Способ контроля механических свойств композиционного материала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Басинюк Владимир Леонидович Глазунова Анна Александровна Витязь Петр Александрович Мардосевич Елена Ивановна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Способ контроля механических свойств композиционного материала, при котором образец с покрытием из композиционного материала деформируют путем приложения нагрузки, регистрируют параметры, при которых разрушается композиционный материал, и определяют его механические свойства, отличающийся тем, что композиционный материал располагают на противоположных гранях основы образца с прямоугольным сечением, толщину 0 которой определяют из выражения где- толщина композиционного материала, - прогнозируемое значение модуля упругости композиционного материала, 0 - модуль упругости материала основы образца 11871 1 2009.04.30 деформирование образца осуществляют с постоянной скоростьюпутем приложения нагрузкик одной из граней с композиционным материалом и через равные интервалы времени регистрируют силусопротивления образца деформированию, определяют градиентсилыза каждый последующий интервал времени- -1,где -1 и- предшествующее и последующее за ним зарегистрированные значения силы рассчитывают среднюю величину ср значений градиентови из зарегистрированных данных выделяют значение силы , при котором разрушается работающий на растяжение композиционный материал, расположенный на грани, к которой приложена нагрузка , и выдерживается неравенство 1,2 ср ,и значениевремени от начала деформирования образца до достижения силой сопротивления его деформированию значения , с учетом которого определяют соответствующее значение деформацииобразца,затем выделяют значение силы , при котором разрушается работающий на сжатие композиционный материал, расположенный на грани, противоположной к прикладываемой нагрузке , и выдерживается неравенство 1,2 ср ,где- среднее значение градиентов , определенной после достижения значением ср силывеличины ,а действительную величину модуля упругостикомпозиционного материала и пределы его прочности при растяжениии сжатииопределяют из зависимостей в в, где- ширина рабочей части образца, - расстояние от места разрушения покрытия до места приложения нагрузки для грани, на которой композиционный материал работает на растяжение, - расстояние от места разрушения покрытия до места приложения нагрузки для грани, на которой композиционный материал работает на сжатие. Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для контроля механических свойств композиционных квазихрупких материалов, сформированных в виде покрытий на поверхности испытываемого образца. Прочность покрытий характеризуется такими свойствами, как модуль упругости и предел прочности при растяжении и предел прочности при сжатии, которые используются для расчета прочностных и жесткостных характеристик, оценки контактных и изгибных напряжений и прочностных свойств. При этом количественные значения этих характери 2 11871 1 2009.04.30 стик существенно зависят от значительного числа взаимосвязанных факторов остаточных напряжений в покрытии и на поверхности его сопряжения с основой, толщины и строения покрытия, характера и параметров модификации покрытия и его термообработки. Исследования физико-механических свойств покрытий из композиционных материалов, как правило, длительный и трудоемкий процесс. Одним из перспективных путей сокращения этих исследований является оценка прочностных свойств образца с покрытием при испытаниях одновременно на растяжение и сжатие. Известен способ испытания покрытий на прочность, при котором на всю поверхность основы цилиндрического образца наносят покрытие и затем образец деформируют путем растяжения в направлении оси до разрушения покрытия, причем толщину основы берут большей толщины покрытия, а материал основы выбирают с пределом текучести большим, чем предел текучести материала покрытия 1. Данный способ позволяет произвести оценку предела прочности покрытия в условиях растяжения. Однако при его реализации в процессе исследований покрытий из композиционных материалов невозможно одновременно с пределом прочности при растяжении определить предел прочности при сжатии из-за отсутствия при растяжении образца сжимающих напряжений на исследуемом покрытии. Кроме того, поскольку значение соотношения площадей поперечного сечения материала основы и покрытия не регламентировано и в соответствии со схемой реализации данного способа фиксируется только момент разрушения покрытия, то в результате всего этого не представляется возможным определить модуль упругости материала покрытия при растяжении и сжатии. Известен способ испытания на прочность нанесенного на основу покрытия, при котором образец с покрытием деформируют растяжением в направлении его оси, измеряют деформацию, соответствующую разрушению покрытия, по которой судят о прочности покрытия при растяжении, причем в основе перед нанесением покрытия создают остаточные напряжения и деформации, соответствующие напряжениям и деформациям в натурном изделии, а после нанесения покрытия регистрируют изменения остаточной деформации, с учетом которых судят о прочности покрытия 2. Данный способ позволяет произвести оценку предела прочности покрытия при его растяжении с учетом остаточных напряжений и деформаций, возникающих при нанесении покрытия. Однако при его реализации невозможно одновременно с пределом прочности при растяжении определить модуль упругости покрытия и предел прочности при сжатии из-за того, что толщины и соответственно площади сечений материалов основы и покрытия не регламентированы и в покрытии при испытаниях не создаются сжимающие напряжения. Наиболее близким к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ контроля механических свойств композиционных материалов, заключающийся в том, что образец из композиционного материала деформируют с постоянной скоростью путем приложения нагрузки, одновременно регистрируя силу сопротивления деформированию с выделением значений, при которых разрушается композиционный материал, и определяют его механические свойства, по которым судят о прочностных свойствах материала образца 3. При реализации данного способа контроля могут быть определены прочностные свойства композиционного материала только при растяжении, поскольку самой схемой нагружения образца не предусмотрено создание сжимающих напряжений. Поскольку из зарегистрированных данных выделяется только величина нагрузки, при которой произошло разрушение, то при реализации данного способа не представляется возможным одновременное определение как предела прочности при растяжении, так и модуля упругости покрытия и его предела прочности при сжатии. Кроме того, полученные при реализации данного способа контроля характеристики материала могут быть использованы при его нанесении или формировании на основе из 3 11871 1 2009.04.30 иного материала только как ориентировочные, поскольку при этом возникают остаточные напряжения и деформации, оказывающие существенное влияние на определяемые параметры. Задачей изобретения является снижение трудоемкости способа контроля механических свойств нанесенного на материал основы или сформированного из ее поверхностного слоя композиционного материала за счет одновременной оценки его пределов прочности при растяжении и сжатии и модуля упругости. Решение поставленной задачи, достигается тем, что в способе контроля механических свойств композиционного материала образец с покрытием из композиционного материала деформируют путем приложения нагрузки, регистрируют параметры, при которых разрушается композиционный материал, и определяют его механические свойства, согласно техническому решению, композиционный материал располагают на противоположных гранях основы образца с прямоугольным сечением, толщину 0 которой определяют из выражения 0(416 ),0 где- толщина композиционного материала, - прогнозируемое значение модуля упругости композиционного материала, 0 - модуль упругости материала основы образца деформирование образца осуществляют с постоянной скоростьюпутем приложения нагрузкик одной из граней с композиционным материалом и через равные интервалы времени регистрируют силусопротивления образца деформированию, определяют градиентсилыза каждый последующий интервал времени- -1,где -1 и- предшествующее и последующее за ним зарегистрированные значения силы рассчитывают среднюю величину ср значений градиентови из зарегистрированных данных выделяют значение силы , при котором разрушается работающий на растяжение композиционный материал, расположенный на грани, к которой приложена нагрузка , и выдерживается неравенство 1,2 ср ,и значениевремени от начала деформирования образца до достижения силой сопротивления его деформированию значения Р, с учетом которого определяют соответствующее значение деформацииобразца, затем выделяют значение силы, при котором разрушается работающий на сжатие композиционный материал, расположенный на грани, противоположной к прикладываемой нагрузке , и выдерживается неравенство 1,2 ср ,где- среднее значение градиентов , определенной после достижения значением ср силывеличины ,а действительную величину модуля упругостикомпозиционного материала и пределы его прочности при растяжениии сжатииопределяют из зависимостей в в, где- ширина рабочей части образца, - расстояние от места разрушения покрытия до места приложения нагрузки для грани, на которой композиционный материал работает на растяжение, - расстояние от места разрушения покрытия до места приложения нагрузки для грани, на которой композиционный материал работает на сжатие. Снижение трудоемкости контроля механических свойств происходит за счет одновременной оценки модуля упругости, предела прочности при растяжении и предела прочности при сжатии композиционного материала, нанесенного на поверхность образца или сформированного из материала образца (алюминия или титана), например, аноднокатодной микродуговой обработкой, обеспечивается в результате следующего. Образец выполняется в виде стержня с прямоугольным сечением из материала с пределом прочности, большим ориентировочного предела прочности квазихрупкого композиционного материала, нанесенного на его две, наибольшие по площади, противоположные грани. При деформировании консольно закрепленного образца (фиг. 1-3) с постоянной скоростьюнагрузкойи регистрации силысопротивления образца деформированию композиционный материал, расположенный со стороны приложения нагрузки, растягивается до разрушения, расположенный на противоположной грани композиционный материал сжимается до разрушения. В рассматриваемом случае первым разрушается композиционный материал, расположенный со стороны приложения нагрузки . В момент его разрушения изменяется жесткость образца и связанный с этим градиент изменения силы сопротивления деформированию- -1, причем, как показал анализ результатов проведенных исследований, при соблюдении соотношения толщин материала основы и композиционного материала, определяемого зависимостью 0(416 ),0 величинаснижается более чем в 1,2 раза по сравнению со средним значением гради ентов ср (фиг. 4). В этот момент фиксируется значение силы сопротивления , при котором разрушается работающий на растяжение композиционный материал, расположенный со стороны грани, на которой приложена нагрузка , и выдерживается неравенство 1,2 ср ,и значениевремени от начала деформирования образца до достижения силой сопротивления его деформированию значения , с учетом которого определяют соответствующее значение деформацииобразца. Эти параметры используются для определения действительного модуля упругости композиционного материала ЕР и оценки предела его прочностипри растяжении. в В процессе дальнейшего деформирования образца с постоянной скоростьюв определенный момент разрушается композиционный материал, расположенный на поверхно 5 11871 1 2009.04.30 сти, противоположной к прикладываемой нагрузке . Затем выделяют значение силы ,при котором разрушается работающий на сжатие композиционный материал, расположенный со стороны грани, противоположной к прикладываемой нагрузке , и выдерживается неравенство 1,2 ср ,где- среднее значение градиентов , определенной после достижения значением ср силывеличины ,а действительную величину модуля упругостикомпозиционного материала и пределы его прочности при растяжениии сжатииопределяют из зависимостей в в 20 3, где- ширина рабочей части образца, - расстояние от места разрушения покрытия до места приложения нагрузки для грани, на которой композиционный материал работает на растяжение, - расстояние от места разрушения покрытия до места приложения нагрузки для грани, на которой композиционный материал работает на сжатие. Таким образом, в процессе контроля механических свойств композиционного материала на одном образце одновременно определяются его предел прочности при растяжении и предел прочности при сжатии и модуль упругости. Выбор толщины образца до нанесения контролируемого материала определяется следующим. Как установлено на основе анализа результатов исследований, при толщине композиционного материала, меньшей 04(/0 ) разрушение работающего на растя жение композиционного материала приводит к значительному скачкообразному возрастанию сжимающих напряжений в композиционном материале, размещенном на противоположной к нагружаемой грани образца. В результате этого происходит разрушение последнего, что не позволяет с высокой степенью достоверности оценить его прочность при сжатии. Так, например, толщина композиционного материала, выполненного на основе модифицированной оксидокерамики, как правило, не превышает 300 мкм, а в среднем составляет 60100 мкм. Поэтому при 04/0 толщина образцов становится меньшей 0,50,8 мм. Это не только не позволяет определить предел прочности модифицированной оксидокерамики при сжатии, но и при ее формировании на образце анодно-катодной микродуговой обработкой приводит к его короблению,что существенно усложняет и снижает точность последующей оценки механических свойств данного композиционного материала. При 016/0 слой композиционного материала становится относительно тонким, вследствие чего снижается точность определения значенийи . Использование в качестве критерия величины , которая изменяется больше чем в 1,2 раза по сравнению со средним значением, обусловлено двумя факторами 11871 1 2009.04.30 при контроле механических свойств возникает рассеивание регистрируемых параметров, вследствие чего при меньшем чем в 1,2 раза критерии оценкисущественно снижается достоверность результатов контроля как показал анализ результатов исследований, соотношение, регламентирующее толщины образца из материала основы 0 и композиционного материала , при использовании приведенного критерия обеспечивает достоверную реализацию предлагаемого способа контроля. Для повышения информативности контроля после каждого последующего изменения параметраболее чем в 1,2 раза определяют грань, на которой произошло разрушение композиционного материала, и характер разрушения. С учетом этого определят модуль упругости, пределы прочности при сжатии и растяжении композиционного материала. Необходимо отметить, что по результатам контроля после разрушения сжимаемого композиционного материала могут быть рассчитаны уточненные значения модуля упругости композиционного материала как при сжатии, так и при растяжении. На фиг. 1 показана схема крепления образца с композиционным материалом и его деформация. На фиг. 2 показан вид А фиг. 1. На фиг. 3 показан вид В фиг. 1. На фиг. 4 показан график изменения значений силы Р сопротивления деформированию образца 1 в зависимости от его прогибапри его деформировании с постоянной скоростью . При реализации предлагаемого способа образец 1 в виде лопатки (фиг. 1, 2, 3), имеющий на верхней и нижней грани композиционный материал 2 и 3, крепится расширяющейся частью в зажимном устройстве 4. Пример осуществления способа. Объектом контроля были механические свойства композиционного материала 2 и 3 из модифицированной оксидокерамики толщиной 0,12 мм, сформированного аноднокатодной микродуговой обработкой на противоположных гранях образца 1 в форме лопатки из алюминиевого сплава Д 16 с шириной и длиной рабочей части, соответственно равными 20 мм,105 мм, при общей длине (не показана) образца, равной 120 мм. Ориентировочный модуль упругостиисследуемой модифицированной оксидокерами ки в 1,5 раза превышает модуль упругости 0 алюминиевого сплава Д 16. Толщина материала основы образца 1 была принята равной 080,121,51,44 мм. Учитывая то,что при анодно-катодной обработке происходит преобразование материала основы образца 1 в оксидокерамику, толщина исходного образца 1 была принята равной 021,7 мм. Индентор (не показан) для деформирования испытываемого образца 1 устанавливался со стороны его свободного конца образца 1 на расстоянии 105 мм от места крепления(100 мм от начала радиуса закругления лопатки). Деформирование образца 1 осуществлялось с постоянной скоростью 0,05 мм/с. При этом с частотой 0,005 -1 регистрировалась на ПЭВМ силасопротивления образца деформированию. По результатам контроля определялось изменениекаждых двух последующих значений силы . Затем рассчитывалось среднее значение, где /, где- число зарегистрироср ср ванных значений . Каждое последующее значениесравнивалось с полученным до этого средним значением. ср При превышении значениявеличиныболее чем в 1,2 раза фиксировались знаср чение силы сопротивления деформированию , расстояниеот места приложения нагрузкидо места разрушения композиционного материала 2 и 3 и деформацияобразца 1. 7 11871 1 2009.04.30 Затем начинался новый отсчети определение , усреднение их значений с получениемдо следующего измененияболее чем в 1,2 по сравнению сс фиксиср ср рованием значения силысопротивления деформированию образца 1 и расстоянияот места приложения нагрузкидо места разрушения композиционного материала 2 и 3. В результате обработки полученных данных были определены следующие значения контролируемых параметров 50,7 мм, Р 34 Н,39 Н,100,3 мм,100 мм. В соответствии с этим действительный модуль упругостикомпозиционного материала 2 и 3 и пределы его прочности при растяжениии сжатииопределяв в лись из зависимостей 34100361 МПа ,6 в 20(1,4420,12)2 39100480 МПа.6 в 20(1,440,12)2 Сопоставление полученных результатов с результатами исследований, проведенных для каждого из приведенных параметров с использованием иных методов контроля, подтвердило их корректность и эффективность применения предлагаемого способа испытаний. Таким образом, предлагаемый способ позволяет решить задачу повышения информативности испытаний путем одновременного контроля модуля упругости, предела прочности при растяжении-сжатии образцов преимущественно из алюминиевых сплавов с покрытиями из композиционных материалов. Источники информации 1. А.с. СССР 582475, МПК 01 3/00, 1977. 2. А.с. СССР 1054719, МПК 01 3/00, 1983. 3. Заявка РФ 2004125437, МПК 01 1/00, 2004. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9