На правах рукописи

ТИХОНОВ Вячеслав Борисович

УСТРОЙСТВА И МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АНИЗОТРОПНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ СТЕРЖНЕЙ

Специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Барнаул – 2011

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»

и ООО «Бийский завод стеклопластиков»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Блазнов Алексей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Плотников Владимир Александрович кандидат технических наук Петров Марк Григорьевич

Ведущая организация Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск

Защита состоится «18» марта 2011 года в 15.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» по адресу: 656049, г. Барнаул, пр-т Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет»

Автореферат разослан «16» февраля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Рудер Д.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Длительная прочность и долговечность - это важнейшие характеристики, используемые при проектировании и реализующиеся при эксплуатации изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Старение полимеров и разрушение стеклопластиковых изделий на различных объектах применения могут вести к значительным убыткам, например выход из строя линии электропередачи вследствие разрушения стеклопластикового сердечника электроизолятора, и к человеческим жертвам при обрушении фрагментов стен в зданиях или шахтных сводов, в случае обрыва анкерных стеклопластиковых связей.

Стеклопластиковые стержни в зависимости от условий применения могут подвергаться всем видам нагружения: растяжению, сжатию и изгибу. Обычно, для нового малоизученного материала, прогнозирование долговечности производят на основе экспериментальных исследований для каждого вида нагружения, приближенного к условиям эксплуатации. Вследствие этого, для количественной оценки долговечности материала, необходима разработка экспериментальных устройств и методов длительных статических испытаний ПКМ.

Цель работы — разработка, создание и апробация экспериментального устройства и метода длительных статических испытаний прочности стеклопластиковых стержней при сжатии, растяжении и продольном изгибе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать и создать устройство, предназначенное для проведения испытаний образцов на долговечность, позволяющее расширить функциональные возможности, повысить точность, снизить энергоемкость и габаритные размеры;

- разработать метод определения долговечности стеклопластиковых стержней, основанный на измерении времени до разрушения нагруженных образцов и последующей статистической обработке результатов с целью построения силовых зависимостей долговечности;

- провести апробацию разработанных устройств и метода на испытаниях гладких стержней, стержней периодического профиля и образцов-пластин, из различных ПКМ, с целью установления зависимости прочности образцов от основных факторов, таких как: размеры и форма образцов, условия соединения их с нагружающим устройством, схема приложения нагрузки, длительность воздействия нагрузки и т.д.

Объекты исследования:

- устройства для определения долговечности нагруженных стержней из ПКМ;

- метод определения силовых зависимостей долговечности стеклопластиковых стержней.

Предметы исследования:

- образцы для определения долговечности стержней из ПКМ при растяжении, сжатии и продольном изгибе;

- влияние формы и размеров образцов, условий соединения их с захватами; схемы приложения и длительности действия нагрузки на результат испытаний;

- применимость метода определения долговечности для различных условий:

температуры испытаний, способов приложения нагрузки, вида ПКМ.

В работе применены методы аналитических и экспериментальных исследований. Аналитический метод применяется для математической обработки результатов измерения прочности и долговечности образцов, для расчета эффективного диаметра стержней периодического профиля, оценки погрешностей методов испытаний и статистической обработки результатов. Экспериментальные исследования служат для изучения экспериментальных установок, исследования влияния размеров образцов и захватов на результат испытаний, апробации разработанных методов и устройств для испытаний стеклопластиков, получения эмпирических данных о прочности и долговечности ПКМ.

Научная новизна:

1. Разработано и создано экспериментальное устройство комплексных испытаний на растяжение, сжатие и продольный изгиб для измерений долговечности ПКМ, новизна которого состоит в том, что в одном из испытуемых образцов создается постоянная сжимающая нагрузка, а во втором равная по величине растягивающая нагрузка, посредством продольно изогнутых стержней, которые являются и нагружающим механизмом и испытуемыми образцами одновременно.

2. Разработан метод измерения долговечности, новизна которого состоит в общей совокупности и заданной последовательности проведения процедур, включающих: отбор представительной выборки образцов и деление ее на равные группы для испытаний на прочность и долговечность; испытание временной прочности и аппроксимация ее зависимости от вероятности разрушения, обоснование выбора величины постоянного напряжения и испытание на долговечность; аппроксимация распределений долговечности.

3. Разработан метод математической обработки экспериментальных результатов измерения долговечности, позволяющий построить эмпирические силовые зависимости приведенных значений напряжений от значений долговечности, соответствующих равной вероятности разрушения.

4. Получены эмпирические закономерности поведения стеклопластиковых стержней при сжатии в зависимости от отношения геометрических размеров.

Практическая значимость:

- созданы устройства и прикладные методики для испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения на растяжение, сжатие и продольный изгиб в промышленных условиях;

- разработанный метод длительных статических испытаний применен для построения силовых зависимостей долговечности;

- расширена область применения метода продольного изгиба для исследований механических свойств образцов-пластин, вырезанных из стекло- и углепластиковых плит и для стержней периодического профиля;

- выполнена модернизация конструкции установки для испытаний на продольный изгиб применением шарнирного крепление нагружающего наконечника, в устройстве передачи нагрузки от образца к силоизмерительному датчику, что повышает точность получаемых результатов;

- с помощью устройств и выявленных закономерностей при испытаниях на устойчивость при сжатии обоснованы диапазоны размеров образцов для измерений механических свойств изделий на сжатие и продольный изгиб;

- на основе решений совместно закона Гука и формулы Эйлера разработана и нашла применение на производстве методика по определению эффективного диаметра и модуля упругости стержней периодического профиля.

Реализация результатов исследований. Методы и оборудование для механических испытаний прочности и долговечности однонаправленных стеклопластиков, а также способы оригинальной обработки результатов внедрены в ООО «Бийский завод стеклопластиков» (ООО «БЗС»), г. Бийск. Методики испытаний введены в технические условия для контроля круглых однонаправленно армированных стеклопластиковых стержней постоянного и периодического сечения. Разработанный метод длительных статических испытаний используется в учебном процессе в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ) им. И.И. Ползунова.

Использование результатов исследований подтверждено актами внедрения.

Достоверность результатов исследований подтверждена использованием известных законов механики, согласованием расчетных и экспериментальных данных, использованием для выполнения экспериментальных измерений высокоточных современных измерительных приборов, проведением государственной поверки используемого оборудования, анализом погрешностей экспериментов по стандартным методикам, воспроизводимостью результатов, полученных в нескольких независимых лабораториях при апробации методов и устройств для испытаний ПКМ.

На защиту выносятся:

- экспериментальное устройство комплексных испытаний для определения долговечности при растяжении, сжатии и продольном изгибе;

- новый метод измерения долговечности ПКМ при приложении постоянной по величине нагрузки;

- метод математической обработки экспериментальных результатов с целью построения силовых зависимостей долговечности;

- методика измерения эффективного диаметра стержней периодического профиля;

- результаты экспериментальных измерений механических свойств плоских образцов из стеклопластиковых и углепластиковых плит и стеклопластиковых стержней периодического профиля.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных, всероссийских и международных конференциях: VII- X Всерос. науч.-практ. конф. «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Бийск, 2007-2010); I-я Региональная, II-я Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Полимеры, композиционные материалы и наполнители для них», («Полимер-2007, 2008») (г.

Бийск 2007, 2008); I-я и III-я Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2008, 2010); Всерос. науч.-практ. конф.

«Инновационные технологии: производство, экономика, образование» (г. Бийск, 2009); пятая междунар. конф. «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология»

(«Композит-2010», г. Энгельс 2010); 11-я Междунар. Молодежная Конференция-Семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам «EDM 2010» (г. Новосибирск 2010). Материалы были удостоены специального диплома VIII-ой Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи («НТТМ-2008», г.

Москва), получен грант ООО «БЗС» 2010 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 4 статьи в центральных журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент на изобретение, остальные доклады в сборниках конференций.

Личный вклад автора состоит в разработке конструкций установок и методов исследований механических свойств; создании прикладных методик испытаний и обработки результатов, выполнении экспериментальных работ и сертификационных испытаний изделий.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований, 6 приложений, изложена на 132 страницах текста, содержит 46 рисунков, 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит постановку цели и задач исследований, выбор предмета, объекта и методов исследований, описание научной новизны и практической значимости результатов работы, приведены реализация результатов исследований, положения, выносимые на защиту и кратко изложено содержание глав диссертации.

Первая глава посвящена литературному обзору существующих методов и устройств для длительных статических испытаний ПКМ, анализу их достоинств и недостатков. Рассмотрены требования, предъявляемые к стеклопластиковым стержням при эксплуатации.

Методы длительных испытаний ПКМ не стандартизованы. Наиболее близким аналогом является ГОСТ 10145-81, регламентирующий метод длительных испытаний металлов под действием постоянных растягивающих нагрузок при постоянной температуре до 1200 °С, и патент РФ № 2167404, МПК7 G01N3/00 на способ определения длительной прочности. В результате испытаний устанавливается зависимость между напряжением и временем до разрушения при заданной постоянной температуре. По результатам испытаний серии образцов для трех уровней напряжений определяют среднее значение времени до разрушения. По этим графикам экстраполяцией определяют предел длительной прочности материала, на срок службы, не превышающий максимальное среднее значение времени до разрушения более, чем на один-полтора порядка. Данный метод устанавливает температурно-временную зависимость прочности металла, и определяет жаропрочность при повышенной температуре. Для ПКМ отсутствует понятие жаропрочность, и верхняя граница температурного диапазона эксплуатации обусловлена переходом полимерной матрицы композита из стеклообразного состояния в высокоэластическое. Исследователи долговременной прочности ПКМ отмечают большие разбросы значений долговечности внутри одной выборки образцов, что препятствует использованию методики ГОСТ 10145-81 для длительных испытаний ПКМ и осреднения результатов.

В литературе описаны несколько устройств для длительных испытаний материалов на растяжение (пат. RU 2219520, МКИ G01N 3/08; RU 2141636, МКИ GO IN 3/08), которые содержат станину и установленный на ней механизм нагружения, выполненный в виде двух захватов для концов образца и рычага, связанного с одним из захватов, груза, закрепленного на конце рычага и двух конечных выключателей, связанных с рычагом и механизм компенсации удлинения образца. Обычно нагрузку в образце создают с помощью груза, при этом возникают сложности при нагружениях высокопрочных материалов, таких как однонаправленные стеклопластики. Также известны установки, нагружающий механизм которых выполнен на основе гидроцилиндра, что увеличивает габариты установок и усложняет процесс длительных испытаний.

Анализ описанных в литературе устройств длительных испытаний выявил общие недостатки – эти устройства сложны по конструкции, не учитывают специфику ПКМ при нагружении (используют те же захваты, что и для статических испытаний), производят нагружение с помощью гирь, рычагов и т.д., не позволяют изготовить компактные устройства для испытаний одновременно нескольких образцов, используют косвенные методы оценки уровня действующих напряжений и момента разрушения, применяют устаревшее измерительное оборудование типа динамометра, обладающее низкой точностью и не позволяющее вести запись в автоматическом режиме, с использованием ЭВМ.

Длительную прочность и долговечность ПКМ исследовали Журков С.Н., Бартенев Г.М., Скудра А.М., Булавс Ф.Я., Роценс К.А., Ратнер С.Б., Ярцев В.П., Регель В.Р., Слуцкер А.И., Степанов В.А., Иванова И.Н., Петров В.А., Петров М. Г. Физические основы долговечности материалов отражает кинетическая концепция разрушения, основанная на систематических исследованиях сотрудников Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе АН СССР в начале 1950-х годов. Для многих материалов (металлов, стекол, полимеров, горных пород и т.д.) Журковым С.Н., Бартеневым Г.М., Ратнером С.Б., Скудрой А.М., Булавсом Ф.Я. и другими исследователями предложены эмпирические выражения для обработки результатов и прогнозирования долговечности.

На практике применяются параметрические методы, в результате которых по ускоренным испытаниям длительностью несколько часов при разных температурах, применяя принцип температурно-временной суперпозиции, по известным выражениям экстраполируют результаты испытаний на 50 лет и более. Например, для распространенных в строительстве стеклопластиковых стержней при обработке одних и тех же эмпирических данных по различным теориям, длительная прочность составила 0,22 и 0,65 на срок эксплуатации 50 лет. Такое противоречие демонстрирует, что способ обработки экспериментальных данных существенно влияет на результат.

Стержневые изделия из ПКМ обладают высокой прочностью в осевом направлении, высокой электрической прочностью, высокой коррозионной стойкостью, низким коэффициентом теплопроводности, низкой удельной массой, хладостойкостью. Благодаря сочетанию перечисленных свойств армированные ПКМ находят широкие возможности для применения их в различных отраслях техники. Стеклопластиковые стержни применяют как силовой элемент в оптоволоконных кабелях, гибкие связи в трехслойных панелях и стенах, для изготовления полимерных изоляторов, стеклопластиковых насосных штанг в нефтедобывающей промышленности, стеклопластиковых анкерных крепей в горном деле, в строительной отрасли успешно применяется стеклопластиковые стержни периодического профиля (СППС) благодаря близкому значению коэффициентов линейного расширения стеклопластика и бетона. Основными требованиями к свойствам стеклопластиковых изделий являются: высокая прочность в осевом направлении – до 1500 МПа, модуль упругости при растяжении/сжатии – 45-50 ГПа, долговечность до 100 лет при температуре эксплуатации от минус 70 до плюс 60 °С. Эти требования к свойствам изделий определяют необходимость развития соответствующих методов испытаний.

Исследователи отмечают большие разбросы долговечности при испытаниях ПКМ, в связи с этим возникают проблемы испытаний и обработки результатов. При длительных испытаниях ПКМ неизбежно возникнет ситуация, что часть образцов разрушится в реальном времени, отведенном на эксперимент, а часть не разрушится сколь угодно долго. Необходима разработка нового экспериментального метода длительных статических испытаний, который позволит прогнозировать прочность ПКМ на срок эксплуатации до 50-100 лет за время испытаний не более трех месяцев.

В результате анализа литературы выявлено отсутствие стандартных методов и устройств для определения долговечности анизотропных ПКМ при различных видах нагружения. В связи с этим, целью исследований стала разработка экспериментальных устройств и нового метода длительных статических испытаний ПКМ.

Во второй главе описано развитие устройств и методов статических испытаний при различных видах нагружения, поскольку для реализации метода по определению долговечности необходимо знать исходную прочность изделий.

Исходя из требований к свойствам стеклопластиковых изделий, в качестве основных методов испытаний были приняты растяжение, сжатие и изгиб, в ходе работы исследовали влияние схемы нагружения, формы образцов и применяемых устройств на результат измерения механических свойств стеклопластиков.

В работах по исследованию методов механических испытаний армированных пластиков Ю.М. Тарнопольский с сотрудниками оценили влияние захватов, формы и размеров образцов на прочность стеклопластиковых пластин и привели следующие значения прочности: при растяжении – от 500 до 800 МПа, при сжатии 200 МПа, для круглых стержней такие данные отсутствуют. Основной проблемой испытаний ПКМ является анизотропия свойств вдоль и поперек армирования, в результате чего разрушение происходит обычно в захвате, под действием сдвиговых деформаций связующего.

Растяжение. В работе были предложены новые конструкции захватов и проведено их исследование при применении для испытаний стеклопластиковых стержней круглого постоянного и периодического сечения. Для различных схем закрепления образца в захватах испытательной машины были получены значения прочности при растяжении от 520 до 1450 МПа. Разрушение образцов происходило по краю захвата, следовательно, истинный предел прочности не достигнут. В ходе дальнейшей работы для испытаний на растяжение стеклопластиковой арматуры (СПА) диаметром 5,5 и 7,5 мм с анкерными уширениями, а также для стержней периодического профиля номинальным диаметром 6 - 22 мм, были выбраны схемы, показавшие наилучший результат (таблица 1), которые введены в технические условия на ООО «Бийский завод стеклопластиков» для испытаний на растяжение СПА ТУ 2296-001и СППС ТУ 2296-016-20994511.

Для испытания СПА анкерный стержень закрепляют в разрезные втулки и для предотвращения контакта с металлическим захватом производят засыпку сухим цементом. Образец разрушается в захвате при значениях прочности ниже расчетных.

Методика испытания СППС заключается в растяжении образца, на который были установлены шайбы и произведена подмотка анкеров из композиционного материала, аналогичного материалу стержня. Испытания стеклопластиковых стержней с анкерными уширениями на концах также дают значения прочности, далекие от расчетных, т.к. разрушение образцов начиналось по краю шайбы в результате среза, но иногда образцы разрушались и в результате расслоения (в виде метелки) в средней части между захватами.

Таблица 1 – Результаты испытаний различных конструкций захватов на растяжение (расчетное значение прочности стеклопластика по правилу смесей 2000-2200 МПа) ных накладках в разрезных втулках вклеенный в захваты обра- разрыв в зоне расположения малого 520-600 в наматываемых анкерах срез по краю шайбы или обрыв в 870-960 с применением расширяющегося цемента Качество примененных устройств демонстрирует абсолютная величина результата испытаний, разброс значений (воспроизводимость) и характер разрушения.

Наилучшие результаты в таблице 1, получены для оконцевателей в форме толстостенной трубы, заполненной расширяющимся цементом. Это приводит к плавному распределению напряжений без резкой концентрации. Разрушение происходит в средней части образца, при значениях прочности близких к расчетным.

Модернизация устройств для испытаний на растяжение круглых стержней позволила вдвое улучшить результат, по сравнению с результатами испытаний пластин по ГОСТ 11262-80, т.е. повысить точность измерения. Вместе с тем, и новые устройства для испытаний на растяжение не позволяют получить истинные значения прочности стержней из ПКМ круглого сечения и требуют соответствующих исследований и доработки для исследований прочности изделий другого класса и других размеров.

Сжатие. Было исследовано три различных захвата, основанных на механическом закреплении трех и одного образца, на вклеивании в специальные плунжеры образца для обеспечения соосности линии приложения силы и оси стержня при испытаниях. Результаты испытаний СПА-5,5 одинаковой длины с применением разных захватов приведены в таблице 2, так же в таблице приведены результаты испытаний СППС-12 вклеенных в плунжеры. Из таблицы видно, как сильно схема испытаний и захваты влияют на результат. Модернизация устройств для испытаний также позволило вдвое повысить абсолютное значение результата испытаний по сравнению с испытаниями пластин по ГОСТ 4651-82, но разрушение образцов также как и при сжатии происходит в захватах в месте концентрации напряжений, и результаты далеки от теоретических.

Таблица 2 - Результаты испытаний стеклопластиковых стержней на сжатие Образец и схема испытаний Характер разрушения с, МПа V, % сжатие трех цилиндрических об- излом по краю захвата 600 разцов СПА-5, 82 адаптированная для СПА-5, СПА-5,5, испытание «по направ- излом со сдвигом под углом 45° 1060 СППС-12, испытание «по направ- срез по витку, осевое расслое- 500 Устойчивость сжатых стержней и установление зависимости критического напряжения от гибкости является важным разделом механики деформируемых систем. Значение предельной гибкости, при которой справедлива формула Эйлера, определены эмпирически для большинства материалов – чугуна, стали, дерева.

Поэтому были проведены такие исследования для стеклопластиковых стержней различных геометрических размеров с разными видами заделки (рисунок 1).

Рисунок 1 - Зависимость критического напряжения от гибкости стеклопластиковых стержней при осевом сжатии