Устройство и способ для испытания образцов материалов на растяжение
Владельцы патента RU 2251676:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Уралвагонзавод" им. Ф.Э. Дзержинского (RU)
Изобретение относится к испытательной технике. Устройство для испытания образцов материалов на растяжение состоит из элемента повышенной жесткости системы нагружения зоны локализации деформации, внутри которого расположены самоцентрирующиеся захваты с резьбой для крепления образца и системы сбора и обработки информации. Система сбора и обработки информации содержит мессдозу, а элемент повышенной жесткости системы нагружения выполнен в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, установленного между упорами на захватах (внутри и снаружи кольца). Устройство выполнено переносным. Сущность способа испытания образцов материалов на растяжение: образец растягивают монотонно возрастающим усилием до разрушения. Усилие монотонно снижают до достижения нуля в момент совпадения величины деформации образца с максимально возможной остаточной деформацией материала и фиксируют деформацию в процессе растяжения с построением полной диаграммы деформирования. Построение полной диаграммы деформирования осуществляется при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается, обеспечивая равновесное деформирование образца на стадии разупрочнения, а предварительно поджатая мессдоза в системе сбора и обработки информации, растягиваясь, фиксирует изменение силы растяжения, прикладываемой к образцу. Технический результат: повышение достоверности испытаний. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.
Испытания материалов с построением полностью равновесных диаграмм деформирования имеют большую информативность по сравнению со стандартными испытаниями. Они дают логически завершенное представление о сопротивлении материала деформированию, в полной мере отражая происходящие в нем физические процессы, вскрывая резерв несущей способности. Испытания показывают, что предельное состояние разрушения материала определяется как собственно его свойствами, так и условиями нагружения, в чем нетрудно убедиться, испытывая образцы с разной степенью структурной неоднородности и разной длины. Модуль спада, определяющий крутизну падающей ветви полной диаграммы деформирования, как известно, тесно коррелирует с трещиностойкостью материала. Проводя периодические разгрузки, можно найти дефект модуля упругости, определяющий степень деструкции (разрыхления) материала, и т.д.
Изобретения относятся к испытательной технике, преимущественно к статическим испытаниям материалов на растяжение во всем диапазоне деформирования, и могут быть использованы для изучения реологически неустойчивого состояния материала (зоны разупрочнения) при растяжении.
Известна установка для определения механических свойств материала на стадии разупрочнения (Миронов В.И., Микушин В.И., Владимиров А.П. и др.// Завод. Лаборатория, 2001, т. 67, №3. - с.48-51). Она содержит неподвижные и подвижные платформы, направляющие стержни, скрепляющие стержни, элемент повышенной жесткости системы нагружения непосредственно в зоне образца, состоящий из двух горизонтальных упругих балок и двух вертикальных стержней, внутри которого расположены самоцентрирующиеся захваты с резьбой для крепления образца, полый дюралюминиевый стержень или динамометр ДОСМ-3-1, нажимной винт, червячный редуктор, на нижнем захвате наклеен тензометрический мост, систему сбора и обработки информации. Эта установка наиболее близка по технической сути к предлагаемому устройству и выбрана в качестве прототипа.
К недостаткам известной установки относятся:
1. Применение устройства повышенной жесткости возможно только вместе с установкой из-за того, что оно является составляющей частью установки, не позволяющей производить нагружение с помощью другого испытательного оборудования на растяжение и тем более прессов, работающих на сжатие.
2. Перекос образца из-за неодновременного включения параллельных тяг, затрудняющий обеспечение одноосного растяжения образца.
3. Малый диапазон деформаций при включенных тягах из-за небольшой упругой деформации тяг в направлении оси растяжения, не обеспечивающий равновесное деформирование образца из достаточно пластичного материала.
Известен способ испытания образцов материалов на растяжение (пат. РФ №4034709/25-28, класс G 01 N 3/08, опубл. 23.02.88, Бюл. №7), при котором образец растягивают монотонно возрастающим усилием до разрушения, после достижения на образце деформации, соответствующей пределу прочности материала, усилие на нем монотонно снижают до достижения нуля в момент совпадения величины деформации образца с максимально возможной остаточной деформацией материала и фиксируют деформацию в процессе растяжения с построением полной диаграммы деформирования
Недостатки такого способа:
1. Необходимость замены разгружающего механизма при испытаниях образцов из различных материалов, т.к. в противном случае построение полной диаграммы деформирования не удастся из-за несоответствия жесткости разгружающего механизма с характеристиками: деформация, соответствующая пределу прочности материала; максимальное суммарное усилие на образец; максимально возможная остаточная деформация материала.
2. Деформирование в зоне разупрочнения происходит монотонно снижающейся нагрузкой, из-за чего стандартный образец может разрушиться в любой момент, т.к. для построения полной диаграммы деформирования растяжение образца в зоне разупрочнения должно быть квазистатическим (бесконечно медленным).
3. Требуется создать в системе нагружения большое растягивающее усилие из-за применения стандартных образцов и дополнительного разгружающего механизма, не позволяющее при испытаниях применять менее мощные и габаритные испытательные установки и прессы.
Предлагаемыми изобретениями решается задача: изучение процесса разрушения путем обеспечения равновесного деформирования материала в зоне реологической неустойчивости (разупрочнения) более простым способом, чем известный. При этом достигается следующий технический результат: построение полной диаграммы деформирования с помощью жесткой системы нагружения зоны локализации деформации.
Для получения такого технического результата в предлагаемом устройстве для испытания образцов материалов на растяжение, содержащем элемент повышенной жесткости системы нагружения зоны локализации деформации, внутри которого расположены самоцентрирующиеся захваты с резьбой для крепления образца, систему сбора и обработки информации, которая содержит мессдозу, элемент повышенной жесткости системы нагружения выполнен в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, установленного между упорами на захватах (внутри и снаружи), при этом устройство выполнено переносным.
Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что система сбора и обработки информации содержит мессдозу, а элемент повышенной жесткости системы нагружения выполнен в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, установленного между упорами на захватах (внутри и снаружи), при этом устройство выполнено переносным.
При этом значительно упрощается конструкция, т.к. отсутствует оригинальная установка для нагружения образца; создается возможность производить нагружение с помощью любого испытательного оборудования на растяжение, а также прессов, работающих на сжатие. Элемент повышенной жесткости системы нагружения образца выполнен в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, что обеспечивает одноосное растяжение образца и приводит к повышению качества испытаний и снижению трудоемкости при изготовлении, а также при проведении испытаний. Увеличивается диапазон деформаций в направлении оси растяжения за счет применения элемента повышенной жесткости в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, что обеспечивает равновесное деформирование образца из достаточно пластичного материала.
Для достижения названного технического результата предлагается способ испытания образцов материалов на растяжение, который, как и наиболее близкий к нему известный, включает то, что образец растягивают монотонно возрастающим усилием до разрушения, усилие монотонно снижают до достижения нуля в момент совпадения величины деформации образца с максимально возможной остаточной деформацией материала и фиксируют деформацию в процессе растяжения с построением полной диаграммы деформирования, но построение полной диаграммы деформирования осуществляется при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается.
Отличительными признаками предлагаемого способа является то, что построение полной диаграммы деформирования осуществляется при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается.
Это обеспечивает устойчивое квазистатическое деформирование образцов из различных материалов с построением полной диаграммы деформирования из-за достаточно большой жесткости элемента повышенной жесткости системы нагружения зоны локализации деформации. Создается небольшое растягивающее усилие в системе нагружения из-за применения однократных микрообразцов, что приводит к применению менее мощного и габаритного испытательного оборудования на растяжение, а также прессов, работающих на сжатие.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - устройство для испытания образцов материалов на растяжение с помощью испытательного оборудования на растяжение;
на фиг.2 - устройство для испытания образцов материалов на растяжение с помощью прессов, работающих на сжатие;
на фиг.3 - способ испытания на растяжение.
Устройство состоит из самоцентрирующихся цилиндрических захватов (фиг.1) поз. 1, 2, в которые вкручивается однократный микрообразец поз.3. Захваты поз. 1, 2 расположены внутри кольца поз.4, выполненного из пружинной стали, на один из захватов устанавливается мессдоза поз. 5 для измерения усилия на образце, предварительно поджатая гайкой поз.6 к буртику поз.7 цилиндрического захвата. На захват поз.2 устанавливается шайба поз.8 и поджимается гайкой поз.9. В первом исполнении (фиг.1) устройство имеет захваты поз. 10, 11 для разрывной испытательной машины, фиксируемые с захватами для крепления образца штырями поз. 12. Удлинение образца измеряется тензометром вилочного типа. При проведении испытаний на прессе захваты поз. 10, 11 снимаются, на концы захватов поз. 1, 2 для крепления образца накручиваются гайки поз. 13, 14 (фиг.2) с шайбами поз. 15, 16.
Принцип работы кольцевого нагружающего устройства заключается в следующем.
В первом варианте исполнения при приложении растягивающего усилия Q через захваты поз. 10, 11 (фиг.1) происходит деформирование кольца поз.4, а параллельно с ним и образца поз.3. При растяжении предварительно поджатая мессдоза поз.5 фиксирует с помощью специальной аппаратуры изменение силы растяжения, прикладываемой к образцу. Во втором варианте исполнения испытания проводятся на прессе путем приложения сжимающего усилия Р к упругому кольцу поз.4 (фиг.2) перпендикулярно направлению растяжения образца. В остальном принцип работы и система измерения данных те же, что и в первом варианте.
Предлагаемый способ испытания образцов материалов на растяжение осуществляется следующим образом.
Для более устойчивого протекания квазистатического деформирования образца с построением полной диаграммы деформирования, а также увеличения жесткости и создания небольших растягивающих усилий в системе нагружения, построение полной диаграммы деформирования следует осуществлять при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается.
Пример. Требуется изучить процесс разрушения путем равновесного деформирования материала (по предлагаемому устройству) в зоне реологической неустойчивости. Если образец растягивать монотонно возрастающим усилием до разрушения и фиксировать деформации в процессе растяжения, после достижения на образце деформации, соответствующей пределу прочности материала, усилие на нем монотонно снижать до достижения нуля в момент совпадения величины деформации образца с максимально возможной остаточной деформацией материала, то для достижения результата понадобится по табличным данным или стандартным испытаниям материала определить: деформацию, соответствующую пределу прочности материала Δlu, максимальное суммарное усилие на образец Δlr, максимально возможную остаточную деформацию материала Fтах; выбрать жесткость разгружающего механизма, произвести растяжение стандартного образца монотонно возрастающим усилием, после достижения на образце деформации Δlu (и соответственно усилия Fmax) включается в работу разгружающий механизм, который создает в образце усилие S, монотонно возрастающее по мере дальнейшего деформирования образца, а суммарное усилие F на образец уменьшается, т.к. F=Q-S. В момент достижение на образце деформации Δlr наступает разрушение образца, а усилие F на нем уменьшается до нуля. По полученным данным строится полная диаграмма напряжение - деформация вплоть до полного его разрушения.
По предлагаемому способу построение полной диаграммы деформирования следует осуществлять при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается, т.е. обеспечивается устойчивое протекание квазистатического деформирования образца с построением полной диаграммы деформирования, а также увеличивается жесткость системы нагружения.
Из всего вышеописанного следует, что задача изучения процесса разрушения путем обеспечения равновесного деформирования материала в зоне реологической неустойчивости (разупрочнения) решена. При этом значительно упростилась конструкция устройства, повысилось качество испытаний и снизилась трудоемкость при изготовлении, а также при проведении испытаний обеспечивается равновесное деформирование образца из достаточно пластичного материала, следовательно, существует возможность изучения процесса разрушения и обеспечивается равновесное деформирование образца в зоне реологической неустойчивости.
Предлагаемые изобретения просты, надежны, экономичны, пригодны для широкого использования в испытательной технике.
1. Устройство для испытания образцов материалов на растяжение, содержащее элемент повышенной жесткости системы нагружения зоны локализации деформации, внутри которого расположены самоцентрирующиеся захваты с резьбой для крепления образца, систему сбора и обработки информации, отличающееся тем, что система сбора и обработки информации содержит мессдозу, а элемент повышенной жесткости системы нагружения выполнен в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, установленного между упорами на захватах (внутри и снаружи кольца), при этом устройство выполнено переносным.
2. Способ испытания образцов материалов на растяжение, заключающийся в том, что образец растягивают монотонно возрастающим усилием до разрушения, усилие монотонно снижают до достижения нуля в момент совпадения величины деформации образца с максимально возможной остаточной деформацией материала и фиксируют деформацию в процессе растяжения с построением полной диаграммы деформирования, отличающийся тем, что построение полной диаграммы деформирования осуществляется при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается, обеспечивая равновесное деформирование образца на стадии разупрочнения, а предварительно поджатая мессдоза в системе сбора и обработки информации, растягиваясь, фиксирует изменение силы растяжения, прикладываемой к образцу.
