ГОСТ Р 57752-2017 Композиты керамические. Определение характеристик усталости при нагружении с постоянной амплитудой при нормальной температуре

ГОСТ Р 57752-2017
(ИСО 17140:2014)

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМПОЗИТЫ КЕРАМИЧЕСКИЕ

Определение характеристик усталости при нагружении с постоянной амплитудой при нормальной температуре

Ceramic composites. Determination of characteristics of fatigue loading with constant amplitude at normal temperature

ОКС 81.060.30

Дата введения 2018-02-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Объединением юридических лиц "Союз производителей композитов" совместно с Автономной некоммерческой организацией "Центр нормирования, стандартизации и классификации композитов" на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии международного 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 3 октября 2017 г. N 1295-ст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 17140:2014* "Тонкая керамика (высококачественная керамика, высококачественная техническая керамика). Механические свойства керамических композитов при комнатной температуре. Определение усталостных свойств при постоянной амплитуде" (ISO 17140:2014 "Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) - Mechanical properties of ceramic composites at room temperature - Determination of fatigue properties at constant amplitude", MOD) путем изменения содержания отдельных структурных элементов, которые выделены вертикальной линией, расположенной на полях напротив соответствующего текста.

________________

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - .

Оригинальный текст этих структурных элементов примененного международного стандарта и объяснения причин внесения технических отклонений приведены в дополнительном приложении ДА.

Особенности российской национальной стандартизации учтены в дополнительном подпункте 6.1.2.2, который выделен путем заключения в рамки из тонких линий. Внесение дополнительного подпункта обусловлено установлением более точных требований к подготовке проведения испытаний. Дополнительная ссылка, включенная в текст стандарта для учета особенностей российской национальной стандартизации, выделена курсивом*. Внесенная дополнительная ссылка содержит термины и определения, используемые в настоящем стандарте.

________________

* В оригинале обозначения и номера стандартов и нормативных документов приводятся обычным шрифтом, кроме раздела 3 "Термины и определения" и документов, отмеченных в разделах "Предисловие" и 2 "Нормативные ссылки" знаком "**". - .

В настоящий стандарт не включен раздел 5 и приложение А примененного международного стандарта, которые нецелесообразно применять в российской национальной стандартизации, так как они имеют поясняющий и справочный характер. Указанный раздел и приложение, не включенные в основную часть настоящего стандарта, приведены в дополнительном приложении ДБ.

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой указанного международного стандарта приведено в дополнительном приложении ДВ.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

В настоящем стандарте ссылки на международные стандарты заменены соответствующими межгосударственными или национальными стандартами. Сведения о соответствии ссылочных межгосударственных и национальных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте, приведены в дополнительном приложении ДГ

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 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)

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты*:

________________

* Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. - .

ГОСТ 6507 Микрометры. Технические условия

ГОСТ 23207** Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения

ГОСТ 28840 Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования

ГОСТ Р 57706-2017 (ИСО 14574:2013) Композиты керамические. Метод испытания на растяжение при повышенной температуре

ГОСТ Р 57605-2017 (ИСО 14544:2013) Композиты керамические. Метод испытания на сжатие при повышенной температуре

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 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 23207, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 длина узкой параллельной части : Длина участка образца, имеющего однородную и минимальную площадь поперечного сечения.

3.2 измерительная база : Начальная длина участка между контрольными точками образца в пределах длины узкой параллельной части.

3.3 площадь поперечного сечения : Начальная площадь поперечного сечения образца в пределах измерительной базы при температуре проведения испытания.

Примечание - Различают два вида площади поперечного сечения образца:

- кажущаяся площадь поперечного сечения - это общая площадь поперечного сечения, ;

- эффективная площадь поперечного сечения - это общая площадь поперечного сечения с поправкой на наличие покрытия, .

3.4 продольная деформация А: Изменение измерительной базы под действием нагрузки.

3.5 деформация : Относительное изменение измерительной базы образца, определяемое как отношение .

3.6 напряжение : Отношение нагрузки, выдерживаемой образцом в процессе испытания, к площади поперечного сечения.

Примечания

1 Различают два вида напряжений:

- кажущееся напряжение, , при использовании кажущейся площади поперечного сечения;

- эффективное напряжение, , при использовании эффективной площади поперечного сечения.

2 Выделяют напряжение при сжатии и напряжение при растяжении.

3.7 нагружение с постоянной амплитудой: Нагружение, при котором максимальные и минимальные значения нагрузки остаются постоянными в процессе испытаний.

4 Сущность метода

Образец циклически нагружают растяжением или сжатием с заданной частотой одним из следующих методов:

- метод А: при постоянной амплитуде напряжений;

- метод В: при постоянной амплитуде деформаций.

Во время проведения испытаний для ряда циклов нагружения записывают кривые "напряжение-деформация" и регистрируют максимальное количество циклов нагружения. По результатам испытаний определяют усталостную долговечность, параметр повреждения и остаточные механические характеристики.

Примечание - Остаточные механические характеристики определяют на образцах, которые не разрушились в процессе испытаний.

5 Оборудование

5.1 Испытательная машина

5.2 Экстензометр

Экстензометр крепят к образцу с помощью ножей, которые расположены на контрольных точках образца, ограничивающих измерительную базу.

Учитывают изменения калибровки экстензометра, которые могут иметь место при проведении измерений в условиях отличных от условий калибровки.

Характеристики экстензометра не должны изменяться в процессе испытаний.

Давление, оказываемое ножами экстензометра на образец, должно быть минимальным для предотвращения соскальзывания ножей экстензометра.

5.3 Микрометры

Для измерения линейных размеров используют микрометры по ГОСТ 6507.

6 Подготовка к проведению испытаний

6.1 Образцы

6.1.1 Форма и размеры образцов

В случае испытаний на усталость с применением сжимающей нагрузки для предотвращения изгиба образца используют образцы по ГОСТ Р 57605-2017 (ИСО 14544:2013).

- длина узкой параллельной части; - общая длина; h - толщина; - ширина в пределах измерительной базы; - ширина на концах; - радиус

Рисунок 1 - Форма образцов дву- и трехнаправленно армированных керамических композитов

Размеры образцов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Размеры образцов

В миллиметрах

Общая длина образца зависит от используемых захватов.

Примечание - Как правило, общая длина образца не менее 150 мм.

6.1.2 Подготовка образцов

6.1.2.1 Образцы вырезают из изделий, изготовленных по соответствующему нормативному документу или технической документации, при этом следят за ориентацией относительно направления армирования и предполагаемой оси нагружения.

Механическая обработка образцов должна быть установлена в нормативном документе или технической документации на материал.

6.1.3 Количество образцов

Для определения характеристик усталости используют не менее трех образов.

6.2 Измерение линейных размеров образов

7 Проведение испытаний

7.1 Образец устанавливают в захваты испытательной машины таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с направлением действия нагрузки.

Захваты испытательной машины должны исключать деформации изгиба и потерю устойчивости образцов при сжатии.

7.2 Ножи экстензометра устанавливают в контрольные точки на образце.

7.3 Испытания проводят следующим образом:

- обнуляют показания силомера;

- обнуляют показания экстензометра;

- настраивают максимальное количество циклов, N;

- для метода А задают максимальное и минимальное значения напряжения;

- для метода В задают максимальное и минимальное значения деформации;

- настраивают частоту нагружения и форму цикла нагружения;

- начинают испытания на усталость:

1) для метода А - в режиме контроля нагрузки;

2) для метода В - в режиме контроля перемещения;

- регистрируют максимальное количество циклов нагружения N или количество циклов нагружения до разрушения образца, ;

- записывают кривые "напряжение-деформация" вплоть до максимального количества циклов.

Если запись кривой "напряжение-деформация" для каждого цикла нагружения невозможна для используемого программного обеспечения, то используют следующую схему записи:

- первые 10 циклов нагружения - каждый цикл нагружения;

- циклы нагружения с 10 по 100 - каждый десятый цикл нагружения;

- циклы нагружения с 100 по 1000 - каждый сотый цикл нагружения;

- циклы нагружения с 1000 по 10000 - каждый тысячный цикл нагружения;

- и т.д.

7.4 Результаты испытаний при определении усталостной долговечности не учитывают:

- при неуказании условий испытаний;

- при скольжении образца в захватах.

Результаты испытаний при определении параметра повреждения не учитывают:

- при соскальзывании экстензометра;

- при дрейфе экстензометра.

7.5 Если разрушение образца по завершению выбранного максимального количества циклов не произошло, образец испытывают до разрушения по ГОСТ Р 57706-2017 (ИСО 14574:2013).

8 Обработка результатов

8.1 Усталостная долговечность

Усталостную долговечность , ч вычисляют по формуле

, (1)

где - количество циклов до разрушения образца;

- частота нагружения, Гц.

8.2 Параметр повреждения

Для каждого цикла нагружения, для которого записана кривая "напряжение-деформация", вычисляют параметр повреждения .

Параметр повреждения вычисляют по формуле

, (2)

где - модуль упругости в n-м цикле нагружения (см. рисунки 2-4), МПа;

- модуль упругости в первом цикле нагружения (см. рисунки 2-4), МПа.

Модуль упругости в n-м цикле нагружения , МПа, вычисляют по формуле

, (3)

где - максимальное напряжение цикла нагружения, МПа;

- максимальная деформация цикла нагружения;

- остаточная деформация при нулевой нагрузке в n-м цикле нагружения.

Остаточную деформацию при нулевой нагрузке в n-м цикле нагружения , вычисляют по формуле

, (4)

где - деформация в начале нагружения (см. рисунок 3);

- деформация в конце нагружения (см. рисунок 3).

Строят диаграммы зависимости , , , от количества циклов нагружения N. По оси абсцисс используют логарифмы числа циклов нагружения. На рисунках 2-4 приведены примеры отнулевого, знакопеременного и знакопостоянного циклов нагружения соответственно.

1 - первый цикл нагружения; 2 - n-й цикл нагружения

Рисунок 2 - Отнулевой цикл нагружения

1 - первый цикл нагружения; 2 - n-й цикл нагружения

Рисунок 3 - Знакопеременный цикл нагружения

1 - первый цикл нагружения; 2 - n-й цикл нагружения

Рисунок 4 - Знакопостоянный цикл нагружения

9 Протокол испытаний

Результаты испытаний заносят в протокол испытаний, который должен содержать:

- ссылку на настоящий стандарт;

- наименование и адрес испытательной лаборатории;

- полную идентификацию материала образцов (свойства, код общероссийского классификатора предприятий и организаций (ОКПО) предприятия-изготовителя и т.д.);

- размеры и форму образцов;

- количество образцов;

- сведения об оборудовании;

- вид нагружения, форму цикла, частоту нагружения;

- максимальное и минимальное напряжения для метода А;

- максимальную и минимальную деформации для метода В;

- максимальное количество циклов нагружения или количество циклов нагружения до разрушения. Если после заданного максимального количества циклов испытание завершилось без разрушения образца, это также указывают в протоколе испытаний;

- усталостную долговечность, параметр повреждения, остаточные механические характеристики (если применимо);

- место разрушения (если применимо);

- дату проведения испытаний.

Приложение ДА
(справочное)

Оригинальный текст модифицированных структурных элементов примененного международного стандарта

ДА.1

1 Область применения

Настоящий международный стандарт устанавливает метод определения свойств при постоянно-амплитудном нагружении или деформировании одноосным растяжением или одноосным растяжением/сжатием композитных материалов с керамической матрицей (ККМ) с волоконным армированием при комнатной температуре.

Настоящий международный стандарт применим ко всем композитным материалам с керамической матрицей и волоконным армированием, однонаправленным (1D), двунаправленным (2D) и трехнаправленным (xD, при 23).

Примечание - Данный раздел международного стандарта изменен в соответствии с требованиями ГОСТ 1.5 (подраздел 3.7).

ДА.2

6 Оборудование

6.1 Машина для усталостных испытаний

Следует использовать испытательные машины с электрическим или гидравлическим приводом. Они должны работать в режиме контроля нагрузки или деформации.

Силомер машины должен быть рассчитан на проведение усталостных испытаний и быть не хуже класса 1 по ИСО 7500-1. Класс испытательной машины выбирают исходя из условий испытаний. Машина должна быть оснащена счетчиком циклов для заданной частоты испытания.

6.2 Нагрузочный модуль

Конфигурация нагрузочного модуля должна обеспечивать равенство показаний силомера и фактической нагрузки, прилагаемой к испытуемому образцу.

Крепление должно обеспечивать соосность образца и прилагаемой нагрузки.

Конструкция зажимов должна исключать возможность выскальзывания образцов.

Рекомендуется использовать гидравлические зажимы.

6.3 Экстензометр

Экстензометр должен обеспечивать непрерывную запись продольной деформации, совместимую с выбранной частотой испытания. Экстензометр должен быть не хуже 1-го класса по ИСО 9513.

Обычно используют механические экстензометры.

6.6 Система регистрации данных

Для записи кривых "нагрузка-деформация" используют откалиброванный самописец. Рекомендуется использовать цифровые системы регистрации данных.

Примечание - Данный раздел международного стандарта изменен в целях соблюдения требований ГОСТ 1.5-2001 (пункты 4.2.1.1 и 7.9.6).

ДА.3

Срок службы композитов с керамической матрицей, помимо других факторов, зависит от окисления при заданных уровнях температуры, напряжения и деформации. Поэтому конфигурация испытуемого образца должна обеспечивать получение разлома в термостатируемой зоне. Для данной цели следует использовать гантельный образец, приведенный на рисунке 3 и в таблице 1.

В случае однонаправленных композитов (1D) гантельные образцы не рекомендуются. Должны использоваться образцы без заплечиков. Образец должен иметь форму прямоугольной призмы минимальной длиной 200 мм.

В дополнение к этому выбор геометрии образцов зависит от природы материала и структуры армирования.

Объем в пределах базовой длины должен быть представительным для материала. Общая длина, , зависит от крепления и зажимов.

В случае усталостных испытаний на растяжение-сжатие конфигурация* образца выбирают для предотвращения недействительности испытания из-за выгиба, как указано в ИСО 14544.

___________________

* Текст документа соответствует оригиналу. - .

Примечание - Данный раздел международного стандарта изменен в целях соблюдения требований ГОСТ 1.5 (пункты 4.1.5, 7.9.7).

ДА.4

9.2 Измерения размеров испытуемых образцов

Площадь поперечного сечения определяют по центру образца и на концах калиброванной длины.

Размеры измеряют с точностью ±0,01 мм. Для обработки результатов используют арифметические формулы.

Примечание - Данные подразделы международного стандарта изменены в целях соблюдения требований ГОСТ 1.5 (пункты 4.1.5, 7.9.7 и 7.9.8).

Приложение ДБ
(справочное)

Оригинальный текст невключенных структурных элементов примененного международного стандарта

ДБ.1

5 Предмет и его значимость

Данный метод испытания используют для определения поведения ККМ при длительном циклическом усталостном нагружении с постоянной амплитудой. Простейший способ определения усталостных свойств материала - построение диаграмм, охватывающих весь срок службы. На данных диаграммах время до разрушения (или циклическая выносливость) зависит от амплитуды напряжения (или деформации).

Диаграмма полного срока службы требует использования большого количества образцов, что дорого и затратно по времени. Поэтому определяют циклическую выносливость при определенном напряжении (или деформации) или измеряют предел выносливости. Типичное усталостное испытание определяют циклическим нагружением, постоянной амплитудой, средой, температурой и частотой.

Для лучшей характеризации механического поведения в процессе усталостных испытаний определяют некоторые механические характеристики по кривым "напряжение-деформация". Строят диаграммы зависимости этих характеристик от времени или количества циклов. По ним будет видно развитие повреждений в процессе циклического нагружения. Учитывают следующие параметры (см. рисунок 2):

- остаточную деформацию при нулевой нагрузке;

- секущий модуль упругости или соответствующий параметр повреждения;

- площадь петли гистерезиса на кривой "напряжение-деформация" или внутреннее трение;

- максимальную и минимальную деформацию, или разницу между ними в выбранном цикле;

- некоторые специфические касательные модули упругости, например сверху или снизу петли на кривой "напряжение-деформация".

1 - деформация, ; 2 - напряжение, ; 3 - ширина, L; 4 - высота, Н

Рисунок 2* - Параметры для оценки усталостной долговечности

________________

* Нумерация соответствует оригиналу. - .

ДБ.2

Приложение А
(справочное)

Схематическое развитие Е

На рисунке А.1 показано схематическое развитие Е: а) без повреждения, b) ползучесть, без усталостного повреждения, и с) усталостное повреждение с вероятной ползучестью

1 - первый цикл; 2 - последний цикл

Рисунок А.1 - Схематическое развитие Е: а) без повреждения, b) ползучесть, без усталостного повреждения, и с) усталостное повреждение с вероятной ползучестью

Приложение ДВ
(справочное)

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой примененного в нем международного стандарта

Таблица ДВ.1

Приложение ДГ
(справочное)

Сведения о соответствии ссылочных межгосударственных и национальных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте

Таблица ДГ.1

Электронный текст документа
и сверен по:

, 2017