Способ и устройство для определения твердости и модуля упругости полимерных материалов



Способ и устройство для определения твердости и модуля упругости полимерных материалов
Способ и устройство для определения твердости и модуля упругости полимерных материалов

 


Владельцы патента RU 2438114:

Открытое акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" (RU)

Настоящее изобретение относится к области испытательной техники. Сущность: наносят удар жестким индентором с заданной кинетической энергией по испытуемым объектам, получают зависимости текущей контактной силы от глубины вдавливания. Определяют образец с наименьшей контактной силой, выбирают значение контактного усилия, равного 1/3 от максимального значения усилия при ударе. Определяют значения остаточной глубины отпечатка, образующейся после окончания удара, и значения глубины вдавливания индентора на активной и пассивной стадиях удара, соответствующих выбранному значению контактной силы. О твердости судят по отношению значения контактной силы к разности глубин на пассивной и активной стадиях удара. О модуле упругости судят по отношению контактной силы к разности остаточной глубины отпечатка и глубины вдавливания на пассивной стадии удара. Устройство содержит корпус, основной поворотный рычаг, на конце которого закреплен индентор с вмонтированным основным постоянным магнитом, катушку индуктивности, охватывающую основной постоянный магнит, прикрепленную к корпусу и взаимодействующую с полем основного постоянного магнита, соединенную с вычислительным блоком и блоком индикации. В плоскости вращения основного поворотного рычага расположен дополнительный поворотный рычаг с дополнительным постоянным магнитом, намагниченный противоположно основному постоянному магниту, над основным поворотным рычагом помещен прикрепленный к корпусу ограничитель угла поворота. Технический результат: создание способа и устройства, позволяющих более точно оценить твердость и модуль упругости полимера. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к определению физико-механических характеристик твердых полимеров, в частности фторопласта, и может быть использовано для контроля непосредственно изделий без их разрушения. Предшествующий уровень техники

Известен способ определения твердости металлических изделий (патент Великобритании №1485218, МКИ G01N 3/52, «Способ определения материалов на твердость и устройство для его осуществления»). Способ заключается в нанесении удара жестким индентером по испытуемому объекту, измерении скорости отскока и скорости падения, по отношению которых судят о твердости материала. Однако этот способ не может быть применен для определения твердости пластиков или твердых полимеров ввиду сильной зависимости результатов измерений от модуля упругости полимеров, величина которого не является постоянной величиной как, например, для стали, а сильно зависит от технологических режимов изготовления.

Наиболее близким способом к заявляемому изобретению является способ определения твердости и модуля упругости путем использования непрерывной диаграммы вдавливания в процессе удара в виде зависимости контактной силы от глубины вдавливания, определения на диаграмме максимальных значений силы и глубины внедрения, и по отношению определяется твердость, а по углу наклона кривой разгрузки определяют модуль упругости (Рудницкий В.А., Дякович В.В. «Оценка модуля упругости металлических материалов методом динамического вдавливания индентора», Заводская лаборатория (диагностика материалов), 1995 г. №11, с.59-61). Недостатком этого способа является низкая точность определения твердости при контроле полимеров из-за сильного влияния упругой деформации на результат измерения твердости. Кроме того, точность определения модуля упругости снижается из-за неопределенности в регистрации начального участка кривой разгрузки.

Устройство для определения твердости по патенту Великобритании №1485218 содержит индентор с вмонтированным постоянным магнитом, который разгоняется за счет действия сжатой пружины в направляющей втулке. Устройство снабжено катушкой индуктивности, соединенной с блоком обработки и блоком индикации. Недостатком устройства является невысокая точность измерения из-за неизбежного отклонения индентора от направления, задаваемая направляющей втулкой, и касания им стенок втулки во время его свободного движения, особенно при испытании наклонно расположенных изделий.

Прототипом изобретения является устройство (А.с. СССР №1138696, МКИ G01N 3/48 «Прибор для определения твердости материалов», опубл. 1985 г., бюл. №5), содержит индентор с вмонтированным постоянным магнитом, закрепленный на конце поворотного рычага, катушку индуктивности, прикрепленную к корпусу, охватывающую постоянный магнит и электрически связанную с блоками обработки и индикации. Недостатком прибора является невозможность контролировать изделия, расположенные произвольным образом в пространстве, поскольку разгон осуществляется под действием силы тяжести.

Другим недостатком прототипа является достаточно сложная конструкция привода, предназначенного для подъема индентора (включает пружинный двигатель, шестеренчатый редуктор и рычажную систему).

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, позволяющих более точно оценить твердость полимера как функцию только пластической деформации, а модуль упругости полимера - как функцию только упругой деформации.

Эта задача решена за счет того, что в способе определения твердости и модуля упругости удар наносят жестким индентором с заданной кинетической энергией по испытуемым объектам, подлежащим контролю, получают зависимости текущей контактной силы Р от глубины вдавливания α, при этом по зависимости Р(α) определяют образец с наименьшей контактной силой, выбирают значение контактного усилия, равного 1/3 от максимального значения усилия при ударе Рв=1/3Рмакс, для произвольного образца по зависимости Р(α) определяют значения остаточной глубины отпечатка αост, образующейся после окончания удара, и значения глубины вдавливания индентора на активной α1 и пассивной α2 стадиях удара, соответствующих выбранному значению контактной силы Pв, и о твердости судят по отношению значения Pв к разности глубин (α12), а о модуле упругости судят по отношению контактной силы Pв к разности остаточной глубины отпечатка и глубины вдавливания на пассивной стадии удара (αост2).

Другая задача решена за счет того, что в устройстве определения твердости и модуля упругости, включающем корпус, основной поворотный рычаг, на конце которого закреплен индентор с вмонтированным основным постоянным магнитом, катушку индуктивности, охватывающую основной постоянный магнит, прикрепленную к корпусу и взаимодействующую с полем основного постоянного магнита, соединенную с вычислительным блоком и блоком индикации, при этом в плоскости вращения основного поворотного рычага расположен дополнительный поворотный рычаг с дополнительным постоянным магнитом, намагниченный противоположно основному постоянному магниту, над основным поворотным рычагом помещен прикрепленный к корпусу ограничитель угла поворота.

Технический результат состоит в обеспечении возможности с высокой точностью измерять свойства объектов, различным образом ориентированных в пространстве, а именно - определение твердости и модуля упругости.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема устройства для определения твердости и модуля упругости.

На фиг.2 представлена зависимость контактной силы Р от глубины вдавливания α.

На фиг.1 представлена схема устройства для определения твердости и модуля упругости, включающая индентор 1, с вмонтированным основным постоянным магнитом 2, закрепленный на свободном конце основного поворотного рычага 3, максимальный угол поворота которого ограничивается ограничителем 4. Индуктивная катушка 5, охватывающая основной постоянный магнит 2, неподвижно закреплена на корпусе 6 устройства и соединена с вычислительным блоком 7 и блоком индикации 8, дополнительный поворотный рычаг 9 содержит дополнительный постоянный магнит 10, поле которого направлено противоположно основному постоянному магниту 2. Испытуемый полимерный материал обозначен позицией 11.

На фиг.2 представлена зависимость контактной силы Р от глубины вдавливания α. Активная стадия удара ОА представляет стадию нагружения, а АВ - стадию разгрузки или пассивную стадию удара. Выбранной величине контактной силы Pв соответствуют значения глубины вдавливания α1 на активной стадии удара и α2 на пассивной стадии удара; αост обозначает остаточную деформацию или глубину вдавливания непосредственно после окончания удара.

Работа устройства

Предлагаемый способ поясняется работой устройства. Нажимают на свободный конец дополнительного поворотного рычага 9 (фиг.1), поднимая при этом дополнительный постоянный магнит 10. Поле дополнительного постоянного магнита 10 взаимодействует с полем основного постоянного магнита 2 и поворачивает основной поворотный рычаг 3, поднимая при этом индентор 1 до момента его касания упора 4. Продолжая нажим на дополнительный поворотный рычаг 9, дополнительный постоянный магнит 10 проходит нейтральное положение, после чего основной постоянный магнит 2 попадает в зону сильного отталкивания от дополнительного постоянного магнита 10, направленное вниз. Под действием этой силы индектор 1 ускоряется и ударяет по испытуемому образцу 11. Во время движения индектора 1 с постоянным магнитом 2 в индуктивной катушке 5 наводится сигнал пропорциональной скорости индектора. После калибровки сигнала и проведение операций дифференцирования и интегрирования в вычислительном блоке 7 производится обработка сигнала, в результате чего 4 получаем зависимость контактной силы Р от глубины внедрения α. Выбирают значение контактной силы Pв для чего производят измерения на объектах, подлежащих контролю, определяют образец с наименьшим значением максимальной контактной силы Pмакс и находят Рв=1/3 Pмакс (для нашего случая Рв=20Н) и теперь по зависимости Р(α) для произвольного образца находим значения α1=54 мкм, и α2=111 мкм (фиг.2), кроме этого из зависимости Р(α) мы определяем остаточную деформацию αocт=77 мкм.

Теперь с помощью значений Р, α1, α2 и αост определим твердость по формуле

где D - диаметр сферического наконечника индентора, в нашем случае D=1 мм, а модуль упругости определяем по формуле

µ - коэффициент Пуассона (для твердых полимеров µ=0,4)

Промышленное применение

Предлагаемые способ и устройство позволяют с высокой точностью определять твердость и модуль упругости, отстраиваясь от их взаимного влияния, в изделиях из твердых полимерных материалов, произвольным образом ориентированных в пространстве.

1. Способ определения твердости и модуля упругости, согласно которому наносят удар жестким индентором с заданной кинетической энергией по испытуемым объектам, подлежащим контролю, получают зависимости текущей контактной силы Р от глубины вдавливания α, отличающийся тем, что по зависимости Р(α) определяют образец с наименьшей контактной силой, выбирают значение контактного усилия, равного 1/3 от максимального значения усилия при ударе Рв=1/3Рмакс, для произвольного образца по зависимости Р(α) определяют значения остаточной глубины отпечатка αост, образующейся после окончания удара, и значения глубины вдавливания индентора на активной α1 и пассивной α2 стадиях удара, соответствующих выбранному значению контактной силы Рв, и о твердости судят по отношению значения Рв к разности глубин (α21), а о модуле упругости судят по отношению контактной силы Рв к разности остаточной глубины отпечатка и глубины вдавливания на пассивной стадии удара (αост2).

2. Устройство определения твердости и модуля упругости, включающее корпус, основной поворотный рычаг, на конце которого закреплен индентор с вмонтированным основным постоянным магнитом, катушку индуктивности, охватывающую основной постоянный магнит, прикрепленную к корпусу и взаимодействующую с полем основного постоянного магнита, соединенную с вычислительным блоком и блоком индикации, отличающееся тем, что в плоскости вращения основного поворотного рычага расположен дополнительный поворотный рычаг с дополнительным постоянным магнитом, намагниченный противоположно основному постоянному магниту, над основным поворотным рычагом помещен прикрепленный к корпусу ограничитель угла поворота.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам. .

Изобретение относится к контролю прочности и изучению механических свойств материалов и может быть использовано для оценки качества лезвийного инструмента. .

Изобретение относится к методам испытания материалов, в частности к способам определения их твердости. .

Изобретение относится к металлообработке. .

Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано при оценке качества заточенного лезвийного инструмента. .

Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано при оценке качества заточенного лезвийного инструмента. .

Изобретение относится к средствам определения физико-механических свойств эластомеров, в том числе и резин, в условиях динамического (ударного) нагружения. .

Изобретение относится к области определения характеристик материалов при ударном нагружении, в частности к способам определения динамической твердости материалов при ударном контактном нагружении.

Изобретение относится к методикам измерения твердости материалов. .

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в педиатрии и детской кардиоревматологии

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при возведении бетонных фундаментов, каналов и других сооружений, возводимых для целей охраны государственной границы, а также в строительной, горной и гидротехнической промышленности при выполнении контроля прочности массивов, возводимых из твердеющих материалов, а также массивов горных пород
Изобретение относится к экологии, в частности к области защиты окружающей среды

Изобретение относится к способам определения модуля упругости материала и может быть использовано при решении целого ряда практических и теоретических задач, для выполнения которых необходима информация об упругих свойствах материалов и сред, а также об изменении данных свойств вследствие влияния различных факторов. Сущность: свободно падающим индентором шарообразной формы с известными свойствами наносится удар по образцу исследуемого материала и фиксируют параметры ударного взаимодействия системы: время удара и время между первым и вторым соударениями индентора с образцом исследуемого материала (высота отскока), максимальная величина силы ударного взаимодействия индентора и время, соответствующее максимальной величине силы ударного взаимодействия. Далее выполняется расчет с помощью разработанной механореологической упруго-вязко-пластичной модели, в результате расчета подбирается такое значение модуля упругости материала исследуемого образца, при котором динамика процесса ударного взаимодействия на расчетной модели соответствует экспериментальным данным. Технический результат: повышение достоверности и расширение области применения способа. 3 ил.

Способ может быть использован в сканирующей зондовой микроскопии для определения электрического напряжения, модуля упругости, твердости, вязкости, пластичности пьезоэлектрических материалов, компонентов микро- и наноэлектромеханических систем, а также биомикроэлектромеханических устройств. Наноиндентирование материала выполняют жестким индентором с постоянной скоростью. Регистрируют одновременно изменение электрического напряжения и контактной силы при вдавливании индентора в материал, например пьезоэлектрик. Измерения выполняют по крайней мере для двух температур материала. Технический результат - расширение функциональных возможностей определения свойств материала наноиндентированием, возможность определения значения нагрузки, которое приводит к фазовому переходу. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области определения характеристик материалов при ударном нагружении, в частности к способам определения динамического предела текучести грунта при проникании в образец из исследуемого материала ударника при заданной ему средствами разгона скорости. Сущность: осуществляют проведение эксперимента с внедрением ударника в исследуемый материал с последующим численным моделированием этого процесса и варьированием при расчетах параметров функции, связывающей предел текучести грунта с давлением, вплоть до уменьшения различия между результатами численного моделирования и эксперимента до величины экспериментальной погрешности, по соотношениям с подобранными параметрами определяют прочностные характеристики грунта в диапазоне динамических нагрузок, реализованных в эксперименте. Метание ударника осуществляют с помощью баллистической установки со скоростью, при которой в процессе внедрения происходит интенсивная пластическая деформация ударника с уменьшением его длины. Длину ударника выбирают превышающей его диаметр не менее, чем в 4 раза. Процесс внедрения регистрируют с помощью рентгено- или протонографии и определяют в исследуемом образце профиль образующейся каверны и длину недеформируемой части ударника на момент времени регистрации. Технический результат: повышение информативности путем обеспечения определения предела текучести материалов при скорости внедрения ударника в исследуемый материал выше 2 км/с, а также неизменности физико-механических свойств исследуемого материала перед ударом. 3 ил.
Наверх