Abstract

Abstract

The equipment are designed and manufactured for the hardness determination of composites materials in accordance with standard test methods GOST 4670–91 and ISO 2039-1:2001. The ball indentation hardness of composites materials based on the expanded graphite was determined.

Full Text

В научно-исследовательских целях и для контроля качества широко применяются неразрушающие методы испытаний. Одним из них является метод определения твердости. Под твердостью понимают свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость зависит от структуры материала и других его механических характеристик, главным образом модуля упругости при деформации и предела прочности при разрушении, количественная связь с которыми устанавливается теорией упругости. Целью работы является определение твердости композиционного материала на основе терморасширенного графита с модифицированной силиконовой смолой. Исследование твердости композиционного материала проводили в соответствии со стандартными методами по ГОСТ 4670–91 [1] и ISO 2039-1:2001 [1]. Для проведения испытаний использовали разрывную машину модели Р-0,5. В связи с тем, что в данной испытательной машине не предусмотрено проведение испытаний на твердость, для проведения испытаний модернизировали реверсор для определения механических характеристик при сжатии [2, 3]. Принципиальная схема модернизированного реверсора приведена на рис. 1 и 2. Рис. 1. Модернизированный реверсор в разрезе Рис. 2. Модернизированный реверсор, сечение А–А Скомпонованный реверсор устанавливают в испытательную машину (не показана). Для этого внешнюю неподвижную траверсу 1 реверсора с помощью втулки 2 и гайки 3¢ соединяют через датчик силы (не показан) с пассивным захватом испытательной машины, а внешнюю подвижную траверсу 4 реверсора с помощью втулки 5 и гайки 3¢¢ – с активным захватом испытательной машины (рис. 1). В случае испытания исследуемого образца 6 на твердость силовой шток 7, взятый из набора, с рабочей поверхностью 8 в виде наконечника твердомера вставляется в свободное отверстие направляющей траверсы 9. Исследуемый образец 6 помещают на опорный стол 10, соединенный с Т-образной в сечении площадкой 11, которая устанавливается в отверстие внутренней неподвижной траверсы 12. Затем опускают силовой шток 7 с соответствующей рабочей поверхностью 8 на поверхность образца. Включают привод испытательной машины (не показан) для перемещения активного захвата машины и связанной с ним внешней подвижной траверсы 4. Усилие (движение) от внешней подвижной траверсы 4 передается через колонки 13 и 14 (рис. 1 и 2) на внутреннюю подвижную траверсу 15, а от нее – на Т-образную площадку 16, через шар 17 в ней – на силовой шток 7 с индентором, внедряющийся в образец 6. Глубина вдавливания торцевой части штока в образец измеряется по перемещению плоского элемента 18, соединенного с силовым штоком 7 и выполненного в виде трехлучевой с усеченными концами звезды, тремя лазерными датчиками перемещения 19 ¢, 19¢¢, 19 ¢¢¢, жестко закрепленными на державках 20 ¢, 20¢¢, 20 ¢¢¢. При испытании сигналы, поступающие с датчика силы (не показан), а также с трех лазерных датчиков перемещения 19 ¢, 19 ¢¢, 19 ¢¢¢ регистрируются и обрабатываются ЭВМ. Твердость при вдавливании шарика определяли как отношение максимальной нагрузки Fmax, приложенной к индентору, к площади поверхности отпечатка А под нагрузкой через 30 с после ее приложения: По стандарту площадь отпечатка расчитывали по глубине вдавливания индентора hr, которую фиксировали при испытании с помощью трех датчиков перемещения. Твердость рассчитывали по формуле [4, 1] (1) где Fmax – максимальная нагрузка при испытаниях, Н; d – диаметр шарикового индентора, мм; hmax – максимальная глубина вдавливания, мм. Твердость, определяемая по формуле (1), при малых нагрузках не является постоянной величиной, так как глубина вдавливания меняется непропорционально прикладываемой нагрузке [5]. В ГОСТ 4670–91 твердость принято определять при единой глубине вдавливания, равной 0,25 мм. При этом должны использоваться нагрузки из ряда 49, 132, 358, 961 Н, а глубина вдавливания, полученная при использовании одной из этих нагрузок, должна находиться в интервале 0,15–0,35 мм. За начальное значение глубины вдавливания принимали значение после приложения предварительной нагрузки. Пересчет твердости на глубину вдавливания, равную 0,25 мм, подробно описан в стандартах [4, 1]. Стандарт рекомендует проводить 10 испытаний. Были проведены исследования влияния процентного содержания модифицированной силиконовой смолы на значение твердости при вдавливании шарика в поверхность образцов из композиционного материала на основе ТРГ со средней плотностью ρ = 1,67 г/см3. Поскольку композиционный материал, как показали испытания на сжатие [3] и исследования структуры [6], является анизотропным, твердость определяли на двух поверхностях: перпендикулярной и параллельной оси прессования. Результаты испытаний приведены на рис. 3 и 4. Рис. 3. Влияние процентного содержания модифицированной силиконовой смолы на значение твердости при вдавливании шарика в поверхность, перпендикулярную оси прессования образцов, со средней плотностью ρ = 1,67 г/см3 Рис. 4. Влияние процентного содержания модифицированной силиконовой смолы на значение твердости при вдавливании шарика в поверхность, параллельную оси прессования образцов, со средней плотностью ρ = 1,67 г/см3 Исследования показали, что при содержании модифицированной силиконовой смолы от 10 до 40 % от массы смеси твердость при вдавливании шарика пропорционально возрастает с увеличением содержания модифицированной силиконовой смолы. При этом средняя твердость на поверхности образца, перпендикулярной и параллельной оси прессования, оказалась одинаковой. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ-Урал № 11-01-96033).