Способ испытаний образцов металлических мембран под напряжением и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2296976:
Институт механики и машиностроения Казанского научного центра РАН (RU)
Сущность: способ включает операции воздействия растягивающей нагрузкой и коррозионной средой на образец. Образец фиксируют на фланце нагрузочного резервуара, создают одностороннее давление рабочей средой на образец. На другую поверхность образца воздействуют коррозионной средой. Замеряют через заданные интервалы времени параметры прогиба образца под действием давления нагружения и толщину образца в центре. Вычисляют модуль упругости для образца по формуле
где ν - коэффициент Пуассона; р - давление, действующее на рабочую часть испытуемого образца; r - радиус рабочей части образца; Н - максимальный прогиб образца под действием давления нагружения; h - толщина образца в рассматриваемый момент времени; k - коэффициент учета геометрической нелинейности рассматриваемого образца. Коэффициент k берут в пределах k=25...30,6. Определяют степень коррозии δi каждого образца по формуле
где E0, Еi - соответственно исходный и текущий модули упругости образца, i - номер образца, по которому судят о степени коррозионного износа материала образца. Устройство для осуществления способа содержит емкость для агрессивной среды, средства для воздействия на образец нагрузками и регистрирующую аппаратуру. Новым в устройстве является то, что нагрузочный резервуар имеет фланец, на который установлен с образованием герметично закрытой полости образец, закрепляемый при помощи ответного фланца с отверстием определенного размера. С наружной стороны образца между испытуемым образцом и ответным фланцем установлен патрубок, образующий вместе с испытуемым образцом емкость для агрессивной среды. К резервуару подведена магистраль от источника рабочей среды, подсоединено устройство замера давления и установлен измерительный комплекс для измерения геометрических параметров образца. Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения механических характеристик образцов, подверженных коррозионному износу при воздействии нагрузок, упрощении методики проведения испытания. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности к определению коррозионной стойкости материалов для тонкостенных элементов конструкций, в частности мембран на металлической основе.
Известны способы ускоренных коррозионных испытаний материалов, заключающиеся в том, что испытываемый образец помещают в нагретый до определенный температуры трехпроцентный раствор хлористого натрия и подвергают действию циклически растягивающей нагрузки, причем нагружение производят с постоянной скоростью, равной 1-1,5 кгс/мин, выдержкой при максимальной нагрузке 50-100 мин, при минимальной - 40-80 мин и с разницей между величинами максимальной и минимальной нагрузки, равной 10-15 кгс/мм (аналог) [Авторское свидетельство СССР №597948 по М. Кл. G 01 N 17/00, опубл. 15.03.78 г., Бюл. №10].
Недостатком таких способов является испытание образца на коррозию под напряжением только при одноосном растяжении, что не охватывает все особенности поведения испытываемого образца, например, в реальных эксплуатационных условиях.
Известен также способ испытаний образцов металлических материалов под напряжением, по которому на образец испытуемого материала воздействуют растягивающей нагрузкой и коррозионной средой, при этом используют крестообразный образец, по крайней мере один луч которого выполнен из испытуемого материала, воздействие коррозионной средой осуществляют путем заполнения полостей между лучами различными жидкостями и/или газами, а растягивающую нагрузку прикладывают к лучу из испытываемого материала по крайней мере по двум осям (прототип) [Патент СССР №1777648 по М. Кл. G 01 N 17/00, опубл. 23.11.92 г., Бюл. №43].
Известный способ обладает следующими недостатками:
а) требуется использование сложного в изготовлении крестообразного образца;
б) требуется сложное устройство нагружения;
в) для образцов трудно осуществить образование поля с равномерно распределенной нагрузкой;
г) не обеспечивается высокая точность определения коррозионных характеристик образцов.
Известны приспособления для испытания пластинчатых образцов на коррозию под напряжением методом постоянной деформации при изгибе, содержащие корпус в виде скобы с опорными плоскостями для концов образца и нажимной винт, расположенный в центре скобы, причем они снабжены устройствами для прижатия концов образца к опорным плоскостям, которые повернуты в противоположные стороны вокруг установочной оси скобы по отношению к плоскости, перпендикулярной оси нажимного винта (аналог) [Авторское свидетельство СССР №355546 по М. Кл. G 01 N 17/00, G 01 N 3/22, G 01 N 3/20; опубл. 16.10.72 г., Бюл. №31].
Недостатком известных приспособлений является необходимость помещения в коррозионную среду приспособления вместе с резьбовыми соединениями, которые корродируют и влияют на точность эксперимента.
Известны приспособления для коррозионных испытаний, содержащие ампулу, размещаемую в коррозионной среде, укрепленный на его дне пассивный захват, активный захват, нагружающее устройство и измеритель деформации, при этом они снабжены промежуточными захватами, установленными последовательно по оси пассивного и активного захватов, между которыми закрепляются испытуемые образцы, и жестко закрепленными на ампуле ограничителями хода промежуточных захватов, каждый из которых установлен относительно соответствующего захвата на расстоянии, определяемом задаваемой степенью деформации каждого из испытуемых образцов (аналог) [Авторское свидетельство СССР №381972 по М. Кл. G 01 N 17/00, G 01 N 3/08; опубл. 22.05.73 г., Бюл. №22].
Недостатком указанных приспособлений является сложность и дороговизна устройства и необходимость тщательной подготовки приспособлений к испытаниям.
Известно также устройство для испытания полых эластичных образцов на многократное деформирование, содержащее камеру для агрессивной среды, установленные в камере подвижный и неподвижный захваты для закрепления торцов образца, средство создания давления в полости образца, средства для воздействия на образец статическими и циклическими нагрузками и регистрирующую аппаратуру. Средство воздействия на образец циклическими нагрузками выполнено в виде двух симметрично расположенных относительно оси захватов пуансонов, предназначенных для одновременного воздействия на образец, а рабочие торцы пуансонов выполнены плоскими со скруглениями по краям (прототип) [Авторское свидетельство СССР №1497512 по М. Кл. G 01 N 17/00, опубл. 30.07.89 г., Бюл. №28].
Известное устройство обладает следующими недостатками:
а) не позволяет проводить испытание неполых образцов;
б) не обеспечивает достаточной точности испытаний;
в) предназначено для испытания только эластичных материалов;
г) предусматривает сложную в реализации технологию испытания;
д) устройство сложно в изготовлении.
Целью (задачами) настоящего изобретения является повышение точности определения механических характеристик образцов, подверженных коррозионному износу при воздействии нагрузок, упрощение методики проведения испытания, технологии испытаний и устройства его осуществления.
Указанная цель достигается тем, что в способе испытания образцов металлических мембран под напряжением, включающем операции воздействия растягивающей нагрузкой и коррозионной средой на образец испытуемого материала, фиксируют исследуемый образец металлической мембраны на фланце нагрузочного резервуара, создают одностороннее давление рабочей средой на исследуемый образец, а на другую поверхность образца воздействуют коррозионной средой. Обычно при использовании жидкой агрессивной среды уровень жидкости устанавливают на 0,03-0,05 м выше образца, чтобы образец полностью утопал в жидкости. Замеряют через определенные интервалы времени необходимые параметры, в частности высоту подъема образовавшегося купола и толщину образца в центре образца. Используя результаты замеров, вычисляют модуль упругости для заданного интервала времени для каждого образца по формуле
где ν - коэффициент Пуассона;
р - давление, действующее на рабочую часть испытуемого образца;
r - радиус рабочей части образца;
Н - максимальный прогиб образца под действием давления нагружения (максимальная высота подъема образовавшегося купола);
h - толщина образца в рассматриваемый момент времени;
k - коэффициент учета геометрической нелинейности рассматриваемого образца.
В частности, коэффициент учета геометрической нелинейности рассматриваемого образца берут в пределах k=25...30,6; причем при прогибах до одной толщины образца принимают верхнее значение предела, при прогибах более двух толщин - нижнее. При необходимости строят зависимости высоты подъема купола по времени, модуля упругости по времени, а также график зависимости модуля упругости от высоты подъема купола для каждого исследуемого образца.
Определяют степень коррозии δi каждого образца по формуле
где E0 - модуль упругости образца в исходном состоянии до проведения испытаний;
Ei - модуль упругости рассматриваемого образца в текущий момент времени хода испытания;
i - номер образца.
По результатам вычислений составляют заключение о степени коррозионного износа материала исследуемого образца. При необходимости проводят испытание контрольной партии образцов при том же режиме нагружения, не подвергая их действию коррозионной среды, и производят сравнение характеристик испытанных образцов с характеристиками контрольной партии образцов.
В устройстве для осуществления способа, содержащем емкость для агрессивной среды, средства для воздействия на образец нагрузками и регистрирующую аппаратуру, нагрузочный резервуар имеет фланец, на посадочную площадку которого через герметизирующую прокладку установлен с образованием герметично закрытой полости испытуемый образец металлической мембраны, закрепляемый при помощи ответного фланца с отверстием определенного размера, например с круглым отверстием определенного диаметра. При необходимости с наружной стороны образца между испытуемым образцом и ответным фланцем может быть установлен патрубок с антикоррозионным покрытием или из антикоррозионного материала. Патрубок вместе с испытуемым образцом образует емкость для агрессивной среды. К резервуару подведена магистраль от источника сжатой рабочей среды для оказания одностороннего давления на образец изнутри нагрузочного резервуара и подсоединено устройство замера давления, например манометр. Устройство имеет измерительный комплекс для снятия геометрических параметров изменения текущей формы исследуемой мембраны.
На чертеже представлена схема устройства для осуществления способа.
Способ осуществляется в следующей последовательности.
Подготавливают к испытанию устройство, образцы из испытуемого материала и агрессивную (коррозионную) среду. Фиксируют исследуемый образец (металлическую мембрану) на фланце нагрузочного резервуара устройства. Создают поверхностную нагрузку на исследуемый образец путем подачи давления рабочей среды из источника рабочей среды внутрь нагрузочного резервуара, тем самым оказывают одностороннее давление на внутреннюю поверхность мембраны (мембрана при этом прогибается и образует своеобразный купол). В процессе испытания поддерживают постоянное давление внутри нагрузочного резервуара. Вносят коррозионную среду в емкость для агрессивной среды в необходимом количестве, чтобы поверхность наружной стороны образца в процессе испытания находилась в агрессивной среде независимо от степени деформации образца. Обычно при использовании жидкой агрессивной среды уровень жидкости устанавливают на 0,03-0,05 м выше образца, чтобы образец полностью утопал в жидкости (для контрольной партии образцов агрессивную среду не вносят). Наблюдают за течением процесса коррозии исследуемого образца, а именно, периодически (через заданный определенный интервал времени) замеряют геометрические параметры образца, например, прогиб и толщину образца в вершине образуемого купола (в центре рабочей части образца). При определении толщины образцов, подверженных коррозии, производят очистку поверхности от продуктов коррозии.
По полученным результатам замеров для каждого фиксированного момента времени (по истечении заданного интервала времени) производят теоретическую обработку.
При теоретической обработке используют следующую формулу для определения модуля упругости Еi для тонких мембран в геометрически нелинейной постановке:
где ν - коэффициент Пуассона;
р - давление, действующее на рабочую часть испытуемого образца;
r - радиус рабочей части образца;
Н - максимальный прогиб образца под действием давления нагружения;
h - толщина образца в рассматриваемый момент времени;
k - коэффициент учета геометрической нелинейности рассматриваемого образца.
В частности, коэффициент учета геометрической нелинейности рассматриваемого образца берут в пределах k=25...30,6; причем при прогибах до одной толщины образца принимают верхнее значение предела, при прогибах более двух толщин - нижнее.
При необходимости строят зависимости высоты подъема купола по времени, модуля упругости по времени, а также график зависимости модуля упругости от высоты подъема купола для каждого исследуемого образца.
Степень коррозии δi каждого образца определяют по формуле
где E0 - модуль упругости образца в исходном состоянии до проведения испытаний;
Ei - модуль упругости рассматриваемого образца в текущий момент времени хода испытания;
i - номер образца.
Степень коррозионного износа можно представлять в процентах. В этом случае получаемую величину δi умножают на 100%.
Составляют заключение о степени коррозионного износа материала исследуемого образца, анализируя изменение значений вычисленных модулей упругости. При необходимости проводят испытание контрольной партии образцов при том же режиме нагружения, не подвергая их действию коррозионной среды, и производят сравнение характеристик испытанных образцов с характеристиками контрольной партии образцов.
При составлении заключения по проведенным испытаниям партии образцов оценку коррозионного износа материала необходимо делать по наиболее изношенному образцу, а не по усредненным данным.
Пример 1. Производилось испытание трех образцов металлических мембран из листового железа, выдержанных в коррозионной среде под нагрузкой и подверженных разной степени коррозионного износа. Для этого материала коэффициент Пуассона принят ν=0,3. Радиус рабочей части всех образцов составлял r=0,04 м, первоначальная толщина образцов была равной h0=1·10-3 м. Давление, действующее на рабочую часть испытуемого образца, выдерживалось постоянным р=0,2 МПа (2 кг/см2). Модуль упругости образца до воздействия коррозионной среды принят равным Е0=210000 МПа. Необходимые результаты замеров и расчетов для каждого образца приведены в таблице 1.
| Таблица 1 Параметры мембран и результаты испытаний | |||
| Параметры | Номера образцов | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Толщина h выдержанных в коррозионной среде образцов (после очистки от продуктов коррозии), м | 0,95·10-3 | 0,93·10-3 | 0,92·10-3 |
| Максимальный прогиб образца под действием давления нагружения H, м | 0,94·10-3 | 0,96·10-3 | 0,98·10-3 |
| Рассчитанный модуль упругости Ei при k=30.6, МПа | 196070,6 | 188322,5 | 179465,9 |
| Степень коррозии δi | 0,066 | 0,103 | 0,145 |
Как видно из таблицы 1, наиболее изношенным образцом является образец №3, степень коррозии которого по предложенному способу составляет 0,145 или 14,5%.
Устройство для осуществления способа содержит нагрузочный резервуар 1, выполненный в виде емкости. Нагрузочный резервуар 1 имеет фланец 2, на посадочную площадку которого через герметизирующую прокладку (на чертеже не показана) установлен с образованием герметично закрытой полости испытуемый образец 3 металлической мембраны с образованием герметично закрытой полости нагрузочного резервуара 1. Первоначальное положение образца 3 на чертеже показано пунктирной линией 3'. Испытуемый образец 3 металлической мембраны закрепляется при помощи ответного фланца 4 с отверстием определенного размера. С наружной стороны испытуемого образца 3 установлен патрубок 5 с антикоррозионным покрытием или из антикоррозионного материала, закрепляемый между образцом 3 и ответным фланцем 4 при помощи крепежных элементов 6. Патрубок 5 вместе с испытуемым образцом 3 образует емкость для агрессивной среды. Обычно емкость для агрессивной среды представляет собой цилиндрический стакан с вертикальным расположением оси цилиндра и имеет круглое отверстие в месте соприкосновения с исследуемым образцом 3.
К нагрузочному резервуару 1 подведена магистраль 7 с вентилем 8 от источника 9 сжатой рабочей среды (например, сжатого воздуха) для оказания одностороннего давления на образец 3 изнутри нагрузочного резервуара 1, а также установлен клапан 10 стабилизации давления. К нагрузочному резервуару 1 трубки 11 также подсоединено измерительное устройство 12 замера давления, например манометр.
Устройство имеет измерительный комплекс 13 для снятия геометрических параметров изменения текущей формы исследуемой мембраны. В состав измерительного комплекса может быть включен, например, индикатор часового типа 14, закрепленный на кронштейне 15. Нагрузочный резервуар имеет вентиль 16 стравливания рабочей среды перед снятием образца с устройства. На чертеже условно обозначена коррозионная среда под номером 17.
Для обеспечения безопасности работы от возможного разрыва образца при его предельном износе на устройство может быть установлен защитный колпак (на чертеже не показан).
Устройство для осуществления способа работает следующим образом.
После закрепления испытуемого образца 3 на нагрузочный резервуар 1 открывается вентиль 8 и из источника рабочей среды 9 подается рабочая среда (например, воздух) с фиксированным давлением. Давление замеряется манометром 12. Рабочая среда деформирует испытуемую металлическую мембрану с образованием купола, прогиб которой замеряется измерительным комплексом 13 (в точке максимального прогиба - в центре круглого образца 3). Затем образец 3 выдерживается в агрессивной среде под действием давления рабочей среды определенный период времени, причем по истечении указанного периода времени повторно замеряется прогиб образца. Далее полученные данные обрабатываются в соответствии с описанным способом.
Предложенный способ и устройство для его осуществления позволяют определять модули упругости образцов, подверженных коррозионному износу и установить степень износа. Тем самым удается с достаточной степенью точности определить механические характеристики образцов, подверженных коррозионному износу при воздействии нагрузок. Кроме того, существенно упрощаются методика проведения испытания, технология испытания и устройство для осуществления способа.
Годовой экономический эффект ориентировочно составляет 360-690 тысяч рублей на одну установку в зависимости от интенсивности ее использования с осуществлением предложенного способа.
1. Способ испытания образцов металлических мембран под напряжением, включающий операции воздействия растягивающей нагрузкой и коррозионной средой на образец испытуемой мембраны, отличающийся тем, что фиксируют исследуемый образец металлической мембраны на фланце нагрузочного резервуара, создают одностороннее давление рабочей средой на исследуемый образец, а на другую поверхность образца воздействуют коррозионной средой, замеряют через заданные интервалы времени необходимые параметры, такие как прогиб образца под действием давления нагружения и толщину образца в центре образца, по результатам замеров вычисляют модуль упругости для заданного интервала времени для каждого образца и степень коррозии, на основе вычисленных величин составляют заключение о степени коррозионного износа материала исследуемого образца, при этом модуль упругости в текущий момент времени хода испытания каждого образца вычисляют по формуле
где Еi - модуль упругости рассматриваемого образца в текущий момент времени хода испытания;
i - номер образца;
ν - коэффициент Пуассона;
р -давление, действующее на рабочую часть испытуемого образца;
r - радиус рабочей части образца;
Н - максимальный прогиб образца под действием давления нагружения;
h - толщина образца в рассматриваемый момент времени;
k - коэффициент учета геометрической нелинейности рассматриваемого образца, причем степень коррозии δi каждого образца определяют по формуле
где E0 - модуль упругости образца в исходном состоянии до проведения испытаний.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент учета геометрической нелинейности рассматриваемого образца берут в пределах k=25-30,6, причем при прогибах до одной толщины образца принимают верхнее значение предела, при прогибах более двух толщин - нижнее.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании жидкой коррозионной среды уровень жидкости устанавливают на 0,03-0,05 м выше образца.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что строят зависимости прогиба образца под действием давления нагружения по времени, модуля упругости по времени, а также график зависимости модуля упругости от прогиба образца под действием давления нагружения для каждого исследуемого образца.
5. Устройство для осуществления способа испытания образцов металлических мембран под напряжением, содержащее емкость для коррозионной среды, средства для воздействия на образец нагрузками и регистрирующую аппаратуру, отличающееся тем, что нагрузочный резервуар имеет фланец, на который установлен с образованием герметично закрытой полости испытуемый образец, закрепляемый при помощи ответного фланца с отверстием определенного размера, а с наружной стороны образца между испытуемым образцом и ответным фланцем установлен патрубок, образующий вместе с испытуемым образцом емкость для коррозионной среды, причем к резервуару подведена магистраль от источника рабочей среды для оказания одностороннего давления на образец, а также подсоединено устройство замера давления, кроме того, установлен измерительный комплекс для измерения геометрических параметров образца.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что ответный фланец имеет круглое отверстие определенного диаметра.
7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что патрубок выполнен с антикоррозионным покрытием или из антикоррозионного материала.
