Способ дозированного нагружения поверхностных слоев образцов материалов на растяжение и сжатие и портативное переносное устройство для его реализации

Изобретение относится к области исследований свойств приповерхностных слоев материалов, находящихся под напряжением растяжения и сжатия. Оно обеспечивает доступ датчиков и измерительных устройств к поверхностям нагруженных образцов материалов для контроля физико-химических и механических свойств. Указанное достигается тем, что плоский образец исследуемого материала консольно жестко крепят в нагружающем устройстве. На образец соосно с осью нагрузки устройства устанавливают переходник с окном. Собранное таким образом устройство устанавливают на нижнюю тарель машины измерения пружин. Поднимая тарель, изгибают свободный конец образца вертикальной нагрузкой, величину которой фиксируют по циферблату машины испытания пружин. Затем, перемещая гайку через окно переходника по оси нагружения установки до упора в образец, фиксируют его нагруженное состояние, после чего разгружают машину испытания пружин, удаляют с образца переходник и снимают нагружающее устройство с образцом, нагруженным на заданную величину. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области исследования поверхностного слоя материалов и преимущественно может быть использовано при исследованиях физико-химических и механических свойств тонких приповерхностных слоев материалов, находящихся под напряжением растяжения и сжатия, а также изменений свойств материалов под нагрузкой по глубине контроля.

Известные средства нагружения материалов на растяжение и сжатие [1] громоздки и предназначены для измерений в процессе нагружения только механических характеристик металлов, сплавов и других материалов. При этом доступ к образцам материалов весьма ограничен и исключает применение каких-либо датчиков и измерительных устройств для исследований физико-химических и механических свойств поверхностных и глубинных слоев материалов, тем более в вакууме.

Целью изобретения является предложить способ и портативное переносное устройство дозированного нагружения образцов материалов на растяжение и сжатие с обеспечением при этом доступа к их нагруженной поверхности для датчиков различных измерительных устройств при исследованиях физико-химических и механических свойств тонких приповерхностных и глубинных слоев материалов в том числе в вакууме при контролируемом изменении напряженного состояния.

Данная цель достигается тем, что плоский образец из исследуемого материала консольно крепят в нагружающем устройстве, которое устанавливают в нагружающую машину, перемещают на заданную величину свободный конец образца вверх или вниз, измеряя при этом величину вертикальной нагрузки, создают на защемленном конце образца равномерно переменные напряжения сжатия или растяжения соответственно, а на нагружающем устройстве фиксируют величину перемещения свободного конца образца, после чего его совместно с нагруженным образцом демонтируют с нагружающей машины и переносят к месту исследований.

На фигуре 1 представлено нагружающее устройство для осуществления способа, где: 1 - корпус; 2 - ось нагрузки и фиксации свободного конца образца; 3 - направляющая ось (для коротких и жестких образцов может отсутствовать); 4 - штанга жесткая крепления образца; 5 - исследуемый образец; 6 - съемный переходник с окном; 7 - фиксирующая гайка (при изгибе вверх располагают под образцом). А - участок исследований под наибольшими напряжениями. L - плечо изгибающего момента от силы Р до места контроля.

На фигуре 2 представлена нагружающая машина с образцом, установленным перед нагружением вниз. В качестве нагружающей машины используется машина испытания пружин [2], где: 10 - нагружающее устройство, 5 - образец; 6 - съемный переходник с окном; 7 - фиксирующая гайка; 8 - нижняя тарель; 9 - верхняя тарель.

На фигуре 3 изображена нагружающая машина с образцом, изогнутым вниз силой Р=9 кгс, где: 10 - нагружающее устройство; 11 - циферблат считывания величины изгибающей силы Р; 12 - крюк верхней тарели, которую разворачивают на 180° при изгибах образца вверх.

Последовательность работы по предлагаемому способу. Образец исследуемого материала (фигура 1) фиксируется на жесткой штанге 4 нагружающего устройства. На образец 5 соосно с осью нагружения 2 устанавливают переходник 6 с окнами для подхода ключом к фиксирующей гайке 7. Собранное таким образом нагружающее устройство устанавливают на нижнюю тарель 8 (фигура 2) нагружающей машины, поднимают тарель 8 до соприкосновения переходника 6 с верхней тарелью 9, что фиксируют на циферблате по покачиванию стрелки около нуля. Затем, перемещая тарель 8 вверх, нагружают конец образца изгибающей силой Р_i, величину которой дозируют по показаниям стрелки на циферблате. Нагруженное состояние образца фиксируют поджатием гайки 7 (фигура 1) к образцу 5, при этом наблюдают, чтобы стрелка на циферблате не нарушила ранее заданного положения, после чего опускают нижнюю тарель 8 (фигура 2), удаляют с образца съемный переходник 6 (фигура 1), убирают с нагружающей машины нагружающее устройство (фигура 2) с нагруженным до заданной величины образцом и переносят его к месту исследований. Напряжения в поверхностном слое образца (в приведенном случае растяжения) рассчитываются по формуле: , где М_i - изгибающий момент на расстоянии L_i от оси приложения силы Р_i до точки измерений исследуемых параметров, М_i=Р_i·L_i, b и h - ширина и толщина образца прямоугольного сечения соответственно. Напряжения по сечению образца в точке, удаленной на расстояние L_i от места приложения силы Р_i, рассчитывают по формуле: , где ордината у_i - расстояние от оси образца до исследуемого сечения, - момент инерции прямоугольного образца.

Полезность способа и устройства были реализованы при измерениях изменений работы выхода электрона с поверхности образцов из различных сплавов в зависимости от их напряженного состояния, изменяемого при одноразовом нагружении (Р_i=const) за счет изменений расстояний от точки приложения силы Р_i(L_i=var). При этом была исследована степень активации адсорбционных свойств металлов в зависимости от их напряженного состояния и давления различных газовых сред [3]. Кроме того, в выбранных точках L_i при одноразовом нагружении (Р_i=const) измерялось послойное электросопротивление R_n по глубине образца (у_i) с использованием скин-эффекта (путем изменения частоты тест-сигнала) [3], что позволило построить зависимости по глубине образцов из различных сплавов, значительно сэкономив на трудовых и материальных затратах [4].

Источники информации

1. Средства испытаний на растяжение и сжатие. // В кн. Испытательная техника: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В.Клюева. Кн. 1-М.: Машиностроение, 1982, с.30-136.

2. Испытания пружин. // В кн. Испытательная техника: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В.Клюева. Кн. 1-М.: Машиностроение, 1982, с.122-130.

3. Кочаров Э.А. Экспресс-неразрушающий контроль интенсивности поверхностного пластического деформирования металлов измерением работы выхода электронов. / "Технология машиностроения", №6, 2002, с.44-50/.

4. Кочаров Э.А., Тараканов Ю.В. Способ электрического неразрушающего контроля материалов и устройства для его реализации. Патент РФ №2256906, приоритет 17.12.2002 г., опубл. 20.07.2005 г., Бюл. №20.

1. Способ дозированного нагружения поверхностных слоев образцов материалов на растяжение и сжатие, включающий консольное закрепление плоского образца и изгиб его свободного конца вверх или вниз, отличающийся тем, что образец закрепляют консольно в переносном портативном нагружающем устройстве, которое устанавливают на нижнюю тарель машины испытания пружин и изгибают свободный конец образца, перемещая тарели и наблюдая на циферблате машины испытания пружин величину нагрузки, фиксируют конец образца в изогнутом состоянии, снимают нагрузку на машине испытания пружин, после чего нагружающее устройство совместно с нагруженным образцом удаляют с машины испытания пружин.

2. Нагружающее устройство, содержащее корпус, жесткую штангу, на которой консольно крепится исследуемый образец, средства нагружения образца, циферблат, по которому фиксируют нагрузку, прикладываемую к образцу, отличающееся тем, что в состав устройства дополнительно введены ось нагружения и съемный переходник, при этом ось нагружения установлена в корпусе устройства у свободного конца образца так, что она проходит через отверстие в образце, в съемном переходнике выполнено окно и он также установлен на свободном конце образца соосно с осью нагружения, причем ось нагружения снабжена гайкой фиксации исследуемого образца в изогнутом состоянии через окно в съемном переходнике.