Устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах
Владельцы патента RU 2308016:
ФГОУ ВПО "Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова" (RU)
Изобретение относится к испытательной технике. Устройство включает нагружающий механизм, измеритель перемещений, систему регулирования температуры, устройства для измерения и регистрации температуры. Нагружающий механизм выполнен в виде нагрузочного стержня, воздействующего на середину образца конструкционного материала и измеряющего прогиб образца по перемещению нагрузочного стержня относительно фиксатора. Измеритель перемещений снабжен механическим индикатором часового типа и выполнен в виде измерителя прогиба продольной оси образца, закрепленного на двух базовых призматических опорах посредством фиксатора. Технический результат: повышение точности испытаний при повышенных температурах и снижение трудоемкости и затрат на оборудование. 1 ил.
Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к устройствам для определения упругих характеристик конструкционных материалов при повышенных температурах.
Известно устройство для определения модуля упругости материалов в условиях динамического перепада температур (см. А.с. 1260721, МПК G01N 3/20), содержащее захват для крепления одного конца образца испытуемого материала, силовозбудитель, предназначенный для взаимодействия со свободным концом образца, средство нагрева и охлаждения образца и систему измерения параметров материала.
Недостатками указанного устройства являются неравномерный нагрев образца теплопроводным элементом и наличие электрозависимых компонентов в виде потенциометрических преобразователей системы измерения, что вносит существенные погрешности в измерения.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для определения модуля упругости металлических материалов при криогенных и повышенных температурах (см. А.с. 2169355, МПК G01N 3/20, 3/18), принятое за прототип, содержащее нагружающий механизм, измеритель перемещений, систему регулирования температуры и устройства для измерения и регистрации температуры образца. Нагружающий механизм устройства снабжен двумя разными по величине грузами и гидравлическим блоком их опускания и поднятия. Система регулирования температуры снабжена кварцевыми инфракрасным нагревателями, управляемыми регулятором электрического напряжения, и криогенной панелью с устройством управления охлаждением образца. Измеритель перемещений, выполненный в виде измерителя прогиба продольной оси образца, базовыми опорами и измерительным штоком, шарнирно крепится к образцу. Электрический преобразователь измерителя перемещений своим выходом соединен с входом измерительной аппаратуры. Для измерения поля температур образца на его поверхности установлены термопары.
Недостатками этого устройства являются наличие электрозависимых тензорезисторных датчиков преобразователя измерителя перемещений, вносящих неточности в измерения, необходимость наличия дорогостоящего оборудования, сложность конструкции и сложность способа измерения.
Задачей изобретения является повышение точности определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах, повышение верхней границы температурного диапазона испытаний до 900...1000°С и снижение трудоемкости процесса и затрат на испытательное оборудование.
Техническая задача достигается в устройстве для определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах, содержащем нагружающий механизм, измеритель перемещений, систему регулирования температуры, устройства для измерения и регистрации температуры, где согласно изобретению нагружающий механизм выполнен в виде нагрузочного стержня, воздействующего на середину образца, закрепленного на двух базовых призматических опорах посредством фиксатора и измеряющего прогиб образца по перемещению нагрузочного стержня относительно фиксатора, а измеритель перемещений снабжен механическим индикатором часового типа и выполнен в виде измерителя прогиба продольной оси образца.
Оригинальность изобретения заключается в том, что в отличие от прототипа в предлагаемой конструкции измеритель перемещений снабжен механическим индикатором часового типа, позволяющим повысить точность за счет исключения влияния электрозависимых компонентов, нагружающий механизм выполнен в виде нагрузочного стержня, воздействующего на середину образца, установленного на двух базовых призматических опорах, прогиб продольной оси образца измеряется по перемещению нагрузочного стержня относительно неподвижного фиксатора, а система регулирования температуры обеспечивает измерения в диапазоне 50...1000°С.
Изобретение поясняется чертежом, где показана схема устройства.
Устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах содержит нагружающий механизм 1, измеритель перемещений 2, систему регулирования температуры 3, устройства для измерения и регистрации температуры 4. Нагружающий механизм снабжен грузом (не показан), создающим необходимое усилие воздействия на образец 5. Измеритель перемещений 2 выполнен в виде измерителя прогиба продольной оси образца 5 и снабжен двумя базовыми призматическими опорами 6 и фиксатором 7 для предварительного закрепления образца. Усилие от нагружающего механизма 1 исследуемому образцу передается нагрузочным стержнем 8. Система регулирования температуры 3 снабжена муфельной печью 9. Для измерения температурного поля образца на его поверхности установлены термопары 10. Термопары соединены с устройством для измерения и регистрации температуры 4, выполненным в виде самопишущего прибора КСП-4. Измеритель перемещений 2 снабжен механическим индикатором часового типа 11.
Работа устройства осуществляется следующим образом. На призматические опоры 6 измерителя перемещений 2 устанавливают исследуемый образец 5, выполненный в виде двухопорной балки прямоугольного сечения, и закрепляют фиксатором предварительного закрепления 7, установленным в отверстии крышки муфельной печи 9. Фиксатор 7 жестко закрепляют и внутри него устанавливают нагрузочный стержень 8. Грузами нагружающего механизма 1 создают необходимое усилие, передаваемое нагрузочным стержнем 8 на образец 5. Индикатором часового типа 11, шарнирно связанным с нагрузочным стержнем 8, измеряют максимальный прогиб продольной оси образца при нормальной температуре по перемещению нагрузочного стержня 8 относительно неподвижного фиксатора 7. Системой регулирования температуры 3 ступенчато повышают до заданной температуру в нагревательной камере муфельной печи 9 с выдержкой до установления равномерного температурного поля по всему объему образца. Индикатором часового типа 11 измеряют соответствующие прогибы образца при данных температурах. Измерение температуры образца производится термопарами 10, а регистрация - самопишущим прибором КСП-4.
Таким образом, получают зависимость прогибов образца от температуры и затем расчетным путем определяют соответствующие модули упругости материала образца при данных температурах.
Известно, что максимальный прогиб симметричной балки на двух призматических опорах в точке приложения сосредоточенной силы равен:
где Y - максимальный прогиб, м;
Р - величина сосредоточенной силы, Н;
l - длина балки, м;
Е - модуль упругости материала образца, Па;
J - момент инерции сечения балки, м4, равный для прямоугольного сечения:
Тогда, с учетом (1) и (2), формула для определения модуля упругости имеет вид:
Технический результат от реализации настоящего изобретения выразится в повышении точности определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах, возможности проведения испытаний в диапазоне температур 50...1000°С при минимальных трудоемкости процесса и затратах на испытательное оборудование. Снижение затрат на испытательное оборудование достигается за счет использования в конструкции широко применяемых универсальных приборов и устройств (самопишущий прибор КСП-4, муфельная печь, индикатор часового типа), обеспечивающих высокую точность в требуемом диапазоне измерений.
Устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах, содержащее нагружающий механизм, измеритель перемещений, систему регулирования температуры, устройства для измерения и регистрации температуры, отличающееся тем, что нагружающий механизм выполнен в виде нагрузочного стержня, воздействующего на середину образца конструкционного материала и измеряющего прогиб образца по перемещению нагрузочного стержня относительно фиксатора, а измеритель перемещений снабжен механическим индикатором часового типа и выполнен в виде измерителя прогиба продольной оси образца, закрепленного на двух базовых призматических опорах посредством фиксатора.
