Модифицированное приспособление для испытания на сжатие ASTM D695 (Boeing BSS 7260)

Модель № WTF-BO (нержавеющая сталь)

IMG_2925
IMG_2930

Рис. 1: Модифицированное приспособление для испытания на сжатие D695

Это приспособление используется для испытания композитных материалов на одноосное сжатие. Плоская деталь, показанная на левой фотографии рис. 1, представляет собой закаленную стальную нагрузочную пластину, которая помещается между выступающим верхним концом образца для испытания и плоской нагрузочной плитой испытательной машины для защиты нагрузочной плиты.

На самом деле не существует стандарта ASTM, регулирующего модифицированный метод испытания на сжатие D695. Стандарт ASTM D695, первоначально опубликованный в 1942 году, предназначен в основном для неармированных пластмасс, как следует из его названия (ссылка 1), с использованием неармированной косточки, плоский образец. Модифицированный метод испытания на сжатие D695 определен в документах компании Boeing (ссылки 2 и 3), а также в рекомендуемом методе испытаний SACMA SRM 1R-94 (ссылка 4).

Хотя этот метод испытаний не является стандартом ASTM, он широко используется в сообществе композитных материалов в настоящее время, причем достаточно успешно (ссылки 5 через 7).

Образец для испытаний с прямыми сторонами имеет длину 3,18 дюйма и ширину 0,5 дюйма, а толщина зависит от испытуемого материала. Для однонаправленного композита обычно используется толщина порядка 0,040 дюйма. Образцы, используемые для определения прочности на сжатие, имеют выступы на каждом конце, обычно с помощью стеклоткани/эпоксидного материала для выступов. Расстояние между вкладками (длина замера) составляет 0,188 дюйма. Из-за очень короткой длины зажима нецелесообразно устанавливать приборы для измерения деформаций. Таким образом, предусмотрено два испытания.

Образец без вкладок нагружается до минимальной деформации 0,3%, для измерения деформации используется тензометр или экстензометр. Это позволяет рассчитать модуль упругости при сжатии. Второй образец из того же материала, но с выступами, затем испытывается на разрушение, чтобы определить прочность на сжатие. Если попытаться нагрузить образец без накладок до предела, концы образца, как правило, разрушаются, прежде чем материал разрушается в области от концов. Таким образом, истинная прочность на сжатие для материала не будет получена.

Для проведения этих двух необходимых испытаний приспособление оснащено двумя внешними опорными пластинами (I-образные детали, показанные на правой фотографии рис. 1) в дополнение к внутренней опорной пластине, установленной на основании приспособления. Пазы в деталях, используемых для определения прочности (детали, установленные в собранном приспособлении на левой фотографии рис. 1), проходят по всей длине. Также предусмотрена вторая внешняя опорная пластина (показана на переднем плане на левой фотографии), в которой пазы разгружены на 0,5 дюйма в центральной части, чтобы обеспечить зазор для тензометра и его проводов на одной поверхности испытуемого образца. При измерении деформаций используется образец без накладок; образец с накладками длиной 0,188 дюйма не обеспечивает достаточного пространства для установки тензодатчика.

В качестве дополнительной опции может быть предусмотрена четвертая боковая опора, также с разгруженными канавками по центральной части 0,5 дюйма, чтобы тензодатчики можно было установить на обеих поверхностях образца для испытаний. Однако двойные тензодатчики обычно используются только в тех случаях, когда существует опасение смятия образца. При определении модуля упругости при сжатии не нужно прикладывать большие напряжения, что сводит к минимуму проблему смятия.

Боковые опоры и опорные пластины изготавливаются из закаленной нержавеющей стали 440С. Это минимизирует вероятность их необратимой деформации (и, следовательно, потери работоспособности) при разрушении образца, часто в режиме относительно сильного сжатия.

Другим вариантом является приспособление для индексации образца, как показано на рис. 2 ниже. Это приспособление используется для центрирования образца между боковыми опорами. Как указано, она ввинчивается в боковую часть стандартного приспособления.

модифицированное приспособление astm d 695 для испытания на сжатие_2

Рис. 2: Приспособление для индексации образцов для модифицированного приспособления для испытания на сжатие D695.

По заказу клиентов также разрабатываются и изготавливаются специальные конфигурации приспособлений. Например, на рис. 3 показано специальное приспособление, предназначенное для испытания полноразмерного образца, но помещающееся в тесные рамки трубчатой печи. Данное приспособление изготовлено из никелевого суперсплава Inconel 718 и имеет щелевую переднюю крышку для доступа оптического экстензометра к поверхности образца.

модифицированное приспособление для испытания на сжатие astm d 695_3L

Рис. 3: Стандартное модифицированное приспособление D695 слева, специальное высокотемпературное приспособление справа.

На рис. 4 сравнивается приспособление SACMA SRM 1R-94 со стандартным приспособлением Modified D695. Приспособление SACMA тяжелее, но испытывает образец того же размера тем же способом.

IMG_3550

Рис. 4: Приспособление SACMA SRM 1R-94 слева, стандартное модифицированное приспособление D695 справа.

Международные стандарты также становятся все более распространенными в мировом испытательном сообществе. Большинство этих стандартов являются незначительными модификациями стандартов ASTM, имеют несколько иные размеры приспособлений и выражаются в единицах СИ. Типичным примером является приспособление, показанное слева на рис. 5. Принцип его работы такой же, как и у приспособления D695, модифицированного компанией Boeing, показанного справа, хотя более длинное основание и более толстые боковые опоры придают ему другой вид.

IMG_3532

Рис. 5: Приспособление для испытания на сжатие с торцевой нагрузкой европейского стандарта prEN2850 (слева) в сравнении с приспособлением для испытания на сжатие D695, модифицированным компанией Boeing (справа).

Источники дополнительной информации:

1) Стандарт ASTM D695-10 (2010), "Свойства жестких пластмасс при сжатии", Американское общество по испытаниям и материалам, West Cohshohocken, Pennsylvania (впервые выпущен в 1942 году).

2) Стандарт поддержки спецификаций компании Boeing BSS 7260, "Расширенные испытания композитов на сжатие", компания The Boeing Company, Сиэтл, Вашингтон (первоначально выпущен в феврале 1982 года, пересмотрен в декабре 1988 года).

3) Документ Boeing D888-10026, "Методы испытаний перспективных композитов, пересмотр A, раздел C.2, The Boeing Company, Сиэтл, Вашингтон, январь 1996 года.

4) Рекомендуемый метод SACMA SRM 1R-94, "Компрессионные свойства композитов с ориентированным волокном и резинкой", Поставщики Ассоциации перспективных композитных материалов, Арлингтон, Вирджиния, 1994.

5) Д.Ф. Адамс и Е.К. Льюис, "Влияние длины образцов и метода нагружения на прочность при осевом сжатии однонаправленного композитного материала". Экспериментальная механика, том 31, № 2, март 1991, стр. 14-20.

6) Д.Ф. Адамс, "Современное состояние испытаний композиционных материалов на сжатие", Труды 40-го Международного симпозиума SAMPE, май 1995 г., стр. 1831-1843.

7) Дж.С. Уэлш и Д.Ф. Адамс, "Современное состояние методов испытания композитных материалов на сжатие". Журнал SAMPE, том 33, № 1, январь 1997, стр. 35-43.