ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

СТАНДАРТ

РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

КОМПОЗИТЫ КЕРАМИЧЕСКИЕ

Определение предела прочности при кольцевом растяжении при нормальной температуре на цилиндрических образцах с использованием эластомерных вставок

Издание официальное

Москва

Стандартинформ

2017

Предисловие

1    ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью «Инновации будущего» совместно с Автономной некоммерческой организацией «Центр нормирования, стандартизации и классификации композитов» при участии Объединения юридических лиц «Союз производителей композитов» на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 497 «Композиты, конструкции и изделия из них»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21 ноября 2017 г. № 1790-ст

4    Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к стандарту АСТМ Ц 1819— 15 «Стандартный метод испытания для определения кольцевой прочности на растяжение трубных испытательных образцов из композитных материалов с матрицей из высококачественной керамики, армированных непрерывным волокном, при температуре окружающей среды с использованием эластомерной вставки» (ASTM С 1819—15 «Standard Test Method for Hoop Tensile Strength of Continuous Fiber-Reinforced Advanced Ceramic Composite Tubular Test Specimens at Ambient Temperature Using Elastomeric Inserts», MOD) путем изменения его структуры для приведения в соответствии с правилами, установленными в ГОСТ 1.5-2001 (подразделы 4.2 и 4.3), путем изменения содержания отдельных структурных элементов, которые выделены вертикальной линией, расположенной на полях напротив соответствующего текста. Оригинальный текст этих структурных элементов примененного стандарта АСТМ и объяснения причин внесения технических отклонений приведены в дополнительном приложении ДА.

Дополнительные ссылки, включенные в текст стандарта для учета потребностей национальной экономики Российской Федерации и/или особенностей российской национальной стандартизации, выделены полужирным курсивом.

При этом потребности национальной экономики Российской Федерации и/или особенности российской национальной стандартизации учтены в дополнительном пункте 5.2, который выделен путем заключения его в рамки из тонких линий, а информация с объяснением причин включения этого положения приведена в указанном пункте в виде примечания.

При этом в него не включены разделы 3, 5, 8, 13, подразделы 6.2—6.4, 9.1, 9,4 10.1, 11.3—11.5, приложения примененного стандарта АСТМ, которые нецелесообразно применять в российской национальной стандартизации в связи с тем, что данные разделы, подразделы и приложения носят справочный характер.

Указанные разделы, подразделы и приложения, не включенные в основную часть настоящего стандарта, приведены в дополнительном приложении ДБ.

Исключены ссылки на АСТМ Ц 1145, АСТМ Ц 1239, АСТМ Д 3878, АСТМ Е 4, АСТМ Е 6, АСТМ Е 83, АСТМ Е 177, АСТМ Е 337, АСТМ Е 380, АСТМ Е 691, АСТМ Е 1012, АСТМ IEEE/АСТМ СИ 10 вместе с положениями, в которых они приведены.

Измененные отдельные фразы выделены в тексте курсивом.

Внесение указанных технических отклонений направлено на учет особенностей аспекта стандартизации, характерных для Российской Федерации.

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой примененного в нем стандарта АСТМ приведено в дополнительном приложении ДВ

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

ГОСТ Р 57971-2017

7.6    Коэффициент Пуассона v вычисляют по формуле

Ае,

v = —,    (10)

Ae_h

где e_L — продольная деформация; е_Л — кольцевая деформация.

Для материалов, у которых отсутствует начальный прямолинейный участок (см. рисунок 3), коэффициент Пуассона не рассчитывают.

7.7    Напряжение на пределе пропорциональности определяют по одному из методов, указанных в 7.7.1—7.7.3.

Для материалов, у которых отсутствует начальный прямолинейный участок (см. рисунок 3), напряжение на пределе пропорциональности не рассчитывают.

7.7.1 За предел пропорциональности принимают напряжение в точке пересечения графика «нагружение — деформация» и прямой, параллельной начальному прямолинейному участку данного графика. Прямую смещают с помощью параллельного переноса по оси «деформация» на значение 0,0005 вправо (см. рисунок 5).

7.7.2    За предел пропорциональности принимают напряжение в точке на графике «нагружение — деформация», соответствующее заданной деформации. Данная заданная деформация может находиться или может не находиться на начальном линейном участке графика «нагружение — деформация», но должна быть постоянной для всех испытаний в серии с указанным уровнем деформации.

7.7.3    За предел пропорциональности принимают напряжение а,-, соответствующее заданному отклонению (в процентах) от предела пропорциональности.

Отклонение dev, %, вычисляют по формуле

% dev = 100

где е,-— деформация, соответствующая напряжению о,-.

Относительное удлинение при пределе пропорциональности определяют по графику «напряжение — деформация» как деформацию, соответствующую напряжению, определенному по 7.7.1—7.7.3.

7.8 Удельную потенциальную энергию растяжения U_R, Дж/м³, вычисляют по формуле

^£h0    ₁

^UR⁼ j ^ah^deh “ р ^аЛ0^еЛ0’    0²)

0

где a_h0 — напряжение на пределе пропорциональности, МПа; z_h0 —деформация на пределе пропорциональности.

7

ГОСТ P 57971—2017

7.9 Удельную работу растяжения U_T, Дж/м³, вычисляют по формуле

(13)

где £_hf—деформация при разрыве.

Для материалов, у которых o_h0 не рассчитано, имеющих график «напряжение — деформация» в виде параболы, удельную работу растяжения U_T, Дж/м³, вычисляют по формуле

(14)

7.10    Среднеарифметическое значение X вычисляют по ГОСТ 14359—69 (подраздел 4.3).

7.11    Стандартное отклонение а вычисляют по ГОСТ 14359—69 подраздел 4.4).

7.12    Коэффициент вариации К_в, %, вычисляют по ГОСТ 14359-69 (подраздел 4.6).

8 Протокол испытаний

Результаты проведения испытаний оформляют в виде протокола, содержащего:

-    ссылку на настоящий стандарт;

-    размеры образца;

-    материал вставки;

-    описание применяемого оборудования;

-    количество образцов;

-    информацию, необходимую для полной идентификации материалов;

-    условия изготовления и механическую обработку образцов;

-    условия кондиционирования;

-    скорость деформирования или скорость изменения напряжения;

-    предварительную нагрузку (если применялась);

-    максимальное внутреннее давление;

-    деформацию при максимальном внутреннем давлении;

-    внутреннее давление при разрушении;

-    напряжение на пределе пропорциональности;

-    деформацию на пределе пропорциональности;

-    предел пропорциональности при растяжении в окружном направлении;

-    предел прочности при разрыве в окружном направлении;

-    модуль упругости при растяжении в окружном направлении;

-    коэффициент Пуассона;

-    отклонение dev;

-    удельную потенциальную энергию растяжения;

-    удельную работу растяжения;

-    статистическую обработку данных;

-    дату и время проведения испытания.

8

ГОСТ P 57971—2017

Приложение ДА (справочное)

Оригинальный текст модифицированных структурных элементов примененного стандарта АСТМ

ДА.1

1. Область применения

1.1    В данном методе испытаний описана процедура определения кольцевой прочности на растяжение, включая определение профиля «напряжение/деформация» труб из высококачественной керамики, армированных непрерывным волокном, подвергающихся действию внутреннего давления, являющегося результатом расширения эластомерной вставки, к которой приложено монотонное одноосное нагружение при температуре окружающей среды. Такую схему проведения испытаний иногда называют свободно подвешенной трубой. Данный метод испытаний индивидуален для труб различной геометрии, так как совокупность дефектов, строение волокон и геометрия образцов зачастую резко различаются в трубах из композитных материалов, по сравнению с плоскими листами.

1.2    В рамках данного метода испытаний трубу/цилиндрический элемент из композитного материала с определенным расчетным участком и известной толщиной стенки подвергают нагружению посредством внутреннего повышения давления из-за радиального расширения эластомерной вставки (расположенной посередине внутри трубы), которая сжимается в продольном направлении с обоих концов стержнями. Эластомерная вставка расширяется под действием одноосного сжимающего нагружения со стороны стержней и создает равномерное радиальное давление изнутри трубы. Результирующий кольцевой профиль «напряжение/деформация» трубы из композитного материала регистрируют до момента разрушения трубы. Кольцевую прочность на растяжение и кольцевую прочность на разрыв определяют по результирующему максимальному давлению и по давлению при разрыве соответственно. Кольцевые деформации растяжения, кольцевое напряжение предела пропорциональности и модуль упругости в кольцевом направлении определяют по данным о деформациях от напряжения. Обратите внимание, что кольцевая прочность на растяжение, используемая в данном методе испытаний, относится к прочности на растяжение в кольцевом направлении от приложенного давления от монотонно и одноосно нагруженной эластомерной вставки, где монотонность представляет собой непрерывность проведения испытания без изменения направления нагрузки с момента начала испытания до окончательного разрушения.

1.3    Главным образом данный метод испытаний применяют к трубам из композитного материала с матрицей из высококачественной керамики, армированной непрерывным волокном: однонаправленного (1-D, намотка волокном и укладка ленты), двухнаправленного (2-D, укладка ткани/ленты и переплетение) и трехнаправленного (3-D, плетено-тканый). Эти типы композитных материалов с матрицей из керамики могут состоять из целого ряда керамических волокон (на основе оксидов, графита, карбидов, нитридов и прочих веществ), включаемых в разнообразные матрицы из керамики с кристаллической или неупорядоченной структурой (на основе оксидов, карбидов, нитридов, углерода, графита и прочих веществ).

1.4    Данный метод испытаний не относится напрямую к керамике, армированной прерывистым волокном, нитевидными кристаллами или макрочастицами, хотя описанный здесь метод испытаний может быть в равной степени применим к таким композитным материалам.

1.5    Метод испытаний применим к трубчатым испытательным образцам различной геометрии на основании безразмерного параметра, который включает в себя свойства композитного материала и радиус трубы. Длины трубы из композитного материала, стержней и эластомерной вставки определяются по данному безразмерному параметру для того, чтобы обеспечить длину расчетного участка с равномерным внутренним радиальным давлением. Возможен целый ряд комбинаций свойств материалов, радиусов трубы, толщин стенки, длин трубы и длин вставки.

1.5.1 Данный метод испытаний характерен для проведения испытаний при температуре окружающей среды. Для проведения испытаний при повышенных температурах требуются высокотемпературные печи и нагревательные приборы с контролем температуры, а также измерительные системы, специальные ручки для высоких температур и приспособления для нагружения, которые не рассматриваются в данном стандарте испытаний.

1.6    Данный метод испытаний рассматривает трубчатые испытательные образцы, методы отбора испытательных образцов, интенсивность проведения испытаний (скорость приложения усилия, скорость приложения давления,

9

скорость перемещения или скорость распространения деформаций), а также сбор данных и процедуру протоколирования в последующих разделах.

Примечание — Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ Р 1.5-2012 (подраздел 3.1) и ГОСТ 1.5-2001 (подраздел 3.7).

ДА.2

4. Краткое описание методики

4.1    В рамках данного метода испытаний трубу / цилиндрический элемент из композитного материала с определенным расчетным участком и известной толщиной стенки подвергают нагружению из-за радиального расширения эластомерной вставки (расположенной посередине внутри трубы), которая сжимается в продольном направлении между нажимными стержнями. Эластомерная вставка расширяется под действием одноосного сжимающего нагружения со стороны стержней и создает равномерное радиальное давление изнутри трубы. Результирующий кольцевой профиль «напряжение/деформация» трубы из композитного материала регистрируют до момента разрушения трубы. Кольцевая прочность на растяжение и кольцевая прочность на разрыв определяются по результирующему максимальному давлению и по давлению при разрыве.

4.2    Кольцевая прочность на растяжение, используемая в данном методе испытаний, относится к прочности на растяжение в кольцевом направлении от приложенного давления от монотонно и одноосно нагруженной эластомерной вставки, где монотонность представляет собой непрерывность проведения испытания без изменения направления нагрузки.

4.3    Метод испытаний применим к трубчатым испытательным образцам различной геометрии на основании безразмерного параметра, который включает в себя свойства композитного материала и радиус трубы. Длины трубы из композитного материала, стержней и эластомерной вставки определяются по данному безразмерному параметру для того, чтобы обеспечить длину расчетного участка с равномерным внутренним радиальным давлением. Возможен целый ряд комбинаций свойств материалов, радиусов трубы, толщин стенки, длин трубы и длин вставки.

Примечание — Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ 1.5-2001 (пункт 7.9.5).

ДА.З

7.2 Приспособления

7.2.1    Общая информация. Приспособление для сжатия, как правило, состоит из двух частей: (1) основные стальные фиксаторы испытательной машины (например, гидравлические v-образные приспособления), присоединенные к испытательной машине, и (2) нажимные стержни, которые жестко закреплены в фиксаторах испытательной машины и действуют в качестве поверхности контакта между фиксаторами и эластомерной вставкой. Схематический чертеж таких приспособлений и испытательного образца показан на рисунке 2. Фактическая испытательная установка показана на рисунке 3. В качестве другого варианта приспособления для сжатия можно использовать (1) зажимы, присоединенные к испытательной машине, и (2) нажимные стержни, которые удерживаются в зажимах испытательной машины и действуют в качестве поверхности контакта между зажимами и эластомерной вставкой.

7.2.2    При испытании вставкой единственным соединением между нагнетающим давление оборудованием и испытываемой трубой является пленка смазки для высоких давлений (рисунок 2). Испытания показали, что такая пленка смазки сохраняет постоянную толщину во время испытания до максимального давления (1). Целью этого является передача приложенного усилия от нажимного стержня через пленку смазки к внутренней стенке испытываемой трубы. Однако есть указания на то, что вставка ведет себя также, как гидравлическая среда, до величин продольного сжатия, как минимум 5 % от деформации.

7.2.3    Вставки. Обычно используют вставки из промышленного материала из-за широкого диапазона доступных величин твердости. «Корректную» твердость выбирают путем определения усилия вставки и соответствующего давления при разрушении трубчатого испытательного образца из КМКМ.

7.2.3.1    Вставки могут быть получены механическим образом из предварительно изготовленного блока или изготовленного «на месте» (то есть внутри трубчатого испытательного образца). Однако крайне важно чистовое шлифование до окончательного диаметра и длины таким образом, чтобы торцевые поверхности были перпендикулярны диаметру.

7.2.3.2    Длину вставки выбирают исходя из размеров трубчатого испытательного образца и свойств материала. Вставка занимает только центральную часть трубы по двум причинам: концы трубы играют роль направляющих для нажимных стержней, и при корректном выборе размеров согласно требованиям данного метода испытаний концы трубы, находящиеся не под давлением, могут быть изготовлены таким образом, чтобы напряжения на торцевых поверхностях были незначительны.

Поперечина -

(подвижная или неподвижная)

Тензометр -

Соединение нагрузочной рамы-

Зажимное устройство -

Трубчатый испытательный образец

с эластомерной вставкой -

под одноосевой нагрузкой

Зажимное устройство — Соединение нагрузочной рамы-

Привод

Испытательная

машина

Рисунок— 1 Схематическое изображение одного из возможных приборов для приложения одноосевого усилия к эластомерной вставке для проведения испытаний трубы из КМКМ на кольцевую прочность на растяжение под действием внутреннего давления

7.2.3.3 Предыдущие исследования показали, что длина участка трубы под давлением, L, и, следовательно, исходная длина вставки должна составлять

L> 9/Р

и    (1)

где v — коэффициент Пуассона испытательного материала; _r.tube —внутренний радиус трубчатого испытательного образца, мм; t —толщина стенки трубчатого испытательного образца, мм.

11

Таблица 1 — Максимальное рекомендуемое давление вставки

Твердость по Шору (А) Максимальное рекомендуемое давление (МПа = Н/мм2) 70 12 90 50 95 -130

Примечание 2 — Пример трубы из КМКМ промышленного использования (v = 0,15) с наружным диаметром 100 мм и толщиной стенки 2 мм.

13(l-v²) I 3(l-0,15²)    9    9

В данном случае В = 4—-—— = 4- —    =    0,133    •    //mm    •    L    =    -    =-=    67,38    мм.

]j(r/^ubeft² ij ([l 00-2 (2)]/2)² 2²    Р °-¹³³

7.2.4 Нажимные стержни. Нажимные стержни изготавливают из любого материала с достаточным пределом прочности на сжатие для предотвращения текучести нажимного стержня и с достаточной жесткостью для предотвращения прогиба. Требуется чистовое шлифование нажимного стержня и его торцов для соответствия требованиям по зазору, плоскостности поверхности и перпендикулярности/прямолинейности, как показано на рисунке 4.

7.2.4.1 Зазор между нажимным стержнем и стенкой трубы испытательного образца должен попадать в следующий диапазон

/    К    (0,04    mm

0,04 mm < с = (^ube __rpushrod) <

ГОСТ Р 57971-2017

а) Кривая «напряжение/деформация» с линейной областью

Ь) Нелинейная кривая «напряжение/деформация»

Примечание — При больших участках деформации на кривых отображены два различных вероятных механизма: случаи, когда напряжение падает перед разрушением (сплошная линия), и случаи, когда напряжение продолжает увеличиваться в точке разрушения (пунктирная линия).

Рисунок 5 — Схематические изображения кривых «напряжение/деформация» для КМКМ

ГОСТ P 57971—2017

10.2.2 Скорость деформации. Деформация представляет собой независимую переменную в нелинейных анализах, таких как анализ текучести. Таким образом, скорость деформации является величиной, позволяющей контролировать процессы деформации во избежание выхода ситуации из-под контроля. Для линейно-упругой области КМКМ скорость деформации может соответствовать измерениям деформации следующим образом

где £/_ —скорость деформации вставки, (мм/мм)/с; de/dT —уклон кривой «деформация/время», (мм/мм)/с.

Обратите внимание, что испытания с контролируемой деформацией могут выполняться с помощью поперечного или кольцевого экстензометра, контактирующего с расчетным участком образца в качестве основного контрольного датчика. Рекомендуются скорости деформации порядка от 5 ■ 10^-6 до 50 ■ 10^-6 с^-1 для минимизации влияния внешних условий при испытании в условиях окружающей атмосферы. Или же скорости деформации должны выбираться таким образом, чтобы создавать окончательное разрушение через 5—10 с для минимизации влияния внешних условий при испытании в условиях окружающей атмосферы.

10.2.3 Скорость перемещения. Различия в размерах каждого испытательного образца требуют использования различной скорости проведения испытаний для любой заданной скорости нарастания напряжений. Обратите внимание, что как только испытательный образец начнет разрушаться, скорость деформации в расчетном участке образца будет меняться даже несмотря на то, что скорость перемещения поперечины машины остается постоянной. По этой причине испытания с контролируемой скоростью перемещения могут дать только ориентировочную величину сообщенной скорости деформации. Режим перемещения определяется в зависимости от наличия контроля перемещения поперечины испытательной машины или ее свободного перемещения. Таким образом, скорость перемещения может рассчитываться следующим образом. Скорости деформации должны выбираться таким образом, чтобы создавать окончательное разрушение через 5—10 с для минимизации влияния внешних условий при испытании в условиях окружающей атмосферы. Используя рекомендованную (или требуемую) скорость деформации, как подробно описано в разделе 9.2.2, скорость перемещения для линейно-упругой области КМКМ вычисляют по формуле

5 = —,    (6)

dT

где 5 — скорость перемещения поперечины, мм/с;

S — перемещение поперечины, мм;

Т — время, с.

10.2.4 Скорость приложения усилия. Для материалов, которые не подвергают макроскопическим изменениям в поперечном сечении расчетного участка, скорость приложения усилия может быть напрямую связана со скоростью нарастания напряжений, а следовательно, и с рекомендованной (или требуемой) скоростью деформации. Обратите внимание, что как только испытательный образец начнет разрушаться, скорость деформации в расчетном участке испытательного образца будет меняться даже несмотря на то, что скорость приложения усилия остается постоянной. Скорости нарастания напряжений > 35—50 МПа/с успешно применялись для минимизации влияния внешних условий и, таким образом, для получения наибольшего значения предельной кольцевой прочности на разрыв. С другой стороны, скорости нарастания напряжений и приложения усилия должны выбираться таким образом, чтобы создавать окончательное разрушение через 5—10 с для минимизации влияния внешних условий при испытании в условиях окружающей атмосферы. Для линейно-упругой области КМКМ скорость приложения усилия вычисляют по формуле

(7)

где F — скорость приложения усилия, Н/с;

F — приложенное усилие, Н;

Т — время, с.

10.2.5 Линейно-возрастающие сегменты. Обычно испытания проводятся по простой линейно-возрастаю-щей функции с отдельной скоростью проведения испытания от нулевого до максимального усилия в момент разрушения. Однако в некоторых случаях можно применять многократные линейно-возрастающие сегменты. В таких случаях применяют низкую скорость проведения испытания для линейного возрастания от нулевого до промежуточного усилия, что дает время для удаления «провисания» из испытательной системы. Конечный линейно-воз-растающий сегмент испытания выполняют от промежуточного до максимального усилия в момент разрушения с требуемой (желаемой) скоростью проведения испытания. Тип и продолжительность линейного возрастания следует занести в протокол.

10.3 Выполнение испытания на кольцевую прочность на растяжение

10.3.1 Установка испытательного образца. Необходимо произвести сборку нажимных стержней, вставки и трубчатого испытательного образца перед тем, как можно будет приступить к испытанию. Необходимо идентифицировать компоненты, требуемые для каждого испытания, и отметить в протоколе испытаний. Помечают испытательный образец с помощью нестираемого маркера сверху, снизу и спереди (со стороны, обращенной к оператору)

15

относительно испытательной машины. В случае испытательных образцов с тензодатчиками располагают испытательный образец таким образом, чтобы «передняя» сторона испытательного образца и уникальный тензодатчик (например, Strain Gage 1, обозначаемый SG1) совпадали. Помечают каждый нажимной стержень, чтобы показать длину участка, находящегося не под давлением, X, от конца нажимного стержня, контактирующего со вставкой.

10.3.2    Подготовка к испытанию. Очищают и смазывают вставку, нажимные стержни и внутренний канал трубчатого испытательного образца. Помешают вставку в трубу. Помещают нажимные стержни в оба конца трубчатого испытательного образца, располагая вставку между двумя концами нажимных стержней внутри трубы. Вставляют два свободных конца нажимных стержней в верхний и нижний фиксаторы испытательной машины. Устанавливают режим испытания и скорость проведения испытания на испытательной машине. Временно поддерживают испытательный образец таким образом, чтобы вставка была отцентрирована в испытательном образце между двумя нажимными стержнями. Предварительно нагружают вставку, чтобы убрать «слабину» с нагрузочной рамы и заполнить зазор между вставкой и стенкой трубы таким образом, чтобы отпала необходимость во временных опорах и можно было их убрать. Предварительная нагрузка будет зависеть от материала вставки и зазора между вставкой и стенкой трубы, поэтому следует ее определять конкретно для каждой ситуации. Устанавливают соответствующий экстензометр на расчетном участке испытательного образца и обнуляют выходные сигналы или присоединяют выводные провода тензодатчиков к блоку преобразования сигналов и обнуляют выходные сигналы. Подготавливают системы сбора данных для их регистрации. Располагают защиту вокруг испытательного образца.

Примечание — Смазочные материалы включают в себя, например, полибутил куп рисил (ПБК), обычную силиконовую смазку или нефтяной вазелин.

10.3.3    Выполнение испытания. Запускают сбор данных. Запускают испытательный режим. После разрушения образца отключают испытательную машину и сбор данных. Разрушающее усилие должно быть измерено с точностью ±1,0 % и отмечено в протоколе. Аккуратно убирают нажимные стержни (и вставку, если это возможно) из испытательного образца. Если труба разрушена на куски, то следует следить, чтобы не повредить поверхности разрушения, не позволяя им контактировать друг с другом или с другими объектами. Помещают разрушенные части испытательного образца вместе с прочими фрагментами расчетного участка в подходящий неметаллический контейнер для последующего анализа, не вдыхая любые частицы или волокна.

10.3.4    Определяют относительную влажность в соответствии с АСТМ Е 337.

10.3.5    Измерения после испытаний. Измерение размеров поперечного сечения расчетного участка в месте разрушения может быть выполнено, а результаты занесены в протокол с точностью до 0,02 мм, если расчетный участок не полностью фрагментирован в результате разрушения. Если точное измерение размеров поперечного сечения не может быть выполнено из-за фрагментирования, тогда следует использовать средние размеры, измеренные в разделе 9.1.

10.3.5.1    Измеряют и заносят в протокол месторасположение разрушения по отношению к середине расчетного участка. Середина расчетного участка условно принимается за 0 мм с положительными (+) значениями по направлению к верхней отмеченной части испытательного образца и отрицательными (-) значениями по направлению к нижней отмеченной части испытательного образца.

10.3.5.2    Обратите внимание, что результаты, полученные от испытательных образцов, разрушенных за пределами равномерно нагруженного внутренним давлением расчетного участка, не рекомендуется использовать для прямого расчета средней кольцевой прочности на растяжение для полного испытания. Результаты, полученные от испытательных образцов, разрушенных за пределами равномерно нагруженного внутренним давлением участка, считаются аномальными и могут использоваться только в качестве усеченных испытаний (иными словами, испытательные образцы, в которых кольцевое растягивающее напряжение, равное по меньшей мере напряжению, рассчитанному по формуле (7), поддерживалось в равномерно нагруженном внутренним давлением расчетном участке перед тем, как испытание было преждевременно прекращено из-за разрушения не в расчетном участке), как описано в АСТМ Ц 1239, для определения параметров распределения прочности. С консервативной точки зрения, для завершения требуемой статистической выборки (например, N = 10) с целью оценки средней прочности следует испытывать один испытательный образец вместо каждого испытательного образца, который разрушился за пределами расчетного участка.

10.3.5.3    Для определения механизма и типа разрушения (иными словами, хрупкий или волокнистый излом) следует проводить визуальный контроль и оптическую микроскопию. Кроме того, хотя количественные измерения находятся вне рамок данного метода испытаний, можно выполнить субъективные наблюдения касательно длины вытянутого волокна, ориентации плоскости излома, степени межслойного разрушения и прочих относящихся к делу деталей относительно поверхности разрушения.

10.4 Фрактография. Рекомендуется выполнять фрактографическое исследование каждого разрушенного испытательного образца для определения механизма разрушения КМКМ. Если фрактографический анализ не проводился, то это должно быть четко отмечено в протоколе испытаний.

Примечание — Редакция раздела изменена для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ 1.5-2001 (пункт 7.9.8).

ГОСТ P 57971—2017

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

© Стандартинформ, 2017

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

ГОСТ P 57971—2017

Приложение ДБ (справочное)

Оригинальный текст не включенных структурных элементов примененного стандарта АСТМ

ДБ.1

3 Терминология

3.1    Определения

3.1.1    Определения терминов, относящихся к испытаниям на кольцевую прочность на растяжение, представленные в АСТМ Е 6, применимы и к терминам, используемым в данном методе испытаний. Определения терминов, относящихся к высококачественной керамике, представленные в АСТМ Ц 1145, применимы и к терминам, используемым в данном методе испытаний. Определения терминов, относящихся к композитным материалам, армированным волокном, представленные в АСТМ Д 3878, применимы и к терминам, используемым в данном методе испытаний. Соответствующие определения, перечисленные в АСТМ Е 1012, АСТМ Ц 1145, АСТМ Д 3878 и АСТМ Е 6, представлены далее с указанием в скобках соответствующего источника. Дополнительные термины, используемые в рамках данного метода испытаний, представлены далее.

3.1.2    высококачественная керамика: Конструктивно сложный, высокоэффективный, преимущественно неметаллический, неорганический, керамический материал, обладающий специфическими функциональными свойствами (см. АСТМ Ц 1145).

3.1.3    разрывная сила: Сила, при которой происходит разрушение (см. АСТМ Е 6).

3.1.4    композитный материал с керамической матрицей (КМКМ): Материал, состоящий из двух или более материалов (нерастворимых друг в друге), в котором основным, постоянным компонентом (матричным компонентом) является керамика, при этом вторичным компонентом (-ми) (армирующим компонентом) может быть керамика, стеклокерамика, стекло, металл или органические материалы. Такие компоненты комбинируются на макро-размерном уровне, формируя эффективный технический материал, обладающий определенными свойствами или поведением, которые не свойственны индивидуальным составляющим компонентам.

3.1.5    композитный материал с керамической матрицей, армированный непрерывным волокном (КМКМАНВ): Композитный материал с керамической матрицей, в котором армирующая фаза состоит из непрерывного волокна, непрерывной нити или тканого полотна.

3.1.6    расчетный участок: Первоначальная длина того участка образца, на котором определяется деформация или изменение длины (см. АСТМ Е 6).

3.1.7    кольцевая прочность на растяжение: Максимальная компонента растяжения кольцевого напряжения, которую способен выдержать материал. Кольцевая прочность на растяжение рассчитывается по максимальному внутреннему давлению, действующему в трубчатом испытательном образце.

3.1.8    напряжение растрескивания матрицы: Прикладываемое растягивающее напряжение, при котором матрица растрескивается на ряд приблизительно параллельных блоков, перпендикулярных растягивающему напряжению.

3.1.8.1    Обсуждение. В некоторых случаях напряжение растрескивания матрицы может быть показано на кривой «напряжение/деформация» в форме отклонения от линейности (предел пропорциональности) или в форме нарастающего падения напряжения при увеличении деформации. В прочих случаях, особенно при использовании материалов, у которых нет линейной области на кривой «напряжение/деформация», напряжение растрескивания матрицы может быть показано в виде первого напряжения, при котором начинает фиксироваться деформация постоянного смещения при снятии нагружения (предел упругости).

3.1.9    модуль упругости: Отношение напряжения к соответствующей деформации ниже предела пропорциональности (см. АСТМ Е 6).

3.1.10    удельная работа упругой деформации: Энергия деформации на единицу объема, требуемая для упругого напряжения материала с нуля до предела пропорциональности, показывающая способность материала поглощать энергию при упругой деформации и возвращаться в исходную форму при снятии нагружения.

3.1.11    модуль устойчивости: Энергия деформации на единицу объема, требуемая напряжения материала с нуля до окончательного разрушения, показывающая способность материала поглощать энергию за пределами области упругих деформаций (иными словами, допускаемое повреждение материала).

3.1.11.1    Обсуждение. Модуль устойчивости также может быть назван энергией суммарного повреждения и, по существу, рассматриваться как показатель способности материала выдерживать повреждения, а не как свойство материала. Методы механического разрушения материалов для определения характеристик КМКМ не были разработаны. Определение модуля устойчивости, как установлено в данном методе испытаний, для определения характеристик процесса суммарного повреждения в КМКМ может перестать быть актуальным, когда появятся методы механического разрушения для КМКМ.

17

Содержание

1    Область применения..................................................................1

2    Нормативные ссылки..................................................................1

3    Сущность метода.....................................................................1

4    Оборудование ....................................................................... 2

5    Подготовка к проведению испытаний.....................................................3

6    Проведение испытаний................................................................3

7    Обработка результатов................................................................5

8    Протокол испытаний..................................................................8

Приложение ДА (справочное) Оригинальный текст модифицированных структурных элементов

примененного стандарта АСТМ.............................................9

Приложение ДБ (справочное) Оригинальный текст не включенных структурных элементов

примененного стандарта АСТМ............................................17

Приложение ДВ (справочное) Сопоставление структуры настоящего стандарта

со структурой примененного в нем стандарта АСТМ..........................25

IV

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМПОЗИТЫ КЕРАМИЧЕСКИЕ

Определение предела прочности при кольцевом растяжении при нормальной температуре на цилиндрических образцах с использованием эластомерных вставок

Ceramic composites. Determination of tensile strength at the hoop tension at normal temperature on cylindrical samples with elastomeric inserts

Дата введения — 2018—06—01

1    Область применения

Настоящий стандарт распространяется на керамические композиты и устанавливает метод определения прочности при кольцевом растяжении при нормальной температуре на цилиндрических образцах с использованием эластомерной вставки.

Примечание — См. ДА. 1 (приложение ДА).

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 6507 Микрометры. Технические условия

ГОСТ 14359-69 Пластмассы. Методы механических испытаний. Общие требования

ГОСТ 21616 Тензорезисторы. Общие технические условия

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Сущность метода

Сущность метода заключается в кратковременном растяжении цилиндрических образцов с эластомерной вставкой.

Примечание — См. ДА.2 (приложение ДА).

Издание официальное

ГОСТ P 57971—2017

Диаметр вставки выбирают таким образом, чтобы зазор между вставкой и стенкой образца был не более 0,04 мм.

Примечание — См. ДА.З (приложение ДА).

4.4    Для регистрации деформаций используют экстензометры или тензорезисторы по ГОСТ21616 с номинальной базой не менее 10 мм для продольного направления и не менее 6 мм для поперечного направления.

Примечание — Допускается использовать другие приборы для регистрации деформаций, прикрепление которых не оказывает влияние на определяемые характеристики, не создает дополнительных напряжений или деформаций.

4.5    Микрометр по ГОСТ 6507 для измерений геометрических размеров образца, обеспечивающий измерения с погрешностью не более 0,01 мм.

4.6 Смазка

В качестве смазочного материала используют полибутилкуприсил, обычную силиконовую смазку или нефтяной вазелин.

5 Подготовка к проведению испытаний

5.1    Подготовка образцов

5.1.1    Для определения предела прочности при кольцевом растяжении при нормальной температуре используют не менее пяти образцов, если иное не установлено в нормативном документе или технической документации на материал и/или изделие.

5.1.2    Длину образца L_t, мм, вычисляют по формуле

5.1.3    Условия изготовления образцов, механическая обработка предусматриваются в нормативном документе или технической документации на материал и/или изделие.

В случае отсутствия указаний резку и шлифовку образцов проводят при подаче воды для поддержания рабочей зоны и шлифовального диска во влажном состоянии и удаления сошлифованных частиц. Шлифовку допускается проводить в два этапа — сначала грубая, затем тонкая.

Скорость удаления материала должна быть 0,03 мм за проход. Для шлифовки используют алмазный шлифовальный инструмент абразивностью от 320 до 600 грит. По возможности с обеих сторон образцов удаляют равные количества материала.

5.1.4    Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность без вздутий, сколов, неровностей, надрезов, царапин, трещин или других видимых невооруженным глазом дефектов.

5.2 Требования к хранению и кондиционированию образцов должно быть установлено в нормативном документе или технической документации на изделие.

Примечание — Дополнительный по отношению к АСТМ Ц 1819—15 пункт приведен в соответствии с ГОСТ 1.5-2001 (пункт 7.9.7).

6 Проведение испытаний

6.1    Испытания проводят при температуре (23 ± 5) °С и относительной влажности воздуха, не превышающей 65 %.

6.2    Измеряют толщину стенки и наружный диаметр рабочей части образца не менее чем в трех равноудаленных друг от друга точках на рабочем участке образца.

6.3    Маркируют образец: отмечают верх, низ, середину образца, а также лицевую сторону, нумеруют точки установки приборов для регистрации деформаций.

6.4    Собирают приспособление, как показано на рисунке 1.

3

F — нагрузка Рисунок 1

6.4.1    Очищают и смазывают вставку, нагружающие стержни и внутреннюю часть образца.

6.4.2    Устанавливают вставку и нагружающие стержни в образец, располагая вставку между нагружающими стержнями внутри образца (см. рисунок 2). Закрепляют свободные концы нагружающих стержней в захватах испытательной машины так, чтобы продольные оси вставки, нагружающих стержней и захватов совпали с прямой, соединяющей точки крепления захватов в испытательной машине.

6.5    Испытания проводят с управлением по деформации со скоростью деформирования от 5 ■ 10^-6 до 50 ■ 10^-6 с^-1 или с управлением по напряжению со скоростью изменения напряжения от 35 до 50 МПа/с.

Рекомендуется, чтобы образец разрушался за время от 5 до 10 с.

6.6    При необходимости прикладывают предварительную нагрузку, которую определяют экспериментально для каждого испытуемого материала. Обнуляют показания датчиков деформации.

6.7    Нагружают образец с заданной скоростью деформирования или изменения напряжения вплоть до его разрушения.

В ходе нагружения записывают значение деформации в зависимости от нагрузки. Значения регистрируют непрерывно.

6.8    Измеряют поперечное сечение образца в месте разрушения, если это возможно.

6.9    Измеряют и заносят в протокол место разрушения по отношению к середине рабочего участка образца. За середину рабочего участка условно принимают 0 мм с положительными (+) значениями по направлению к верхней отмеченной части образца и отрицательными (-) значениями по направлению к нижней отмеченной части образца.

Примечание — Под рабочим участком в настоящем стандарте понимают участок образца, соприкасающийся со вставкой, которая находится под нагрузкой.

ГОСТ Р 57971-2017

6.10 Результаты испытания не учитывают, если разрушение образца произошло за пределами рабочего участка образца, и проводят испытания на новом образце.

Примечание — См. ДА.4 (приложение ДА).

7 Обработка результатов

7.1 Внутреннее давление, действующее на образец вследствие расширения вставки р, МПа, вычисляют по формуле    р

где F — осевая нагрузка, Н;

rf — площадь поперечного сечения рабочей части образца, мм².

7.2 Осевую нагрузку F, Н, вычисляют по формуле

F = (1 + -)(F_f-F_f),    (6)

где s —жесткость вставки, Н/мм;

S —жесткость силовой цепочки (включая нагружающие стержни, захваты, приспособление для нагружения и силоизмерительного устройства), Н/мм;

F_t —общая нагрузка, прикладываемая испытательной машиной, Н;

F_r — остаточная нагрузка на вставке при разрушении, Н.

Примечание — Для «мягкого» материала вставки F = F_f.

7.3 Предел прочности при растяжении в окружном направлении S_hu, МПа, вычисляют по формуле

\2

^Shu ~ ^тР max

где г\_т — максимальный фактор напряжений;

Ртах — максимальное внутреннее давление, Н/мм²; rf — внутренний радиус образца, мм; rf — наружный радиус образца, мм.

7.4 Предел прочности при разрыве в окружном направлении S_hf, МПа, вычисляют по формуле

(8)

где P_f— внутреннее давление при разрыве, Н/мм².

В некоторых случаях, как показано на рисунках 2—4, S_hu = S_hf.

a_h0 — напряжение на пределе пропорциональности; е_Л0— деформация на пределе пропорциональности;

S_hu— предел прочности при растяжении в окружном направлении; S_M— предел прочности при разрыве в окружном направлении; U_R — удельная потенциальная энергия растяжения; U_T — удельная работа растяжения; Е — модуль упругости при растяжении

5

Рисунок 4

Примечание — В некоторых случаях начальная часть кривой «напряжение — деформация» нелинейна, как показано на рисунке 4, и не отражает свойства материала. Вводят поправку для этого участка, продлив линейную часть кривой «напряжение — деформация» до пересечения с осью «деформация». Точка пересечения является поправкой, вычитаемой из всех значений деформации.

7.5 Модуль упругости при растяжении в окружном направлении Е, МПа, вычисляют по формуле

где Aa_h — напряжение при растяжении, МПа;

Ae_h — относительное удлинение.

Величины Aa_h и Ae_h определяют на начальном прямолинейном участке графика «нагружение — деформация».

Для материалов, у которых отсутствует начальный прямолинейный участок (см. рисунок 3), модуль упругости не рассчитывают.