Прочность стеклопластика при растяжении
Механические свойства.Стеклопластики, в зависимости от структуры и расположения армирующих материалов, в большинстве случаев анизотропны, т. е. механические свойства их изменяются в зависимости от направления действия нагрузки.
Прочность при растяжении ориентированных стеклопластиков определяется прежде всего количеством и прочностью армирующего материала, адгезионной и когезионной прочностью связующего, его модулем упругости и относительным удлинением. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении стеклопластика от содержания волокна приведена на рис. 13.
Абсолютные значения разрушающего напряжения однонаправленных стеклопластиков на основе алюмоборосиликатного волокна достигают 1 600… 1 800 МПа, а на основе волокна из стекла ВМ- 1 могут составлять 2 000…2 200 МПа. Содержание стекла в неориентированных стеклопластиках обычно не более 50 вес. %, причем повышение прочности с ростом количества волокон не так заметно. Влияние адгезии связующего к стеклянным волокнам на прочность стеклопластика представлено на рис. 14.
Когезионная прочность связующего, его модуль упругости и эластичности, а также относительное удлинение оказывают решающее влияние на монолитность системы связующее — стеклянные волокна. Для обеспечения монолитности стеклопластика, армированного алюмоборосиликатными волокнами, необходимо, чтобы связующее имело прочность при растяжении 120…150 МПа, модуль упругости 4 500…5 000 МПа, а относительное удлинение 4…5 %.
Рис. 13. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении ориен-тированных стеклопластиков от содер-жания стеклянного волокна.
Рис. 14. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении ориентированных стеклопластиков от адгезии связующих к стеклянным волокнам.
Прочность при сжатии в меньшей степени, чем при растяжении, зависит от прочности и количества стеклянных волокон, в то время как увеличение диаметра и модуля упругости волокон приводит к значительному увеличению разрушающего напряжения стеклопластика при сжатии. Очень велико влияние адгезионной прочности связующего, значение которой, для обеспечения монолитности стеклопластика, должно составлять 80… 100 МПа.
Прочность при изгибе стеклопластиков зависит как от диаметров волокон, влияющих на прочность при сжатии, так и от факторов, определяющих прочность при растяжении. Для неориентированных стеклопластиков значение разрушающего напряжения при изгибе является средним между значениями, характеризующими прочность материала при растяжении и сжатии. Ориентированные стеклопластики имеют прочность при изгибе, близкую к прочности при растяжении при условии, что разрушение происходит от нормальных, а не касательных напряжений, так как ориентированные стеклопластики слабо сопротивляются сдвигу.
Модуль упругости ориентированных стеклопластиков в направлении армирования не зависит от диаметра волокна и определяется в первую очередь содержанием стеклянного волокна, ориентированного в направлении деформирования. Ползучесть ориентированных стеклопластиков в направлениях армирования невелика и снижение модуля упругости на базе 10 часов составляет 10… 15 %. Ползучесть ортотропных стеклопластиков под углом 45° к направлениям армирования при растяжении, изгибе и сжатии хорошо описывается зависимостью
,
где е — относительная деформация; с — напряжение, меньше 0,6ар; Е45 — модуль упругости под углом 45°; С — константа, равная ~ 0,3; — продолжительность действия нагрузки, мин.; = 1 мин; n = 0,2.
Влияние температуры на модуль упругости полиэфирного ортотропного стеклопластика показана на рис. 15.
Теплофизические свойства.Показатели теплофизических свойств стеклопластиков (по направлению основы ткани), полученные на различных связующих, приведены в табл. 5.
Оптические свойства.Стекло-пластики способны пропускать до 90 % лучей видимой части солнечного спектра при условии максимальной близости показателей преломления связующего и стеклянного волокна, а также прозрачности этих компонентов. Наибольшее распространение получили светопропускающие стеклопластики на основе полиэфирных смол и алюмоборосиликатного стеклянного волокна.
Атмосферостойкостьстеклопластиков определяется их способностью выдерживать действие различных атмосферных факторов (солнечная радиация, кислород воздуха, тепло, влага, промышленные газы и т. д.) в течение определенного времени без значительного изменения внешнего вида и физико-механических свойств. Изменение прочностных свойств стеклопластиков в процессе хранения в атмосферных условиях выражается зависимостью
где <τ0 и — соответственно прочность до и после хранения;
В — параметр, зависящий от структуры стеклопластика и климатической зоны хранения; τ — продолжительность хранения; τ0 = 0,1 года.
Таблица 5
Источник
[c.36]
| Рис. 4.4. Зависимость предела прочности от ширины образца стеклопластика типа Т (а), типа П (б) при направлениях О и 45° и стеклопластика обоих типов при направлении 90° (в) |  |
Обработка опытных данных с целью оценки характеристик прочности стеклопластиков с заданной достоверностью предполагает знание закона распределения, т. е. зависимости между вероятностными и возможными значениями случайной величины, например, предела прочности при растяжении. Предполагается, что распределение опытных данных приближенно отвечает тому или иному закону распределения. Это предположение может быть проверено, например, по критерию согласия Пирсона. Большое число независимых факторов, влияющих на рассеивание характеристик прочности, и их случайный характер позволяют предположить, что разброс пределов прочности не противоречит нормальному закону. Предельные значения характеристик прочности стеклопластика определяются, как известно, по формулам
[c.177]
К числу недостатков стеклопластиков можно отнести относительно высокую стоимость исходных компонентов, малое удлинение при разрыве, малый предел прочности на скалывание вдоль слоев, зависимость прочности материала от температуры, нестабильность механических характеристик.
[c.214]
При соотношении продольных и поперечных слоев шпона 1 I Ов = 460- -500 МПа и 35 000 МПа при соотношении 10 I аа= 8504-950 МПа и = 58 000 МПа. Это характеризует СВАМ как конструкционный материал, обладающий большой жесткостью и высокой ударной вязкостью (а = 4004-600 кДж/м ). Зависимость предела прочности стеклопластиков от вида и содержания наполнителя показана на рис. 217. Макро- и микрострук-
[c.466]
| Рис. 217. Зависимость предела прочности стеклопластиков от вида и содержания наполнителя |  |
С помощью этих формул были определены предельные напряжения оболочки и стержня из стеклопластика, для которых зависимости пределов прочности при растяжении и сжатии от температуры приведены на рис. 2.28, а изменение температур
[c.126]
Рие. 114. Зависимость предела прочности при сдвиге от времени хранения клеевого соединения образцов стеклопластика с промежуточным слоем стеклоткани
[c.146]
Итак, на основании анализа экспериментальных данных по длительной прочности стеклопластиков при одноосном растяже- НИИ, сжатии, сдвиге можно отметить следующие закономерности. С ростом времени пребывания тела под нагрузкой пределы прочности при данных видах деформации и неизменной температуре падают. Экспериментальные точки располагаются (в координатах ав, таким образом, что их можно удовлетворительно аппроксимировать кривыми, соответствующими логарифмическим, экспоненциальным, показательным и другим функциям. Характер временной зависимости прочности при рассмотренных простейших деформациях (растяжение, сжатие, сдвиг) приблизительно одинаков.
[c.144]
Более детально обобщенные для различных стеклопластиков временные зависимости прочности будут рассмотрены в следующей главе. Однако следует отметить, что проведенные экспериментальные исследования армированного стеклопластика типа СВАМ на связующем Э-1200, стеклопластиков 28-63С, 33-18, стеклотекстолита контактного формования на полиэфирном связующем ПН-3 и стеклотекстолитов горячего прессования на эпоксифенольных связующих позволяют в результате статистической обработки утверждать, что изменение предела прочности во времени практически с одинаковой точностью можно представить корреляционными уравнениями в виде экспоненциальной и степенной зависимостей долговечности от напряжения.
[c.29]
Изменение предела прочности и модуля упругости стеклопластиков на полиэфирных смолах в зависимости от процентного содержания стекловолокна по сравнению с минимальным, принятым за единицу
[c.88]
Предел прочности и модуль упругости при растяжении стеклопластиков в зависимости от температуры 1
[c.39]
Недостаточное совершенство и нестабильность технологии изготовления, структурные особенности стеклопластиков, колебания свойств составляюш,их компонентов сказываются на случайных отклонениях механических свойств этих материалов. Поэтому определение допускаемых напряжений, запасов прочности при расчетах деталей из стеклопластиков, назначение нормативных требований к материалу нужно проводить с учетом рассеяния их прочностных характеристик, которое, естественно, изменяется в зависимости от условий нагружения, формы и размеров конструктивных элементов. Для расчета на прочность недостаточно, таким образом, знания среднего предела прочности, так как назначение допускаемых напряжений по средним значениям не
[c.67]
В условии прочности должны учитываться такие особенности механических свойств материалов, как различие пределов прочности на растяжение и сжатие, зависимость предела прочности на сдвиг от направления касательных напряжений (для анизотропных стеклопластиков) и т. д. В простейших случаях это условие должно приводиться к обычным формулам сопротивления материалов.
[c.55]
| Рис. 3.5. Зависимость предела прочности иа растяжение от угла ф а — для стеклотекстолита КАСТ-В 1321 б — для стеклопластика СВАМ (321 |  |
На рис. 3.10 показаны зависимости предела прочности на растяжение от угла ф для стеклотекстолита на основе ткани сатинового плетения и эпокси-фенольного связующего и для асботекстолита. Сопоставление результатов экспериментов свидетельствует о том, что определение механических характеристик стеклопластиков путем испытания плоских образцов приводит к существенному их занижению.
[c.81]
На рис. 5.10 представлены зависимости предела прочности стеклотекстолита при растяжении от угла ф, где ф — угол между главным направлением и направлением растяжения. Связующее обоих стеклопластиков — эпоксидно-формальдегидная смола.
[c.188]
При одноосном сжатии армированных пластмасс, например стеклопластиков, сопротивление материала получается неодинаковым в случае приложения усилий вдоль и поперек волокон арматуры. Значительно меняется прочность и в зависимости от направления сжатия по отношению к главным осям анизотропии. На рис. 8 приведены кривые изменения предела прочности для различных армированных стеклопластиков в зависимости от направления сжатия, т. е. кривые анизотропии механической прочности при одноосном сжатии.
[c.41]
| Рис. 6.2. Зависимость предела сплошности и прочности ортогонально-армированного эпоксидного стеклопластика от коэффициента укладки волокон т. Кривые 1 и | |
Свойства стеклопластиков имеют ярко выраженную структурную чувствительность, находясь в зависимости от количества и размеров дефектов структуры. Если, например, коэффициент вариации прочности металла не превышает 4,5%, то для стеклопластиков этот показатель находится в пределах от 8,0 до 28,0% [2].
[c.10]
В некоторых случаях может быть использовано и степенное уравнение длительной прочности в виде = С, так как при показателях п, свойственных стеклопластикам, разница в коэффициентах корреляции для полулогарифмической и степенной зависимости несущественна. Границы п лежат в пределах 20—70.
[c.57]
Влияние толщины ткани на прочность стеклопластика отражено на рис. 45. Как правило, слоистые стеклопластики, армированные рогожкой, можно считать изотропными, как и материалы, армированные неупорядоченными стеклянными волокнами. Ортотроп-ными же следует считать стеклопластики из специальных ориентированных рогожек и стеклянных тканей всех видов. На рис. 46 приведен пример ортотропии полиэфирного стеклопластика с тканевым наполнителем модуль упругости при растяжении и сжатии одинаков, тогда как пределы прочности при растяжении и сжатии в зависимости от направления сил различны. Механические свойства некоторых слоистых стеклопластиков приведены в табл. 4. Значения отдельных показателей армированных пластиков в
[c.45]
Усталость стеклопластиков. Долговечность стеклопластика, определяемая усталостью, рассматривалась Оуэном [5]. Оуэн указывал, что в ранее проведенных исследованиях была установлена долговечность стеклопластика, равная 10 циклам симметричного знакопеременного нагружения со средней амплитудой напряжения, изменяющейся в диапазоне 20 —35 % среднего значения предела прочности. Уделялось внимание вопросу получения кривой долговечности (по Гудману), представляющей кривую зависимости величины среднего напряжения от амплитуды напряжений, из которой видно, что на усталостные характеристики стеклопластика в основном влияют средние по величине напряжения растяжения. Амплитуда средних экспериментальных напряжений обычно меньше напряжений, соответствующих линии Гудмана, которую используют для прогнозирования долговечности конструкционных материалов (рис. 6.18).
[c.155]
В справочнике приведены результаты исоледования некоторых материалов, подвергнутых различным дозам ионизирующего облучения. Показана зависимость механических свойств от дозы и вида облучения. Ряд особенностей в поведении стеклопластика связан с его структурной неоднородностью и прежде всего с наличием связующего, которое является не вполне упругим. Эти особенности проявляются при длительном воздействии постоянной или изменяющейся во времени нагрузки. В работе представлены результаты исследования ползучести материала и прочности при переменных нагрузках. Исследованы также некоторые специфические вопросы, связанные с особенностями рассматриваемых материалов, например, влияние размеров образца и концентраторов напряжений различной формы на предел прочности.
[c.5]
Будем считать, что зависимость предела прочности и вффициента температуропроводности стеклопластика от ютветствующих свойств компонентов является линей-зй и определяется по формулам смешения
[c.189]
На рис. 3.6 -приведены экспериментальные данные, полученные на трубчатых косонамотанных образцах (экспериментальные точки вдоль кривой /), для сравнения показаны до° экспериментальные точки, полученные на плоских образцах (кривая 2). Из приведенных зависимостей видно, что прочностные характеристики стеклопластика рассмотренного типа, полученные разными методами, существенно отличаются (кроме относящихся к основным направлениям). Для некоторых направлений пределы прочности отличаются более чем в два раза.
[c.79]
Выделение слоистых структур в конструкции ЭВ необходимо не только с целью подбора методик расчета, адекватно отражающих напряженное состояние элементов конструкции, но и назначения для каждого слоя и расчетного случая соответствующего коэффициента запаса прочности. Такой подход обусловлен анизотропией свойств используемого материла, а именно различием по пределам прочности однонаправленного стеклопластика вдоль и поперек направления армирования в десятки раз, различием предела прочности на сжатие растяжение даже в одном направлении в несколько раз, различием влияния температуры и длительности воздействия на длительную прочность от вида нагрузки (сжатие, растяжение, сдвиг) в несколько раз. В зависимости от характера работы композиционного материала коэффициент запаса принимается равным от 2,5 до 10 (Конструкционные стеклопластики. М. Химия, 1979, 360 с, ил.). Меньшие значения характерны при назначении коэффициентов для характеристик материала в направлении армирования, большие значения при назначении коэффициентов поперек армирования и сдвиговых характеристик. При конструировании стеклопластиковой муфты были предприняты все усилия, чтобы для всех расчетных случаев работоспособность ЭВ зависела только от характеристик стеклопластика в направлении армирования (а именно в направлении армирования максимально реализуются прочностные и жесткостные свойства армированных материалов), что и позволило принять для основных расчетных случаев коэффициент запаса 3,0.
[c.97]
Экспериментальных данных о поведении композиций с короткими волокнами при циклических нагрузках очень мало. По данным, полученным в работе [75], установлено, что предел усталостной выносливости поликарбоната при 10 циклов возрастает в 7 раз при введении 40% стекловолокон длиной 6,4 мм. В работе [76] определено число циклов до разрушения эпоксидных смол, наполненных короткими борными волокнами, и установлено, что при циклических нагрузках с амплитудой, составляющей любую долю от разрушающего напряжения, число циклов до разрушения быстро возрастает с увеличением характеристического отношения волокон, достигая постоянных значений при Ijd около 200. Эту величину можно считать критическим характеристическим отношением, выше которого усталостная прочность постоянна и пропорциональна статической прочности при изгибе (рис. 2.48). В этой же работе исследованы свойства эпоксидных смол с ориентированными асбестовыми волокнами. При этом установлено, что их поведение мало отличается от поведения эпоксидных смол с борными волокнами длиной 25 мм. Оуэн с сотр. [77] показали, что усталостная прочность при 10 циклах полиэфирной смолы, наполненной стекломатом с хаотическим распределением волокон, колеблется между 15 и 45% от разрушающего напряжения при статическом растяжении. В работе [78] изучали поведение при циклическом растяжении и изгибе эпоксидной смолы, содержащей 44% (об.) ориентированных стеклянных волокон длиной 12,5 мм. Полученные результаты показывают, что этот материал является перспективным для изделий, работающих при циклических нагрузках, так как предел его усталостной выносливости составляет более 40% от разрушающего напряжения при растяжении. Эти результаты необычны для стеклопластиков, для которых, очевидно, нет истинно безопасного нижнего предела при циклических нагрузках даже в случае непрерывных волокон [79]. Недавно были исследованы свойства при циклических нагрузках промышленных полиэфирных премиксов [80]. Полученные кривые зависимости амплитудного напряжения от числа циклов до разрушения для литьевых премиксов с хаотическим в плоскости распределением волокон (рис. 2.49) можно сравнить с кривыми, полученными Оуэном с сотр. [81] для композиционных материалов с однонаправленными непрерывными волокнами и для слоистых пла-
[c.106]
Конструкционные стеклопластики представляют собой группу сложных гетерогенных анизотропных материалов с сильно выраженной температурной зависимостью показателей механической прочности и ползучести. Их прочностные и деформационные свойства достаточно полно изучены 111] в интервале температур не выше 300—400° С, что является верхним температурным пределом длительной службы современных наиболее теплостойких стеклопластиков. Имеющиеся в литературе данные о температурновременной зависимости прочности и закономерностях деформации стеклопластиков (при их аналитическом выражении уравнениями с неизменными коэффициентами) ограничены условиями постоянства температуры и стабильности структуры нагружаемого объема материала [1, 7].
[c.108]
Справочник машиностроителя Том 3 Изд.3
(1963) — [
c.0
]
Источник