Ocena właściwości mechanicznych materiałó kompozytowych, Ćwiczenia z Materials Physics

Pobierz Ocena właściwości mechanicznych materiałó kompozytowych i więcej Ćwiczenia w PDF z Materials Physics tylko na Docsity!

MATERIAŁY POMOCNICZE DO LABORATORIUM

WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

ĆWICZENIE NR 12: OCENA WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁÓW

KOMPOZYTOWYCH – WSTĘPNA OCENA STRUKTURY, PRÓBY ZGINANIA I

TWARDOŚCI

PODSTAWOWE WIADOMOŚCI O PRÓBACH WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

KOMPOZYTOWYCH

Opracował: dr inż. Andrzej Bełzowski

Wydział Mechaniczny Politechniki Wrocławskiej, Wydziałowy Zakład Wytrzymałości Materiałów Wrocław, luty 2007 Na prawach rękopisu

1. WPROWADZENIE

Poszukiwania nowych materiałów o właściwościach lepszych od tych, jakimi cechują się materiały tradycyjnie stosowane w technice (stopy metali, drewno, ceramika budowlana itp.), doprowadziły do powstania grupy tworzyw określanych jako materiały kompozytowe lub po prostu kompozyty. Jedna z definicji kompozytu mówi, że jest to materiał, który został stworzony sztucznie (tzn. dzięki działaniu człowieka, a nie przez naturę), z co najmniej dwóch chemicznie różnych materiałów, których granica rozdziału zostaje w kompozycie zachowana i którego własności różnią się od własności łączonych ze sobą komponentów w zależności od ich udziałów objętościowych lub masowych. W dalszej części opisu ćwiczenia rozważa się kompozyty konstrukcyjne , których zasadniczym przeznaczeniem jest stosowanie w budowie elementów konstrukcji przenoszących obciążenia. Głównymi składnikami kompozytu konstrukcyjnego są: ● osnowa (zwana niekiedy matrycą ), ● wzmocnienie (często stosuje się nie zalecany termin zbrojenie ). Osnowę stanowi mniej lub bardziej jednorodny materiał wypełniający przestrzeń pomiędzy elementami wzmacniającymi. Udział objętościowy osnowy Vm wynosi zwykle 10−80%. Wzmocnienie mogą stanowić bardzo zróżnicowane materiały mające za zadanie zwiększenie wytrzymałości i sztywności kompozytu. Ze względu na rodzaj osnowy wyróżnia się: ● kompozyty o osnowie metalicznej, ● kompozyty o osnowie ceramicznej, ● kompozyty o osnowie polimerowej. Usytuowanie grupy kompozytów na tle innych grup materiałów inżynierskich przedstawia ogólna klasyfikacja pokazana na rys. 1 (wg Aschby’ego [1]). KOMPOZYTY ELASTOMERY SZKŁA CERAMIKI POLIMERY METALE Rys. 1. Ogólna klasyfikacja materiałów inżynierskich wg [1]

W zastosowaniach technicznych obecnie dominują kompozyty o osnowach polimerowych. Pod względem udziału masowego obejmują one ponad 90% zastosowań tych materiałów. Wśród polimerowych kompozytów konstrukcyjnych przeważają obecnie materiały o osnowach duroplastycznych. Najczęściej stosowanymi duroplastami są: ● żywice poliestrowe nienasycone − stanowiące przypuszczalnie ponad 80% osnów duroplastycznych (żywice te są najtańsze), ● żywice winyloestrowe − stanowiące w sumie kilka procent osnów duroplastycznych (cechuje je zwiększona chemoodporność), ● żywice epoksydowe − zajmujące drugie miejsce po poliestrowych z udziałem masowym rzędu kilku procent (ze względu na dobre właściwości mechaniczne stosuje się je m.in. w konstrukcjach lotniczych). Osnowy termoplastyczne stanowią obecnie przypuszczalnie około 1/3 osnów w polimerowych kompozytach konstrukcyjnych. Ze względu na lepszą podatność na recykling, udział kompozytów o osnowach termoplastycznych systematycznie powiększa się. Jako wzmocnienie polimerowych kompozytów konstrukcyjnych stosuje się przede wszystkim wysokowytrzymałe włókna: ● szklane − o udziale stanowiącym około 90% całości wzmocnień włóknistych, ● węglowe i grafitowe − o udziale wynoszącym kilka procent, ● aramidowe (kevlar) − ich udział jest nieco mniejszy w porównaniu do węglowych i grafitowych, ● włókna polietylenowe, włókna poliestrowe, tzw. nylon balistyczny do wytwarzania osłon kuloodpornych itd., ● włókna naturalne − rozwijane w ostatnich latach, przypuszczalnie głównie ze względów ekologicznych. Właściwości niektórych włókien stosowanych w materiałach kompozytowych podano w tabeli 1. Tabela. 1. Właściwości różnych włókien stosowanych jako wzmocnienie materiałów kompozytowych [2]. Rodzaj włókna Typ Gęstość Moduł Younga [GPa] Wytrzymałość [MPa] Odkształcenie niszczące [%] Uwagi Szklane E 2,57 72,5 3300-3500 2,5-4,5 Najpowszechniejsze E-CR 2,71 72,5 3330 2,5-4, C 2,46 74 2350 2,5-3, Chemoodporne S 2,47 88 4600 3,0-5, R 2,55 86 4400 3,0-5, O zwiększonej wytrzymałości AR 2,70 70-75 3500 2,5-3,5 Odporne na zasady Włókna węglowe i grafitowe firm japońskiej grupy Toray (1/ światowego rynku tych włókien w 2003 roku) T300 1,76 230 3530 1, T400H 1,8 250 4410 1, T700S 1,8 230 4900 2, Włókna węglowe tzw. wysokowytrzymałe T800H 1,81 294 5490 1, T1000G 1,8 294 6370 2, Włókna tzw. o module pośrednim M40J 1,77 377 4410 1, M60J 1,94 588 3920 0, Włókna wysokomodułowe Aramidowe Kevlar29 1,44 58 3620 3, Kevlar49 1,44 124 3620 2,

● Taśm jednokierunkowych wytwarzanych z rovingu biegnącego wzdłużnie (co najmniej 90% włókien) oraz niewielkiej ilości włókien poprzecznych, zapewniających spójność oraz sztywność i wytrzymałość poprzeczną. Z taśm wytwarza się elementy o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i zginanie (nawet powyżej 1000 MPa). Taśmy jednokierunkowe stosuje się m.in. przy renowacji belek nośnych mostów i innych zużytych konstrukcji żelbetowych. ● Tkanin trójwymiarowych – stosowanych bardzo rzadko w zwykłych zastosowaniach kompozytów. Właściwości mechaniczne kompozytów wzmocnionych włóknami zależą silnie od wytrzymałości połączenia włókien z żywicą. Producenci włókien szklanych stosują tzw. preparację powierzchniową włókien, która polega na pokryciu ich powierzchni substancjami tworzącymi wiązania chemiczne zarówno z materiałem włókna jak i osnowy. Grubość tej warstewki granicznej − nazywanej interfazą − wynosi najczęściej około 0,2−0,5 μm. Dobór preparacji powierzchniowej może bardzo silnie wpływać na właściwości mechaniczne materiału kompozytowego. Właściwości mechaniczne kompozytu polimerowego zależą nie tylko od właściwości jego składników (osnowy, wzmocnienia, warstwy granicznej), ale przede wszystkim od struktury tj. przestrzennego rozmieszczenia elementów wzmacniających. Wyróżnia się pewne podstawowe rodzaje struktur wzmocnienia z włókien: ● Wzmocnienie włóknem krótkim rozłożonym chaotycznie (rys. 2a). Włókna cięte na odcinki o długości do kilku milimetrów są zatopione w osnowie. Ze względu na ich losową orientację, przyrost wytrzymałości kompozytu w stosunku do właściwości osnowy nie wzmocnionej jest umiarkowany − najczęściej wynosi około 50−100%. Takie wzmocnienie występuje często w elementach kompozytowych o osnowach termoplastycznych wykonywanych metodą wtrysku. ● Wzmocnienie jednokierunkowe włóknem długim (rys. 2b), określane symbolem UD (od unidirectional ). Cechuje je duża wytrzymałość i sztywność w kierunku ułożenia włókien. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów UD może przekraczać 1000 MPa (niekiedy nawet 2000 MPa). Właściwości wytrzymałościowe w kierunku poprzecznym do włókien mogą być nawet nieco niższe od właściwości osnowy nie wzmocnionej, która zwykle wynosi kilkadziesiąt MPa. Tak duża anizotropia może stwarzać różne problemy techniczne, np. podczas przeprowadzania prób wytrzymałości materiału. ● Wzmocnienie wielowarstwowe stanowi typ struktury najczęściej stosowany w technice (tzw. laminaty). Elementy płytowe i powłokowe tworzą często dziesiątki warstw, z których każda może posiadać inną strukturę oraz orientację wzmocnienia. Grubość pojedynczej warstwy laminatu wynosi zwykle około 0,1−1,0 mm. Często w badaniach laboratoryjnych stosuje się laminaty modelowe o tzw. strukturze krzyżowej, złożonej z warstw wzmocnionych jednokierunkowo ułożonych prostopadle względem siebie (rys. 3). Przykładem kompozytu warstwowego o strukturze specjalnie zaprojektowanej do działających obciążeń jest laminat o oznaczeniu [mata, tkanina, (mata, UD) 2 ]S stosowany w budowie łopat siłowni wiatrowych (rys. 4). W stosowanym systemie oznaczania sekwencji warstw laminatów wskaźnik S oznacza, że nawias [...] przedstawia strukturę połowy grubości powłoki tworzącej konstrukcję. Druga połowa jest symetrycznym odbiciem pierwszej względem płaszczyzny środkowej. Postępując od zewnątrz ku środkowi kolejność warstw jest następująca: mata z ciętych włókien rozłożonych losowo, tkanina, mata, warstwa UD, mata, warstwa UD. a) b) Rys. 2. Wzmocnienie włóknem krótkim rozłożonym losowo (a) oraz jednokierunkowe włóknem długim (b).

Warstwy „0” Warstwy „90” Rys. 3. Układ warstw w laminacie [0,90]S. W środku są dwie przyległe warstwy o orientacji 90° otoczone od zewnątrz przez pojedyncze warstwy o orientacji 0° Mata Warstwy UD Tkanina Środek grubości płyty Rys. 4. Przykład kompozytu różnowarstwowego - laminat o układzie warstw [mata, tkanina, (mata, UD) 2 ]S Przykładowe wartości różnych właściwości typowych polimerowych kompozytów konstrukcyjnych podano w tabeli 2. Tabela. 2. Wybrane własności niektórych polimerowych kompozytów konstrukcyjnych [3]. Materiał - struktura Właściwość UD szkło- epoksyd. UD Węglowo- epoksyd. UD Kevlar49- epoksyd. Tkanina szklana 0/90– epoksyd. Tkanina szklana ±45 – epoksyd. Tkanina węglowa 0/90 – epoksyd. Tkanina kevlar 0/90 – epoksyd. Mata szklana CSM – poliestr. Vf [%] 53 57 60 33 33 50 50 19 Rm (0°) [MPa] 1200 2040 1400 360 185 625 520 110 Rm (90°) [MPa] 73 90 30 360 185 625 520 110 Rc (0°) [MPa] 1000 1000 280 240 120 500 170 150 Rc (90°) [MPa] 160 150 140 240 120 500 170 150 Rt (0/90°) [MPa] 67 50 60 100 140 130 110 85 τILSS [MPa} (^90 94 83 60 48 57 70 ) E 0 [GPa] 39 134 76 17 10 70 31 8 E 90 [GPa] 15 11 5 17 10 70 31 8 G [GPa] 4 5 2 5 8 5 2 2, Wsp. Poissona 0,25 0,263 0,34 0,24 0,7 ---- ---- 0, Gęstość 1,92 1,57 1,38 1,92 1,92 1,53 1,53 1,

3. ROLA RÓŻNYCH CZYNNIKÓW MIKROSTRUKTURALNYCH W

OCENIE KOMPOZYTÓW KONSTRUKCYJNYCH

W niektórych ważnych zastosowaniach technicznych piętę Achillesową laminatów stanowi ich wrażliwość na rozciąganie w kierunku poprzecznym do włókien. Przy wzmocnieniu utworzonym z mat i tkanin, w miejscach występowania naprężeń normalnych dodatnich (tzn. rozciągających) trudno jest uniknąć sytuacji, w której niektóre pasma rovingu szklanego są rozciągane poprzecznie do osi włókien (rys. 5). Takie obciążenie powoduje stosunkowo łatwo pękanie połączenia włókien i osnowy kompozytu (rys. 6), co może być szczególnie niekorzystne dla trwałości rurociągów i chemoodpornej aparatury przemysłowej narażonej na stały kontakt z substancjami wywołującymi korozję. Pęknięcie poprzeczne Rys. 6. Pęknięcia warstwy granicznej (tzw. debonding) w kompozycie poliestrowo−szklanym. Średnica widocznych włókien szklanych wynosi około 10 μm. Pojedyncze rozproszone pęknięcia podobne do pokazanych na rys. 6 z reguły nie wywołują skutków w postaci widocznych zaburzeń przebiegu wykresu rozciągania lub zginania próbek. Dopiero kumulacja rozproszonych mikropęknięć, prowadząca do powstawania pęknięć naruszających grubość poszczególnych warstw kompozytu (około 0,1−1,0 mm w kierunku grubości próbki lub elementu konstrukcyjnego) może uwidocznić się na wykresie obciążania w postaci zmiany jego pochylenia lub uskoku (rys. 7). Jeżeli takie zaburzenie liniowości pojawi się na wykresie, to odpowiadającą jemu wartość naprężenia traktuje się jako początek powstawania nieodwracalnych uszkodzeń materiału. W przypadku laminatów o złożonej różnowarstwowej strukturze często mówi się o pęknięciu pierwszej warstwy, określanym jako osiągnięcie w materiale tzw. stanu FPF ( First Ply Failure ). Rys. 5. Poprzeczne rozciąganie warstwy kompozytu UD sytuacja najbardziej sprzyjająca powstawaniu pęknięć poprzecznych w laminatach konstrukcyjnych.

ε

εFPF εFPF

σ σ (^) FPF ε σ σ (^) FPF a) (^) b) Rys. 7. Dwa typowe wykresy rozciągania kompozytów z widocznym wpływem pęknięcia pierwszej warstwy (FPF) zaznaczającym się na wykresie w postaci uskoku (a) lub zmiany nachylenia (b). Na rys. 8 jest pokazany przebieg stopniowego łączenia się mikropęknięć interfazy prowadzący do tworzenia większych pęknięć, spełniających kryterium odkształceniowe FPF. Prezentowane obrazy zostały sporządzone na podstawie badań zmian mikrostruktury dwóch materiałów różniących się typem żywicy zastosowanej jako osnowa kompozytu. Działające obciążenie powodowało monotoniczne rozciąganie w kierunku poziomym. Jak widać, żywica winyloestrowa jest znacznie bardziej odporna na tworzenie i rozwój mikropęknięć Żywica poliestrowa Żywica winyloestrowa Odkształcenie całk. [%] Poliestr. Winyloestr. 0,30 0, 0,35 0, 0,40 0, 0,80 0, Rys. 8. Rozwój uszkodzeń w kompozytach poliestrowo–szklanych i winyloestrowo–szklanych o strukturze [0/90/0]S poddanych próbie rozciągania (wg [5]). Stan FPF pełni w niektórych materiałach kompozytowych rolę podobną do granicy plastyczności w metalach. W laminatach wzmocnionych włóknem szklanym FPF występuje stosunkowo wcześnie,

nawet przy odkształceniach kilkakrotnie niższych od odkształcenia niszczącego εr (często εFPF =0,3−

0,5% wobec εr =1,5−2,0%). Osiągnięcie stanu FPF oznacza, że w materiale pojawiły się pęknięcia

otwarte wychodzące na powierzchnię elementu (rys. 9), znacznie ułatwiające wnikanie różnych płynów z otoczenia do obszaru warstw nośnych, gdzie znajdują się wysokowytrzymałe, ale mało odporne na korozję włókna szklane (stanowiące przeważającą większość wzmocnień stosowanych w kompozytach). Uzyskanie zakładanej trwałości takich urządzeń wymaga ograniczenia naprężeń do

Jak wynika z powyższego, natura tych zjawisk zachodzących w materiale kompozytowym, które mogą w decydujący sposób wpływać na jego zdolność do przenoszenia obciążeń użytkowych i trwałość jest bardzo odmienna od procesów rozwoju uszkodzeń w konstrukcyjnych stopach metali. Rzeczywista struktura materiału kompozytowego zawsze odbiega od modelowej. Niektóre typowe defekty technologiczne spotykane w laminatach są pokazane na fotografii na rys. 11. Defekty technologiczne wywierają wpływ na właściwości kompozytów. Widoczne na rys. 11 pęcherze i pustki z reguły obniżają wskaźniki wytrzymałości materiału. Wzrost udziału objętościowego porów o 1% obniża wytrzymałość niektórych laminatów na ścinanie międzywarstwowe nawet o 6-8%. Inne wskaźniki wytrzymałości również ulegają obniżeniu, ale przeważnie w mniejszym stopniu (2-3 razy wolniej). Dlatego zawartość pustek stanowi jedno z kryteriów oceny jakości kompozytów.

Rys. 11. Defekty technologiczne w kompozycie winyloestrowo−szklanym o wzmocnieniu z tkaniny: 1− pęcherz, 2 − obszar nie wzmocnionej żywicy, 3 − eliptyczne przekroje włókien szklanych o różnej długości osi elipsy świadczą o dyspersji orientacji włókien w paśmie rovingu tworzącym mały kąt z płaszczyzną obserwowanego szlifu, 4 − niewypełnione przez żywicę obszary pomiędzy włóknami. Widoczna na rys. 11 dyspersja orientacji włókien w paśmie rovingu (eliptyczne przekroje włókien o różnej długości osi elipsy) wywiera stosunkowo duży wpływ na rozrzut wartości wytrzymałości materiału. Miarą rozrzutu wartości wytrzymałości jest współczynnik zmienności, który określa się jako stosunek odchylenia standardowego wytrzymałości populacji badanych próbek (ich liczba powinna wynosić minimum 5 sztuk) do wartości średniej. Współczynnik zmienności wytrzymałości jest jedną z miar jakości materiału, szczególnie ważną w zastosowaniach o wymaganej dużej niezawodności (konstrukcje lotnicze, urządzenia ciśnieniowe itd.). W materiałach kompozytowych poddanych długotrwałym obciążeniom statycznym lub zmęczeniowym występuje zjawisko stopniowych zmian wartości współczynników sprężystości, wskaźników wytrzymałości, charakterystyk tłumienia drgań i wielu innych właściwości materiału. Przyczyną tych zmian jest proces stopniowego rozwoju mikropęknięć i innych uszkodzeń materiału. Stopniowe zmiany właściwości, stanowiące cechę charakterystyczną wielu tworzyw sztucznych i kompozytów polimerowych, w ocenie konstrukcyjnych stopów metali z reguły pomija się. Ocenia się, że zmiany właściwości sprężystych kompozytów w okresie kilkudziesięciu lat przewidywanej eksploatacji mogą wynosić 10−50%. Zakres zmian wytrzymałości może być podobny. Kompozyty jednokierunkowe obciążone zgodnie z kierunkiem ułożenia włókien są bardziej odporne na zmiany właściwości. Większą podatność na takie zmiany wykazują kompozyty zawierające warstwy o różnej strukturze i orientacji (np. wzmocnienie z mat oraz tkanin). Interesujące jest porównanie wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów i metali. Okazuje się, że laminaty epoksydowo−węglowe należą obecnie do materiałów konstrukcyjnych o najlepszej odporności na obciążenia zmęczeniowe. Wartość ich wytrzymałości zmęczeniowej określonej dla 10^7 cykli z reguły wynosi około 0,7−0,9 wytrzymałości statycznej. Kompozyty wzmocnione włóknem szklanym mają te charakterystyki w przybliżeniu o połowę gorsze (podobnie jak stal i stopy Al).

4. OGÓLNA KLASYFIKACJA BADAŃ WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTÓW

Rozwój zastosowań kompozytów polimerowych wzmocnionych włóknami − szczególnie widoczny w budowie elementów konstrukcyjnych − spowodował znaczący wzrost zapotrzebowania na wyniki badań różnych własności interesujących inżynierów. W poradnikach [6, 7] opisano w sumie setki różnych prób oceny własności mechanicznych, technologicznych, fizyko−chemicznych itp. stosowanych w inżynierii kompozytów polimerowych. Klasyfikując badania materiałów kompozytowych można wyróżnić pewne grupy zagadnień [8]: a) Badania włókien i żywic – jest oczywiste, że własności produktu finalnego muszą zależeć od własności materiałów użytych do jego wytworzenia. Producenci włókien podają między innymi wartość wytrzymałości na rozciąganie, modułu Younga i wydłużenia przy zerwaniu określone dla pojedynczych włókien. Pasmo rovingu (przypominającego sznurek lub grubą nić), który stanowi podstawową postać handlową włókien szklanych i węglowych, liczy od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy włókien elementarnych o średnicy wynoszącej około 8− 15 μm w przypadku włókien szklanych i 6− 7 μm w przypadku włókien węglowych. Realizacja próby rozciągania pojedynczych włókien wymaga specjalistycznego wyposażenia. Dysponują nim laboratoria fabryczne producentów włókien i niektóre instytuty badawcze. Również próby określania wytrzymałości oraz własności fizykochemicznych i technologicznych tworzyw stosowanych jako osnowy kompozytów polimerowych wykonuje się przede wszystkim w laboratoriach ich producentów. Niektórzy wytwórcy konstrukcji kompozytowych muszą przeprowadzać kontrolne badania wybranych parametrów stosowanych żywic, ale dotyczy to przede wszystkim wyrobów podlegających szczególnym rygorom w zakresie niezawodności i bezpieczeństwa eksploatacji (zbiorniki ciśnieniowe, aparatura chemoodporna, konstrukcje lotnicze itp.). b) Badania półproduktów – w niektórych technologiach wytwarzania elementów kompozytowych (np. oznaczanych jako SMC oraz BMC [9, 10]) stosuje się substancje zawierające w sobie włókna otoczone żywicą w stanie zagęszczonym, ale jeszcze nieutwardzonym. Takie półprodukty, mające formę arkuszy lub tkanin (SMC) o konsystencji ciastowatej lub niekształtnej masy (BMC) również poddaje się różnym próbom, których celem może być określenie parametrów materiału istotnych dla prawidłowego przeprowadzenia procesu technologicznego. c) Badania właściwości materiału płyt próbnych – niekiedy w projektowania korzysta się z wartości wskaźników wytrzymałości i modułów sprężystości materiału kompozytowego podanych w poradnikach itp. publikacjach lub oszacowanych na podstawie modeli obliczeniowych (np. na podstawie znajomości własności mechanicznych pojedynczych włókien i tworzywa sztucznego). W przypadku niektórych konstrukcji takie dane uznaje się za niewystarczająco pewne i w bardziej zaawansowanej fazie konstruowania elementu kompozytowego wykonuje się płyty próbne, z których wycina się próbki do badań własności mechanicznych materiału zaprojektowanego przez konstruktora. Płyta próbna powinna możliwie dokładnie reprezentować przewidziane przez konstruktora składniki materiału kompozytowego (włókna i żywicę), typ struktury wzmocnienia tj. rodzaj i sposób ułożenia poszczególnych warstw oraz zastosowaną technologię wykonania elementu. Dane uzyskane podczas badań materiału płyt próbnych służą do uściślenia danych do obliczeń wytrzymałościowych. Ponadto jest to sposób wstępnego sprawdzenia przewidzianej technologii wykonania elementu. Próby wytrzymałości materiału płyt próbnych stanowią typ badań wykonywanych najczęściej w związku z projektowaniem konstrukcji kompozytowych. Umieszczenie laminatu epoksydowo-węglowego w bazie danych materiałów stosowanych w lotnictwie wojskowym USA wymaga pomiarów wskaźników wytrzymałości (statycznych) i modułów sprężystości z zastosowaniem co najmniej 480 próbek płaskich. Ocena wytrzymałości materiału płyty próbnej wykonanej dla uzyskania w Polsce uprawnień do modernizacji zbiorników do magazynowania produktów ropopochodnych i różnych chemikaliów (np. kwasów) wymaga przeprowadzenia prób rozciągania i zginania z użyciem co najmniej 20 próbek. d) Badania elementów konstrukcyjnych – ocena wytrzymałości lub nośności elementu albo całej konstrukcji, dokonana na podstawie wyników prób prototypu, może mieć decydujące znaczenie w ostatecznej ocenie nowo zaprojektowanego urządzenia. Każda nowa konstrukcja zbiornika wysokociśnieniowego jest dopuszczona do seryjnego wytwarzania i dystrybucji na podstawie

zainteresowania konstruktorów. Wykresy rozciągania kompozytów UD przypominają wykresy typowych materiałów kruchych. Udział objętościowy włókien w kompozytach jednokierunkowych przeważnie wynosi około 50−70%. Kompozyty jednokierunkowe cechuje silna anizotropia modułów sprężystości i wytrzymałości. Różnice wartości wspomnianych parametrów określonych dla kierunku wzdłużnego i poprzecznego mogą przekraczać jeden rząd wielkości. Stwarza to istotne problemy techniczne, polegające na trudności przeprowadzenia próby rozciągania. Przy wytrzymałości na rozciąganie w kierunku włókien wynoszącej 700 − 2000 MPa i wytrzymałości na ściskanie w kierunku poprzecznym oraz wytrzymałości na ścinanie niższej nawet kilkanaście razy, uchwyty samozaciskające maszyn wytrzymałościowych z reguły zgniatają materiał. Klejenie nakładek zmniejszających możliwość uszkodzenia jest kosztowne i wprowadza koncentracje naprężeń powodujące lokalizację miejsca zniszczenia poza bazą pomiarową próbek. Może się zdarzyć, że ponad 50% próbek ulegnie zniszczeniu na skraju części pomiarowej. Istotnym problemem technicznym w badaniach materiałów ulegających zniszczeniu przy odkształceniu liniowym wynoszącym około 1 −3% jest pomiar wydłużenia próbki. Stosowanie czujników oporowych (jednorazowego użycia) jest kosztowne i czasochłonne. Nowoczesny ekstensometr do takich pomiarów kosztuje co najmniej kilka tysięcy euro. Ze względu na wspomniane trudności realizacji prób rozciągania kompozytów UD w kierunku wzmocnienia, w badaniach tych materiałów na szeroką skalę stosuje się próby zginania trzy lub czteropunktowego (rys. 12, 13). W normie PN−EN ISO 178 przewiduje się stosowanie próbek prostopadłościennych o stosunku wysokości do odległości podpór wynoszącym l/h= 16_._ Zapewnia to,

że zniszczenie wskutek osiągnięcia naprężeń normalnych σ związanych z momentem zginającym

wystąpi przed rozwarstwieniem spowodowanym przez naprężenia styczne. Obszerniejsze omówienie tego zagadnienia jest zamieszczone w skrypcie [11] (str. 58-66).

h

F

l/ 2 l/ 2

l / 3

Rys. 12. Schemat sposobu obciążania próbki w próbie zginania tzw. „trzypunktowego”.

h

F F

l/ 3 l/ 3 l/ 3

l / 3

. Rys. 13. Schemat próby zginania czteropunktowego Określenie wytrzymałości na zginanie σ fM jako największej wartości naprężenia obliczonej wg wzoru

W

M g

Oznacza to, że teorię zginania opracowaną dla materiałów jednorodnych i izotropowych stosuje się do oceny materiałów niejednorodnych i silnie anizotropowych. W przypadku kompozytów jednokierunkowych badanych w kierunku ułożenia włókien jest to powszechnie akceptowane. Podczas prób zginania pewien problem może stwarzać mniejsza wytrzymałość na ściskanie wielu kompozytów. W wielu materiałach wzmocnionych włóknem szklanym i węglowym wytrzymałość na ściskanie w płaszczyźnie jest niższa od wytrzymałości na rozciąganie (tab. 2). W praktyce bilans dodatnich i ujemnych stron próby zginania i próby rozciągania sprawia, że w badaniach kompozytów UD obciążenia zginające stosuje się podobnie często, jak rozciąganie. Znając wytrzymałość i odkształcenie niszczące osnowy oraz włókien można oszacować wytrzymałość na rozciąganie kompozytu UD, ale uzyskana wartość może być obarczona dość dużym błędem. Z tego powodu takie wyniki mogą służyć tylko do wstępnej oceny zagadnienia. Dla uzyskania danych materiałowych (wytrzymałości, modułu sprężystości itp.) do projektowania konkretnych elementów konstrukcyjnych powinno się przeprowadzać próby wytrzymałości na próbkach, np. wyciętych z prętów lub płyt próbnych. Wartości modułu sprężystości kompozytów UD w kierunku wzmocnienia można oszacować na podstawie „reguły mieszania”[4, 11]. Wyniki takich obliczeń modułu Younga wykazują na ogół większą zgodność z doświadczeniem, niż wyniki podobnych oszacowań wytrzymałości. Odrębnym zagadnieniem jest pomiar modułu sprężystości wzdłużnej kompozytu. Dobrym, ale kosztownym sposobem jest przeprowadzenie próby rozciągania z pomiarem wydłużeń za pomocą czujników oporowych lub ekstensometru. Dopuszczalne (wg norm), chociaż mniej poprawne merytorycznie jest przeprowadzenie próby zginania trzypunktowego z obliczeniem wartości odkształceń na podstawie strzałek ugięcia. Chodzi oczywiście o odkształcenia w miejscu

występowania największych naprężeń normalnych σ (tj. w połowie długości próbki i na jej

powierzchni rozciąganej). Pomiar modułu Younga przeprowadza się wg następującej procedury:

1. Przeprowadzając próbę zginania (niszczącą lub do osiągnięcia tylko pewnej wymaganej

strzałki ugięcia, należy zarejestrować krzywą obciążenie – ugięcie lub tylko wartości siły i

ugięcia odpowiadające odkształceniom ε f1=0,0005 i ε f2=0,0025. Wartości ugięć f 1 i f 2 oblicza się

ze wzoru

2

= i =

h

l

f

fi i

podstawiając kolejno ε f1=0,0005 i ε f2=0,0025.

2. Następnie wyznacza się wartości siły F obciążającej próbkę podczas osiągnięcia wartości

odkształceń ε f1 i ε f2 oraz odpowiadające im naprężenia normalne σ f1 i σ f.

3. Moduł Younga charakteryzujący odkształcalność materiału w kierunku ułożenia włókien

oblicza się wg wzoru 2 1 2 1 f f f f

E f

Ponieważ odkształcenie zerwania większości kompozytów polimerowych wynosi około 1−3% a kompozytów ulegających zniszczeniu przy wartości odkształcenia mniejszej niż 0,7% prawie nie

stosuje się w technice jest oczywiste, że zakres wartości odkształceń 0,0005≤ ε ≤ 0,0025 należy do

zakresu liniowo sprężystego. W przypadku materiałów o wysokim module sprężystości, w niektórych normach zagranicznych (np. w amerykańskiej normie ASTM) zaleca się przyjmowanie w pomiarach stosunku l/h =32 lub nawet 40. Taka geometria układu obciążającego zmniejsza błędy spowodowane

W laminatach stosuje się również wzmocnienie jednokierunkowe. W zależności od wyników analizy konstruktora, tylko niektóre lub też wszystkie warstwy laminatu mogą być wzmocnione jednokierunkowo. Kompozyt zawierający tylko warstwy UD o orientacji 0° lub 90° jest wzmocniony krzyżowo. Taki lub zbliżony rodzaj wzmocnienia stosuje się w niektórych rurach ciśnieniowych i zbiornikach wysokociśnieniowych. Kompozyty wzmocnione krzyżowo są często stosowane jako materiały modelowe w badaniach przebiegu zniszczenia prowadzonych w instytutach badawczych. Uzyskiwane na nich wyniki uogólnia się potem na inne typy struktur. Kompozyt zawierający warstwy UD o orientacji 0°, ±45° i 90° w takiej samej ilości dla każdego kierunku jest określany jako kompozyt quasi-izotropowy. Laminaty epoksydowo-węglowe o takiej strukturze stosuje się w lotnictwie, rezygnując częściowo z możliwości uzyskania bardzo wysokiej wytrzymałości (co byłoby możliwe przy równoległym ułożeniu wszystkich warstw UD) na rzecz minimalizowania możliwości wystąpienia „niespodzianek” związanych ze stosowaniem materiałów o bardzo silnej anizotropii. Próby wytrzymałości na rozciąganie i zginanie laminatów podlegają podobnym uwarunkowaniom jak wspomniane wcześniej próby kompozytów jednokierunkowych. Pewne problemy mogą stwarzać próby zginania i rozciągania próbek wyciętych w kierunkach nie pokrywających się z kierunkami głównymi stanu naprężenia. Takie próbki mogą wykazywać pod obciążeniem tendencję do zmiany kształtu polegającą na „paczeniu się” tj. utracie płaskości. Ograniczenie przez części mocujące maszyny wytrzymałościowej możliwości takich przemieszczeń stanowi czynnik zakłócający przebieg próby rozciągania i zginania próbek wyciętych w kierunkach, które nie są kierunkami głównymi anizotropii właściwości sprężystych materiału. W efekcie skutkuje to większymi błędami pomiarowymi określanych wielkości.

7. OKREŚLANIE WYTRZYMAŁOŚĆI NA ŚCINANIE MIĘDZYWARSTWOWE

Materiały konstrukcyjne o strukturze warstwowej mogą ulegać zniszczeniu wskutek wystąpienia rozwarstwienia (zwanego również delaminacją). Takie pęknięcie utworzone wewnątrz elementu płytowego lub powłokowego wykonanego z kompozytu warstwowego może lokalnie znacznie obniżać wskaźnik wytrzymałości na zginanie oraz sztywność zginania. Delaminacja utworzona w połowie grubości ścianki t.j. dzieląca laminat na dwa sublaminaty, obniża dwukrotnie wskaźnik wytrzymałości na zginanie całego przekroju w tym miejscu. Często taki rodzaj zniszczenia zaczyna się od utworzenia niewielkiej delaminacji wskutek uderzenia jakiegoś ciała (np. kamienia, narzędzia), która potem propaguje zgodnie z pierwszym lub drugim sposobem obciążania(wg nazewnictwa stosowanego w mechanice pękania). W prętach oraz elementach płytowych i powłokowych przenoszących moment zginający i siłę poprzeczną rozwarstwienie mogą spowodować naprężenia styczne związane z siłą poprzeczną. W zbiornikach przemysłowych uprzywilejowanym miejscem tworzenia się takich uszkodzeń jest sąsiedztwo podpór i króćców. W dużych elementach konstrukcyjnych (kadłub jachtu itp.) powierzchnia rozwarstwienia może osiągać kilka metrów kwadratowych. Jedną z wielkości charakteryzujących podatność laminatów na występowanie rozwarstwień jest wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe. W literaturze zagranicznej określa się ją często

symbolem ILSS (od Interlaminar Shear Strength ) lub τILSS. Wartość τILSS jest jedną z ważniejszych

charakterystyk mechanicznych kompozytów polimerowych. Najprostszym sposobem określania

wartości τILSS jest próba zginania trzypunktowego belki krótkiej (używa się również określenia

„krępa”). Przy stosunku odległości podpór do wysokości próbki l/h= 5 (rys. 14) naprężenia styczne generowane przez siłę poprzeczną osiągają wartość wywołującą zniszczenie próbki przez ścięcie wzdłużne na wysokości warstwy obojętnej zginania przed osiągnięciem wartości krytycznej naprężenia normalnego σ związanego z momentem zginającym, co wyraża poniższa nierówność

ILSS^ σ fM

Zagadnienie to jest analizowane również w skrypcie [11] na stronach 58-66.

przekrój ścinany delaminacja Naprężenia styczne Rozkład naprężeń stycznych τ w przekroju prostokątnym wg Żurawskiego (przed delaminacją próbki) Rys. 14. Zastosowanie zginania trzypunktowego do zniszczenia próbki przez rozwarstwienie. Istnieje wiele innych metod określania wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe, ale próba zginania belki krępej (tzw. short beam test ) jest niewątpliwie stosowana najczęściej, zapewne ze względu na prostotę jej realizacji. Istotnym problemem jest stosowalność wzoru Żurawskiego do określania naprężeń stycznych w materiałach, które cechuje warstwowość struktury i znaczna

anizotropia właściwości mechanicznych. Z przytoczonych powodów uznaje się, że wartości τILSS

określone w próbie zginania belki krótkiej mogą służyć do oceny porównawczej materiałów wybieranych do określonego zastosowania lub nowych materiałów opracowywanych w instytutach badawczych, ale nie powinno się ich wykorzystywać w projektowaniu wytrzymałościowym elementów kompozytowych.

8.POMIARY TWARDOŚCI POLIMEROWYCH KOMPOZYTÓW

KONSTRUKCYJNYCH

Producenci żywic stosowanych do wytwarzania polimerowych kompozytów konstrukcyjnych podają w swoich materiałach informacyjnych najważniejsze właściwości oferowanych tworzyw: ● Wytrzymałość i moduł sprężystości określone w próbach rozciągania i zginania. ● Temperaturę HDT ( Heat Distortion Temperature ) lub Tg (temperatura przemiany szklistej), która odpowiada początkowi zmian wartości modułu Younga próbki przenoszącej moment zginający o określonej wartości, początkowi zmian tarcia wewnętrznego materiału itp. (istnieją różne sposoby wyznaczania tych temperatur). Podane wielkości temperatur HDT i Tg różnią się przeważnie o kilka lub kilkanaście stopni (HDT jest niższa od Tg). Przyjmuje się, że temperatura wyraźnego przyspieszenia spadku wartości modułu sprężystości określa kres przedziału temperatur użytkowania materiału w zastosowaniach konstrukcyjnych. W rzeczywistości, ze względu bezpieczeństwa dopuszczalne temperatury stosowania tworzyw chemo i termoutwardzalnych przeważnie ustala się na poziomie niższym o 20-30°C od temperatury HDT. Niewłaściwe oszacowanie wartości temperatury HDT może być przyczyną awarii elementów kompozytowych pracujących w podwyższonych temperaturach. ● Twardość Barcola, którą określa się wciskając w materiał ścięty stożek o średnicy płaskiego końca równej 0,157mm. Wynik podaje się w postaci liczby całkowitej. Twardość żywic duroplastycznych wynosi przeważnie około 35-45 stopni Barcola. Twardość kompozytów jest większa o kilka lub kilkadziesiąt stopni Barcola. Twardościomierz do próby Barcola został skonstruowany w USA czasie drugiej wojny światowej. Po długim okresie małego zainteresowania, pomiar twardości metodą Barcola doczekał się lepszych czasów wraz z pojawieniem się w technice polimerowych kompozytów konstrukcyjnych. Klasyczny twardościomierz do próby Barcola jest niedużym przenośnym urządzeniem o masie około 1/

substancjami chemicznymi, kiedy trzeba możliwie wcześnie wykryć oznaki degradacji materiału. ● Innym zastosowaniem pomiarów twardości Barcola jest wybór materiałów kompozytowych do budowy nowych instalacji. Ponieważ producenci nieustannie doskonalą oferowane tworzywa i włókna a równocześnie nie ma wystarczająco pewnych modeli obliczeniowych umożliwiających optymalny dobór składu projektowanego kompozytu do przewidywanych warunków środowiskowych (rodzaj medium i jego stężenie, temperatura, przewidywane obciążenia mechaniczne) przeprowadza się badania porównawcze płyt próbnych reprezentujących proponowane rozwiązania materiałowe. Próbki z porównywanych materiałów są zanurzone przez rok w danej substancji. Co trzy miesiące wyjmuje się część próbek w celu określenia wytrzymałości na zginanie, modułu Younga i twardości Barcola. Za kompozyt najlepszy do budowy danego urządzenia uznaje się materiał wykazujący najmniejszy spadek badanych właściwości. Pomiary twardości Barcola cechują duże rozrzuty i dlatego wymagana liczba odczytów może wynosić 10-20. Pomiary przewidziane do realizacji w ramach ćwiczenia obejmują zapoznanie się z metodą pomiaru twardości Barcola kompozytów polimerowych oraz określenie twardości wybranych próbek i elementów konstrukcyjnych z różną historią obciążenia i narażeń środowiskowych powodujących zmiany twardości.

Literatura wykorzystana do opracowania tekstu

1. ASHBY M.F., Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim , WNT, Warszawa,1998.

2. QUINN J.A., Composites – Design Manual. Wydanie 3, James Quinn Associates Ltd, 2002.

3. PHILIPS L.N., Design with Advanced Composite Materials , Springer-Verlag, 1989.

4. DĄBROWSKI H., Wytrzymałość polimerowych kompozytów włóknistych , Oficyna Wyd. Politechniki

Wrocławskiej, 2002.

5. SJÖRGEN B.A., BERGLUND L.A., The effects of matrix and interface on damage in GRP cross–ply

laminates , Composites Science and Technology, 60, 2000, s. 9–21.

6. GEIER M.H.: Manuel Qualité des Composites , Lavoisier 1989.

7. OCHELSKI S., Metody doświadczalne mechaniki kompozytów konstrukcyjnych , WNT, Warszawa, 2004.

8. SIMS G.D., Building a composites infrastructure, Proceedings of ICCM −12, 1047, Paryż, 1999, 10 s.

9. BOCZKOWSKA A., WOJCIECHOWSKI S. i współautorzy, Kompozyty , wyd. 2, Oficyna Wyd. Pol.

Warszawskiej, W−wa, 2003.

10. KRÓLIKOWSKI W., KŁOSOWSKA-WOŁKOWICZ Z., PENCZEK P., Żywice i laminaty poliestrowe ,

WNT, W−wa, 1986.

11. Laboratorium wytrzymałości materiałów , Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2001.