Способ измерения упругих констант материалов



Способ измерения упругих констант материалов
Способ измерения упругих констант материалов
Способ измерения упругих констант материалов
Способ измерения упругих констант материалов
Способ измерения упругих констант материалов

 


Владельцы патента RU 2465551:

Общество с ограниченной ответственностью "Криптон" (ООО "Криптон") (RU)

Изобретение относится к области определения механических свойств материалов путем приложения заданных нагрузок. Сущность: нагружают образец, установленный в захватах, расчетной нагрузкой. Записывают цифровую голограмму образца без нагрузки. Прикладывают заданное нагружающее усилие и записывают голограмму образца в нагруженном состоянии. Рассчитывают цифровую голографическую интерферограмму образца. Измеряют нормальные перемещения поверхности образца при изгибе и определяют значение модуля упругости и модуля сдвига. Указанную последовательность действий осуществляют повторно, используя разные значения нагружающего усилия, и на основе полученных значений вычисляют среднее значение модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона. Технический результат: повышение точности измерения упругих констант материалов с одновременным сокращением временных затрат на подготовку и проведение измерений, а также на обработку результатов. 4 ил., 8 табл.

 

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем приложения заданных нагрузок, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга (ниже модуль упругости), модуля сдвига и коэффициента Пуассона. Измерения проводят при нагружении образцов на изгиб.

Известен способ определения модуля упругости [Авторское свидетельство СССР №954850, кл. G01N 3/08, 1982], основанный на том, что нагружают растяжением образец материала, имеющий площадь F сечения, с установленным на нем датчиком деформации, измеряют сигнал ΔR с датчика, соответствующий изменению напряжения в рабочем сечении. Используют образец эталонного материала, имеющий площадь FЭ сечения и модуль упругости EЭ с установленным на нем датчиком деформации, который размещают последовательно с образцом исследуемого материала и нагружают одновременно с ним, измеряют сигнал ΔRЭ с датчика, установленного на образце эталонного материала, и рассчитывают модуль упругости Е материала.

Недостатками указанного способа определения модуля упругости являются: необходимость использования эталонного материала, сложность реализации и недостаточная во многих практических случаях точность определения искомых величин.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности измерения упругих констант материалов (модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона) с одновременным сокращением временных затрат на подготовку и проведение измерений, а также на обработку результатов.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения упругих констант материалов путем нагружения расчетной нагрузкой образца, установленного в захватах, согласно изобретению записывают голограмму образца без нагрузки, прикладывают заданное нагружающее усилие и записывают голограмму образца в нагруженном состоянии, рассчитывают цифровую интерферограмму образца, по полученной интерферограмме измеряют нормальные перемещения поверхности образца при изгибе и определяют значение модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона материала образца, причем указанную последовательность действий осуществляют повторно, используя разные значения нагружающего усилия, и на основе полученных значений вычисляют среднее значение упругих констант.

На фиг.1 представлена схема нагружения образца при измерении модуля упругости.

На фиг.2 представлена интерферограмма (а) и соответствующее поле нормальных перемещений (б) при плече приложения нагрузки Lk=9 мм при измерении модуля упругости.

На фиг.3 представлен вид конечного результата измерения модуля упругости материала образца.

На фиг.4а) приведена голографическая интерферограмма образца, закрепленного в трех точках и нагруженного силой Р, а на фиг.4б) представлен график функции нормальных перемещений в зависимости от координат W=f(x,y) при заданном Р при измерении модуля сдвига.

Способ реализуется следующим образом.

1. Измерение модуля упругости

Измерения проводились на консольно закрепленной балке прямоугольного сечения (далее - образец) с размерами 100×15×2 мм, выполненной из сплава АМц при нагружении чистым изгибом.

Порядок проведения измерений

1. С помощью цифрового голографического интерферометра регистрируется цифровая голограмма образца без нагрузки и запоминается в виде отдельного файла в компьютере.

2. Задается нагружающее усилие Р (нагрузка 1 грамм) при значении Lk, равном 9 мм (фиг.1).

3. С помощью цифрового голографического интерферометра регистрируется цифровая голограмма образца в нагруженном состоянии и запоминается в виде отдельного файла в компьютере.

4. Рассчитывается голографическая интерферограмма образца и измеряется его упругая линия при изгибе.

5. Производится аппроксимация измеренной упругой линий образца параболой и определяется значение коэффициента А в аппроксимирующей формуле:

,

где А - коэффициент, определенный при аппроксимации упругой линии балки параболой.

6. Рассчитывается значение модуля упругости:

,

где

b - ширина образца

h - толщина образца

Р - величина нагружающего усилия

Lk - плечо приложения нагружающей силы

Вид представления конечного результата измерений показан на фиг.3.

7. Производятся повторные действия по п.п.1…6. Количество повторных измерений составляет n=10.

8. Из 10 измерений определяются среднее значение модуля упругости (формула 1.1), среднее квадратическое отклонение измеренных результатов (формула 1.2) и коэффициент вариации (формула 1.3).

В таблице 1 приведены результаты соответствующих измерений.

Таблица 1
Номер измерения i Измеренное значение (кгс/мм2)
1 6869,164
2 6983,828
3 7017,671
4 6717,334
5 7217,848
6 7304,779
7 6927,579
8 7111,637
9 7188,368
10 6859,686

Среднее измеренное значение , рассчитанное по формуле 1.1:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S, определенное по формуле (1.2), составляет;

S9=184,68 кгс/мм2.

Коэффициент вариации ξ, определенный по формуле (1.3), составляет:

ξ9=2,63.

9. Задается нагружающее усилие Р (нагрузка 1 грамм) при значении Lk, равном 24 мм. Последовательно выполняются действия по пп.1…8.

В таблице 2 приведены результаты соответствующих измерений.

Таблица 2
Номер измерения i Измеренное значение (кгс/мм2)
1 6717,674
2 6828,177
3 6844,832
4 6764,451
5 7071,464
6 7018,641
7 7164,135
8 6830,893
9 7189,871
10 7079,068

Среднее измеренное значение :

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S составляет:

S24=172,54 кгс/мм2.

Коэффициент вариации ξ составляет:

ξ24=2,48.

10. Задается нагружающее усилие Р (нагрузка 1 грамм) при значении Lk, равном 49 мм. Последовательно выполняются действия по пп.1…8.

В таблице 3 приведены результаты соответствующих измерений.

Таблица 3
Номер измерения i Измеренное значение (кгс/мм2)
1 6847,665
2 6879,573
3 7019,286
4 7041,327
5 7031,607
6 6907,694
7 7094,436
8 6788,970
9 7055,255
10 6993,248

Среднее измеренное значение :

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S составляет:

S49=102,03 кгс/мм2

Коэффициент вариации ξ составляет:

ξ49=1,46

11. Производится статистическая обработка результатов измерений. Вычисляются значения: - среднее значение модуля упругости, S - среднее квадратическое (стандартное) отклонение модуля упругости, ξ - коэффициент вариации.

Полный объем выборки измеренных значений Е при трех плечах приложения нагрузки (L9, L24, L49) составляет 30 измерений.

В этом случае значение модуля упругости сплава АМц:

=6979 кгс/мм2

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение SE составляет:

SE=153,1 кгс/мм2

Коэффициент вариации ξE равен:

ξE=2,19.

В таблице 4 представлены величины и характеристики рассеяния при определении модуля упругости сплава АМц известным способом при помощи испытательной машины Instron 1185 и заявляемым способом при помощи цифрового голографического интерферометра, а также справочное значение .

Таблица 4
Справочное значение Instron 1185 Заявляемый способ
Модуль упругости 7087 кгс/мм2 6689 кгс/мм2 6979 кгс/мм2
Среднее квадратическое отклонение SE 202,8 кгс/мм2 153,1 кгс/мм2
Коэффициент вариации ξE 3,03 2,19

Из приведенных данных следует, что измерение модуля упругости заявляемым способом обеспечивает повышение достоверности и точности измерений при минимальных требованиях к подготовке образца и использовании простейшего устройства для крепления и нагружения образца.

При этом параметры рассеяния результатов измерений (среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации) при голографическом методе измерения существенно ниже, чем при использовании испытательной машины Instron 1185.

2. Измерение модуля сдвига

В качестве образца использовалась прямоугольная пластина с размерами 110×108×2,8 (мм), выполненная из материала АМц и установленная на трех опорах, к свободному углу которой прикладывалась поперечная нагружающая сила.

1. С помощью цифрового голографического интерферометра регистрируется цифровая голограмма образца без нагрузки и запоминается в компьютере в виде отдельного файла.

2. Задается нагружающее усилие Р (нагрузка 2 грамма).

3. С помощью цифрового голографического интерферометра регистрируется цифровая голограмма образца в нагруженном состоянии и запоминается в компьютере в виде отдельного файла.

4. Рассчитывается голографическая интерферограмма образца и производятся измерения нормального перемещения W при нагрузке Р2 в 10 различных точках поверхности пластины с координатами х и y.

5. Определяют значение модуля сдвига в 10-ти точках с координатами х и y:

где:

Р - приложенная нагрузка;

h - толщина пластины;

W - нормальное перемещение в точке с координатами х и y,

х и y - координат точки поверхности образца, в которой проводится измерение.

6. Рассчитывают среднее значение модуля сдвига из 10 измерений, среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации.

Результаты измерений модуля сдвига G при нагрузке Р2=2 грамма.

Таблица 5
Номер измерения X, мм Y, мм W, мкм G, кгс/мм2
1 108,22 106,27 1,1386 2760,49
2 91,37 88,94 0,79996 2776,34
3 78,41 77,76 0,60097 2772,77
4 71,60 69,17 0,48721 2778,14
5 53,78 52,81 0,29032 2673,62
6 51,03 47,14 0,25112 2631,88
7 80,68 52,97 0,42515 2747,22
8 91,21 61,24 0,55729 2739,28
9 61,56 97,04 0,9612 2738,77
10 74,36 74,03 0,54534 2758,79

Среднее значение измеренного модуля сдвига равно:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S2 составляет:

S2=47,98 кгс/мм2

Коэффициент вариации ξ2 равен:

ξ2=1,75

6. Задается нагружающее усилие Р4 (нагрузка 4 грамма).

7. Последовательно выполняются действия по п.п.1…6.

Результаты измерений модуля сдвига G при нагрузке Р4=4 грамма.

Таблица 6
Номер измерения X, мм Y, мм W, мкм G, кгс/мм2
1 93,47 92,82 1,7685 2681,50
2 84,89 82,62 1,4287 2683,30
3 71,77 70,15 1,0328 2664,55
4 56,21 60,10 0,7076 2609,58
5 92,83 90,56 1,7051 2694,91
6 89,26 57,83 1,0401 2712,72
7 76,79 31,75 0,4998 2666,38
8 53,14 89,42 0,9819 2645,20
9 29,65 80,35 0,4790 2718,60
10 103,19 100,93 2,1135 2693,55

Среднее значение измеренного модуля сдвига равно:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S4 составляет:

S4=32,46 кгс/мм2

Коэффициент вариации ξ4 равен:

ξ4=1,21.

8. Задается нагружающее усилие Р6 (нагрузка 6 граммов).

9. Последовательно выполняются действия по п.п.1…6.

Результаты измерений модуля сдвига G при нагрузке Р6=6 грамм.

Таблица 7
Номер измерения X, мм Y, мм W, мкм G, кгс/мм2
1 92,66 92,66 2,6114 2696,03
2 79,87 100,12 2,4328 2695,33
3 99,31 66,74 2,0294 2678,09
4 83,11 79,06 1,9919 2704,93
5 58,81 100,28 1,809 2673,25
6 49,41 95,74 1,4639 2649,78
7 63,50 67,88 1,3055 2707,40
8 64,48 61,40 1,204 2686,38
9 63,99 37,1 0,71975 2704,69
10 43,58 74,52 1,0008 2660,88

Среднее значение измеренного модуля сдвига равно:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S4 составляет:

S6=19,78 кгс/мм2

Коэффициент вариации ξ6 равен:

ξ6=0,74

10. Осуществляется статистическая обработка результатов измерений. Определяют значения: - среднее значение модуля упругости, SG - среднее квадратическое (стандартное) отклонение модуля сдвига, ξG - коэффициент вариации.

Определение средней величины модуля сдвига сплава АМц для полной выборки измеренных значений G.

Полный объем выборки измеренных значений Gi при трех величинах приложенной нагрузки (Р2, P4, Р6) составляет 30 измерений.

В этом случае среднее значение модуля сдвига сплава АМц:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение SG составляет:

SG=43,66 кгс/мм2.

Коэффициент вариации ξG равен:

ξG=1,62.

3. Определение коэффициента Пуассона

По измеренным значениям модуля упругости и модуля сдвига рассчитывается коэффициент Пуассона ν материала

Подставляя и рассчитывается модуль Пуассона, ν=0,30.

В таблице 8 приведены справочные значения измеряемых параметров и проведено их сравнение с экспериментальными данными.

Таблица 8
Параметр Справочное значение (кгс/мм2) Среднее измеренное значение (кгс/мм2) Относительное отклонение
Модуль сдвига, G 2691 2700 0,3%
Модуль упругости, Е 7085 6979 1,5%
Коэффициент Пуассона, ν 0,3 0,30 -

На основании полученных результатов измерений можно сделать следующие основные выводы.

Предложенный способ позволяет:

1) измерить основные упругие константы изотропных материалов (модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона),

2) обеспечить высокую точность и достоверность измерений, снизить трудоемкость и проводить измерения как в промышленных, так и в лабораторных условиях,

3) снизить требования к точности изготовления образцов для испытаний (использовать образцы простейшей формы),

4) проводить измерения при использовании простейших устройств для крепления и нагружения образцов,

5) проводить измерения модулей упругости и модуля сдвига также и для ортотропных материалов.

Таким образом, заявляемый способ позволят оперативно проводить высокоточный экспресс-анализ свойств конструкционных материалов, что имеет особую значимость при производстве высоконагруженных и ответственных деталей, узлов и конструкций.

Способ измерения упругих констант материалов путем нагружения образца, установленного в захватах, расчетной нагрузкой, отличающийся тем, что записывают цифровую голограмму образца без нагрузки, прикладывают заданное нагружающее усилие и записывают голограмму образца в нагруженном состоянии, рассчитывают цифровую голографическую интерферограмму образца, измеряют нормальные перемещения поверхности образца при изгибе и определяют значение модуля упругости и модуля сдвига, причем указанную последовательность действий осуществляют повторно, используя разные значения нагружающего усилия, и на основе полученных значений вычисляют среднее значение модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике испытаний конструкций на динамические воздействия. .

Изобретение относится к механическим нагрузочным устройствам и может быть использовано для нагружения поверхностей образцов чистым изгибом и определения полей деформаций и напряжений в экспериментальных исследованиях лабораторных макетов и натурных объектов.

Изобретение относится к способу определения механических характеристик материалов, в частности к способам определения модуля упругости, предельной прочности, предельной деформации стержней из полимерных композиционных материалов, и устройству для его реализации.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность и может быть использовано для испытаний элементов конструкций шахтной крепи, трубопроводов, несущих элементов зданий и сооружений.

Изобретение относится к машинам для испытания на усталость и может быть использовано для получения механических характеристик материалов. .

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к области строительства и предназначено для определения оптимального числа нагелей в двухслойных деревянных конструкциях балочного типа. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров анизотропных стержней, таких как изгибная жесткость и естественная кривизна.

Изобретение относится к лабораторной испытательной технике для определения прочностных свойств теплозащитных покрытий (ТЗП), применяемых в нагруженных деталях машин, преимущественно в авиакосмической технике.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, для определения напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле и испытаниях оптических изделий и исследованиях оптических неоднородностей в прозрачных средах, в частности в газодинамических и баллистических экспериментах, в широком спектральном диапазоне от вакуумного ультрафиолета до дальнего инфракрасного.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области бесконтактного оптического измерения формы поверхности оптических изделий, например, сферических и асферических зеркал или линз в условиях оптического производства и лабораторных исследований.

Изобретение относится к области оптических измерителей перемещений и может быть использовано для высокоточного бесконтактного интерференционно-голографического измерения перемещений объектов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к двухэкспозиционной голографической интерферометрии, и может быть использовано при исследовании вибраций объектов, в том числе вращающихся, и других процессов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение для бесконтактного определения рельефа поверхности, например, при контроле деталей на производстве, при исследовании различных физических и медико-биологических объектов.

Изобретение относится к прикладной оптике, а точнее к оптической голографии, и предназначено для создания оптических дисплеев нового типа. .

Изобретение может быть использовано в качестве измерительной системы для неинвазивной экспресс-диагностики многокомпонентных биологических сред для определения вирусов, бактерий и других микроорганизмов. Микроскоп содержит источник излучения, фокусирующий объектив, диафрагму и кювету для размещения исследуемого объекта, расположенные вдоль оптической оси, матрицу фотоприемников, электронно-вычислительную систему, включающую блок обработки, программное обеспечение и ПК. Дополнительно до кюветы введен фильтр для сглаживания Гауссового распределения пучка излучения и получения равномерного освещения по сечению пучка. Кювета имеет прозрачное плоское входное окно. Выходное окно кюветы имеет форму полусферы с радиусом, равным расстоянию от входного до выходного окна кюветы. Матрица фотоприемников имеет форму полусферы, которая расположена параллельно выходному окну кюветы, повторяет его форму и жестко с ним связана. Технический результат - сохранение одинаковой светосилы по сечению кюветы и увеличение разрешения ЦГМ. 3 ил.
Наверх