Содержание к диссертации
Введение
I. Особенности и преимущества зернистых композиционных материалов 10
1.1. Современное состояние исследования свойств композиционных материалов 10
1.2. Литьевой искусственный камень - особенности, преимущества, перспективы применения 18
1.3. Технология производства изделий из литьевого искусственного камня 21
II. Разработка методики экспериментального исследования механических свойств литьевого искусственного камня 31
2.1. Разработка методики испытаний на растяжение и сжатие с использованием универсальной машины ZWICK Z100 31
2.2. Разработка методики определения упругих характеристик литьевого искусственного камня с применением тензометриче-ского метода 36
2.3. Разработка образцов для испытаний 41
2.4. Режимы испытаний 47
2.5. Разработка методики определения характеристик трещи-ностойкости литьевого искусственного камня 51
2.6. Статистическая обработка результатов эксперимента 57
III. Результаты экспериментального определения механических свойств и характеристик литьевого искусственного камня 59
3.1. Механические свойства литьевого искусственного камня при растяжении 59
3.2. Механические свойства литьевого искусственного камня при сжатии 69
3.3. Релаксация напряжений и ползучесть литьевого искусственного камня 78
3.4. Характеристики трещиностойкости литьевого искусственного камня 83
3.5. Разномодульность литьевого искусственного камня и идентификация модели, описывающей влияние вида напряжен-ного состояния на свойства материала
Заключение 95
Список литературы 97
- Литьевой искусственный камень - особенности, преимущества, перспективы применения
- Разработка методики определения упругих характеристик литьевого искусственного камня с применением тензометриче-ского метода
- Механические свойства литьевого искусственного камня при сжатии
- Разномодульность литьевого искусственного камня и идентификация модели, описывающей влияние вида напряжен-ного состояния на свойства материала
Введение к работе
Актуальность проблемы. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе полиэфирных смол широко применяются в различных отраслях современной техники. Такие материалы открывают широкие возможности как для совершенствования уже существующих конструкций, так и для разработки новых. Во многих случаях они становятся даже предпочтительнее традиционных материалов: металлов, их сплавов, а также целого ряда неметаллических конструкционных материалов. ПКМ характеризуются малой плотностью и высокими удельными характеристиками. Кроме того, технологические процессы формования изделий из ПКМ обладают существенно меньшей энергоемкостью по сравнению с технологиями обработки распространенных металлических материалов. Эти свойства характерны и для относительно нового класса полиэфирных ПКМ - литьевого искусственного камня (ЛИК), который представляет собой композиционный материал, основными компонентами которого являются ненасыщенная полиэфирная смола и инертный зернистый наполнитель.
Из подобных материалов изготавливают отделочные плиты, лабораторные столы, лабораторные раковины, облицовку стен в рентгенкабинетах и кабинетах компьютерной томографии, стены в операционных. Столь же эффективно использование ЛИК в интерьерах зданий. В отличие от природного камня, материалу присуще отсутствие радиоактивного фона, что позволяет использовать ЛИК при реализации некоторых перспективных нанотехнологий. Исследуемый материал может применяться, например, для производства несущих систем (станины, стойки, основания) для достаточно широкого спектра высокоточных станков, контрольно-измерительных машин и нанотехники, где использование традиционных материалов исчерпало себя и не позволяет выйти на требуемые технические параметры. В настоящее время данный
материал используется в авиации и космонавтике, как легкий и нерадиоактивный отделочный материал. Литьевая технология позволяет изготавливать изделия практически любой сложности, в том числе и объемные длинномерные, где будут сохранены природные качества и внешний вид натурального камня.
В каждом конкретном случае замена традиционных материалов на композиты сопровождается значительным объемом научно-исследовательских работ, связанных с изучением их физико-механических свойств и разработкой методов оценки эксплуатационных характеристик. Большинство существующих работ посвящено слоистым (типичный представитель - стеклопластик) и волокнистым (типичный представитель -углепластик) композитам. В связи с этим изучение зернистых композитов на основе ненасыщенных полиэфиров требует отдельного исследования, в том числе разработки методик проведения экспериментов по определению механических характеристик и свойств. Над экспериментальным определением механических характеристик различных типов КМ работали Васильев В.В., Ванин Г.А. и другие. Определению характеристик вязкоупругости посвящены работы Москвитина В.В., Работнова Ю.Н., Ильюшина А.А., Победри Б.Е. Экспериментальные работы по механики разрушения принадлежат Браун У., Сроули Дж., Черепанову Г.П., Ломакину Е.В. В последние годы большой вклад в развитие экспериментальной науки вносят фирмы-производители экспериментального и измерительного оборудования, например, фирмы MTS, Instron, Zwick, НВМ.
Целью данной работы является экспериментальное изучение механических свойств нового вида зернистых композитов - литьевого искусственного камня, а именно, выбор оборудования для проведения эксперимента, разработка методики и проведение экспериментов по определению механических характеристик данного материала,
требованиям проведения экспериментальных исследований.
3. По результатам механических испытаний с использованием
современного измерительного оборудования определены следующие
величины для ЛИК:
упругие характеристики при растяжении и сжатии;
методами податливости и К -тарировки получены экспериментальные значения характеристик вязкости разрушения исследуемого материала: интенсивности высвобождения энергии Glc и
критическое значение коэффициента интенсивности напряжений Klc .
4. Показано, что
механические характеристики ЛИК, полученные с использованием стандартного датчика силы и экстензометра, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, найденными с помощью тензометрического метода измерения деформации;
при значительных уровнях напряжений и деформаций материал проявляет вязкоупругие свойства: релаксацию напряжений при постоянном уровне деформации и ползучесть при постоянной нагрузке;
полученные значения механических характеристик материала сопоставимы с аналогичными характеристиками натурального природного камня.
5. Выявлено, что ЛИК проявляет существенную зависимость
упругих характеристик от вида напряженного состояния. Для описания
этих свойств предложено использовать простейший вариант теории
упругости разномодульных изотропных материалов. Найдены
коэффициенты определяющих соотношения для исследуемого материала.
девиатора тензора напряжений в прямоугольной декартовой системе координат имеет вид (8у - символ Кронекера):
8„=|(В(^„+|ПЙ)06Ц. (1)
ю() = --(Л + 52)С + Л(1 + С), ОД) = — {A + B^)C+B{\ + CQ-
1 2с,
Подстановка полученных для растяжения и сжатия экспериментальных значений модулей упругости и коэффициентов Пуассона в (1) приводит к системе линейных алгебраических уравнений, решение которой имеет вид: A =4,661-10-5 МПа1, В =8, 612-10"5МПа \ С = 0,51 МПа1.
При этом учитывается, согласно используемой теории разномодульного материала, что должно выполняться равенство іі+/Е+=іі-/ЕГ.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Литьевой искусственный камень - особенности, преимущества, перспективы применения
Благодаря своим свойствам и механическим характеристикам одним из наиболее интересных и перспективных видов ПЗК является литьевой искусственный камень (ЛИК). Начало исследований в области композиционных материалов, предназначенных для замены натурального камня в строительстве и машиностроении, относятся к середине 60-х годов XX века. К концу 70-х годов сформировались основы технологических процессов получения подобных материалов, основанных на различных видах литья исходных компаундов. С тех пор наблюдается постоянное увеличение потребления литьевого искусственного камня, в качестве материала, заменяющего натуральный камень. Это обусловлено целым рядом преимуществ ЛИК, выгодно отличающими его от ряда традиционных конструкционных материалов [34, 29]. ЛИК представляет собой конструкционный композиционный материал, основными компонентами которого являются ненасыщенна полиэфирная смола и инертный зернистый наполнитель. В зависимости от ис пользуемой смолы и наполнителя можно имитировать цвет и фактуру натурального природного камня: мрамора, малахита, змеевика, оникса, гранита, яшмы и т.д. (рис. 1.2.). Он не содержит вредных для здоровья веществ, не токсичен, у него полностью отсутствует радиоактивный фон, присущий декоративным природным камням. В настоящее время литьевая технология позволяет изготавливать изделия практически любой сложности, в котором будут сохранены природные качества и внешний вид натурального камня [29, 34]. На рис. 1.2 представлен далеко не весь спектр возможных вариантов цветов для литьевого искусственного камня.
Литьевой искусственный камень обладает следующими основными свойствами: механические характеристики сопоставимы с соответствующими характеристиками натурального камня; не изменяет цвет со временем; стоек к колебаниям температуры окружающей среды (рабочий диапазон температур от - 50 С до + 80 С); высокое шумопоглощение; готовое изделие из него получается беспористым и однородным; низкая теплопроводность (высокая теплоизоляционная способность); высокая электроизоляционная способность; высокие антибактериальные свойства; отсутствие радиоактивного фона, присущего природному камню; стойкость к некоторым химически агрессивным средам и коррозии; способность к восприятию ударных нагрузок; стойкость к вибрационным нагрузкам; высокая износостойкость; поддается механической обработке (резка, фрезерование, шлифование, полирование и т.д.), а также склеиванию (используется специальный высокопрочный клей, шов затем полируется и становится невидимым) и монтажу; ремонтопригодность; возможность использовать отходы производства (например, мраморную крошку); длительный срок эксплуатации; отличное качество поверхности, красивый внешний вид; материал полностью приспособлен для производства изделий, отвечающих требованиям современного дизайна; невысокая стоимость производства; сравнительно небольшие производственные площади. На механические характеристики ЛИК существенное влияние оказывает технология изготовления. В связи с этим кратко приведем основные моменты этого процесса [25, 28, 32, 36, 37, 41, 38, 39, 40, 43, 44]. Производство изделий из литьевого искусственного камня состоит из предварительного и основного этапов. Предварительный этап включает в себя проектирование изделия, проектирование оснастки, изготовление оснастки по рабочим чертежам, ее испытание и ввод в эксплуатацию. На каждый тип выпускаемого изделия необходимо иметь свой комплект оснастки. Оснастка может быть изготовлена, например, из стеклопластика методом ручного формования по макету. Основной этап включает в себя этапы, указанные на рис. 1.3. Кратко рассмотрим их. 1. Выбор материалов (смолы, наполнителя, гелькоута, катализатора, пигментов).
Смола. Рекомендуется применять сорта ненасыщенных полиэфирных смол, которые сводят к минимуму риск появления внутренних напряжений, трещин, усадки. Ненасыщенные полиэфирные смолы обычно содержат от 30% до 50% стирола — бесцветной жидкости с характерным запахом. Стирол СбН5 -СН=СН2 является основным мономером для смол из ненасыщенных полиэфиров. Он представляет собой хороший растворитель для таких полиэфиров. Стирол реагирует с полиэфиром путем полимеризации, используя ненасыщенные химические связи, образует полимерно-сетчатые, неплавящиеся и нерастворимые продукты, что определяет высокие механические и термические свойства готовых изделий из ненасыщенных полиэфирных смол. Именно комбинация сложного полиэфира и стирола придает этим смолам типичные свойства. Допустимые концентрации вредных веществ (стирола и т.п.) на рабочих местах выражаются в ррт (объемных миллионных долях т.е. мг/м ) . Для стирола при 20 С 1 ppm = 4, 33 мг/м . Исходя из имеющихся в настоящее время данных, воздействие стирола в концентрациях ниже 50 ррт не наносит вреда здоровью работающего. Желательно использовать смолы с малой эмиссией стирола, так как стирол оказывает вредное воздействие на работающий персонал и окружающую среду, имеет низкий порог запаха (0,1 ррт), является одним из главных факторов пожелтения и усадки изделия. Кроме того пары стирола тяжелее воздуха и могут образовывать взрывоопасные смеси. Однако полное избавление от стирола как реактивного растворителя для ненасыщенных полиэфиров в настоящее время является задачей мало выполнимой. Следует отметить, что мелкозернистые наполнители требуют более высокого содержания смолы в растворе, чем крупнозернистые, так как обладают большей суммарной поверхностной площадью смачивания.
Разработка методики определения упругих характеристик литьевого искусственного камня с применением тензометриче-ского метода
Для определения коэффициента Пуассона необходимо проводить одновременные измерения продольной и поперечной деформаций при растяжении и сжатии. В комплект используемой установки ZWICK Z100 не входит экстензометр для измерений поперечной деформации. В этой связи для определения коэффициента Пуассона и уточнения значения модуля упругости материала проведена серия статических испытаний на растяжение и сжатие с использованием тензометрического метода измерения продольной и поперечной деформации в процессе испытаний с применением цифрового тензоусилителя и персонального компьютера. Выходной сигнал с усилителя подавался на персональный компьютер для регистрации и обработки экспериментальных данных. Таким образом, осуществлялось синхронное измерение продольной и поперечной деформации в процессе ис пытаний, что позволило значительно повысить точность определения коэффициента Пуассона. Тензометрический метод измерения деформации предполагает наклеивание (нанесение) стандартных тензодатчиков на поверхность образца, подключение их к тензостанции по мостовой или полумостовой схеме, ступенчатое нагружение образца и измерение деформаций, пропорциональных изменениям электрического сопротивления тензодатчиков. Проволочный тензодатчик омического сопротивления представляет собой отрезок тонкой проволоки, вклеенной между двумя полосками тонкой бумаги. Проволока в тензодатчике укладывается несколькими параллельными петлями. Длина петли называется базовым размером или базой датчика S. В работе использовались тензодатчики марки 1-LY41-6/120 фирмы НВМ (Германия) с электрическим с сопротивлением 120 Ом и базовым размером 5=10мм. Испытания материала проводились с использованием полумостовой схемы подключения тензодатчиков, представленной на рисунке 2.2, а, в которой R{ - активный тензорезистор, R -компенсационное сопротивление, R3 - дополнительное сопротивление.
Активный тензорезистор Rx составляет одно плечо моста. Для исключения влияния температуры на измерение омического сопротивления применяют компенсационный тензорезистор R2, который представляет собой обычный датчик, наклеенный на внешнюю поверхность образца в месте отсутствия деформаций. При изменении температуры сопротивление датчика меняется весьма заметно. С тем чтобы компенсировать температурную погрешность, компенсационный тензорезистор сопротивления R3 закрывают сверху теплоизолирующим материалом, например тонкой фетровой полоской. Температура датчиков R{ и R3 оказывается при этом одинаковой. Сопротивление R2 подбирают так, чтобы при отсутствии удлинений образца до начала опыта мост был сбалансирован, и сила тока в гальванометре равнялась бы нулю. Собранная полумостовая схема подключалась к цифровому тензо-усилителю типа Spider-8, фирмы «Хоттингер», производства Германии, преобразующего изменение электрического сопротивления тензодатчика в деформацию материала. Измерительный усилитель Spider-8 предназначен для электрических измерений механических величин — деформаций, усилий, давления, перемещений, ускорений и температуры. Общее предварительное формирование сигнала, питание пассивных датчиков, усиление сигнала и его оцифровка, сопряжение с персональным компьютером и технология сопряжения 8-ми независимых каналов объединены в одном корпусе. Все необходимые настройки в процессе измерения осуществляются с помощью компьютера. Spider содержит 4 цифровых усилителя для измерений на частоте 4,8 кГц с применением тензодатчиков и индуктивных датчиков. Каждый канал усилителей работает с собственным АЦП, который позволяет регистрировать измеряемые величины с частотой от 1 до 9600 измерений в секунду. АЦП синхронизированы, что обеспечивает одновременную регистрацию измеряемых параметров по всем каналам. Пассивные датчики подключаются к усилителям по пятипроводной или шестипроводной схемам. Это позволяет минимизировать потери чувствительности системы при большой длине соединительных проводов.
При измерениях коэффициента Пуассона сигналы с тензодатчиков продольной и поперечной деформаций подавались на усилитель, от него -на персональный компьютер для регистрации и обработки экспериментальных данных. Таким образом, осуществлялось синхронное измерение продольной и поперечной деформации в процессе испытаний, что позволило значительно повысить точность определения коэффициента Пуассона. Фотография фрагмента установки с подготовленным образцом материала и элементами системы измерения деформаций представлена на рис. 2.2,6.
Механические свойства литьевого искусственного камня при сжатии
Механические свойства исследуемого ЛИК при сжатии определены по результатам испытаний образцов материала в виде прямоугольно параллелепипеда (рис. 2.4) при постоянной скорости изменения напряжения. Для измерения деформации образца использовался стандартный экстензо-метр или тензодатчики, наклеенные на поверхность образца. Температура при проведении испытаний составляла Т=20±1С. На рис. 3.4 представлена характерная диаграмма напряжение-деформация при сжатии исследуемого ЛИК, полученная при постоянной скорости изменения напряжения 1МПа/с. По результатам испытаний определены предел прочности, предельная деформация и модуль упругости материала. На представленной диаграмме следует отметить характерный излом, который делит график на два участка: 1-й участок (0 є 0,2%) соответствует измерению деформации с применением стандартного экстензометра , 2-й (0,2% є 1,2%) - измерению деформации по перемещению активного захвата. Запись диаграммы а - є с использованием экстензометра до предельных нагрузок не проводилась из-за опасности повреждения датчика осколками разрушившегося образца. В этой связи оценка предельной деформации получена линейной экстрополяцией начального участка диаграммы на предельное значение силы или напряжения. Полученный уровень предельной деформации (около 0,5%) существенно превосходит предельное значение относительного удлинения при растяжении (около 0,04%). Результаты проведения эксперимента по определению механических характеристик ЛИК сжатии и их оценки с использованием методов математической статистики (см. п.2.6.) представлены в таблице 3.4. Определение коэффициента
Пуассона при сжатии как и при растяжении проведено с использованием тензометрического метода измерения деформации. При этом нагружение образца осуществлялось по ступенчатой программе изменения силы. При каждом заданном уровне силы производилось измерение деформаций образца с применением цифрового тензо-усилителя типа Spider-8. На рис. 3.5 и 3.6 приведены зависимости напряжения и поперечной деформации от продольной деформации, полученные в испытаниях с тензометрированием при сжатии. На этих же графиках нанесены прямые линии, полученные как результат линейной аппроксимации экспериментальных данных. Как видно из представленных данных, экспериментальные зависимости удовлетворительно аппроксимируются прямыми линиями, наклоны которых определяют модуль упругости и коэффициент Пуассона материала с учетом данных, полученных по диаграммам напряжение-деформация. Проведена серия испытаний при сжатии. Пример регистрации результатов одного из испытаний приведен в таблице 3.5. После проведения серии из 5 испытаний и обработки результатов эксперимента получены значения коэффициентов Пуассона при растяжении и их среднее значение ( см. таблицу 3.6). В результате статистической обработки результатов серии испытаний по формуле (2.6.1.) получены следующие средние значения механических характеристик материала при сжатии: ав=74,5 МПа, єпр=0,374%, =18 900 МПа при средних квадратических отклонениях этих величин (см. 2.6.2): S (G)=6,35 МПа, 5 (є)=0,033 %, S (E)=2 437 МПа. Доверительные интервалы при доверительной вероятности Р=о,95 и п =4 [68] (см. 2.6.4) таковы: А(ст)= 8,82 МПа, A(s)= 0,459%, А(Е)= 3 383МПа.
Средние значения модуля упругости и коэффициента Пуассона в ходе испытаний на сжатие при тензометрическом методе определения продольной и поперечной деформаций имеют следующие значения: =21 444,97 МПа, ц =0,398 при средних квадратических отклонениях этих величин S\E)=5 571,4 МПа, S (\x) =0,0225. Соответствующие доверительные интервалы при доверительной вероятности Р=0,95 и и =5 [94] таковы: Д()=6 904,52 МПа, Д(ц)= 0,0278. В работе [113] при численном моделировании процессов гидравлического разрушения горной породы для модуля упругости при сжатии принято =42 000 МПа, а для коэффициента Пуассона д=0,25. В работе [101] для коэффициента Пуассона скальных пород рекомендованы следующие значения \х=0,26-0,29, что удовлетворительно согласуется с данными, представленными в настоящем исследовании.
Разномодульность литьевого искусственного камня и идентификация модели, описывающей влияние вида напряжен-ного состояния на свойства материала
Как отмечалось ранее, в зернистых композитах, к которым относится и исследуемый материал, основными механизмами развития деформаций ползучести являются конформационные изменения макромолекул полимера, и накопление повреждений на границе между наполнителем и связующим под действием механической нагрузки [73, 74]. С учетом хрупкого состояния матрицы и высокой степени наполнения композита естественно предположить, что в рассматриваемом материале доминирующим механизмом ползучести является накопление повреждений. В этой связи можно принять, что материал деформируется упруго практически до разрушения, и лишь при высоком уровне напряжений в нем развиваются деформации ползучести, связанные с процессом постепенного разрушения структуры. Анализ кривых ползучести и релаксации исследуемого материала показывает, что он проявляет вязкоупругие свойства лишь при высоких уровнях напряжений и деформаций. Вязкоупругое поведение материала обусловлено накоплением повреждений в виде микрорастрескивания матрицы и нарушения прочного скрепления частиц наполнителя с полимером, т.е. нарушение структуры композита. В этой связи следует обратить внимание на выбор допустимых значений напряжений и деформаций при оценке работоспособности изделий и конструкций из ЛИК. Выбранный уровень допустимых значений напряжений и деформаций должен обеспечить практически упругое состояние элемента конструкции в диапазоне эксплуатационных нагрузок, при котором деформациями ползучести или изменениями напряжений в результате релаксации можно пренебречь.
Одной из важнейших характеристик определяющих работоспособность изделий и конструкций из хрупких материалов, является вязкость разрушения, определяющая сопротивление материала к образованию и развитию трещин. Классические теории прочности рассматривают только внешнюю сторону процесса разрушения, но не связаны с внутренними процессами, происходящими в материале до момента разрушения. В исследуемом ЛИК, как и во всех реальных материалах, имеются нарушения структуры в виде дислокаций, пор и трещин. Однако, при рассмотрении процессов деформирования, определении напряжений и характеристик прочности наличие дефектов не мешает считать материал однородным [92, 93]. Тем не менее, процесс разрушения сопровождается образованием трещин в окрестности исходных дефектов структуры и их развитием при дальнейшем нагружении. В данной работе для определения характеристик трещиностойкости исследуемого ЛИК использованы метод податливости для определения интенсивности высвобождения энергии G1C и метод К -тарировки для определения критического значения коэффициента интенсивности напряжений. В соответствии с методом податливости проведена серия испытаний на трехточечный изгиб образцов-брусов прямоугольного сечения с центральными краевыми надрезами [8]. На рис. 3.9 представлены экспериментальные зависимости сосредоточенной силы Р от перемещения 8, полученные при испытании образцов с глубиной надреза 5 и 12 мм. Подобные данные использовались для определения экспериментальной зависимости податливости бруса X от относительной длины трещины (надреза) lib. Естественной особенностью этой зависимости является то, что податливость возрастает с увеличением глубины надреза и для аппроксимации экспериментальной зависимости возможно использовать монотонную функцию (в работе применялась экспоненциальная функция, п. 2.5). Экспериментальные данные, полученные при испытаниях на изгиб образцов с надрезами, позволяют определить другую характеристику тре-щиностойкости материала - критическое значение коэффициента интенсивности напряжений К]С. Для этого использовался так называемый метод К -тарировки. В соответствии с этим методом К1С определяется как предельное значение коэффициента интенсивности напряжений при изгибе образца с трещиной с заданными геометрическими размерами [8]. где Ркр - предельное значение силы, соответствующее разрушению образца; h и Ъ - высота и толщина образца; /-глубина исходной трещины; 1 ((3)- поправочный коэффициент, учитывающий конечные размеры образца.
Для выбранной геометрии образца и схемы испытания функция Yi(p) имеет вид [8]: В результате вычислений по формуле (3.4.2) получены следующие значения К1С исследуемого материала для надрезов глубиной /=5мм и /=12 мм: Соотношения линейной механики разрушения, использованные для оценки сопротивления хрупкого разрушения образцов из рассматриваемого ЛИК, позволяют вычислить интенсивность высвобождения энергии G1C по известным значениям К]С и упругим характеристикам материала (2.5.8).
