Введение

Конструкционные авиационные материалы испытывают на срез для оценки целесообразности изготовления из них шпилек, заклепок, болтов и других деталей крепления, работающих на срез, для определения нагрузки при пробивке отверстий в листах, исследования материалов слоистых покрытий, влияния на них химико-термической обработки и климатических факторов.

С целью получения значений механических характеристик, необходимых для расчетов деталей на прочность, испытания проводят в условиях нагружения, реализующих разрушение образца срезом [1–14], в том числе используют методы испытания вдавливанием индентора и царапанием поверхности образца (склерометрия) алмазной четырехгранной или трехгранной пирамидой, конусом или цилиндром [15–35].

В данной статье приведен анализ методик испытаний на срез по российским и зарубежным стандартам. Показано развитие методик испытания вдавливанием индентора и царапанием.

Приспособления и испытания стандартных макрообразцов

Для испытаний стандартных макрообразцов используют специальные приспособления. Если из материала можно изготовить цилиндрические образцы и детали крепления, их испытывают на двойной срез в приспособлении типа соединения «вилка‒проушина» (рис. 1).

Рис. 1. Схемы приспособлений типа соединения «вилка‒проушина» для испытаний на двойной срез: а) 1 – отверстия для удаления выталкивателем частей разрушенного образца; 2 – отверстия для крепления приспособления в захватах испытательной машины; 3 – отверстия для образца; 4 – нож; 5 – щеки; б) 1 – щеки; 2 – корпус; 3 – нож; 4 – образец; 5 – вкладыш [2]

Приведенные на рис. 1 схемы приспособлений предназначены для испытаний на растяжение, но могут быть легко приспособлены и для приложения сжимающих нагрузок. Основные детали приспособлений изготавливают из инструментальной стали высокой твердости с HRC≥ 60. Соприкасающиеся поверхности ножей и щек должны быть обработаны шлифованием, по этим поверхностям должна обеспечиваться скользящая посадка по третьему классу точности (H8/h8,H9/h8, H9/h9). Класс посадки регламентирует зазор между щеками и ножом, устанавливаемый при сборке приспособления (рис. 1, а) или регулируемый с помощью вкладышей 5 (рис. 1, б). Точность изготовления отверстий должна соответствовать третьему классу в системе отверстий (H8,H9). Диаметр отверстий должен превышать диаметр образца не более чем на 0,1 мм. Установка образца в отверстие с натягом не допускается.

Толщину ножей и щек регламентируют в зависимости от диапазона диаметров образцов ‒ например, для диаметров от 8 до 12 мм толщина ножа должна составлять 12 мм, а каждой щеки: 8 мм.

Стандарт [7] предусматривает использование приспособления с открытой матрицей (рис. 2), включающего основание (рис. 2, а, г) для размещения в нем матрицы (рис. 2, а, в), в которой перемещается нож (рис. 2, б). В матрице вместо отверстия для цилиндрического образца (болта) выполнен ложемент полуцилиндрической формы. Нож также имеет гнездо под образец в форме полуцилиндрического ложемента. Для каждого диаметра образца назначают свой диаметр ложементов в матрице и ноже. Толщина ножа равна диаметру образца, толщины щек матрицы равны половине диаметра образца. Максимальный зазор между ножом и щеками матрицы 0,08 мм. Диаметр ложемента не должен превышать номинальный диаметр образца более чем на 0,03 мм. Установлены требования по допускам размеров и расположения конструктивных элементов для обеспечения жесткости конструкции. Регламентированы требования к режущим кромкам и максимальной ширине образующейся при изнашивании фаски. После достижения установленного износа кромок необходимо провести переточку деталей.

Основным преимуществом приспособления является простота подготовки и проведения испытания. Однако выполнение матрицы в форме открытого полуцилиндрического ложемента снижает жесткость крепления образца и допускает его изгиб в процессе приложения нагрузки.

Рис. 2. Схема приспособления с открытой матрицей: общий вид(а) и вид сбоку ножа (б), матрицы (в) и обоймы матрицы (г) [1]

Сопротивление двойному срезу определяют по формуле

τ_ср = 2Р/πd²,                                                          (1)

где P – наибольшая нагрузка при испытании, Н; d – исходный диаметр образца, м.

Величина τ_ср зависит от условий испытания: на нее влияет вид и качество используемого приспособления, скорость нагружения или перемещения активной траверсы испытательной машины. Условия испытаний должны регламентироваться. Стандарты устанавливают скорость перемещения ножа относительно щек не более 10 мм/мин в стандарте [6] и не более 19 мм/мин и обеспечение скорости роста напряжения не более 689 МПа/мин в стандартах [10, 11].

Образцы вырезают механическим способом из полуфабриката или готового крепежного изделия. Они должны иметь стабильные размеры, предусмотренные стандартами на испытания (диаметр образца может меняться от 2 до 25 мм). Такие дефекты, как следы резца, царапины, вмятины, трещины, чернота и окалина, недопустимы. Возможны испытания самих крепежных изделий: болтов, винтов, шпилек.

Испытание на двойной срез предпочтительнее испытания на одинарный срез, реализуемый в приспособлении, имитирующем соединение пластин внахлест (рис. 3). При одинарном срезе сильнее проявляется влияние изгиба, а следовательно, влияние возникающих от него нормальных напряжений. На одинарный срез испытывают детали крепления, длина которых не позволяет использовать приспособления для двойного среза.

Рис. 3. Схема приспособления для испытания на одинарный срез [2]

Сопротивление одинарному срезу определяют по формуле

τ_ср = 4Р/πd²,                                                        (2)

где P – наибольшая нагрузка при испытании, Н; d – исходный диаметр образца, м.

Для оценки сопротивления срезу по толщине пластины проводят испытания на срез по круговому контуру в приспособлениях, схемы которых приведены в источниках [2, 3, 11–13]. Одна из схем представлена на рис. 4. Образец в форме круглой или квадратной пластинки продавливают цилиндрическим пуансоном с плоским торцом через матрицу с круглым отверстием. Фиксирующее кольцо позволяет установить образец в положение, симметричное относительно отверстия, и ограничивает боковое перемещение образца.

В приспособлениях, рекомендуемых стандартами [11, 12], пластину крепят к пуансону. В патенте [13] устранены такие недостатки приспособлений, как их конструктивная сложность, а также высокая трудоемкость при эксплуатации. В результате перекоса плит приспособления может заклинивать в процессе сборки-разборки из-за маленьких зазоров между штоками нижней плиты и стенками отверстий под них в верхней плите, а также из-за небольшой толщины верхней плиты. Приспособления имеют много поверхностей, требующих точной обработки, минимальные допуски формы и размеров при выполнении отверстий, штоков и пуансона.

Рис. 4. Схема приспособления для испытания на срез листа по круговому контуру: 1 – образец; 2 – пуансон; 3 – матрица; 4 – направляющая втулка; 5 – фиксирующее кольцо; 6 – прижимная гайка; 7 – основание [3]

Конструкция приспособления, представленная на рис. 5, повышает точность сборки приспособления и за счет этого ‒ стабильность результатов испытаний. Приспособление содержит срезающий пуансон 2, свинчиваемые по резьбе матрицу 5 и прижим 6, отверстие 9 в пуансоне с болтом 3 для крепления образца 1, центрирующие пояски 7 и 8, прижим имеет выступ 14 в верхней части.

Согласно справочному пособию [3], оптимальными соотношениями размеров образца и элементов приспособления являются: d/h = 4÷10 (где d – диаметр пуансона; h – толщина образца); радиус скругления кромки пуансона r = (0,012÷0,025)·d/2; зазор между пуансоном и матрицей ‒ не более 0,1 мм.

Типичная диаграмма деформирования листа в координатах «нагрузка P–перемещение пуансона Dh» представлена на рис. 6. Диаграмма при пластичном срезе гладкая и похожа на диаграмму растяжения: имеет участок упругого деформирования (до точки P_т), участки упрочнения (от точки P_т до точки P_в) и разупрочнения (от точки P_в до точки P_к). Диаграмма среза композиционного слоистого малопластичного материала может иметь скачки по нагрузке, вызванные разным сопротивлением срезу отдельных слоев.

Рис. 5. Конструкция приспособления для испытания пластин на срез: устройство в сборе (а); срезающий пуансон (б); матрица (в); прижим (г); элементы: 1 – образец для испытания; 2 – срезающий пуансон; 3 – болт; 4 – шайба; 5 – матрица; 6 – прижим; 7 – центрирующий поясок матрицы; 8 – центрирующий поясок прижима; 9 – отверстие с резьбой для болта; 10 – рифление на внешней поверхности матрицы; 11 – рифление на внешней поверхности прижима; 12 – буртик с рифлением на матрице; 13 – резьба; 14 – выступ в верхней части прижима; 15 – центральное отверстие матрицы; 16 – центральное отверстие прижима; 17 – лыски под ключ; 18 – буртик с рифлением на прижиме [13]

Рис. 6. Типичная диаграмма деформирования листа при испытании на срез по круговому контуру [2]

Сопротивление при испытании на срез по круговому контуру определяют по формуле

τ_ср = Р_в/πdh,                                                          (3)

где P_в– наибольшая нагрузка при испытании, Н; d – диаметр пуансона, м; h – толщина образца, м.

Испытания образцов проводят, как правило, на универсальных испытательных машинах, обеспечивающих нагружение образцов по схеме одноосного растяжения или сжатия и измерение нагрузки с погрешностью не более ±1 % от измеряемой величины.

Для металлических пластичных материалов сопротивление срезу можно определить пересчетом по формуле

τ_ср = K∙σ_в,                                                          (4)

где σ_в– прочность (предел прочности, временное сопротивление) при растяжении, МПа; K – коэффициент:0,55 – для алюминиевых сплавов;0,56 – для титановых сплавов; 0,63 –для сталей с σ_в = 800‒1200 МПа;0,70 –для сталей с σ_в ≤ 800 МПа [15].

Для композиционных авиационных материалов такая практика пересчета отсутствует. Поэтому целесообразна актуализация стандарта [6] или разработка нового стандарта с унифицированными требованиями к приспособлениям и условиям испытания.

Испытания на срез от макро- до наноуровня

Прогресс материаловедения определяют экспериментальные и теоретические исследования, базирующиеся на высокой квалификации ученых, развитых приборной и испытательной базах. Необходимость определения механических свойств малых объемов материала: тонких и сверхтонких пленок, границ раздела в композиционных материалах, поверхностей толщиной в несколько атомных слоев, отдельных структурных составляющих ‒ вызвала развитие метода инструментального индентирования, его соединение с испытанием царапанием, при котором материал деформируют и разрушают алмазным индентором [16–33, 36–42].

Разработаны прецизионные универсальные испытательные машины малых размеров с компьютерным управлением нагружением исследуемого образца и регистрацией многочисленных изучаемых параметров (рис. 7). Машины позволяют проводить «мягкое» (управление нагрузкой) и «жесткое» (управление деформацией) нагружения. При испытании определяют коэффициент трения, характеристики шероховатости поверхности, характеристики инструментального индентирования и царапания, акустическую эмиссию, а также проводят оптическую и атомно-силовую микроскопию. Каждый показатель регистрируют с высокой (несколько тысяч герц) частотой и синхронизируют между собой [43–50].

Испытания и исследования проводят по стандартам. Следует отметить тот факт, что стандартизация таких исследований пока отстает от возможностей испытательных машин малых размеров. Ограничение связано с высокой стоимостью, сложностью применения и обслуживания машин. В настоящее время универсальные испытательные машины малых размеров можно встретить в основном в исследовательских лабораториях вузов и НИИ.

Показатели среза на этих машинах пока не определяют. Причина этого ‒ отсутствие теоретических основ для выделения из показателей твердости значений срезающих касательных напряжений. В данной статье такая попытка сделана и выведены формулы для расчета напряжения среза от макро- до наноуровня.

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого упругого жесткого тела, которое при этом не получает остаточных деформаций. В зависимости от нагружаемого объема материала разделяют макро-, микро- и нанотвердость. Применяют различные способы определения твердости материала образцов и изделий для характеристики их механических свойств. На поверхность материалов воздействуют наконечниками из закаленной стали или алмаза, а также твердого сплава в форме шара, конуса, пирамиды, цилиндра с плоским дном. Величина твердости и ее размерность для одного и того же материала зависят от применяемого метода измерения. Пересчет значений твердости, определяемой разными методами, производится по таблицам и эмпирическим формулам.

Рис. 7. Схема и внешний вид прецизионной универсальной испытательной машины малых размеров с компьютерным управлением нагружением исследуемого образца [40, 50]

Считается, что твердость является характеристикой сопротивления материалов малой упругопластической деформации. Однако развитие метода инструментального индентирования позволило проследить весь деформационный путь нагружения от упругой деформации до деформации разрушения. Большой вклад в развитие метода внесли отечественные материаловеды (Е.С. Беркович, С.И. Булычев, В.П. Алехин, А.П. Терновский, М.М. Хрущев, М.Х. Шоршоров и др.) [2, 3, 46]. Метод лежит в основе международных и отечественных стандартов [16, 18–28, 36–40]. В процессе инструментального индентирования у образца появляется новая свободная поверхность в результате пластической деформации и разрушения.

При измерении твердости методом царапания происходят не только упругая и пластическая деформации испытываемого материала, но и его местное разрушение. Твердость, определенная царапанием, связана с сопротивлением материала срезу. Диаграмма сдвига на рис. 6 демонстрирует вклады упругой и пластической частей деформации в напряжение среза. Упругая деформация вносит существенный вклад (не менее 50 %) в величину напряжения среза. Остальную часть определяет процесс реализации пластической деформации. Если упрочнения не происходит, то диаграмма сдвига имеет постоянную величину нагрузки P на участке развития пластической деформации, вклад пластической деформации незначителен, поэтому им можно пренебречь. В случае пластического упрочнения этот вклад необходимо учитывать.

Классические решения задачи внедрения индентора в упругое полупространство [2, 3, 17, 33, 41] показывают наличие в упругом теле мест, в которых должно возникать очень высокое напряжение (сингулярные контакты). В реальных материалах в этих местах появляется пластическая деформация и начинается разрушение. Напряженно-деформированное состояние материала под индентором и рядом с ним ‒ объемное и зависит от формы индентора. На рис. 8 представлена схема внедрения инденторов разной формы в изотропный материал. Наиболее привлекательным индентором, при внедрении которого получают линейные зависимости на упругом участке A_c(h), P(h),S(h),p_m(h), является цилиндр с плоским дном. При появлении пластической деформации или среза на прямых A_c(h), P(h),S(h),p_m(h) должны возникнуть точки перелома. Напряжение среза можно определять по формуле

                                                            (5)

где A – постоянная материала; Рⁿ_m– значение среднего контактного давления в точке перелома на прямых при минимальном значении нагрузки P_п.

После внедрения индентора проводят процесс царапания. Фиксируют глубину внедрения h, измеряют силу вдавливания P и горизонтальную силу P_г, двигающую индентор. Можно царапать при фиксируемой или линейно возрастающей силе вдавливания P с замером глубины внедрения h и горизонтальной силы P_г [37]. На рис. 9 представлены типичные результаты испытания царапанием лакокрасочного покрытия. Микроскопия позволяет оценить и измерить следы царапания (рис. 10). Они могут быть результатом только пластической деформации, т. е. получены при вдавливании путем пластического деформирования материала без его отделения; результатом резания материала с отделением стружки или хрупкого разрушения с диспергированием и скалыванием материала. Наличие того или иного механизма царапания зависит не только от исследуемого материала, но и от величины нагрузки на индентор, формы и материала индентора, скорости нанесения царапины и др.

Рис. 8. Схема индентирования изотропного материала: I – острым конусом; II – цилиндром с плоским дном; III – сферой; а – сечение в плоскости симметрии пятна контакта; зависимости от глубины внедрения h площади контакта A_c (б); силы вдавливания P(в); контактной жесткости S (г) и среднего контактного давления p_m(д);h_c – контактная глубина [17]

Рис. 9. Результаты испытания царапанием на наноинденторе: С1 – вертикальное перемещение слегка нагруженного индентора перед началом царапания с целью определения топографии поверхности образца; С2 – вертикальное перемещение слегка нагруженного индентора по следу от царапания; С3 – вертикальное перемещение нагружаемого индентора в процессе царапания;С4 – изменение горизонтальной силы в процессе царапания; С5 – управление вертикальной силой в процессе царапания [39]

Рис. 10. Фотографии царапины без разрушения (a) и со следами разрушения на деформируемой поверхности (б) [39]

Напряжение среза следует определять при наличии механизма разрушения срезом по формуле

             τ_ср = BP^max_r/S,                                                           (6)

где B – постоянная материала;P^max_r  – максимальное значение горизонтальной силы; S– боковая контактная поверхность индентора, на которую действует сила P^max_r

Обсуждение и заключения

Обзор отечественных и зарубежных методик механических испытаний конструкционных авиационных композиционных материалов и покрытий на срез показал, что параллельно с развитием традиционных методик для испытаний металлических материалов появляются новые методики, базирующиеся на современных прецизионных универсальных испытательных машинах малых размеров с компьютерным управлением нагружением образца и регистрацией многочисленных изучаемых параметров. Машины позволяют проводить «мягкое» и «жесткое» нагружения. При испытании определяют коэффициент трения, характеристики шероховатости поверхности, инструментального индентирования и царапания, а  также акустическую эмиссию; проводят оптическую и атомно-силовую микроскопию. Каждый показатель регистрируют с высокой (несколько тысяч герц) частотой и синхронизируют между собой [40, 50].

Использование индентора в виде цилиндра с плоским дном позволяет получать линейные зависимости характеристик индентирования от глубины внедрения, что упрощает определение напряжения среза.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексного научного направления 2. «Фундаментально-ориентированные исследования, квалификация материалов, неразрушающий контроль» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).