Определение физико-механических характеристик полимерных композиционных материалов

Т.А. Гузева, Г.Е. Нехороших, А.И. Долгих

Определение физико-механических  
характеристик полимерных  
композиционных материалов

Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5259-0

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

УДК 678(075.8)
ББК 30.68
        Г93

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6819/

Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Ракетно-космические композитные конструкции»

Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебно-методического пособия

Гузева, Т. А. 
Определение физико-механических характеристик полимерных композиционных 
материалов : учебно-методическое пособие / Т. А. Гузева,  
Г. Е. Нехороших, А.И. Долгих. — Москва : Издательство МГТУ  
им. Н.Э. Баумана, 2020. — 58, [2] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5259-0 

Приведено описание домашнего задания «Определение физико-механических 
характеристик композиционных материалов с применением 
методов статистической обработки результатов экспериментов». Рассмотрены 
вопросы, связанные с закреплением знаний и приобретением студентами 
практических навыков по дисциплине «Производство композитных 
конструкций». Приведены исходные данные выполнения домашнего  
задания и требования к их оформлению.
Для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавриата 
24.03.01 «Ракетные комплексы и космонавтика» и 22.03.01 «Материало- 
ведение и технологии материалов» по дисциплине «Производство композитных 
конструкций».

УДК 678(075.8)
ББК 30.68

Г93

Предисловие

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся 
по направлениям подготовки бакалавриата 24.03.01 «Ракетные комплексы 
и космонавтика» и 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» по 
дисциплине «Производство композитных конструкций».
В учебно-методическом пособии рассмотрено выполнение домашнего 
задания «Определение физико-механических характеристик композиционных 
материалов с применением методов статистической обработки результатов 
экспериментов».
Выполнение домашнего задания позволит студентам приобрести профессиональные 
компетенции в научно-исследовательской, производственной 
и проектно-технологической деятельности.
Цель учебно-методического пособия — закрепить знания, полученные на 
лекциях, и приобрести практические навыки в проведении испытаний  
и определении параметров, характеризующих физико-механические свойства 
материалов.
Приведено описание методов определения физико-механических свойств. 
Показано, как материалы могут испытывать различные воздействия, связанные 
с видом нагрузки (растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб), характером нагружения (
статический, динамический) и действием окружающей среды 
(температура, влажность и т. п.).
Даны характеристики образцов, а также испытательных машин, с помощью 
которых проводят испытания образцов на растяжение, сжатие, изгиб, 
сдвиг и твердость. Параметры используемых образцов (тип, назначение  
и размеры) и их наглядное изображение приведены в приложении. 

Выполнение домашнего задания позволит студентам приобрести профессиональные 
компетенции в научно-исследовательской, производственной 
и проектно-технологической деятельности. 
После изучения дисциплины студенты будут 
знать:
 • основные методы механических испытаний композиционных мате- 
риалов;

 • критерии оценки несущей способности композиционных материалов 
разной структуры;

 • структуру композиционных материалов;
 • основные виды оборудования и оснастки, применяемые при проведении 
испытаний;

уметь: 
 • делать достоверный выбор формы и размеров образцов из композиционных 
материалов для проведения испытаний;

 • планировать последовательность действий при проведении статических 
испытаний ;

 • проводить статистическую обработку результатов испытаний, обеспечивающую 
достоверность полученных результатов.
В конце учебно-методического пособия приведены вопросы для самопроверки, 
которые предполагают использование дополнительной литературы, 
материалов лекций и семинарских занятий. Ответы на вопросы помогут 
студентам подготовиться к защите домашнего задания. 

Принятые обозначения

µ  
— коэффициент Пуассона

G  
— модуль сдвига 

Еи  
— модуль упругости при статическом изгибе 

Е  
— модуль упругости при растяжении, сжатии 

ε  
— относительная деформация при растяжении, сжатии

F  
— площадь поперечного сечения образца 

σотр  — предел прочности при отрыве (при растяжении перпендикулярно 
слоям) 

σп  
— предел пропорциональности 

σ−в  — предел прочности при сжатии 

σсм  — предел прочности при смятии 

τcк  — предел прочности при скалывании 

σв  
— предел прочности при растяжении 

P  
— разрушающая нагрузка 

Q  
— расчетная разрешающая загрузка 

Η  
— число твердости

S  
— толщина (высота) образца 

α  
— удельная ударная вязкость 

σви  — условный предел прочности при статическом изгибе 
b  
— ширина образца 

1. Определяемые свойства материалов

1.1. Методы определения показателей физико-механических свойств 

Для того чтобы оценить физико-механические свойства материалов, необходимо 
определить показатели материалов вне зависимости от конструктивных 
особенностей и характера службы изделий. Эти показатели определяют 
путем стандартных испытаний образцов на растяжение, сжатие, изгиб, 
сдвиг и твердость. Результаты испытаний можно использовать для расчета 
деталей и конструкций при воздействии на них статических нагрузок.  
Основные показатели, характеризующие физико-механические свойства, 
определяют с применением разных методов:
1) определение предела прочности при растяжении;
2) определение модуля упругости, предела пропорциональности при растяжении 
и относительного удлинения в момент разрыва;
3) определение модуля упругости и коэффициента Пуассона при растяжении 
и сжатии материала труб и листов (при измерении деформаций тензодатчиками 
сопротивления);
4) определение предела прочности материала труб при растяжении  
в кольцевом направлении;
5) определение предела прочности при растяжении колец;
6) определение модуля упругости при растяжении и относительного  
удлинения в момент разрыва при испытании колец;
7) определение модуля сдвига;
8) определение условного предела прочности при статическом изгибе;
9) определение модуля упругости при статическом изгибе;
10) определение удельной ударной вязкости;
11) определение предела прочности при сжатии; 
12) определение предела пропорциональности, модуля упругости и отно- 
сительной деформации при сжатии;
13) определение предела прочности при скалывании по слою;
14) определение предела прочности при отрыве в направлении, перпендикулярном 
слоям;
15) определение предела прочности при срезе;
16) определение предела прочности при смятии;
17) определение твердости по Бринеллю.
При выборе формы и размеров образцов для механических испытаний 
необходимо учитывать следующие факторы:

1) возможность проведения испытаний при разных температурах на серийных 
испытательных машинах, пригодных для оснащения съемными нагревательными 
и холодильные устройствами; 
2) обеспечение максимальной однотипности геометрических форм; 
3) возможность размещения на образце приборов для измерения деформаций; 

4) обеспечение условий разрушения образца в его рабочей части; 
5) создание на образце участка с равномерным полем напряжения, необходимого 
для исследования деформируемости материала; 
6) обеспечение надежного закрепления образца в захватах, особенно при 
испытаниях в условиях повышенных температур. 
Вследствие анизотропии механические характеристики стеклопластиков 
необходимо исследовать в главных направлениях упругости: в двух направлениях 
в плоскости листа и в поперечном направлении (для листового материала), 
в радиальном, осевом и кольцевом направлениях (для материала 
труб). 

В соответствии с этими требованиями образцы для испытаний вырезают 
в следующих направлениях: продольном (по оси трубы или основе ткани); 
поперечном (по кольцу или уткó); перпендикулярном плоскости листа или 
в радиальном направлении трубы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Cхема направлений вырезки образцов: 
а — из трубы; б — из листа

1.2. Характеристика испытательных машин

Для статических испытаний стеклопластиков при нормальной температуре 
могут быть применены разрывные и универсальные машины с разными 
устройствами для измерения нагрузки: маятниковым (инерционные машины); 
с помощью упругих элементов (малоинерционные машины); электронным 
(безынерционные машины).
К испытательным машинам предъявляют следующие требования: 
1) возможность измерения нагрузки с точностью до 1 %;
2) возможность регулировать скорость перемещения активного захвата  
в пределах от 10 до 100 мм/мин;
3) возможность установки на них нагревательных и холодильных устройств 
для проведения испытаний при пониженных или повышенных температурах.
Например, для испытания стеклопластиков можно применять следующие 
машины.
Cервогидравлическая испытательная машина INSTRON-8801 (рис. 1.2). Основные 
характеристики: диапазон нагрузки ± 100 кН; точность измерения 
нагрузки 0,5 % измеряемой величины в диапазоне от 400 Н до 100 кН; максимальная 
частота 50 Гц; ход поршня ± 75 мм; захваты клиновые гидравлические; 
температурная камера (рабочие температуры от –150 до +350 °С,  
внутренние размеры 560 × 400 × 400 мм, установление отрицательных температур 
осуществляется с помощью введения жидкого азота); специальные 
управляющие программы (кинематическое и силовое нагружение до 100 шагов 
с разными значениями параметров).

Рис. 1.2. Сервогидравлическая испытательная 
машина INSTRON-8801

Рис. 1.3. Электромеханическая испытательная 
машина Zwick Z100 

Электромеханическая испытательная 
машина Zwick Z100 (рис. 1.3). Машина 
предназначена для испытаний на растяжение-
сжатие и кручение (раздельно или 
совместно). Основные характеристики: 
внутреннее давление в трубчатом образце 
до 460 бар; диапазон нагрузки ± 100 кН; 
диапазон момента ± 1000 Н∙м; максимальная 
частота 0,5 Гц; точность измерения 
нагрузки не более 1 % измеряемой величины; 
точность измерения момента 0,8 % 
измеряемой величины; захваты гидравлические; 
температурная камера (рабочие 
температуры от –80 до +250 °С, внутренние размеры 445 × 400 × 690 мм, 
установление отрицательных температур осуществляется с помощью введения 
жидкого азота); специальные управляющие программы (кинематическое и 
силовое нагружение до 50 шагов с разными значениями параметров).
В данной машине может быть использован лазерный измеритель деформаций (
рис. 1.4). Действие датчика основано на принципе лазерной спекл-
интерферометрии: при освещении поверхности образца формируется ориентирующий 
сигнал (образуется спекловое изображение, являющееся 
уникальным для определенного элемента поверхности). Для отслеживания 
положения спекловых изображений применяют две ПЗС-камеры (камеры  
с использованием технологии приборов с зарядовой связью), передающие 
сигнал в программу для обработки изображений, которая преобразует смещение 
в деформацию.

Рис. 1.4. Лазерный измеритель 
деформаций машины Zwick Z100

Рис. 1.5. Измерительная тензометрическая 
система СТММ

Датчик позволяет измерять бесконтактным методом продольные и поперечные 
деформации образца. Измерительная база датчика продольных 
деформаций составляет 20...220 мм, поперечных деформаций 10...15 мм; 
разрешающая способность датчика 0,15 мкм. 
Для измерения деформаций испытательные машины могут дополнительно 
укомплектовываться измерительной тензометрической микропроцессорной 
модульной системой (рис. 1.5), которая имеет следующие технические 
данные: число каналов измерения 128; номинальное сопротивление тензо-
резисторов 100, 120, 200 Ом; отклонение сопротивления недеформируемых 
тензорезисторов от номинального не более 0,4 %; диапазон измерения изменения 
сопротивлений тензорезисторов от номинального 2 %; приведенная 
погрешность измерения приращения тензорезисторов 0,2 %; время измерения  
и регистрации результатов измерения 128 каналов 128 мс; схема подключения 
тензорезисторов — четырехпроводная; ток питания тензорезисторов при сопротивлении 
100 Ом — 20 мА, при сопротивлении 120 Ом — 16,6 мА, при 
сопротивлении 200 Ом — 10 мА; длина линий связи к тензодатчикам 50 м.
Механические испытания при повышенных и пониженных температурах 
проводятся либо на тех же испытательных машинах, оснащенных съемными 
холодильными и нагревательными устройствами, либо на машинах, специально 
предназначенных для этих целей. 

1.3. Оснастка испытательных машин с нагревательными  
и холодильными устройствами

Передача теплоты от теплоносителя к образцу осуществляется контактным, 
конвективным, конвективно-радиационным и радиационным способами. 
Передача холода от хладагента к образцу выполняется контактным 
(если хладагент не оказывает физико-химического воздействия на испытуемый 
материал) и конвективным способами. 
В практике испытаний стеклопластиков при нагревании образца до 400 °С 
и охлаждении до –60 °С и ниже в основном применяют конвективный способ. 
Но вследствие ряда соображений (увеличения производительности машин, 
повышения надежности крепления образца при испытании, создания 
заданного температурного градиента), т. е. условий, при которых материал 
работает в конструкции, целесообразно применять контактный способ  
нагрева.
Контактный и другие способы передачи теплоты (радиационный и конвективно-
радиационный) целесообразно использовать и при нагревании до 
высоких температур (свыше 250 °С) при симметричном и несимметричном 
видах нагрева образцов. Нагревательные и холодильные устройства обеспечивают 
равномерное нагревание или охлаждение образца до заданной температуры 
и поддерживают ее на протяжении всего испытания. Допустимые 
отклонения температуры от заданной не должны превышать ± 2 °С при 
нагревании до 150 °С и ± 5 °С — при нагревании выше 150 °С.