Трещиностойкость новых безрастворных связующих на эпоксидной основе т-68-17 и т-15-псф Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 538.951-405

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ НОВЫХ БЕЗРАСТВОРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ НА ЭПОКСИДНОЙ ОСНОВЕ Т-68-17 И Т-15-ПСФ

А.В. Калгин, А.М. Кудрин

На базе международного стандарта ASTM D 5045 отработана методика определения трещиностойкости пластиков. По отработанной методике были определены параметры трещиностойкости (величины критического коэффициента интенсивности напряжений KIc и значения вязкости разрушения GIc) новых безрастворных эпоксидных связующих Т-68-17 и Т-15-ПСФ. Выявлено, что новые эпоксидные связующие обладают высокой стабильностью параметров KIc и GIc, величины которых превосходят величины KIc и GIc существующих коммерческих эпоксидных связующих

Ключевые слова: эпоксидные связующие, трещиностойкость, критический коэффициент интенсивности напряжений, вязкость разрушения, ASTM D 5045

Введение

Современный технический прогресс неразрывно связан с развитием уже применяемых и разработкой новых конструкционных материалов. Среди разных видов материалов конструкционного назначения, особого внимания заслуживают полимерные композиционные материалы (ПКМ), которые имеют ряд преимуществ над традиционными материалами (в том числе, металлами и сплавами): высокие прочностные, упругие и трибометрические характеристики, стойкость к агрессивным химическим средам, низкая плотность и др. Поэтому ПКМ находят широкое применение в авиационнокосмической промышленности, судостроении, машиностроении и т.д.

Получение ПКМ с заданными свойствами требует тщательного анализа каждого этапа их изготовления от анализа связующих до контроля качества ПКМ, который обеспечивается комплексом современных методов исследования, регламентируемых системами международных стандартов ASTM для определения технических характеристик связующих, препрегов и ПКМ.

Целью настоящей работы являлось отработка методики испытаний на трещиностойкость пластиков в соответствии со стандартом ASTM D 5045 и определение трещиностойкости новых эпоксидных связующих Т-68-17 и Т-15-ПСФ на основе отработанной методики.

Методика эксперимента

В работе использовались образцы новых безрастворных связующих на эпоксидной основе Т-6817 и Т-15-ПСФ. Связующие были получены в лабораторном реакторе 1КА LR-2000 P и представляли собой многокомпонентную смесь эпоксидных смол, латентного отвердителя, ускорителя и эластифика-тора [1].

Отработка методики испытаний на трещино-стойкость пластиков проводилась согласно стандарту ASTM D 5045 [2], где трещиностойкость пластиков выражается в величинах коэффициента критического напряжения К^, МПа м12 и значениях вязкости разрушения, т.е. параметра энергии разрушения на единице поверхности О^, кДж/м2

Метод испытаний на трещиностойкость пластиков заключается в подаче напряжений на образец с искусственно созданным дефектом до полного его разрушения посредством трехточечного изгиба. Нагрузка, соответствующая 2,5% увеличению трещины, принимается за отклонение от линейного участка кривой напряжение-деформация. Величина К^ вычисляется при этой нагрузки.

Значение О1с вычисляется путем интегрирования графика нагрузки в зависимости от смещения точек нагрузки с учетом поправок на сжатие образца и податливость системы.

Испытания на трещиностойкость проводились с использованием универсальной испытательной машины НоишйеИ Н5^ с датчиком усилия до 5000Н и шагом измерения 0,3 Н. В машине предусмотрен тензометрический датчик, позволяющий определять нагрузку с точностью ± 1%. Измерение длины трещины осуществлялось на оптическом микроскопе 01утрш ВХ51.

Образцы вырезались из отобранного листа отвержденного связующего толщиной В равной 4 ±

0,1мм на фрезерном станке с торцевой фрезой диаметром 2 мм. Ширина образца Ж должна удовлетворять соотношению Ж = 2В, а длина дефекта -

0,45 < a/W < 0,55. Размеры образцов представлены на рис. 1.

ЯЬ I П1"

"* 2.2\У 2.2\у * »-»/!

Калгин Александр Владимирович - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, мл. науч. сотрудник, e-mail: kal-

[email protected]

Кудрин Алексей Михайлович - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией, тел.(473)2466647

Рис. 1. Геометрические размеры образцов для определения параметров трещиностойкости

Оснастка для трехточечного изгиба с диаметрами опор 10 мм и расстоянием между опорами Ь =

4 W приведена на рис. 2.

Рис. 2. Оснастка для трехточечного изгиба

С помощью механообработки на гравировально-фрезерном станке СОМАОЯАУ2 с ЧПУ и фрезой диаметром до 2 мм делали предварительный зазор (углубление) в образце. Далее, используя бритвенное лезвие, создавали искусственную трещину внутри углубления. Для этого лезвием пропиливалась область внутри зазора. Глубина трещины должна быть, по крайней мере, в 2 раза больше радиуса закругления предварительного зазора, создаваемого механообработкой.

Необходимо, чтобы для всех параметров выполнялось следующее соотношение:

B, a,(W - a) > 2,5(Ke /av)2,

(і)

где Kq - опытное или условное значение KIc, ay -предел прочности при растяжении.

Критерий означает, что значение толщины В должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить деформацию в плоскости, а значение (W-a) должно быть достаточно большим, чтобы избежать высокой степени пластичности в местах соединений.

Испытания на трещиностойкость новых эпоксидных связующих выполнялись по стандарту ASTM D 5045 в следующем порядке:

1. Перед испытанием образцы кондиционировали при стандартной атмосфере 23/50 (ГОСТ 1242366).

2. Измеряли толщину и ширину образца в трех местах.

3. Образец устанавливался в оснастку разрывной машины.

4. Устанавливалось значение скорости поперечного перемещения подвижного захвата разрывной машины, которое составляло 10 мм/мин.

5. Нагружали образец до резкого падения значения силы.

6. В реальном времени регистрировали зависимость подаваемой на образец нагрузки P от величины смещения точки подачи напряжения (деформации) и. В идеальном случае данная зависимость прямолинейна, а в момент начала роста трещины значение напряжения падает до нуля, при этом величина Kq находилась из значения максимальной нагрузки по формуле (2).

( pq Л

к / м. (2)

KQ =

где Рд - нагрузка в кН, В - толщина образца, Ж -ширина образца, а - длина дефекта, х = а /Ж и

f (x) = 6y[x

1,99 - x(1 - x)(2,15 - 3,93x - 2,7x

2

(1 + 2x)(1 - x)

3/2

при (0<x<1).

Найденное значение Кд удовлетворяло критерию (1), поэтому параметр Кд может соответствовать параметру К1с. В противном случае, полученное значение Кд являлось бы некорректным.

Для установления достоверного значения параметра О1с использовали метод расчета вязкости разрушения из значения энергии и, получаемой путем интегрирования кривой нагрузка-деформация после проведения механических испытаний. Расчет энергии проводился по уравнению

и = 1/2Ре • ыв, (3)

где ид - смещение точки подачи напряжения при нагрузке Рд.

Значение энергетического параметра Од после нахождения величины энергии разрушения и определялось по формуле

ае = и / бжф, (4)

, А +18,64 где ф =-------2—

йА / dx

параметр, А = [16 х2/(1-х)2][8,9-33,717х+79,616х2-112,952х3+84,815х4-25,672х5] и ММх=[16х2/(1-х)2][-33,717+159,232х-338,856х2+339,26х3-128,36х4]+16[8,9-33,717х+79,616х2-1 12,952х3+84,81 5х4-25,672х5] {[2х(1 -х)+2х2]/( 1 -х)3 }.

За окончательный результат испытания принималось среднее арифметическое п-измерений. Среднее арифметическое результатов измерений <К1с> и <О1с> в^гчислялось по формулам

- калибровочный энергетический

< KIc >=

< Gc >=

_I Кь

I Gic

(5)

(6)

где I К С и 101с - суммы результатов измерений «-образцов, п - общее число измерений.

Средние квадратичные отклонения параметров К1с и О1с рассчитывали по формулам

I (Kic-< KIc >)

n -1

I (Gic-<GIc >)

I n -1

(7)

(8)

Результаты и обсуждение

Результаты испытаний на трещиностойкость новых эпоксидных связующих Т-68-17 и Т-І5-ПСФ представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Таблица 1

Результаты испытаний на трещиностойкость связующих Т-68-і7

n

n

=

K

=

G

№ В, см а, см W, см Kic, МПа-м1/2 Gic, Дж/м2

і 0,38 0,565 і ,017 0,60 135

2 0,3 8 0,542 1,016 0,63 135

3 0,3 8 0,547 1,015 0,61 147

4 0,3 8 0,552 1,019 0,63 162

5 0,3 8 0,533 1,019 0,65 157

6 0,3 8 0,548 і ,017 0,64 154

7 0,3 8 0,558 1,016 0,59 135

8 0,3 8 0,568 1,020 0,60 147

< Kic 0,62 147

sk/Sg 3 7

Таблица 2

Результаты испытаний на трещиностойкость связующих Т-І5-ПСФ_______________________________

№ В, см а, см W, см Kic, МПа-м1/2 Gic, Дж/м2

і 0,38 0,575 1,02 0,76 212

2 0,3 8 0,529 1,0 і 0,70 166

3 0,3 8 0,569 1,0 2 0,69 176

4 0,3 8 0,530 1,02 0,77 202

5 0,3 8 0,540 1,0 2 0,73 169

6 0,3 8 0,540 1,0 і 0,79 201

7 0,37 0,519 1,0 і 0,76 221

8 0,3 8 0,522 1,0 4 0,64 176

9 0,3 8 0,536 1,0 і 0,67 196

10 0,3 9 0,536 1,05 0,70 200

< Kic 0,72 192

sk/Sg 7 10

Из таблиц 1 и 2 видно, что величины KIc и GIc связующих Т-68-17 и Т-І5-ПСФ изменяются незначительно от образца к образцу, свидетельствуя о высокой стабильности трещиностойкости связующих материалов. Полученные величины KIc и GIc изученных связующих превосходят величины KIc и GIc известных коммерческих эпоксидных связующих.

Высокая стабильность и лучшие показатели свойств новых эпоксидных связующих по сравнению со свойствами существующих коммерческих эпоксидных связующих также были обнаружены в экспериментах по изучению прочностных свойств связующих Т-68-17 и Т-І5-ПСФ при растяжении [І] и сжатии [3]. Это означает, что новые связующие являются качественными и перспективными материалами для практических разработок.

Заключение

В соответствии с международным стандартом ASTM D 5045 отработана методика определения трещиностойкости пластиков. По отработанной методике была определена трещиностойкость новых безрастворных связующих на эпоксидной основе Т-68-17 и Т-І5-ПСФ. Установлено, что новые эпоксидные связующие имеют более высокие и стабильные характеристики трещиностойкости, чем их коммерческие аналоги.

Литература

1. Калгин А.В., Кудрин А.М., Солопченко А.В., Яблокова М.Ю. Определение предела прочности на растяжение новых отвержденных безрас-творных связующих на эпоксидной основе в соответствии со стандартом ASTM D 638 // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 11.1. С. 47-49.

2. ASTM D 5045-99 «Standard test methods for plane-strain fracture toughness and strain energy release rate of plastic materials».

3. Калгин А.В., Кудрин А.М. Определение

предела прочности на сжатие новых отвержденных безрастворных связующих на эпоксидной основе в соответствии со стандартом ASTM D 695 // Вестник Воронежского государственного технического университета. 20ІІ. Т. 7. № 12.2. С. 75-77.

Воронежский государственный технический университет

FRACTURE TOUGHNESS OF NEW HOT-MELT EPOXY RESINS OF T-68-17 AND T-15-PSF А.V. Kalgin, A.M. Kudrin

According to the international standard ASTM D 5045, the determination procedure of the fracture toughness of plastics has been worked out. Using this procedure, parameters of the fracture toughness (the critical-stress-intensity factor KIc and the critical strain energy release rate GIc) of new hot-melt epoxy resins T-68-17 and T-15-PSF have been calculated. New epoxy resins have been found to have the high stability of parameters KIc and GIc whose values greater than KIc and GIc values of existing commercial epoxy resins

Key words: epoxy resins, fracture toughness, critical-stress-intensity factor, critical strain energy release rate, ASTM D

5045