RU2799034C1

RU2799034C1 - Method for determining the crack resistance indices of composite materials with transverse reinforcement with a stitching thread

Info

Publication number: RU2799034C1
Application number: RU2023100518A
Authority: RU
Inventors: Артем Юрьевич Синицын; Николай Викторович Матюшевский; Алексей Николаевич Синенков
Original assignee: Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина"
Filing date: 2023-01-12
Publication date: 2023-07-03

Abstract

FIELD: testing techniques.

SUBSTANCE: invention relates to experimental methods for evaluating the properties of a polymer composite material (PCM) and can be used to determine the crack resistance of PCM reinforced with a stitching thread under loading mode I using standard samples in the form of a double cantilever beam (DCB). The method includes placing in the loading device a sample in the form of a double cantilever beam with an initial crack specified in the direction of the sample axis, exposing the sample in the area of the initial crack with a force through a loading device with a working element in the form of a rectangular metal plate with a thickness twice the thickness of the sample, the working surface of which has a descent at an angle equal to the opening angle of the crack, with a length of not more than 1/2 of the length of the original crack, with a rounded lower edge of the working surface, measuring the local length of the crack, from which the local interlayer fracture toughness is calculated.

EFFECT: improving the accuracy of determining the crack resistance indices of PCM with transverse reinforcement with a stitching thread and their determination by the location of the crack.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к экспериментальным методам оценки свойств полимерного композиционного материала (ПКМ), и может быть использовано для определения показателей трещиностойкости армированных прошивочной нитью ПКМ при моде нагружения I с использованием стандартных образцов в виде двойной консольной балки (ДКБ).The invention relates to testing techniques, namely to experimental methods for evaluating the properties of a polymer composite material (PCM), and can be used to determine the crack resistance of PCM reinforced with a stitching thread under loading mode I using standard samples in the form of a double cantilever beam (DCB).

Известен «метод определения удельной работы расслоения в условиях отрыва G_IC» при котором усилия раскрытия трещины прилагаются к образцу в виде ДКБ через петли или блоки нагружения, приклеенные к противоположным поверхностям на одном конце образца, с предварительно выполненным по центру его толщины расслоением. При испытании фиксируют прикладываемое усилие и длину трещины, по которым рассчитывают критическое значение вязкости межслойного разрушения в условиях отрыва по моде I (ГОСТ Р 56815-2015).There is a known “method for determining the specific work of delamination under the conditions of separation G _IC ”, in which crack opening forces are applied to the sample in the form of DCB through loops or loading blocks glued to opposite surfaces at one end of the sample, with delamination preliminarily made in the center of its thickness. During testing, the applied force and the length of the crack are fixed, according to which the critical value of the interlayer fracture toughness is calculated under conditions of detachment according to mode I (GOST R 56815-2015).

Недостатком данного способа является то, что при испытании ПКМ с высокой межслоевой прочностью, в том числе материалов с трансверсальным армированием, в испытуемом образце ДКБ возникают повышенные нагрузки, необходимые для раскрытия трещины, что приводит к изгибу тонких полубалок, вплоть до их излома, и не позволяет достоверно и точно определять показатели трещиностойкости материала.The disadvantage of this method is that when testing PCM with high interlaminar strength, including materials with transverse reinforcement, increased loads occur in the test sample of the DCB, which are necessary for crack opening, which leads to bending of thin semi-beams, up to their fracture, and does not allows you to reliably and accurately determine the crack resistance of the material.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ определения показателей трещиностойкости материалов на стадии остановки трещины, по которому для нагружения образца ДКБ, с предварительно выполненной исходной трещиной, используют нагружатель в виде клина, воздействуя на образец расклинивающим усилием, затем регистрируют значение усилия при старте и остановке трещины, и с их учетом рассчитывают характеристику трещиностойкости материала (А.с. СССР SU № 1478080 A1, МПК G01N 3/00, опубл. 07.05.1989).Closest to the claimed invention is a method for determining the crack resistance of materials at the stage of stopping a crack, according to which, to load a CST sample with a pre-made initial crack, a loader in the form of a wedge is used, acting on the sample with a wedging force, then the value of the force at the start and stop of the crack is recorded , and taking them into account, the crack resistance characteristic of the material is calculated (A.S. USSR SU No. 1478080 A1, IPC G01N 3/00, publ. 05/07/1989).

Недостатком данного способа является то, что при вычислении показателей трещиностойкости по зарегистрированному значению приложенного усилия не учитываются силы трения, возникающие при расклинивании образца нагружателем в виде клина, что не позволяет достоверно и точно определять показатели трещиностойкости материала. Кроме того, при испытании ПКМ с армированием прошивочной нитью, при регистрации только значения усилия необходимого для раскрытия трещины, отсутствует возможность определения значения вязкости межслойного разрушения по локальному расположению трещины.The disadvantage of this method is that when calculating the crack resistance indexes according to the registered value of the applied force, the friction forces arising from the wedging of the sample by the loader in the form of a wedge are not taken into account, which does not allow reliable and accurate determination of the crack resistance indexes of the material. In addition, when testing PCM with reinforcement with a stitching thread, when registering only the value of the force required to open a crack, it is not possible to determine the value of the interlayer fracture toughness by the local location of the crack.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности определения показателей трещиностойкости ПКМ с трансверсальным армированием прошивочной нитью и их определение по локальному расположению трещины, за счет исключения влияния сил трения на итоговый результат и расчета вязкости межслойного разрушения по измеренной локальной длине трещины.The task to be solved by the present invention is to improve the accuracy of determining the crack resistance indices of PCM with transverse reinforcement with a piercing thread and their determination by the local location of the crack, by eliminating the influence of friction forces on the final result and calculating the interlayer fracture toughness from the measured local crack length.

Указанная задача решается тем, что предложен:This problem is solved by the fact that it is proposed:

1. Способ определения показателей трещиностойкости композиционных материалов с трансверсальным армированием прошивочной нитью, включающий размещение в нагружающем устройстве образца в виде двойной консольной балки с исходной трещиной, заданной в направлении оси образца, воздействие на образец в зоне исходной трещины усилием через рабочий элемент нагружающего устройства, отличающийся тем, что образец нагружают рабочим элементом в виде прямоугольной металлической пластины толщиной в два раза больше толщины образца, рабочая поверхность которой имеет спуск под углом равным углу раскрытию трещины, длиной не более 1/2 длины исходной трещины, со скругленной нижней кромкой рабочей поверхности, и измерение локальной длины трещины, по которой рассчитывают локальную вязкость межслойного разрушения.1. A method for determining the crack resistance indices of composite materials with transverse reinforcement with a broaching thread, which includes placing a sample in the form of a double cantilever beam with an initial crack in the direction of the sample axis in the loading device, exposing the sample in the area of the initial crack with a force through the working element of the loading device, which differs the fact that the sample is loaded with a working element in the form of a rectangular metal plate with a thickness twice the thickness of the sample, the working surface of which has a descent at an angle equal to the crack opening angle, with a length of not more than 1/2 of the length of the original crack, with a rounded lower edge of the working surface, and measurement of the local crack length, from which the local interlaminar fracture toughness is calculated.

Способ по п.1, отличающийся тем, что образец нагружают рабочим элементом пошагово на заранее определенное расстояние, с заранее определенной скоростью.The method according to claim 1, characterized in that the sample is loaded with a working element step by step over a predetermined distance, at a predetermined speed.

Рабочий элемент в виде металлической пластины толщиной в два раза больше толщины образца со спуском длиной не более ½ длины исходной трещины обеспечивают необходимое для роста трещины раскрытие, и исключают возможность препятствия трансверсальной системы армирования продвижению клина.The working element in the form of a metal plate with a thickness twice the thickness of the sample with a run-off no longer than ½ of the length of the original crack provides the opening necessary for the crack to grow, and excludes the possibility of the transversal reinforcement system preventing the wedge from advancing.

Спуск рабочего элемента под углом равным углу раскрытия трещины, и скругленная нижняя кромка рабочей поверхности обеспечивают большую площадь контакта рабочего элемента с поверхностью консолей образца, что помогает предотвратить их излом, снизить возникающие при продвижении клина силы трения, и получить более точные определения показателей трещиностойкости.The descent of the working element at an angle equal to the angle of crack opening, and the rounded lower edge of the working surface provide a large area of contact of the working element with the surface of the cantilevers of the sample, which helps to prevent their fracture, reduce the friction forces that occur during the advancement of the wedge, and obtain more accurate determinations of crack resistance indicators.

Измерение локальной длины трещины, позволяет производить расчеты параметров трещиностойкости, без учета усилия необходимого для раскрытия трещины, тем самым исключая влияние сил трения на точность полученных результатов, а также позволяет производить оценку параметров трещиностойкости ПКМ с трансверсальным армированием прошивочной нитью с учетом локального расположения трещины.Measuring the local length of a crack makes it possible to calculate the parameters of crack resistance without taking into account the force required to open a crack, thereby excluding the influence of friction forces on the accuracy of the results obtained, and also makes it possible to evaluate the parameters of crack resistance of PCM with transversal reinforcement with a broaching thread, taking into account the local location of the crack.

Пошаговое нагружение образца на заранее определенное расстояние, с заранее определенной скоростью снижает вероятность возникновения крутящих и сдвиговых эффектов в вершине трещины, и уменьшает влияние сил инерции рабочего элемента на показатели трещиностойкости, тем самым повышая точность ее определения.Step-by-step loading of the sample at a predetermined distance, at a predetermined speed, reduces the likelihood of torsional and shear effects at the crack tip, and reduces the influence of the inertia forces of the working element on the crack resistance indicators, thereby increasing the accuracy of its determination.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема нагружения образца; на фиг. 2 изображен фрагмент клина; на фиг. 3 представлена фотография испытания; на фиг. 4 схематически изображены два основных типа локальных зон ПКМ трансверсально армированного прошивочными нитями.The invention is illustrated by the drawing, where in Fig. 1 shows the sample loading scheme; in fig. 2 shows a fragment of a wedge; in fig. 3 is a photograph of the test; in fig. 4 schematically shows two main types of local zones of PCM transversely reinforced with stitching threads.

Способ определения показателей трещиностойкости композиционных материалов с трансверсальным армированием прошивочной нитью заключается в определении значения длины трещины после расслаивания предварительно сформированной исходной межслоевой трещины 4 (фиг. 3) расположенной на одном конце образца 1 (фиг. 1 и фиг. 3) в виде ДКБ по центру его толщины, под действием нагрузки, которая передается при помощи рабочего элемента 2 (фиг. 1 и фиг. 3) в виде клина, продвигающегося с шагом постоянной длины при статическом и высокоскоростном нагружении. The method for determining the crack resistance indices of composite materials with transversal reinforcement with a stitching thread consists in determining the value of the crack length after delamination of a pre-formed initial interlayer crack 4 (Fig. 3) located at one end of the sample 1 (Fig. 1 and Fig. 3) in the form of a DCB in the center its thickness, under the action of the load, which is transmitted using the working element 2 (Fig. 1 and Fig. 3) in the form of a wedge advancing with a step of constant length under static and high-speed loading.

Образец 1 (фиг. 1 и фиг. 3) и рабочий элемент 2 (фиг. 1 и фиг. 3) размещаются в захватах 3 (фиг. 1) нагружающего устройства (на чертеже не показан). При испытании, образец 1 (фиг. 1 и фиг. 3) нагружают с заданной скоростью, пошагово, рабочим элементом 2 (фиг. 1 и фиг. 3) в виде прямоугольной металлической пластины толщиной h в два раза больше толщины образца 1 (фиг. 1 и фиг. 3), обеспечивая таким образом раскрытие трещины 5 (фиг. 3) необходимое для ее роста. Площадь контакта рабочего элемента 2 (фиг. 1 и фиг. 3) с поверхностями консолей образца 1 (фиг. 1 и фиг. 3) увеличивается за счет спуска рабочей поверхности 6 (фиг. 2) под углом Y равным углу раскрытию трещины 4 (фиг. 3) и скругленной нижней кромкой 7 (фиг. 2) , что позволяет избежать излишнего изгиба тонких полубалок 11 (фиг.1 и фиг.3) и их излома при испытании образцов с высокой межслоевой прочностью, в том числе ПКМ с трансверсальным армированием прошивочными нитями. Для предотвращения препятствия продвижению рабочего элемента 2 (фиг. 1 и фиг. 3) трансверсальной системой армирования, длина спуска L его рабочей поверхности 6 (фиг. 2) выполняется длиной не более ½ длины исходной трещины 4 (фиг. 3). Sample 1 (Fig. 1 and Fig. 3) and the work item 2 (Fig. 1 and Fig. 3) are placed in the grips 3 (Fig. 1) of the loading device (not shown). During testing, sample 1 (Fig. 1 and Fig. 3) is loaded at a given speed, step by step, with a working element 2 (Fig. 1 and Fig. 3) in the form of a rectangular metal plate with a thickness h twice the thickness of sample 1 (Fig. 1 and 3), thus ensuring the opening of the crack 5 (Fig. 3) necessary for its growth. The contact area of the working element 2 (Fig. 1 and Fig. 3) with the surfaces of the consoles of the sample 1 (Fig. 1 and Fig. 3) increases due to the descent of the working surface 6 (Fig. 2) at an angle Y equal to the opening angle of the crack 4 (Fig. . 3) and a rounded lower edge 7 (Fig. 2), which avoids excessive bending of thin semi-beams 11 (Fig.1 and Fig.3) and their fracture when testing specimens with high interlaminar strength, including PCM with transversal reinforcement piercing threads. To prevent an obstacle to the advancement of the working element 2 (Fig. 1 and Fig. 3) by a transversal reinforcement system, the length of the descent L of its working surface 6 (Fig. 2) is performed with a length of no more than ½ of the length of the original crack 4 (Fig. 3).

После прорастания трещины 4 (фиг. 3), производят измерение ее длины для ПКМ с трансверсальным армированием с учетом ее локального расположения: в области с деформированием и разрушением трансверсального армирования 8 (фиг. 4) в виде переплетения прошивочных нитей 9 (фиг. 4); области между переплетениями 10 (фиг. 4) прошивочных нитей 9 (фиг. 4). По полученным после прорастания трещины 4 (фиг. 3) данным о ее длине, производят расчет показателей трещиностойкости ПКМ с трансверсальным армированием прошивочной нитью с учетом локального расположения трещины 4 (фиг. 3) по известной в линейной упругой механике разрушения формуле определения вязкости межслойного разрушения

.After crack 4 grows (Fig. 3), its length is measured for PCM with transverse reinforcement, taking into account its local location: in the area with deformation and destruction of transverse reinforcement 8 (Fig. 4) in the form of interweaving of stitching threads 9 (Fig. 4) ; the area between the weaves 10 (Fig. 4) stitching threads 9 (Fig. 4). According to the data on its length obtained after the growth of crack 4 (Fig. 3), the parameters of crack resistance of PCM with transverse reinforcement with a stitching thread are calculated, taking into account the local location of crack 4 (Fig. 3) according to the formula known in linear elastic fracture mechanics for determining the viscosity of interlayer fracture

.

,

где Е - модуль упругости материала при изгибе;where E is the modulus of elasticity of the material in bending;

h - полутолщина образца; h is the half-thickness of the sample;

δ - раскрытие трещины; δ - crack opening;

a ₀ - длина трещины до прорастания (исходная). a ₀ - crack length before germination (initial).

Для определения высокоскоростных (ударных) показателей трещиностойкости, испытания проводят при заранее заданной скорости нагружения. To determine high-speed (impact) crack resistance, tests are carried out at a predetermined loading rate.

При испытании образцов с высокой межслоевой прочностью без трансверсального армирования прошивочной нитью, определяют средние значения показателей трещиностойкости.When testing specimens with high interlaminar strength without transverse reinforcement with a stitching thread, the average values of crack resistance indices are determined.

Способ определения показателей трещиностойкости композиционных материалов с трансверсальным армированием прошивочной нитью позволяет обеспечить высокую точность определения параметров трещиностойкости ПКМ, за счет исключения влияния сил трения на результат, а также позволяет определять показатели трещиностойкости ПКМ с трансверсальным армированием прошивочной нитью по локальному расположению трещины, за счет применения рабочего элемента с предложенными геометрическими параметрами, и расчета вязкости межслойного разрушения по измеренной локальной длине трещины.The method for determining the crack resistance indices of composite materials with transverse reinforcement with a broaching thread allows for high accuracy in determining the parameters of PCM crack resistance, by eliminating the influence of friction forces on the result, and also makes it possible to determine the crack resistance indices of PCM with transversal reinforcement with a piercing thread according to the local location of the crack, due to the use of a working element with the proposed geometric parameters, and calculation of the interlayer fracture toughness from the measured local crack length.

Claims

1. A method for determining the crack resistance indices of composite materials with transverse reinforcement with a broaching thread, which includes placing a sample in the form of a double cantilever beam with an initial crack in the direction of the sample axis in the loading device, exposing the sample in the area of the initial crack with a force through the working element of the loading device, which differs the fact that the sample is loaded with a working element in the form of a rectangular metal plate with a thickness twice the thickness of the sample, the working surface of which has a descent at an angle equal to the opening angle of the crack, with a length of not more than 1/2 of the length of the original crack, with a rounded lower edge of the working surface, and measuring the local crack length, from which the local interlaminar fracture toughness is calculated.

2. The method according to claim 1, characterized in that the sample is loaded with a working element step by step over a predetermined distance, at a predetermined speed.