Межгосударственный стандарт 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" (введен в действие постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 27 августа 1980 г. N 4449)

Design calculation and strength testings. Methods of Mechanical testing of Polymeric Composite Materials. Test for Compression. Properties at normal, elevated and low temperatures

Дата введения установлена - с 1 июля 1981 г.

Настоящий стандарт распространяется на полимерные композиционные материалы, армированные непрерывными высокомодульными углеродными, борными, органическими и другими волокнами, структура которых симметрична относительно их срединной плоскости, и устанавливает метод испытания этих материалов на сжатие при нормальной (20°С), повышенной (до 180°С) и пониженной (-60°С) температурах.

Метод испытания на сжатие стеклопластиков установлен в ГОСТ 4651-82.

1. Сущность метода

1.1. Метод состоит в кратковременном испытании образцов из композиционного материала на сжатие с постоянной скоростью деформирования, при котором определяют:

предел прочности при сжатии (напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца), МПа;

модуль упругости при сжатии - отношение напряжения к соответствующей относительной деформации при сжатии образца в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования, МПа;

коэффициент Пуассона - отношение поперечного относительного удлинения к продольному относительному укорочению образца при сжатии в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования.

2. Оборудование для испытаний

2.1. Испытания проводят на испытательной машине, обеспечивающей сжатие образца с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата, измерение нагрузки с погрешностью не более 1% измеряемой величины.

2.2. Испытательная машина должна быть снабжена двумя плоскопараллельными площадками (плитами) и обеспечивать их сближение с заданной скоростью.

2.3. Шероховатость рабочей поверхности площадок должна соответствовать Ra < 0,32 мкм по ГОСТ 2789-73; рабочие поверхности должны быть термообработаны до 45 - 50 HRC, при испытаниях боропластиков до 70 HRC по ГОСТ 9013-59.

2.4. Одна из площадок испытательной машины должна быть самоустанавливающейся.

2.5. Для определения предела прочности при сжатии испытания проводят в специальном приспособлении, обеспечивающем одновременное приложение нагрузки по торцевым и боковым поверхностям образца согласно черт. 1. Шероховатость площадок, передающих нагрузку на торцевые поверхности образца, должна соответствовать Ra < 0,63 мкм по ГОСТ 2789-73 и их рабочие поверхности должны быть закалены до твердости 45 - 50 HRC (в случае испытания боропластиков - до 70 HRC). Площадки приспособления, передающие усилия на образец по боковым поверхностям, должны иметь насечку длиной не менее 40 мм под углом 45° с шагом 1 мм.

Черт. 1

2.6. В качестве измерителей деформаций могут использоваться механические, оптико-механические тензометры, электротензометры, тензорезисторы или другие приборы, обеспечивающие измерение деформации с погрешностью не более 1% предельного значения измеряемой величины.

2.7. В качестве регистрирующей аппаратуры при измерении деформаций применяют осциллографы, потенциометры, измерители статических деформаций или другие приборы, обеспечивающие регистрацию деформаций с точностью, указанной в п. 2.6.

2.8. Приборы для измерения геометрических размеров образца должны обеспечивать измерение с погрешностью не более 0,05 мм для размеров до 10 мм и не более 0,1 мм для размеров 10 мм и более.

2.9. Испытания при повышенных и пониженных температурах проводят на испытательных машинах, оборудованных камерами, которые обеспечивают равномерный прогрев (охлаждение) образца до заданной температуры и сохранение последней на протяжении всего времени испытания. Температуру испытаний устанавливают по ГОСТ 14359-69. Измерение температуры проводят с помощью термопар.

3. Образцы

3.1. Образцы вырезают из однородных по толщине плит или других полуфабрикатов. Вырезку образцов проводят в направлениях главных осей ортотропии испытуемого материала. Способ и режим изготовления образцов предусматриваются в нормативно-технической документации на композиционные материалы.

3.2. Образцы должны иметь гладкую наружную поверхность без вздутий, сколов, трещин и других дефектов, заметных невооруженным глазом. Шероховатость торцевых поверхностей образца должна соответствовать Ra < 0,63 мкм по ГОСТ 2789-73.

3.3. Изменение толщины и ширины по длине образца должно быть не более 0,05 мм.

3.4. Для определения предела прочности при сжатии в направлении армирования однонаправленных композиционных материалов применяют образцы в виде полосы прямоугольного поперечного сечения 2 с закрепленными по концам накладками 1 (черт. 2).

Черт. 2

3.5. Для определения предела прочности при сжатии материалов с укладкой арматуры, отличной от однонаправленной, а также однонаправленных в направлении, перпендикулярном к армированию, применяют образцы согласно п. 3.4, но шириной 15 мм или в виде двусторонней лопатки (черт. 3).

Черт. 3

3.6. Для определения модулей упругости и коэффициентов Пуассона при сжатии композиционных материалов применяют образцы в виде параллелепипеда с прямоугольным основанием (черт. 4).

Черт. 4

3.7. При определении модуля упругости и коэффициента Пуассона материалов с модулем упругости МПа и толщиной  мм при нагрузке, не превышающей 50% разрушающей, длину рабочей части образца принимают равной 60 мм. При нагрузке, близкой к разрушающей, и других значениях модуля упругости и толщины образца h длину рабочей части образца, обеспечивающую его устойчивость, определяют по формуле

,

где h - толщина образца, мм;

- коэффициент приведенной длины (для шарнирных опор = 1);

- модуль упругости материала образца в направлении приложения нагрузки, МПа;

- критическое напряжение при сжатии, МПа, принимаемое для однонаправленных композиционных материалов равным ; для композиционных материалов с неоднонаправленной структурной ;

- предполагаемый предел прочности при сжатии, принимаемый равным пределу прочности

при растяжении, МПа;

- модуль межслойного сдвига материала образца, МПа.

Значения при толщине образца h = 1 мм и = 1 в зависимости от , и приведены

в табл. 1.

Таблица 1

, МПа	, МПа	Значения для h = 1 мм при МПа равном, мм
		5	10	15	20	25	30	35	40	45
1000	100	6,0	8,5	9,5	12,1	13,5	14,8	16,0	17,1	18,2
	200	4,0	5,6	6,8	7,9	8,8	9,7	10,5	11,2	12,0
	300	2,9	4,2	5,1	5,9	6,6	7,3	7,9	8,3	8,8
	400	2,3	3,3	4,0	4,6	5,2	5,6	6,1	6,5	6,9
	500	1,8	2,5	3,2	3,6	4,1	4,5	4,8	5,2	5,5
5000	100	6,2	9,0	10,9	12,7	14,2	15,6	16,8	18,0	19,0
	200	4,5	6,3	7,7	8,8	10,0	10,9	11,8	12,4	13,3
	300	3,5	5,0	6,2	7,2	8,0	8,7	9,3	10,1	10,8
	400	3,2	4,5	5,4	6,2	7,0	7,6	8,2	8,8	9,5
	500	2,6	3,8	4,6	5,3	6,0	6,5	7,1	7,6	8,1

При  мм значения получают умножением табличного значения на h.

3.8. Накладки для образцов изготовляют из ортогонально армированных материалов, модули упругости которых в направлениях, перпендикулярных к оси образца, не превышают модулей упругости в соответствующих направлениях материала образца. Относительное удлинение при разрушении материала накладок во всех направлениях должно быть больше или равно соответствующей характеристике материала образца. Для изготовления накладок рекомендуется использовать ортогонально армированный стеклопластик.

3.9. Накладки при многократном использовании крепятся к образцу с помощью шлифовальной тканевой шкурки 2Э250300С2 81Кр 80 КБ или 2М250300 С1 81Кр 63 КБ по ГОСТ 5009-82, на поверхности полотна которой приклеивают накладки, как указано на черт. 5. Для приклеивания накладок к шлифовальной шкурке рекомендуется использовать клей типа БФ-2 по ГОСТ 12172-74 или другие, аналогичные по свойствам. Крепление накладок к образцу указано на черт. 5.

Черт. 5

3.10. В случае разового использования накладок их приклеивают непосредственно к образцу, как показано на черт. 2. Для приклейки накладок используют клей. Сдвиговая прочность клея должна составлять не менее 40 МПа. Технология приклейки накладок должна быть указана в нормативно-технической документации на материал образца.

3.11. Количество образцов, необходимых для определения одной из характеристик п. 1.1, в заданном направлении композиционного материала одной партии должно быть не менее пяти.

4. Подготовка к испытанию

4.1. Если в нормативно-технической документации на испытуемые материалы не указаны особые условия кондиционирования, то перед испытанием образцы кондиционируют по ГОСТ 12423-66.

4.2. Время от окончания изготовления формованных образцов или композиционного материала, из которого их вырезают, до испытания образцов, включая кондиционирование, должно составлять не менее 16 ч.

4.3. Перед испытанием образцы нумеруют краской. Измеряют толщину и ширину рабочей части образца в трех местах: по краям и в середине. Участки размером менее 10 мм измеряют с точностью до 0,05 мм, размером 10 мм и более - до 0,1 мм. Среднее значение толщины и ширины образца записывают в протокол испытаний и по ним, с точностью до трех значащих цифр, определяют площадь поперечного сечения образца.

5. Проведение испытаний

5.1. Испытания проводят в помещении или закрытом объеме при температуре и относительной влажности окружающего воздуха или другой среды, указанных в технических условиях на испытуемый материал. Если таких указаний нет, то испытания проводят при температуре окружающего воздуха (202)°С и относительной влажности воздуха (505)%. Если температура помещения отличается от указанной, то образцы до испытаний выдерживают в термокамере при температуре (202)°С в течение 2 - 3 ч.

5.2. При проведении испытаний в условиях повышенных или пониженных температур время, необходимое для полного прогрева или охлаждения образца до его испытания, должно задаваться нормативно-технической документацией на испытуемый материал. Если таких указаний нет, то время выдержки образца при заданной температуре устанавливают не менее 20 мин на 1 мм его толщины.

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

5.4. Устанавливают механические экстензометры или другие приспособления для измерения деформаций (тензорезисторы наклеивают на образец перед установкой в испытательную машину).

5.5. Устанавливают заданную скорость # перемещения активного захвата машины (рекомендуемая = 1 - 15 мм/мин).

5.6. Для определения модуля упругости или коэффициента Пуассона образец нагружают равномерно с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования и записывают изменение продольной деформации образца или от изменения нагрузки (см. приложение 1).

5.7. Для определения коэффициента Пуассона образец нагружают равномерно с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата в пределах начального линейного участка диаграммы деформирования и записывают приращение предельной поперечной деформаций образца в заданной его плоскости (см. приложение 2).

5.8. При определении предела прочности при сжатии образец равномерно нагружают с заданной скоростью перемещения активного захвата и записывают наибольшую нагрузку , которую выдержал образец.

6. Расчетные формулы и обработка результатов

6.1. Предел прочности при сжатии (), МПа, определяют по формуле

,

где - наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Н;

- площадь поперечного сечения образца, .

6.2. Модуль упругости при сжатии , МПа, определяют по формуле

,

где - приращение нагрузки, Н;

1 - база тензометра, мм;

- изменение базы тензометра (продольная деформация мерной базы) при изменении нагрузки на , мм;

- изменение относительной продольной деформации рабочей части образца, измеряемое

тензодатчиками сопротивления, при изменении нагрузки на .

6.3. Коэффициент Пуассона v определяют по формуле

,

где - изменение поперечной относительной деформации образца при изменении нагрузки на

, измеренной по ширине или толщине образца (в зависимости от задания).

6.4. Статистическую обработку результатов испытания проводят при доверительной вероятности 0,95.

6.5. Форма протокола испытаний дана в приложении 3.

6.6. Конструкция приспособления для испытания образцов на сжатие дана в приложении 4.