ГОСТ Р 56740-2015 Композиты полимерные. Метод определения характеристики межслоевой вязкости разрушения многослойных и пултрузионных полимерных композитов

ГОСТ Р 56740-2015

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМПОЗИТЫ ПОЛИМЕРНЫЕ

Метод определения характеристики межслоевой вязкости разрушения многослойных и пултрузионных полимерных композитов

Polymer composites. Method for determination of translaminar fracture toughness characteristic of polymer composite laminates and pultruded polymer composites

ОКС 83.120

Дата введения 2017-01-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Объединением юридических лиц "Союз производителей композитов" совместно с Открытым акционерным обществом "НПО Стеклопластик" и Обществом с ограниченной ответственностью "Центр исследований и разработок "Инновации будущего" на основе аутентичного перевода на русский язык 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 20 ноября 2015 г. N 1913-ст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к стандарту АСТМ Е1922-04(2010)* "Стандартный метод испытания межслоевой вязкости разрушения ламинатов и пултрузионных композитных материалов с полимерной матрицей" (ASTM Е1922-04(2010) "Standard Test Method for Translaminar Fracture Toughness of Laminated and Pultruded Polymer Matrix Composite Materials") путем изменения содержания отдельных структурных элементов, которые выделены вертикальной линией, расположенной на полях этого текста, а также невключения отдельных структурных элементов, ссылок и/или дополнительных элементов.

________________

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - .

Оригинальный текст невключенных структурных элементов стандарта АСТМ приведен в дополнительном приложении ДА.

Оригинальный текст измененных структурных элементов примененного стандарта АСТМ приведен в дополнительном приложении ДБ. Отдельные структурные элементы изменены в целях соблюдения норм русского языка и технического стиля изложения, а также в соответствии с требованиями ГОСТ Р 1.5.

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

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

3 Термины и определения

4 Сущность метода

5 Оборудование

6 Подготовка к проведению испытаний

6.1 Подготовка образцов

Таблица 1

6.2 Кондиционирование образцов

7 Проведение испытаний

8 Обработка результатов

Приложение ДА
(справочное)

Оригинальный текст невключенных структурных элементов

ДА.1 11 Точность и систематическая погрешность

11.1 Точность. Точность определения является функцией точности нескольких размеров образцов, а также точностью измерений нагрузки и смещения.

Могут возникать значительные вариации в значениях , если испытуемый материал не является однородным. Оценить точность испытания трудно, если имеют такое количество переменных, как в данном случае.

И тем не менее возможно вывести полезные сведения, которые касаются точности измерений , из результатов программы межлабораторных испытаний (4), а также на основе результатов иных испытаний различных материалов (1-3). В настоящей программе была предпринята попытка выбрать однородный материал для испытаний и равновесные условия испытаний, которые можно было обеспечить должным образом. Данная программа, координируемая со стороны специальной группы Е8.09.02 ASTM, включила в себя проведение восьми параллельных испытаний в двух лабораториях, испытывались образцы толщиной 4,2 мм, взятые из слоистых материалов на основе углепластиков и из эпоксидных слоистых пластиков AS4/977-2 [90/-45/0/+45]4S. Среднее значение для указанных восьми испытаний составило 56,6 МПа·м со стандартным отклонением 2,9 МПа·м. Вариации, которые аналогичны тем, о которых имеются сведения в (4), предполагаются в будущем при экспериментах с более тесным контролем.

11.2 Систематическая погрешность. Не существует приемлемого стандартного значения для какого бы то ни было материала. По причине отсутствия основополагающего значения не могут быть сделаны предположения касательно систематической погрешности результатов данных испытаний.

Приложение ДБ
(справочное)

Оригинальный текст модифицированных структурных элементов

ДБ.1 Область применения

1.1 Данная методика испытаний объясняет определение трещиностойкости по слоям применительно к слоистым и пултрузионным композитным материалам с полимерной матрицей, имеющим различные ориентации волокон, с использованием результатов испытаний, полученных от однообразно нагруженных образцов с надрезом.

1.2 Данная методика испытаний применима к лабораторным условиям с комнатной температурой воздуха.

1.3 Композитные материалы, которые испытывают согласно данной методике испытаний, не ограничены по толщине или по типу полимерной матрицы или волокна при том условии, что размеры образца и результаты испытаний удовлетворяют требованиям данной методики испытаний. Данная методика испытаний была разработана, исходя из результатов испытаний различных углеродных волокон - слоистых материалов с эпоксидной матрицей, а также на основании результатов дополнительных испытаний стекловолокна - пултрузионных изделий с эпоксидной матрицей, стеклопластиковыми-полиэфиропластиковыми матрицами, а также с углеродистыми волокнами - слоистые материалы с матрицей из бисмалеимидной смолы.

1.4 Предусматривается испытание ряда материалов, которые являются внецентренно нагруженными, с испытанием на растяжение при наличии простого надреза, пластиков типа ESE(T), с размерами образцов, имеющими пропорциональные размеры в одной плоскости, но такой плоскостный размер может варьироваться и регулироваться с сопряженными с этими процессами изменениями, которые отражаются в прикладываемой нагрузке, используемой для испытаний. Толщина образца - переменная, она не зависит от размера образца в плоскости.

1.5 Допускается использовать конфигурации образцов, которые отличны от тех, что упомянуты в данной методике испытаний, при условии, если они имеют калибровки по показателю трещиностойкости, а также соответствие результатов испытаний данной методике испытаний. Необходимо соблюдать требования, указанные в 5.1 и 5.4, в части содержащегося повреждения в вершине надреза в том случае, когда используют альтернативные конфигурации образцов.

1.6 Значения, приводимые в единицах СИ, расценивают как стандартные. Никакие другие единицы измерения в данный стандарт не включены.

1.7 В настоящем стандарте не предусмотрено рассмотрение в полном объеме всех вопросов обеспечения техники безопасности (если таковые имеются), связанных с его применением. Пользователь настоящего стандарта несет ответственность за обеспечение соответствующих мер техники безопасности и охраны труда, а также определяет целесообразность применения законодательных ограничений перед его применением.

Примечание - Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ Р 1.5 (пункт 3.1) и ГОСТ 1.5 (подраздел 3.7).

ДБ.2 Нормативные ссылки

ASTM D883 Пластмассы. Термины

ASTM D3039/D3039M Метод определения свойств при растяжении композиционных материалов с полимерной матрицей

ASTM D3878 Композитные материалы. Термины

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

ASTM D5528 Метод испытаний стойкости к межслойному разрушению по Моде 1 у композитов с полимерной матрицей, армированных однонаправленными волокнами

ASTM Е4 Методы проверки усилий установок для испытаний

ASTM Е6 Методика механических испытаний. Термины

ASTM Е83 Практические указания к поверке и классификации систем тензометров

ASTM Е399 Методика испытаний для определения линейно-упругой в плоской деформации ударной вязкости Klc у металлических материалов

ASTM Е1823 Испытания на разрушение и усталость. Термины

Примечание - Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ Р 1.5 (пункт 3.6) и ГОСТ 1.5 (подраздел 3.8).

ДБ.3 Термины и определения

3.1 Определения

3.1.1 К данной методике испытаний применимы термины из раздела "Терминология" стандартов E6, E1823, а также D3878 .

3.2 Определения терминов, соотносимых с данным стандартом:

3.2.1 смещение "надрез - раскрытие", Vn [L] - элемент разрушения по Моде 1 (также известное как "разрушение раскрытием") со смещением трещины или надреза по причине эластичной и остаточной деформации. Такое смещение измеряют по всему раскрытию надреза на кромке образца (см. рисунок 1).

3.2.2 длина надреза, a [L] - расстояние от контрольной плоскости до передней части надреза, выполненного механическим способом. Контрольную плоскость находят в зависимости от формы образца и, как правило, за контрольную плоскость принимают границу либо плоскость, на которой находится линия нагружения, или ось образца, или плоскости. Данную контрольную плоскость устанавливают до деформации образца (см. рисунок 2).

3.2.3 нормализованный размер надреза, a/W [nd] - отношение длины надреза a к ширине образца W.

3.2.4 Дополнительные сведения см. в "Терминологии" стандарта D883 и методик испытаний D3039/D3039M, D5229/D5229M, D5528.

Примечания

1 Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ Р 1.5 (пункт 3.7) и ГОСТ 1.5 (подраздел 3.9).

2 Термин "длина надреза" исключен, так как является пояснением к рисунку 2.

ДБ.4

4.1 Данная методика испытаний предполагает испытание на растяжение внецентренно нагруженных образцов, образцов с простым надрезом, образцов ESE(T), а также образцов в случае нагружения для разрушения раскрытием трещины. Фиксируют зависимость нагрузки от смещения трещины по надрезу на кромке образца . Определяют нагрузку, которая соответствует предписанному увеличению в нормализованной длине надреза, при этом применяют фиксацию данных о смещении нагрузки. Трещиностойкость по слоям определяют на основании данных о такой нагрузке при помощи уравнений, которые были установлены на основе анализа упругого напряжения измененного образца с простым надрезом.

4.2 Действительность данных о трещиностойкости по слоям , определяемая согласно данной методики испытаний, зависит от сохранения относительно изолированной зоны повреждения в области верха надреза. В целях сохранения и обеспечения такого условия верха надреза ограничивается допускаемое увеличение на малое значение в отношении смещения "надрез - раскрытие" в непосредственной близости к точке максимальной нагрузки подобных испытаний. Малые увеличения в смещении "надрез - раскрытие" более вероятны для относительно толстых образцов, а также для образцов, которые имеют значительную пропорцию приповерхностных армирующих волокон, которые отцентрованы параллельно направлению надреза.

Примечание - Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ 1.5 (пункт 7.9.5).

ДБ.5

6 Аппаратура

6.1 нагрузка - образцы подвергают нагружению в испытательном аппарате, который позволяет одновременно регистрировать данные о прилагаемой на образец нагрузке, а также о получившемся смещении "надрез - раскрытие".

Стандартное расположение оснастки указано на рисунке 1. Для сосредоточенного нагружения применяют скобы, которые используют в методике испытаний Е399, в целях приложения нагрузки на образец для испытаний. Значения точности измерений нагрузок, а также точности устройств регистрации данных должны быть на таком уровне, чтобы обеспечивалась точность определения нагрузки ±1% (дополнительные сведения см. в E4);

6.2 щуп для измерения смещения - в целях измерений смещения в области раскрытия надреза в ходе нагружений используют прибор, измеряющий смещение. Для данной цели использование цифрового прибора (щупа) для измерения смещения типа, указанного в методике испытаний E399, может обеспечить высокочувствительную индикацию смещения разрушением раскрытия. Такой щуп прикрепляют к образцу при помощи клиновидных опор, зафиксированных на образце или при помощи внутренних клиновидных опор, которые прирабатываются в образце механическим способом.

Не допускается применение внутренних клиновидных опор для материалов, обладающих относительно низкой прочностью. Прочие типы приборов и креплений можно использовать при условии, что существует возможность продемонстрировать обеспечение ими тех же результатов. Значения точности измерений смещения, а также точности устройств регистрации данных должны быть на таком уровне, чтобы была обеспечена точность определения смещений ±1% (дополнительные сведения см. в E83).

Примечания

1 Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ 1.5 (пункт 7.9.6).

2 Для определения геометрических размеров образцов и надрезов добавлены требования к средствам измерений (микрометр и инструментальный микроскоп).

ДБ.6

7.1 конфигурация образцов - необходимые конфигурации образцов и испытаний приведены на рисунках 1 и 2. Длина надреза а расположена в пределах 0,5 и 0,6 ширины образца, W. Ширина надреза должна быть не более 0,015 W (см. рисунок 2). Толщина образца В является полной толщиной композитного материала, который предстоит испытать. Было отмечено на практике, что хорошо проявила себя толщина до 2 мм. Толщина с меньшим значением может вызывать поперечный прогиб, который не позволяет принять результат испытания.

Пользователь сам проводит отбор ширины образца. На практике хорошо проявил себя параметр W в диапазоне от 25 до 50 мм. Остальные размеры образца основаны на его ширине.

7.2 ориентация образца - ось нагрузки образца до испытания выверяют с точностью до 2° по отношению к искомому направлению испытания слоистого материала. К примеру, согласно испытанию = [0/90]5S слоистого материала подразумевает использование во время испытания 20-слойного образца с волокнами в слоях под углом 0°, которые центруются с осью нагрузки образца с точностью до 2°.

7.3 подготовка образца - при подготовке образца соблюдают допуски на размеры, которые указаны на рисунке 2. Надрез может быть подготовлен с помощью любого процесса, который формирует требуемую узкость. До начала испытаний (1-2) демонстрируют получение непротиворечивых результатов вне зависимости от профиля вершины надреза при условии ширины надреза не более 0,015 W. В этих условиях была отмечена эффективность использования ножовки, армированной алмазной крошкой, или резака ювелира. Во избежание раскола или расслоения поверхностных слоев в зоне вблизи верхушки надреза необходимо соблюдать осторожность.

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

ДБ.7

8.1 количество испытаний - проводят достаточное количество испытаний для получения трех действительных параллельных результатов в отношении каждого условия материала. Если предполагают вариации материала, то необходимо выполнить пять испытаний.

8.2 измерение образцов - проводят три измерения образца для расчета применяемого К: длина надреза а; толщина B; и ширина W. Полное разделение образца на две части зачастую происходит в ходе проведения испытания, по этой причине необходимо, чтобы измерения образца выполнялись до испытаний. Во избежание травмирования персонала, занятого на испытаниях, необходимо соблюдать осторожность.

8.2.1 Измеряют длину надреза а с точностью до 0,1 мм на каждой стороне образца. Используют среднее значение из двух измерений длины надреза в расчетах применяемого .

8.2.2 Измеряют толщину B с точностью до 0,002 W не менее чем в трех равноудаленных друг от друга точках по всему надрезу. Фиксируют среднее значение трех измерений в виде B применительно к данному образцу. Методы изготовления композитных материалов в итоге приводят к тому, что образцы имеют переменную толщину по причине разности в объемном коэффициенте материала матриц. Отсюда при расчете применяемого используют значение номинальной средней толщины, полученное по отдельным толщинам всех испытуемых образцов из конкретного компонента.

8.2.3 Измеряют ширину W с точностью до 0,05 мм.

8.3 Темп нагружения - нагружают образец при таком темпе, чтобы время между нулем и пиковой нагрузкой было в диапазоне от 30 до 100 с.

8.4 Протокол испытаний - подготавливают график зависимости нагрузки от выходного параметра (сигнала) щупа для измерения смещения. Выбор масштаба построения графика проводят таким образом, чтобы склон изначально линейного участка записи находился в пределах от 0,7 до 1,5.

Продолжают проведение испытания до момента достижения пиковой нагрузки и уменьшения нагрузки до 50% ее пикового значения.

Примечание - Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ 1.5 (пункт 7.9.8).

ДБ.8 Расчет или интерпретация результатов

9.1 Расчет величины используемого коэффициента (показателя) трещиностойкости,

- рассчитывают применяемый коэффициент по отношению к образцам типа ESE(T) на основе следующих формул:

, (1)

где - применяемый показатель трещиностойкости, МПа·м;

P - прикладываемая нагрузка, МН;

- a/W (безразмерный параметр);

n - длина надреза, как указано в 8.2.1, м;

B - толщина образца, как указано в 8.2.2, м;

W - ширина образца, как указано в 8.2.3, м;

а также данное выражение состоятельно для 01, для изотропных материалов и широкого спектра слоистых материалов.

9.2 Критерии применимости по отношению к - испытания на трещиностойкость по слоям у слоистых материалов углепластиков/слоистых материалов с полимерной матрицей продемонстрировали, что материалы, которые имеют относительно малую зону разрушения, которая требуется для достоверности измерений , также показали относительно малые значения добавочного смещения раскрытием в момент разлома образцов. Типовой график зависимости нагрузки от смещения раскрытием применительно к слоистому материалу приведен на рисунке 3. В части достаточно широкого ряда материалов максимальное применяемое значение , которое было установлено, исходя из максимальной нагрузки в ходе испытаний, предполагает достоверность измерения трещиностойкости по слоям, если значения смещения раскрытием трещины при наибольшей нагрузке удовлетворяют нижеследующему критерию:

*, (2)

где *= добавочное смещение раскрытием трещины до точки ;

* на продолжении изначально линейного участка графика (см. рисунок 3).

________________

* Формула и экспликация к ней соответствуют оригиналу. - .

9.3 Определение - для определения трещиностойкости по слоям следует процедуре, указанной далее.

9.3.1 Определяют максимальное значение применяемого коэффициента , , соответствующее максимальной нагрузке в ходе испытания , при помощи уравнения, указанного в 9.1.

9.3.2 Определяют значения и , исходя из данных графика зависимости нагрузки от смещения раскрытием, следуя процедуре, указанной на рисунке 3.

9.3.3

Если: 0,3, то .

Если: >0,3, то объем разрушения вокруг надреза может быть достаточно большим и может оказаться невозможным получить измерение

Смещение раскрытием трещины

Рисунок 3* - Типовой график зависимости нагрузки от смещения раскрытием трещины

________________

* Нумерация рисунков соответствует оригиналу. - .

Примечание - Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ 1.5 (пункт 7.9.9).

ДБ.9

10.1 Занести в протокол следующие сведения в части любого испытанного образца:

10.1.1 главные размеры образца, в том числе толщину, ширину и глубину надреза;

10.1.2 характеристики испытательного оборудования и процедур для испытаний, в том числе испытательный агрегат, темп нагружения, а также щупы для измерения смещений;

10.1.3 характеристики испытанного материала, в том числе тип волокна и матрицы, а также последовательность укладки слоев у слоистого материала;

10.1.4 температуру и относительную влажность во время испытаний, а также относительную влажность среды хранения образцов до испытания;

10.1.5 проявление трещины на образце после испытания, в том числе ее протяженность и характер разрушения, а также растрескивание на внешних поверхностях образца до надреза, а также

10.1.6 коэффициент трещиностойкости по слоям, , который был установлен, как описано в 9.3.

Примечание - Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ 1.5 (пункт 7.9.10).

Приложение ДВ
(справочное)

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой примененного в нем стандарта АСТМ

Таблица ДВ.1

Электронный текст документа

и сверен по:

, 2016