Mikromehanička analiza loma laminatnog staklo-epoksi...

V Mališić i dr Mikromehanička analiza loma laminatnog staklo-epoksi kompozitnog

ZASTITA MATERIJALA 56 (2015) broj 4 421

VANJA MALIŠIĆ1 DRAGOLJUB ILIĆ2 DRAGOLJUBBEKRIĆ3 MARINA STAMENOVIĆ4 SLAVIŠA PUTIĆ1

1Univerzitet u Beogradu Tehnološko-metalurški fakultet BeogradSrbija 2Vazduhoplovna akademija Beograd Srbija 3Univezitet uBeogradu Mašinski fakultet Beograd Srbija 4VŠSS BeogradskaPolitehnika Beograd Srbija

Naučni radISSN 0351-9465 E-ISSN 2466-2585UDC62017826661-0335doi105937ZasMat1504421M

Zastita Materijala 56 (4)421 - 428 (2015)

Mikromehanička analiza loma laminatnog staklo-epoksikompozitnog materijala ispitivanog na zatezanje

IZVOD

Predmet i cilj ovog rada je određivanje statičkih zateznih svojstava staklo-epoksi polimernogkompozitnog materijala Ispitivani materijal je kompozitni materijal stakleno platno 280 gmsup2 ldquotwilltkanjeldquo širine 100 cm tip - Interglas 92125 i epoksi smola tip MGS L-135 a uzorci su oblikovaniručnom metodom sa 35 zapreminskog udela vlakana Ispitivane su orijentacije 090deg i plusmn45degOdređeni su zatezna čvrstoća i modul elastičnosti prema odgovarajućim standardnimispitivanjima Pored izvedene analize dobijenih rezultata a na osnovu izgleda prelomnih površinauzoraka izvedena je i mikromehanička analiza nastanka i razvoja oštećenja pri zatezanju čime supotvrđeni svi mehanizmi i oštećenja karakteristični za ovakvu vrstu materijala i ispitivanjaMikromehaničkom analizom na prelomnim površinama ispitivanih uzoraka se došlo do strukturekoja je povoljnija u eksploataciji pri ovakvog tipu spoljašnog opterećenjaKljučne reči mikromehanička analiza staklo-epoksi kompozitni materijali zatezna svojstvastaklo-epoksi kompozitnog materijala ispitivanje na zatezanje staklo-epoksi kompozitnogmaterijala

1 UVODMehanička svojstva kompozitnih materijala

(kao heterogenih anizotropnih materiala) formirajuse u toku samog procesa njegove proizvodnjePošto svojstva kompozitnih materijala kao takvanisu stabilna nego su zavisna od reproduktivnostiprocesa proizvodnje mehanička ispitivanja time jošviše dobijaju na značaju [12] Za vreme trajanjaprocesa oblikovanja kompozitnog materijala pot-rebno je održavati neke od veličina (kao što supritisak temperatura i vreme) u uslovima predhod-no postavljenih ograničenja Međutim baš u tokuprocesa oblikovanja može doći do poremećajapredhodno navedenih parametara koji mogu pro-uzrokovati niz nepravilnosti kao što je stvaranjemehurova (šupljina) povećane vlažnosti pove-ćanog pritiska u kalupu i sl Sve te nepravilnostimogu dovesti do odstupanja stvarnih mehaničkihsvojstava od onih dobijenih teorijskom analizom iproračunima [34] To zahteva naknadnu proverutih svojstava izborom nekih od standardnih metoda

Autor za korespondenciju Slaviša PutićE-mail slavisatmgbgacrsRad primljen 17 06 2015Rad prihvaćen 19 08 2015Rad je dostupan na sajtu wwwidkorgrscasopis

metoda statičkih i dinamičkih ispitivanja radi dobi-janja relevantnih podataka neophodnih za klasi-fikaciju kao i za kasniju statističku obradu rezultata[5] Navedena ispitivanja uz ispitivanje fizičkihtermičkih i mehaničkih svojstava kompozitnih ma-terijala u celini daju kompletnu sliku o kompozitu

Oštećenje u kompozitnim materijalima koje na-staje kao posledica delovanja zateznog optere-ćenja je predmet brojnih naučnih radova Razvijenje veliki broj metoda sa ili bez razaranja za utvrđi-vanje nastanka i razvoja oštećenja u njima [6] Is-pitivanja se ne izvode samo radi utvrđivanja svoj-stava prilikom proizvodnje ili prijema već vrločesto i radi raznih ekspertiza u svrhu utvrđivanjanačina upotrebe i odgovornosti koja nastaje uslednecelishodne upotrebe [7] U razvojnim centrimavećih industrijskih preduzeća i naučnoistraživačkiminstitutima ispitivanja se vrše u cilju što potpunijegupoznavanja svojstava kompozitnog materijalakao i u cilju poboljšanja tih svojstava kako bi se do-bili materijali za nove proizvode odnosno novapodručja primene Podaci dobijeni ispitivanjem po-godno ocenjuju različita svojstva materijala i kas-nije mogu biti iskorišćeni za analizu i eventualnu re-alizaciju konstrukcije od ispitivanog materijala [89]

Ispitivanje na zatezanje je najčešće mehaničkoispitivanje i ima vrlo široku primenu Izvodi se radidobijanja modula elastičnosti zatezne čvrstoće iPoasonovog koeficijenta odnosno radi dobijanja


ZASTITA MATERIJALA 56 (2015) broj 4422

njegovih relevantnih zateznih svojstava [10] Priispitivanjima se uglavnom koriste glatke epruvetekoje se iz oblikovanih ploča seku reznim alatomTokom ispitivanja kontinualno se registruju veličinaopterećenja i odgovarajuće uzdužne i poprečnedeformacije Kao uređaji za ispitivanje se koristekidalice sa čeljustima koje se mogu razdvajatirazličitim brzinama (1-500 mmmin) u zavisnosti odvrste i strukture materijala koji se ispituje Kidalicamora kontinualno da registruje opterećenje epru-vete pri zatezanju sve do njenog kidanja Uređajmora da poseduje i pogodan instrument za poka-zivanje izduženja epruvete u zavisnosti od opte-rećenja u bilo kom trenutku ispitivanja Tok postu-pka ispitivanja na zatezanje bi mogao da sepredstavi na sledeći način [11] Izmeri se širina i debljina epruvete sa tačnošću

005 mm Epruveta se postavi u čeljusti kidalice pri čemu

se mora obratiti pažnja na veličinu sile stezanjakoja mora da bude takva da epruveta priispitivanju ne klizi ali i da se ne prelomi

Podesi se odgovarajuća brzina ispitivanja azatim se uključi mašina i

Kontinualno se registruju opterećenje i odgo-varajuće deformacijeNakon sprovedenog prethodno opisanog po-

stupka ispitivanja na zatezanje na osnovu do-bijenih podataka pre loma epruvete konstruiše sekriva napon-deformacija (-) a na osnovu pra-volinijskog dela krive se dobija uzdužni (lon-gitudinalni) modul elastičnosti E dok je na osnovuizgleda prelomnih površina uzorka na skeningelektronskom mikroskopu (SEM) izvedena i mikro-mehanička analiza nastanka i razvoja oštećenja prizatezanju čime su potvrđeni svi mehanizmi ioštećenja

2 STRUKTURA MATERIJALAStruktura ispitivanog materijala je stakleno

platno 280 gmsup2 ldquotwill tkanjeldquo širine 100 cm tip -Interglas 92125 i epoksi smola tip MGS L-135orijentacije vlakana plusmn45ordm i 090 Ispitivani uzorci suoblikovani ručnom metodom sa 35 zapreminskogudela vlakana

Fizička svojstva ldquoErdquo-staklenih vlakana koja sukorišćena u tkanju su prikazana u tabeli 1 dok je utabeli 2 prikazan njihov hemijski sastav

Utrošak smole je 220 gmsup2 debljina lamine je0308 mm Ukupno je ugrađeno 8 slojeva ojačanjau panelu

Sečenje uzoraka je izvedeno u preduzećuldquoWATERJETrdquo iz Male Krsne Mehanička ispitivanjasu izvedena u laboratorijama Tehnološko-meta-lurškog fakulteta u Beogradu Mikromehaničkaanaliza je izvedena na SEM-u na Tehnološko-me-talurškom fakultetu Univerziteta u Beogradu Koriš-

ćen je skening elektronski mikroskop (SEM)TESCAN Mira3 XMU na 5 kV Prethodno su uzorciprevučeni slojem legure Au-Pd

Tabela 1 - Svojstva ldquoErdquo- staklenog vlakna

Svojstvo Jedinice VrednostPrečnik vlakna microm 8-16Masa po jedinici dužine gkm 2737Gustina vlakna kgm2 2540Površinska masa(gramatura)

gm2 450 plusmn 5

Zatezna čvrstoća Rm [MPa] 2500-3450Jungov modul elastičnostiE1

[GPa] 725

Deformacija 1 [ ] 33-35Koeficijent toplotnog širenja [10-6 K-1] 5Koeficijent toplotneprovodljivosti [WmmiddotK] 1

Dielekrična konstanta [ ] 67Specifični elektrtični otpor [cm] 1014

Max vreme kvašenja usmoli

s 20

Tabela 2 - Hemijski sastav ldquoErdquo- staklenog vlakna

Hemijski sastav Udeo ()Silicijum(IV)-oksid 52 - 56Aluminijum(III)-oksid 12 - 16Bor(III)-oksid 5 - 10Natrijum(I)-oksid i kalijum(I)-oksid 0 - 2Magnezijum(II)-oksid 0 - 5Kalcijum(II)-oksid 16 - 25Titanijum(IV)-oksid 0 - 15Gvožđe(III)-oksid 0 - 08Gvožđe 0 - 1

Svojstva smole su prikazana u tabelama 3 i 4

Tabela 3 - Fizička svojstva umešane smole

Test Jedinice VrednostiGustina na 25ordmC gcm3 114-118Viskoznost na 25ordmC mPas 2300-2900Epoksi ekvivalent - 170-189Epoksi vrednost - 053-059

Tabela 4 - Mehanička svojstva umešane smole

Test Jedinice VrednostiZatezna čvrstoća Rm MPa 68-80Deformacija 5-7Savojna čvrstoća Rf MPa 110-130Modul elastičnosti E MPa 29-32Pritisna čvrstoća MPa 110-130Udarna žilavostCharpy an

KJm2 30-50



3 OZNAKE ISEČENIH UZORAKA I TOKISPITIVANJA

Ispitivali su se uzorci (Z-SE) sečeni izoblikovanih ploča radi određivanja napona i defor-macija u uzdužnom pravcu ispitivanjem na zate-zanje Ispitivano je ukupno 6 uzoraka po 3 uzorka

čija je orijentacija vlakana plusmn45ordm i po 3 uzorka čija jeorijentacija vlakana 090ordm Oznake uzoraka su Z-SE-1 090ordm Z-SE-2 090ordm Z-SE-3 090ordm Z-SE-1plusmn45ordm Z-SE-2 plusmn45ordm i Z-SE-3 plusmn45ordm Određene suodgovarajuće zatezne čvrstoće i moduli elastič-nosti Izgled isečenih uzoraka prikazan je na slici 1

Slika 1 - Izgled isečenih uzoraka korišćenih u ispitivanjima na zatezanje(levo-orijentacija vlakana plusmn45ordm desno- orijentacija vlakana 090ordm)

Uzorci (epruvete) (sl2) su sečeni dimenzijadužine l1=250 mm širine b1=25 mm sa širinommernog središnjeg dela b=15 mm dužine l1=100mm Nominalne debljine epruveta su bile d=5 mm

Nakon sečenja uzoraka naknadno su izmerene iproverene dimenzije sa tačnošću plusmn1 Uzorci suprilagođeni standardu ASTM D 3039-83 [12]

Slika 2 - Dimenzije uzoraka (Z-SE) korišćenih u ispitivanjima na zatezanje

Ispitivanje je izvedeno na elektro-mehaničkojkidalici INSTRON 1332 sa kontrolerom INSTRONFAST TRACK 80800 uz koriščenje hidrauličkihčeljusti Podaci sa ispitivanja su se prikupljali prekovišekanalnog mernog uređaja UPM 60 Načinispitivanja je definisan standardom ASTM D 3039-76 [12] U toku postupka ispitivanja kontinualno suregistrovane deformacije u uzdužnom pravcu 1Uvedeno opterećenje je registrovano pomoću mer-ne ćelije kapaciteta 100 kN Jedinično izduženje jemereno pomoću dvostrukog ekstenzomeraHOTTINGER DD1 U pitanju su dva ekstenzomeraparalelno vezana koja mere jedinično izduženje saobe strane epruvete a paralelna veza eksten-zomera omogućava usrednjavanje izmerenihvrednosti Opseg merenja ovih ekstenzomera je250 mm rade na principu mernih traka a klasetačnosti su 005

4 REZULTATI I DISKUSIJAZatezanjem u uzdužnom pravcu ispitivano je

šest epruveta (3 uzorka čija je orijentacija vlakanaplusmn45ordm i 3 uzorka čija je orijentacija vlakana 090ordm)radi dobijanja zatezne čvrstoće i modula elas-tičnosti u uzdužnom pravcu Dimenzije poprečnogpreseka vrednosti zatezne čvrstoće i modulaelastičnosti ispitivanih uzoraka su izračunate koriš-ćenjem izraza (1) (2) i (3) Modul elastičnosti (Euzd)je izračunavan iz jednačine (3) pri čemu se odnosP1 određivan metodom linearne regresije izpravolinijskog dela registrovanog dijagrama sila ndashizduženje

0A b d (1)

dbPR uzdm max

(2)



dbPEuzd

1

1 (3)

gde jeRmuzd - zatezna čvrstoća u uzdužnom pravcu MpaPmax - maksimalna sila kidanja NA0 - poprečni presek epruvete mm2

b - širina epruvete mmd - debljina epruvete mm

Može se konstatovati da je ispitivanje bilo us-pešno jer je kod svih ispitanih epruveta do lomadolazilo na sredini epruveta u mernom delu

Izračunate vrednosti zateznih čvrstoća u uz-dužnom pravcu i odgovarajućih modula elastičnostisu prikazane u tabeli 6

Radi bolje preglednosti i boljeg uvida u karak-tere ponašanja ispitivanih uzoraka na slici 3 je datuporedni dijagram napon ndash deformacija ( ndash ) svihšest ispitivanih epruveta

Tabela 6 - Rezultati ispitivanja uzoraka na zatezanje

Oznakaepruvete

Širinaepruveteb (mm)

Debljinaepruveted (mm)

Poprečni presekepruveteA0 (mm2)

Maksimalna silakidanja

Pmax (KN)

Zateznačvrstoća

Rmuzd (MPa)

ModulelastičnostiEuzd (GPa)

Z-SE -1 090ordm 149 503 7495 316 422 897Z-SE -2 090ordm 151 495 7475 321 429 901Z-SE -3 090ordm 147 502 7380 306 414 867Z-SE -1 plusmn45ordm 1516 540 8186 2023 247 4385Z-SE -2 plusmn45ordm 1512 534 8074 1945 241 4280Z-SE -3 plusmn45ordm 1507 518 7806 1841 236 387

Z-SE-1 090Z-SE-2 090Z-SE-1 090

Z-SE-3 090

Z-SE-1 +-45

Z-SE-2 +-45

Z-SE-3 +-45

Slika 3 - Uporedni izgled dijagrama napon ndashdeformacija ( - ) za sve ispitane uzorke

Može se konstatovati relativna ujednačenostdobijenih vrednosti maksimalnih sila kidanja Pmaxkako uzoraka čija je orijentacija vlakana plusmn45ordm tako iuzoraka čija je orijentacija vlakana 090ordm Možda jenešto manja vrednost za uzorke Z-SE -3 090ordm(306 KN) i Z-SE -3 plusmn45ordm (1841 KN) ali je i to obja-šnjivo s obzirom na manju dimenziju poprečnogpreseka ovih uzoraka Ove epruvete su i ranijepukle Takođe se iz tabele 6 može zapaziti da jevrednost maksimalnih sila kidanja Pmax dosta nižaza uzorke čija je orijentacija vlakana plusmn45ordm u odnosuna uzorke čija je orijentacija vlakana 090ordm

Prikaz jednog prelomljenog uzorka (Z-SE-1plusmn45ordm) dat je na slici 4

Slika 4 - Izgled prelomljenih uzoraka (Z-SE-1 plusmn45ordm)

Na osnovu rezultata šest ispitanih uzorakaizračunata je srednja vrednost zatezne čvrstoće zasvaku od dve grupe uzoraka kao i srednja vred-nost modula elastičnosti Srednja vrednost zateznečvrstoće uzoraka orijentacije vlakana 090ordm iznosi4217 MPa a uzoraka orijentacije vlakana plusmn45ordm2413 MPa dok srednje vrednosti modula elastič-nosti za uzorke orijentacije vlakana 090ordm odnosnoplusmn45ordm iznose 888 i 418 GPa respektivno Prime-ćuje se da su i srednje vrednosti zatezne čvrstoće imodula elastičnosti dosta niže za uzorke sa orIjen-tacijom vlakana plusmn45ordm u odnosu na uzorke sa orIjen-tacijom vlakana 090ordm Može se konstatovati zaovakvu vrstu mehaničkog ispitivanja relativno maloodstupanje izmerenih odnosno izračunatih vredno-sti i za zateznu čvrstoću i modul elastičnosti odsrednjih vrednosti za svaku od obe grupe ispitanihuzoraka

Odstupanje pojedinačnih vrednosti kod modulaelastičnosti od srednje vrednosti objašnjava sečinjenicom da je bilo relativno teže precizno od-rediti modul elastičnosti zbog nestabilnog linearnogdela na dijagramu i već relativno malog početnogzakrivljenja krive napon ndash deformacija ( ndash ) Štose tiče zatezne čvrstoće poznato je da se zbogisprepletanosti vlakana i različite raspodele naponaduž ose vlakana sva vlakna ne opterećuju isto



Rezultat toga je i različito vremensko pucanje vla-kana tj neka vlakna pucaju pri manjim a neka privećim opterećenjima Vlakna koja ranije pucajuprouzrokuju poremećaj u zoni loma tj javljaju selokalni smičući naponi uz pokidano vlakno što sene može na svakom uzorku podudariti pa iz tograzloga dolazi i do različitih maksimalnih silaopterećenja pri lomu (slika 5)

a)

b)

Slika 5 - Različito vremensko pucanje vlakanaprikazano na SEM-u a)orijentacija vlakana 090ordm

b) orijentacija vlakanaplusmn45ordm)

Vlakna koja ranije pucaju prouzrokuju pore-mećaj u zoni loma tj javljaju se lokalni smičućinaponi uz pokidano vlakno što se ne može nasvakom uzorku 100-no podudariti pa iz tog razlo-ga dolazi i do različitih maksimalnih sila opte-rećenja pri lomu Zato dolazi do manjeg rasipanjarezultata zatezne čvrstoće a još više modula elas-tičnosti dobijenih sa ispitivanja Smicanje se ogledau tome da je prilikom rasta opterećenja dolazilo doldquoklizanjardquo celih slojeva vlakna po debljini uzorka što

je dovodilo do poremećaja naponskih stanja ideformacija u slojevima izazvanih smicanjem Vla-kna su na početku neoštećena ali se mikroprslinekoje su već postojale u matrici progresivno pove-ćavaju čineći makroprsline u njima Time se matri-ca oštećuje i praktično vlakna kroz te makroprslineldquoklizerdquo po debljini između slojeva Vlakna su i daljeneoštećena ali su znatno promenila svoja prvo-bitno namotana mesta u slojevima čime su podebljini ostajale znatne šupljine Na taj način su utim zonama preostali snopovi vlakana bili u situacijida podnose dodatno opterećenje što je u krajnjojliniji rezultovalo dodatnim odvajanjem vlakana izmatrice nastajanjem novih prslina i prvim lomo-vima vlakana Primer nastalog smicanja celih slo-jeva je prikazan na slici 6 Očigledno je da je od ce-log sloja ostalo samo par vlakana dok su ostalausled opterećenja skliznula niz susedni sloj Na tajnačin je sloj koji je ostao dodatno opterećen

a)

b)Slika 6 - Smicanje celih slojeva vlakana

a) orijentacija vlakana 090ordm b) orijentacijavlakanaplusmn45ordm)



O značajnom učešću smicajnih komponenti na-pona ukazuju i dobijene zavisnosti napon-defor-macija ( ndash ) koja nije linearna za razliku od ve-ćine kompozita (slika 3) Nelinearnost je nastajalana približno 30divide35 od vrednosti maksimalnihnapona Povećanjem napona dolazilo je do puca-nja veze vlakno-matrica i prslina nastala lomomvlakana je rasla duž susednih vlakana i izazivalamakroprslinu slika 7 Rezultat toga je pucanje vla-kana i lokalno raslojavanje ali je kompozit i daljenosio spoljašnje opterećenje Sa daljim porastomnapona lokalna oštećenja su se širila dolazilo je dopucanja celih grupa vlakana progresivnog raslo-javanja i konačnog loma Lom je bio praćen jakimakustičnim efektom koji je bio posledica istovre-menog pucanja velikog broja vlakana

a)

b)Slika 7 - Makroprsline nastale razdvajanjem vezevlakno-matrica a) orijentacija vlakana 090ordm b)

orijentacija vlakanaplusmn45ordm)

Raslojavanje slojeva je sigurno prateći feno-men razaranja ovih epruveta Površina raslojavanja

ima izgled koji odgovara površinama interla-minarnog smicanja što je prikazano na slici 8

a)

b)

Slika 8 - Raslojavanje epruvete tokom zatezanja a)orijentacija vlakana 090ordm b) orijentacija

vlakanaplusmn45ordm)

Takođe je karakteristično nastajanje početnihprslina usled nedostatka matrice (slika 9) Posle-dica toga je da vlakna nisu pucala sva istovre-meno Prvo su pucala vlakna koja nisu bila oblo-žena matricom a na kon toga i druga koja su tadabila preopterećena silom zatezanja

5 ZAKLJUČAKVelika primena kompozitnih materijala je u zna-

tnoj meri zasnovana na dobrom ponašanju u ote-žanim radnim uslovima visokom pritisku brziniudarimavibracijama a sve zahvaljujući svojoj stru-kturi i specifičnim mehanizmima pri različitim opte-rećenjima To posebno favorizuje njihovu primenuna izgradnji mašinskih konstrukcija većih odgovor-nosti Samim tim i razvoj i istraživanje novih i jošodgovornijih materijala predstavlja jedan od naj-značajnijih zadataka za istraživanje



a)

b)Slika 9 - Nedostatak matrice a) orijentacija vlakana

090ordm b) orijentacija vlakanaplusmn45ordm)

U ovom radu su izračunate su vrednosti za-teznih čvrstoća i određeni moduli elastičnosti zadve grupe uzoraka structure vlakana 090ordm i plusmn45ordmSrednja vrednost zatezne čvrstoće iznosi uzorakaorijentacije vlakana 090ordm iznosi 4217 MPa asrednja vrednost modula elastičnosti 888 GPadok za uzorke orijentacije plusmn45ordm srednja vrednostzatezne čvrstoće iznosi 2413 MPa a srednja vred-nost modula elastičnosti 418 GPa Iz navedenogse može zapaziti da su prethodno navedene vred-nosti dosta niže za uzorke sa orijentacijom vlakanaplusmn45ordm a iz čega proizilazi da uzorci iz ove grupeoštećuju se i pucaju pri manjim opeterećenjima uodnosu na uzorke sa orijentacijom vlakana 090ordm

Da bi se dobila prava slika o ispitivanom kom-pozitnom materijalu izvedena je i mikromehanička

analiza pri čemu je na prelomnim površinamaepruveta čak i golim okom uočeno raslojavanje iizvlačenje vlakana iz materijala a pod uvećanjem ipucanje vlakana koje je kulminiralo konačnimlomom kompozitnog materijala što je bilo praćenojakim akustičnim efektom Mikromehanička analizaje ukazala na sve poznate mehanizme koji sejavljaju pri ovakvim ispitivanjima

Na kraju se može zaključiti da se dobijenirezultati kreću u granicama literaturno poznatihpodataka za ovu vrstu ispitivanja i slične strukturematerijala i da se izvedenim eksperimentalnimispitivanjima i mikrostrukturnom analizom došlo dodragocenih podataka koji predstavljaju jedan odelemenata za potpunu karakterizaciju ispitivanogmaterijala sa dve različite strukture vlakana

6 LITERATURA

[1] BDAgarwal LJBroutman (1990) Analysis andperfomance of fiber composites John Wiley amp SonsInc USA

[2] SPutić (2006) Mehanička svojstva polimernihkompozitnih materijalaldquo knjiga Tehnološko-Metalurški fakultet Beograd

[3] RAleksić VRadojević RJančić (2007)Funkcionalni kompozitni materijali beleške sapredavanja skripta Tehnološko-Metalurški fakultetBeograd

[4] VVasiliev EMorozov (2001) Mechanics andAnalysis of Composite materials book ElsevierScience Ltd

[5] ZGurdal RHaftka PHajela (1999) Design andOptimization of Laminated Composite MaterialsJohn WileyampSons INC

[6] MMSchwartz (1984) Compozite MaterialsHandbook McGraw-Hill Inc USA

[7] SPutić (2005) Zatezna svojstva polimernogkompozitnog materijala poliaramidna vlakna(KEVLAR 129) -POLI(VINILBUTIRAL) (PVB)MJOM 45-52

[8] KKaw (2006) Mechanics of Composite Materialssecond edition TaylorampFrancis CRC PRESS

[9] JNReddy (2003) Mechanics of CompositeMaterials and Shells-Theory and Analysis secondedition TaylorampFrancis CRC PRESS

[10] JPetrović DBekrić IVujičić IDimić SPutić (2013)Microstructural characterization of glass-epoxycomposites subjected to tensile testing ActaPeriodica Technologica APTEFF 44 151-162

[11] SPutić (2008) Mechanics of Composite Materialsbook Faculty of Technology and MetalurgyBelgrade

[12] Annual book of ASTM Standards (1999) Vol1503American Society for Testing and MaterialsPhiladelphia PA



ABSTRACT

MICROMECHANICAL CRACK ANALYSIS OF GLASS-EPOXY LAMINATEDCOMPOSITES SUBJECTED TO TENSION LOAD

The main objective of this study is to determine tensile properties of the glass-epoxy polymercomposite material The material is glass fiber 280 gmsup2 twill woven with 100 cm width type -Interglas 92125 and epoxy resin type MGS L-135 where samples are molded using hand

manual method with 35 fiber weight per volume Orientations were 090deg i plusmn45deg In accordancewith appropriate standards tensile strength and modulus of elasticity were determined Beside theanalysis of the results obtained during the experiment micro-mechanical analysis of the tensilefailure appearance and development was conducted based on the observed cracked surfacewhich led to a confirmation of all characteristic mechanisms and cracks expected for this type ofmaterial and study Micromechanical analysis performed on the cracked surfaces of theinvestigated samples has led to a definition of a structure which is more suitable for exploitation ofthis material in a presence of this type of external loadKeywords micromechanical analysis glass-epoxy composite materials tensile properties ofglass-epoxy composite materials tensile test of glass-epoxy composite materials

Scientific paperPaper received 17 06 2015Paper accepted 19 08 2015Paper is available on the website wwwidkorgrscasopis



njegovih relevantnih zateznih svojstava [10] Priispitivanjima se uglavnom koriste glatke epruvetekoje se iz oblikovanih ploča seku reznim alatomTokom ispitivanja kontinualno se registruju veličinaopterećenja i odgovarajuće uzdužne i poprečnedeformacije Kao uređaji za ispitivanje se koristekidalice sa čeljustima koje se mogu razdvajatirazličitim brzinama (1-500 mmmin) u zavisnosti odvrste i strukture materijala koji se ispituje Kidalicamora kontinualno da registruje opterećenje epru-vete pri zatezanju sve do njenog kidanja Uređajmora da poseduje i pogodan instrument za poka-zivanje izduženja epruvete u zavisnosti od opte-rećenja u bilo kom trenutku ispitivanja Tok postu-pka ispitivanja na zatezanje bi mogao da sepredstavi na sledeći način [11] Izmeri se širina i debljina epruvete sa tačnošću

005 mm Epruveta se postavi u čeljusti kidalice pri čemu

se mora obratiti pažnja na veličinu sile stezanjakoja mora da bude takva da epruveta priispitivanju ne klizi ali i da se ne prelomi

Podesi se odgovarajuća brzina ispitivanja azatim se uključi mašina i

Kontinualno se registruju opterećenje i odgo-varajuće deformacijeNakon sprovedenog prethodno opisanog po-

stupka ispitivanja na zatezanje na osnovu do-bijenih podataka pre loma epruvete konstruiše sekriva napon-deformacija (-) a na osnovu pra-volinijskog dela krive se dobija uzdužni (lon-gitudinalni) modul elastičnosti E dok je na osnovuizgleda prelomnih površina uzorka na skeningelektronskom mikroskopu (SEM) izvedena i mikro-mehanička analiza nastanka i razvoja oštećenja prizatezanju čime su potvrđeni svi mehanizmi ioštećenja

2 STRUKTURA MATERIJALAStruktura ispitivanog materijala je stakleno

platno 280 gmsup2 ldquotwill tkanjeldquo širine 100 cm tip -Interglas 92125 i epoksi smola tip MGS L-135orijentacije vlakana plusmn45ordm i 090 Ispitivani uzorci suoblikovani ručnom metodom sa 35 zapreminskogudela vlakana

Fizička svojstva ldquoErdquo-staklenih vlakana koja sukorišćena u tkanju su prikazana u tabeli 1 dok je utabeli 2 prikazan njihov hemijski sastav

Utrošak smole je 220 gmsup2 debljina lamine je0308 mm Ukupno je ugrađeno 8 slojeva ojačanjau panelu

Sečenje uzoraka je izvedeno u preduzećuldquoWATERJETrdquo iz Male Krsne Mehanička ispitivanjasu izvedena u laboratorijama Tehnološko-meta-lurškog fakulteta u Beogradu Mikromehaničkaanaliza je izvedena na SEM-u na Tehnološko-me-talurškom fakultetu Univerziteta u Beogradu Koriš-

ćen je skening elektronski mikroskop (SEM)TESCAN Mira3 XMU na 5 kV Prethodno su uzorciprevučeni slojem legure Au-Pd

Tabela 1 - Svojstva ldquoErdquo- staklenog vlakna

Svojstvo Jedinice VrednostPrečnik vlakna microm 8-16Masa po jedinici dužine gkm 2737Gustina vlakna kgm2 2540Površinska masa(gramatura)

gm2 450 plusmn 5

Zatezna čvrstoća Rm [MPa] 2500-3450Jungov modul elastičnostiE1

[GPa] 725

Deformacija 1 [ ] 33-35Koeficijent toplotnog širenja [10-6 K-1] 5Koeficijent toplotneprovodljivosti [WmmiddotK] 1

Dielekrična konstanta [ ] 67Specifični elektrtični otpor [cm] 1014

Max vreme kvašenja usmoli

s 20

Tabela 2 - Hemijski sastav ldquoErdquo- staklenog vlakna

Hemijski sastav Udeo ()Silicijum(IV)-oksid 52 - 56Aluminijum(III)-oksid 12 - 16Bor(III)-oksid 5 - 10Natrijum(I)-oksid i kalijum(I)-oksid 0 - 2Magnezijum(II)-oksid 0 - 5Kalcijum(II)-oksid 16 - 25Titanijum(IV)-oksid 0 - 15Gvožđe(III)-oksid 0 - 08Gvožđe 0 - 1

Svojstva smole su prikazana u tabelama 3 i 4

Tabela 3 - Fizička svojstva umešane smole

Test Jedinice VrednostiGustina na 25ordmC gcm3 114-118Viskoznost na 25ordmC mPas 2300-2900Epoksi ekvivalent - 170-189Epoksi vrednost - 053-059

Tabela 4 - Mehanička svojstva umešane smole

Test Jedinice VrednostiZatezna čvrstoća Rm MPa 68-80Deformacija 5-7Savojna čvrstoća Rf MPa 110-130Modul elastičnosti E MPa 29-32Pritisna čvrstoća MPa 110-130Udarna žilavostCharpy an

KJm2 30-50













0A b d (1)

dbPR uzdm max

(2)



dbPEuzd

1

1 (3)







Oznakaepruvete





Pmax (KN)

Zateznačvrstoća

Rmuzd (MPa)



Z-SE-1 090Z-SE-2 090Z-SE-1 090

Z-SE-3 090

Z-SE-1 +-45

Z-SE-2 +-45

Z-SE-3 +-45










a)

b)





a)






a)





a)

b)








a)







6 LITERATURA















ABSTRACT

















0A b d (1)

dbPR uzdm max

(2)



dbPEuzd

1

1 (3)







Oznakaepruvete





Pmax (KN)

Zateznačvrstoća

Rmuzd (MPa)



Z-SE-1 090Z-SE-2 090Z-SE-1 090

Z-SE-3 090

Z-SE-1 +-45

Z-SE-2 +-45

Z-SE-3 +-45










a)

b)





a)






a)





a)

b)








a)







6 LITERATURA















ABSTRACT







dbPEuzd

1

1 (3)







Oznakaepruvete





Pmax (KN)

Zateznačvrstoća

Rmuzd (MPa)



Z-SE-1 090Z-SE-2 090Z-SE-1 090

Z-SE-3 090

Z-SE-1 +-45

Z-SE-2 +-45

Z-SE-3 +-45










a)

b)





a)






a)





a)

b)








a)







6 LITERATURA















ABSTRACT








a)

b)





a)






a)





a)

b)








a)







6 LITERATURA















ABSTRACT








a)





a)

b)








a)







6 LITERATURA















ABSTRACT







a)







6 LITERATURA















ABSTRACT







ABSTRACT





Date post:	20-Nov-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	2 times
Download:	0 times

Mikromehanička analiza loma laminatnog staklo-epoksi...

Documents