Устройство для испытания на сдвиг образцов материалов при низких температурах

 

Использование: в испытательной технике, для испытания на прочность при низких температурах. Сущность: устройство включает плунжерную пару, шток которой закреплен на опорной колонне, а подвижная втулка связана с механизмом нагружения и установлена вдоль оси штока с возможностью перемещения вдоль нее. В выемках на штоке и подвижной втулке размещена ячейка для образца. Дифференциальная система регистрации имеет индуктивный датчик измерения деформации, включенный дифференциально так, что его корпус при помощи силовых тяг связан со штоком и сердечник - с подвижной втулкой. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования механических свойств замороженных растворов и биологических систем.

Известны устройства для изучения механических свойств материалов при низких температурах, в которых исследуемые образцы деформируются растяжением. Деформируемый образец, закрепленный в специальных захватах, помещают в криостат испытательной машины. Захват удерживающий нижний конец образца, закреплен неподвижно на опорной колонне, а захват, удерживающий верхний конец образца, шарнирно соединен с тянущим штоком, передающим поступательное движение от редуктора к образцу.

Одним из недостатков этих устройств является то, что деформация растяжения образца измеряется при строго фиксированной температуре образца, зависящей от температуры хладагента, заполняющего криостат.

Этот недостаток устранен в известном устройстве, где при той же схеме деформационного растяжения и таком же методе укрепления образца в захватах промежуточные температуры удается получить благодаря тому, что в центральной части криостата помещены распределитель гелия и стабилизатор температуры, который окружает образец и направляет непрерывный поток распыленного жидкого гелия на образец и захваты. Управление скоростью подвода гелия осуществляется с помощью сигнала от чувствительных термопар, закрепленных на образце, и позволяет поддерживать температуру с точностью ±1 К.

Однако это устройство также не позволяет проводить испытания в режиме сканирования температуры, так как в нем не предусмотрена система компенсации инструментальных погрешностей за счет теплового расширения элементов установки. Используемый в описанных выше устройствах вид деформации имеет существенный недостаток: при растяжении образцов значительно изменяется ориентация кристаллов, которая в конечном счете приводит к множественному скольжению. Чтобы устранить этот недостаток, испытываемые образцы подвергают деформации среза или чистого сдвига. В известных устройствах, реализующих деформацию сдвига, захваты движутся навстречу друг другу в направлении, параллельном плоскостям скольжения. Этот вид деформации имеет то преимущество, что действует лишь одна система скольжения. Однако система захватов, используемая в данном устройстве, аналогична вышеописанным и может быть использована лишь для образцов, находящихся в твердофазном состоянии.

Известно устройство для изучения деформацией растяжения пластичности и прочности отвердевших газов. Образец отвердевшего газа выращивают и деформируют в одной и той же предварительно вакуумированной стеклянной ампуле. Форма и размеры нижней части камеры соответствуют форме и размерам образца для растяжения.

Недостатками данного устройства являются трудоемкость и сложность процесса кристаллизации образца и отслоение его от стенок камеры, в результате чего достоверность полученных значений будет невелика. Устройство недостаточно эффективно при изучении пластичных характеристик замороженных биосистем, так как у них высокая склонность к трещинообразованию при пластической деформации. В результате образцы, деформируемые растяжением, спонтанно разрушаются по трещинам, что приводит к очень большому разбросу экспериментальных данных.

В качестве прототипа выбрана установка для изучения ползучести кристаллов в условиях чистого сдвига при низких температурах. Основными узлами установки являются деформирующее устройство, состоящее из опорной колонны, активной и эталонной тяг, связанных с механизмом нагружения, и съемного деформационного столика подвижным и неподвижным фигурными захватами для удержания исследуемых образцов, дифференциальное устройство для измерения деформации, включающее индуктивный датчик, блок усилителей и электронный самописец, криостат и нагревательные элементы для изменения температуры.

Однако это устройство не позволяет получать достоверную информацию о механических свойствах растворов и биосистем и исследовать образцы, находящиеся в жидкофазном состоянии. Эти недостатки обусловлены тем, что в силу высокой гетерогенности растворов и биологических систем в них при охлаждении и кристаллизации возникают значительные термоупругие напряжения, приводящие к микрорастрескиванию исследуемых образцов. При приложении внешней нагрузки происходит разрушение образцов по образовавшимся трещинам, что препятствует определению истинных пластических характеристик отдельных кристаллов или сплошных блоков.

Целью изобретения является повышение точности.

Цель достигается тем, что в устройстве, включающем подвижные и неподвижные захваты, механизм нагружения, дифференциальную систему регистрации деформации образца с индуктивным датчиком измерения деформации и систему сканирования температуры, захваты выполнены в виде плунжерной пары, шток которой закреплен на неподвижной колонне, а подвижная втулка связана с механизмом нагружения и установлена вдоль оси штока с возможностью перемещения вдоль нее, в выемках на штоке и подвижной втулке размещена ячейка для образца, а индуктивный датчик измерения деформации включен дифференциально так, что его корпус при помощи силовых тяг связан со штоком, а сердечник с подвижной втулкой.

Изобретение поясняется фиг.1 3.

На фиг.1 схематически показано предлагаемое устройство; на фиг.2 узел I на фиг.1.

Устройство включает плунжерную пару, состоящую из неподвижно закрепленного на опорной колонне 1 плунжерного штока 2, внутренней 3, подвижной 4 и внешней 5 плунжерных втулок. Внутренняя втулка 3 с помощью гайки 6 и распорного фторопластового кольца 7 неподвижно фиксируется относительно плунжерного штока 2. Подвижная втулка 4 с помощью прижимного фонаря 8 и фиксатора 9 мембраны крепится неподвижно относительно внешней втулки 5. Прижимной фонарь 8 с помощью силовой тяги 10 связан с механизмом 11 нагружения, который обеспечивает вертикальное перемещение втулок 4 и 5 относительно штока 2 и втулки 3 и служит для приложения внешней нагрузки F к исследуемому образцу. Для ограничения соскальзывания втулок 4 и 5 вниз в момент сборки устройства предусмотрен упор 12, который крепится фиксатором 13 для предотвращения проворачивания втулки 5 относительно штока 2 при фиксировании в ней втулки 4 с помощью прижимного фонаря 8. Для изучения охлаждаемых клеточных суспензий и растворов имеется специальная ячейка 14, в которой предусмотрены две тонкие резиновые ограничительные мембраны 15 и 16. Мембрана 15 крепится на втулке 4 при помощи фиксатора 9 мембраны, а мембрана 16 на тонком металлическом каркасе 17 при помощи фиксатора 18 мембраны. На плунжерном штоке 2 мембрана 16 фиксируется распорным кольцом 7, Исследуемый жидкофазный образец заливается в образованную мембраной 16, распорным кольцом 7 и каркасом 17 ячейку 14 до верхнего края распорного кольца 7. Для удаления излишков раствора, образующегося при его кристаллизации, в каркасе 17 предусмотрены технологические отверстия 19. Температура образца измеряется термометром 20 сопротивления и изменяется с помощью нагревателя 21 и криогенной жидкости 22, омывающей корпус камеры, в которой расположено устройство. Для контроля температурного режима чувствительный элемент термометра 20 сопротивления устанавливается в непосредственной близости от исследуемого образца, для чего в плунжерном штоке 2 вдоль его оси выполнено отверстие 23. Программа охлаждения или нагрева образца при этом задается и контролируется с помощью автоматического регулятора-стабилизатора 24 температуры.

Измерение деформации замороженного образца осуществляется с помощью дифференциально включенного индуктивного датчика 25 линейных перемещений. Корпус этого датчика с помощью кронштейна 26 связан с силовой тягой 10, а его сердечник с помощью кронштейна 27 с эталонной тягой 28. Приложение нагрузки F к этой тяге производится с помощью дополнительной и независимой ступени общего механизма 11 нагружения. Сигнал от датчика 25 перемещений подается на двухкоординатный графопостроитель 29. При регистрации деформационных кривых σ=σ(ε), где σ приложенное к образцу внешнее сдвиговое напряжение, на вторую координату этого графопостроителя подается сигнал от тензодатчиков, укрепленных на динамометре 30, связанном с механизмом 11 нагружения. При регистрации термопластических кривых ε=ε (Т), где Т температура исследуемого образца, на вторую координату графопостроителя 29 подается сигнал от датчика температуры.

Устройство работает следующим образом.

Сначала собирается ячейка 14 для размещения образца. Для этого на подвижную втулку 4 натягивается резиновая мембрана 15 и закрепляется на ней при помощи фиксатора 9 мембраны. На тонкий металлический каркас 17 натягивается резиновая мембрана 16 и закрепляется на нем при помощи фиксатора 18 мембраны. На плунжерном штоке 2 фиксаторами 13 крепится упор 12, на котором сверху устанавливается внешняя плунжерная втулка 5. Во внутреннюю полость внешней втулки 5 вставляется металлический каркас 17 с укрепленной на нем резиновой мембраной 16, которая фиксируется на выступах плунжерного штока 2 распорным фторопластовым кольцом 7. В образованную мембраной 16, распорным кольцом 7 и металлическим каркасом 17 форму заливают исследуемый жидкофазный образец до верхнего края распорного кольца 7. Сверху надевают подвижную втулку 4 с резиновой мембраной 15 так, чтобы мембрана 15 лежала на поверхности исследуемого образца. На неподвижный шток 2 надевают внутреннюю втулку 3 и располагают ее внутри подвижной втулки 4. Сверху внутренняя втулка 3 крепится неподвижно относительно штока 2 с помощью гайки 6. Затем нижний конец штока 2 вставляется в отверстие в нижней части опорной колонны 1 и крепится в ней неподвижно при помощи гайки. Верхний конец штока 2 при помощи накидной гайки соединяется с эталонной тягой 28, которая через кронштейн 27 связана с сердечником датчика 25 линейных перемещений. Внешняя втулка 5 соединяется через прижимной фонарь 8 и силовую тягу 10 с механизмом 11 нагружения для приложения в дальнейшем к исследуемому образцу внешней нагрузки. Силовая тяга 10 через кронштейн 26 связана с корпусом датчика 25 линейных перемещений.

Собранное таким образом устройство помещается в камеру, омываемую криогенной жидкостью 22. Выводы термометра 20 сопротивления и нагревателя 21 подключаются к автоматическому регулятору-стабилизатору 24 температуры, и образец начинает охлаждаться по заданной программе до установленной конечной температуры (обычно до температуры жидкого азота -196^оС) с последующей стабилизацией температуры в течение 10 мин. Затем к исследуемому образцу при помощи механизма 11 нагружения прикладывается внешняя деформирующая нагрузка F. Величина деформирующей нагрузки F выбирается такой, чтобы, с одной стороны, не вызывать пластической деформации образца при конечной температуре охлаждения, а с другой, обеспечить оптимальную разность в скорости пластического течения образца при происходящих в нем фазовых переходах.

Одновременно от дополнительной и независимой ступени общего механизма 11 нагружения прикладывается внешняя нагрузка F к эталонной тяге.

После приложения внешних нагрузок осуществляется отогрев исследуемого образца по заданной программе, обеспечиваемой автоматическим регулятором- стабилизатором 24 температуры, с одновременной регистрацией на двухкоординатном графопостроителе 29 термопластической кривой исследуемого образца в координатах ε=ε (Т) при постоянной внешней нагрузке F const, где ε величина деформации исследуемого образца; Т температура исследуемого образца.

Типичная термопластическая кривая ε=ε (Т) (кривая 2), полученная в режиме отогрева замороженного раствора глицерина доэвтектической концентрации, представлена на фиг.3. Для сравнения представлена термограмма процесса расстеклования того же раствора глицерина (кривая 1), полученная с помощью сканирующего калориметра. Из анализа приведенных графиков видны преимущества термопластических кривых перед термограммами. Термопластические кривые позволяют определять не только температуру расстеклования раствора, но и проследить кинетику процесса расстеклования и всех остальных процессов, происходящих в образце при температурах выше температуры расстеклования (например, докристаллизации).

При исследовании плотных биологических тканей или полимерных материалов резиновые мембраны 15 и 16, каркас 17, распорное кольцо 7, фиксаторы 9 и 18 мембраны удаляются. В этом случае втулки 3 и 4 прижимаются непосредственно к исследуемому материалу, который фиксируется между втулкой 3 и плунжерным штоком 2 с одной стороны плоскости сдвига Х-Х и втулками 4 и 5 с другой стороны этой плоскости.

Преимущество предлагаемого устройства заключается в возможности исследовать механические характеристики материалов, изначально находящихся в жидкофазных состояниях и имеющих относительно низкие температуры кристаллизации или стеклования. Оно позволяет получать объективную информацию о пластических свойствах материалов, склонных к растрескиванию в процессе охлаждения или нагрева. Это связано с тем, что зазор между деформируемыми ножами в устройстве можно уменьшать до значений в несколько микрон, т.е. до величины, заведомо меньшей размера отдельных кристаллитов. В результате пластическая деформация всего образца возможна только при деформации каждого отдельного кристаллита, находящегося в зоне сдвига. В этом случае отдельные микротрещины не влияют на регистрируемые значения упругопластических характеристик кристаллитов, что резко снижает погрешность измерений и повышает достоверность информации о фазовых и структурных состояниях исследуемых замороженных растворов и биосистем.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА СДВИГ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ, содержащее криостат, размещенные в нем подвижный и неподвижный захваты для образца и соответствующие им полую активную и размещенную коаксиально ей эталонную тяги, средства измерения деформации и средства измерения и изменения температуры, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, подвижный захват выполнен в виде связанной с активной тягой втулки с уступом для размещения образца и коаксиальной ей цилиндрической проставки, один конец которой предназначен для контакта с образцом, а другой - с активной тягой, а неподвижный захват выполнен в виде цилиндра с выступом на торце, расположенным в одной плоскости с уступом активного захвата, и установленной коаксиально первой второй проставки, один торец которой предназначен для взаимодействия с образцом, а другой - для контакта с пассивной тягой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью исследования образцов в жидкофазном состоянии, оно снабжено герметичной ячейкой, размещенной между уступами захватов и соответствующими торцами проставок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3