности на графике зависимости нагрузки от смещения (NL), в той точке, в которой расслоение визуально наблюдалось по краю (VIS), что было измерено при помощи микроскопа, согласно указаниям пп. 7.5, а также в той точке, в которой погрешность увеличилась на 5% или нагрузка достигла максимального значения (5% I макс) (см. раздел 11). Значение NL , которое является наименьшим из трех изначальных значений , рекомендуется для того, чтобы сформировать критерии для оценки разрушения расслоением в определении долговечности и стойкости слоистых композитных структур к повреждениям (5.2.4). Рекомендации в отношении получения значения NL в точке приводятся в приложении А2. Все три изначальных значения могут использоваться для иных целей, которые приведены в пунктах 5.2.1 и 5.2.2. Физическое свидетельство указывает на то, что изначальное значение, соответствующее смещению по нелинейности (NL) на графике зависимости нагрузки от раскрытия, соответствует физическому сдвигу расслоения с точки вставки внутри ширины образца. В течение межлабораторных испытаний композитных материалов с термопластиковой матрицей AS4/PEEK значения NL были на 20% ниже, чем значения VIS и 5%/макс значений.

6.4 Рост расслоения может продолжиться одним из двух способов: путем медленного и стабильного удлинения или удлинения с ограничителем хода, в котором внезапным образом происходит резкий прирост во фронтальном расслоении. Первый способ роста представляет интерес в данной методике испытаний. Нестабильный прирост с точки вставки может указывать на наличие осложнения, которое связано с данной вставкой. Например, вставка может и не иметь полностью непроклеи от слоистого материала или может иметь слишком большую толщину, тем самым привести к образованию крупной полости со смолой без примесей, или же может содержать в себе складку или дефект износа. Мгновенный рост расслоения может привести к динамическим воздействиям как в образце для испытаний, так и в морфологии трещины. Обработка и интерпретация данных о таких типах воздействия в объем задач данной методики не входят. Ввиду наблюдаемого резкого скачкообразного роста трещины не менее чем на одном материале, в котором не нарушены направляющие для вставок (см. 8.3), с образцов снимают нагрузку после того, как происходит первый прирост в развитии расслоения, а затем повторно нагружают образец для продолжения испытания. Данная процедура подразумевает нагружение по классической моде I предварительного раздавливания в двухконсольном образце. Первое значение роста соответствует варианту с предварительным созданием трещины для моды I .

6.5 Применение прочих материалов, выкладок и архитектур:

6.5.1 Значения межслоевой вязкости, которые измеряют на однонаправленных композитных материалах с матрицами, состоящими из нескольких фаз, могут варьироваться в зависимости от тенденции к расслоению, самопроизвольно изменяться в пределах разных фаз матрицы. Композитные материалы с хрупкой матрицей с прочными межслоями адгезива между слоев могут быть в частности восприимчивы к такому механизму, который в результате приводит к двум условным значениям межслоевой вязкости: первое значение связано с разрушением когезионного типа в пределах межслоя, а другое - с разрушением адгезионного типа, которое имеет место между прочной полимерной пленкой и более хрупкой матрицей композитного материала.

6.5.2 Конфигурации двухконсольных образцов из многонаправленного материала могут иметь раскрой расслоений в удалении от середины, которые проходят через трещины матрицы в слоях вне продольной оси. Если расслоение отходит от центра, то нельзя получить разрушение по моде I как результат структурного сопряжения, которое может иметь место в асимметричных подслоях, которые формируются по мере роста расслоения. Многонаправленные образцы могут испытывать значительные воздействия антикластического изгиба, которые происходят в результате неравномерного роста по ширине образца, в частности, те, которые затрагивают наблюдаемые изначальные значения.

6.5.3 Тканые композитные материалы могут иметь значительный выход с развивкой, а также характеризоваться уникальными кривыми R, которые связаны с варьированием межслоевой вязкости в районе и вне пределов межслоевых полостей, содержащих смолы по мере роста расслоения. Те композитные материалы, которые имеют значительную прочность или межслоевую вязкость по всей толщине слоистого материала, к примеру, композитные материалы с металлическими матрицами или армированием стекловолокном в трехмерном измерении, могут испытывать разрушения консолей балки в большей степени, чем искомые разрушения между слоями.

ДА.4

8.5.1 В случае материалов с низкими значениями модуля упругости при изгибе или высокими значениями межслойной вязкости разрушения может потребоваться увеличение числа слоев, то есть увеличение толщины слоистого материала или уменьшение отрезка расслоения во избежание больших прогибов плеч образца. Толщина образца и начальная длина расслоения должны быть выбраны так, чтобы удовлетворять следующим условиям (6):

;

(2)

,

(3)

где - начальная длина расслоения;

h - толщина образца;

- модуль упругости слоя в направлении волокна.

При этом, если отношение смещения раскрытия в начальной точке расслоения к длине расслоения а превышает 0,4, при сокращении объема данных в соответствии с приложением А1 необходимо включить большие поправочные коэффициенты для прогибов. Если такие поправочные коэффициенты необходимы для всех длин расслоения, то они должны быть применены ко всем длинам расслоения.

8.8.3 Нагружающие блоки. Расстояние от штифта нагружающего блока до осевой линии верхнего плеча образца (расстояние t в приложении А1) должны быть минимально возможными для того, чтобы свести к минимуму ошибки вследствие плеча приложенного момента. Указанное воздействие будет существенным образом уменьшено за счет выбора расстояния t, таким образом,

,

(5)

чтобы при несоблюдении данного условия при уменьшении объема данных в расчет были включены поправочные коэффициенты на влияние нагружающих блоков в соответствии с приложением А1.

ДА.5

11.2 Наносят покрытия на оба края образца непосредственно до вставки при помощи тонкого слоя канцелярской замазки на водной основе или ее аналога в целях более легкого различия места приращения расслаивания. Отмечают первые 5 мм (0,2 дюйма), начиная со вставки в обе стороны краев при помощи нанесения вертикальных линий через 1 мм (0,04 дюйма). Отмечают оставшиеся 20 мм (0,8 дюйма) с тонкими вертикальными линиями 5 мм (0,2 дюйма). Длина расслаивания является суммой расстояния с линии нагружения до конца вставки (которое измеряют в ее недеформированном состоянии) с приращением в росте, который устанавливают, начиная с "галок".

11.4 По мере приложения нагрузки проводят измерение длины расслоения а с одной из сторон образца. Изначальная длина расслоения является расстоянием с линии нагружения до конца вставки. Не разрешается располагать конец вставки путем раскрытия образца. Если трудно распознать конец вставки на краю образца или определить положение конца вставки, исходя из исходной отметки, нанесенной на панели, необходимо: растереть торец образца в том месте, которое смежно и находится вблизи вставки, при помощи графитового карандаша с мягким грифелем и отполировать торец образца. Если не подходит ни один из вышеуказанных способов, отметить градуировки на торце образца от центра нагружающего штифта. При нагружении образца длина изначального расслаивания может быть установлена, исходя из градуировочных рисок. При росте расслаивания с позиции вставки требуется зафиксировать первое показание прибора, на следующей риске полностью 1 мм длины. Далее снимают показания по отношению к последующим четырем приращениям на 1 мм в отношении роста расслаивания, а также последующие приращения на 5 мм, как указано ранее.

11.9 В том случае, если применяется альтернативный метод для контроля роста расслоения, например используются калибры для контроля роста трещины, которые прикрепляются к краям образца, то сбор данных по такому методу проводят в соответствии с положениями, погрешностью и величинами, которые детально указаны выше.

ДА.6 12 Подтверждение допустимости

12.1 Значения, которые относятся к вязкости, не рассчитывают для всех образцов, которые разрушаются (не проходят испытания) любым образом, кроме распространяющегося расслоения, например разрушения в местах очевидных дефектов, кроме тех случаев, когда такие дефекты представляют исследуемую переменную. Если расчеты таких значений по данному образцу не проводят, проводят повторные испытания.

ДА.7 15 Погрешность

15.1 В таблице 1 представлены результаты, взятые из межлабораторных испытаний, проведенных в 1987 г. на образцах AS4/BP907, в 1989 г. - на AS4/3501-6, в 1990 г. - на AS4/PEEK, которые имели алюминиевые вставки, а также из межлабораторных испытаний в 1991 г. на образцах AS4/PEEK со вставками из полиимидной пленки. В таблице 1 приводится количество участвовавших лабораторий, количество испытаний на отдельную лабораторию, а также прочие существенные сведения о типе и толщине использованных вставок. Указанные программы проведения межлабораторных испытаний были рассчитаны на следование "Практическим указаниям" Е691, которые принимались в качестве руководящего документа.

Таблица 1 - Сводные данные о межлабораторных испытаниях

Ряд	Материал	Количество лабораторий	Испытания/лаборатория	Вставка	Среднеарифметическое значение, ,		, %		, %
I	AS4/BP907	9	3	25 мкм ПТФЭ	0,400(А)	0,028	7,0	0,077	19,3
II	AS4/3501-6	3	3	13 мкм Kapton	0,085(А)	0,015	17,6	0,014	16,5
II	AS4/PEEK	3	4	13 мкм Kapton	0,983(B)	0,132	13,4	0,178	18,1
III	AS4/PEEK	16	4	13 мкм алюминиевая фольга	1,439(B)	0,187	13,4	0,261	18,1
III	AS4/PEEK	5	4	7 мкм алюминиевая фольга	1,727(B)	0,226	13,0	0,140	8,1
IV	AS4/PEEK	10	3	13 мкм Kapton	1,303(B)	0,180	13,8	0,207	15,9
V	AS4/PEEK	9	5	7,5 мкм Upilex	1,182(B)	0,126	10,8	0,111	9,4
V	AS4/PEEK	9	5	13 мкм Upilex	1,262(B)	0,132	10,5	0,110	8,7
(А) VIS значение при использовании метода СС. (B) NL значения при использовании метода МВТ. Ряд I и II - межлабораторные испытания, проводимые ASTM. - данные из международных лабораторных испытаний, проводимых ASTM и JIS. - испытание в статических условиях на усталость, из данных межлабораторных испытаний, проводимых ASTM. - данные из международных лабораторных испытаний, проводимых ASTM/JIS и ESIS.

15.2 Погрешность - для оценки приемлемости и допустимости результатов надлежит воспользоваться нижеследующим (см. "Практические указания..." документ Е177):

15.2.1 Повторяемость - результаты повторных испытаний (которые получены одним оператором на одном и том же оборудовании в течение одних суток), полученные из отдельно взятой лаборатории в отношении одного и того же материала, следует расценивать недостаточно достоверными, если они отличаются более чем на значение r в отношении конкретного материала, где r = 2,8 , a - среднее значение по стандартным отклонениям применительно к каждой лаборатории, участвовавшей в испытаниях.

15.2.2 Воспроизводимость - среднее значение результата, которое было получено одной лабораторией в отношении конкретного материала, надлежит расценивать недостаточно достоверным, если оно отличается от среднего значения, которое было получено другой лабораторией, или отличается от измерений, проведенных в одной и той же лаборатории силами разных операторов на различном оборудовании в отношении одного и того же материала более чем на значение R применительно к конкретному материалу где R = 2,8 , a - это стандартное отклонение от среднего значения величины , полученного во всех участвовавших лабораториях.

Примечание 8 - Указанные данные о погрешности выводятся аппроксимацией, исходя из ограниченного блока данных, полученных из программ межлабораторных испытаний, однако такие данные предполагают достаточную основу для расценивания значимости результатов. Способность измерения позиции фронта расслоения, а также фактической вариации по свойствам материала от одной панели к другой в результате на выходе может иметь большие вариации по значениям . По отношению к стеклоэпоксипластам межлабораторные данные не сформированы, соответственно по этой причине не установлена применимость данных из таблицы 1 по отношению к данным материалам.

15.3 Систематическая погрешность - при определении межслойной вязкости разрушения по моде I в части у композитных материалов иной метод отсутствует. Следовательно, нет данных об установленной систематической погрешности, присущей двухконсольному образцу.

ДА.8 Приложения

А1 Значительное смещение и поправки на концевые блоки

А1.1 При помощи учета параметра F в расчете значения величины рассчитывают поправку на значительное смещение

,

(A1.1)

где t - см. рисунок 4 по отношению к петлям рояльного типа. Данный параметр F учитывает как укороченное плечо силы, так и наклон концевых блоков. В отношении образцов с блоками нагружения расстояние от конца вставки до линии нагружения должно быть не менее 50 мм для того, чтобы не принимать в расчет влияние таких блоков. Также следует учесть второй параметр N поправку на смещение, в том отношении, которое имеет дело с упрочнением образца, который находится между блоками

,

(А1.2)

где и t - см. рисунок 4 в отношении концевых блоков.

А1.2 Для применения указанных поправок или в части метода усовершенствованной теории балки (МВТ), или в части метода погрешностей калибровки (СС или МСС) следует выполнить следующие действия:

А1.2.1 если рояльные петли использовались для ввода нагрузки раскрытия, провести умножение значения на значение параметра F для получения значения с поправкой;

А1.2.2 если для ввода нагрузки раскрытия использовались концевые блоки, установить поправочное значение погрешностей, C/N, при этом нанеся на график такие погрешности в зависимости от длины трещины для определения , n, или (см. 13.1.1 - 13.1.3), затем выполнить умножение значения на F/N для получения значения с поправкой.

А1.3 Указанные поправочные параметры имеют малые значения по отношению к небольшим длинам расслоения в образцах толщиной 3 мм у 60% V f углепластиков, но они могут иметь большие значения для тонких (то есть более эластичных) образцов или по отношению к протяженным расслоениям.

А2 Рекомендации по получению точки NL

А2.1 Физическое свидетельство, которое можно получить при рентгенографии, в отношении двух видов материалов (углеволокно на эпоксидной матрице или матрице РЕЕК) демонстрирует проявление прироста расслоения сточки выпусков пленки внутри образца в непосредственной близости к точке NL и до точки VIS. Точка NL дает на выходе наименьшие, наиболее консервативные значения межслойной вязкости разрушения. Но также может быть затруднительным определение воспроизводимости по точке NL на кривой зависимости нагрузки от смещения.

А2.2 Коэффициенты вариации до 10% являются обычными. Но график аналогичных сигналов в части зависимости нагрузки от смещения, которые зачастую наносят на ленту записи в осях X-Y регистратора, может выводить более непротиворечивые результаты с меньшей вариативностью по сравнению с теми результатами, которые были получены путем подгонки кривой по точкам измерений, регистрируемых цифровыми приборами в ходе испытаний. Выполнение подбора прямой на графике зависимости нагрузки от смещения, если начинать с ограниченной нагрузки для недопущения нелинейности как результата "люфта", а также применение соответствующего критерия отбора по отклонению от линейности, например 1/2 от толщины полосы регистрации плоттера, может на выходе иметь большую достоверность результатов.

A3 Руководство к проведению предварительного создания трещины при помощи клина

А3.1 Если необходимо применить альтернативный способ по отношению к предварительному созданию трещины под воздействием нагрузки (см. комментарии в 11.7.7), то для раскрытия отверстия рекомендована следующая процедура. Образец крепят при помощи захватов на расстоянии 5 мм от конечной точки выпуска пленки. Ширину клина, которую забивают в образец, берут не менее той же ширины, что и ширина образца, а угол раскрытия по возможности поддерживают малым, при этом избегают соприкосновения клина напрямую с конечной точкой расслаивания. Клин можно загонять вручную или путем постукивания по нему, или же при помощи соответствующего инструмента и при агрегате для испытаний. Ввод клина в образец продолжают до того момента, пока кончик клина не будет находиться на расстоянии, равном 2 - 3 мм впереди захвата. Предварительное создание трещины при помощи клина устраивают на немного больше миллиметров внутрь захвата, но такая протяженность должна быть достаточно малой, чтобы была возможность приращения по длине расслоения не менее 50 мм за пределами конечной точки такого предварительного трещинообразования. Путем расклинивания может быть затруднительно предварительно создать соответствующую трещину. Предварительное создание трещины не во всех случаях может находиться позиционно в середине образца. В случае отклонений предварительно созданной трещины от центральной точки результаты испытания становятся недействительными, такой факт требуется отражать в протоколе.