Способ определения механических свойств хрупких материалов при растяжении



Способ определения механических свойств хрупких материалов при растяжении
Способ определения механических свойств хрупких материалов при растяжении
Способ определения механических свойств хрупких материалов при растяжении
Способ определения механических свойств хрупких материалов при растяжении

 

G01N1/28 - Исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств (разделение материалов вообще B01D,B01J,B03,B07; аппараты, полностью охватываемые каким-либо подклассом, см. в соответствующем подклассе, например B01L; измерение или испытание с помощью ферментов или микроорганизмов C12M,C12Q; исследование грунта основания на стройплощадке E02D 1/00;мониторинговые или диагностические устройства для оборудования для обработки выхлопных газов F01N 11/00; определение изменений влажности при компенсационных измерениях других переменных величин или для коррекции показаний приборов при изменении влажности, см. G01D или соответствующий подкласс, относящийся к измеряемой величине; испытание

Владельцы патента RU 2540460:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный Ядерный Центр-Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)

Изобретение относится к механическим испытаниям на растяжение хрупких образцов из композиционных материалов и предназначено для авиастроения, судостроения, машиностроения, атомной энергетики. Сущность изобретения: накладки одинаковых с образцом размеров и формы, выполненные из материала, обеспечивающего суммарную жесткость обеих накладок, меньшую или равную жесткости исследуемого образца, наклеивают на двух противоположных поверхностях образца, в результате получают лабораторную сборку, которую размещают в цанговых захватах испытательной машины. Каждый захват устанавливают между краем торца и началом дуги галтели сборки. На поверхность сборки устанавливают экстензометр. Прикладывают нагрузку к сборке и по показаниям экстензометра получают кривую «деформация-напряжение» лабораторной сборки, из которой восстанавливают диаграмму деформирования образца. Напряжение в образце σo выражают через напряжения лабораторной сборки σлс и накладки σп, при условии равенства деформации, по формуле σо=3·σлс-2·σп. Технический результат: возможность выполнения принципа Сен-Венана и, соответственно, создание однородного напряженного состояния в рабочей части образца из хрупкого материала; создание одноосного растяжения в рабочей части образца из исследуемого материала, исключение изгиба; получение большего количества точек измерения усилия на одинаковой базе деформации. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к механическим испытаниям образцов из композиционных материалов, поведение которых при растяжении близко к хрупкому. Область применения - авиастроение, судостроение, машиностроение, атомная энергетика и др.

Предшествующий уровень техники

Известен способ испытаний на растяжение металлических и неметаллических материалов (ГОСТ 1497-84, “Металлы. Методы испытаний на растяжение”), заключающийся в том, что стандартный испытываемый образец нагружают до разрушения, при этом измеряют нагрузку и деформацию, по которым определяют модуль упругости, предел пропорциональности, предел текучести и временное сопротивление.

Недостатками способа при его применении к испытаниям хрупких материалов являются трудности в обеспечении надежного крепления в захватах испытательной машины, а так же невозможность отслеживания нелинейного участка деформирования, предшествующего разрушению, так как хрупкие материалы более чувствительны к внецентровому приложению нагрузки и соответственно наложению изгиба на одноосное напряженное состояние.

Известен способ испытания на растяжение армированных пластиков («Методы статических испытаний армированных пластиков», Тернопольский Ю.М., Кянцис Т.Я., М., “Химия”, 1981 г.), заключающийся в том, что нагружают стандартный образец типа двусторонней лопатки с наклеенными на концевые части накладками до разрушения, измеряют нагрузки и деформации, по которым определяют механические характеристики пластиков.

Недостатком способа является недооценка величин деформационной способности и предела прочности композиционного материала в отличие от соответствующих характеристик, определяемых при испытаниях натурных конструкций. Хрупкие материалы имеют механические характеристики, различные при растяжении и сжатии, что справедливо для большинства композитов. При данном способе испытаний образцов из композиционных материалов возникают трудности в выполнении принципа Сен-Венана: в образцах из материалов с зависящими от вида напряженно-деформированного состояния свойствами существенно возрастают зоны краевого эффекта, что препятствует созданию однородного напряженного состояния в рабочей части образца».

В качестве прототипа было выбрано авторское свидетельство РФ №1335844, от 11.12.1985, G01N 3/08, «Способ механических испытаний образцов материалов», Авторы: Ефимов О.Ю., Сахно А.И., Мамлеев Р.Ф. Образец типа двусторонней лопатки с накладками размещают в захватах испытательной машины, нагружают его испытательной нагрузкой, регистрируют нагрузку и относительное перемещение захватов. Накладки из хрупкого материала с прочностью, в 3-10 раз меньшей прочности материала образца, контактируют с захватами и размещены на поверхностях перехода рабочей части образца в захватную часть. Перед нагружением испытательной нагрузкой к образцу прикладывают предварительное усилие до разрушения накладок, которое затем снижают. Далее образец нагружают до разрушения. Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются - образец с накладками размещают в захватах испытательной машины, нагружают его испытательной нагрузкой, регистрируют нагрузку, регистрируют относительное перемещение захватов, накладки размещают на поверхностях образца и контактируют с захватами, образец нагружают до разрушения.

Недостатком прототипа можно считать то, что при описанном способе испытаний образцов из хрупких материалов возникают трудности в выполнении принципа Сен-Венана и соответственно в создании однородного напряженного состояния в рабочей части образца. Кроме того, при увеличении ширины свободных торцов образца уменьшается относительный объем «полезной» рабочей части, увеличивается расход материала и стоимость изготовления образцов. Также невозможно применить данный способ к исследованию взрывчатых составов, поведение которых при растяжении близко к хрупкому, из-за опасности инициирования взрыва в местах контакта с захватами через разрушенные в предварительном нагружении накладки.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения механических свойств хрупких материалов, в том числе взрывчатых составов, в переходной области, предшествующей разрушению, при их растяжении; выявление резервов деформационной способности исследуемого материала; повышении точности и информативности результатов экспериментов.

Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в выполнении принципа Сен-Венана и, соответственно, создании однородного напряженного состояния в рабочей части образца из хрупкого материала; создании одноосного растяжения в рабочей части образца из исследуемого материала, исключении изгиба; получении большего количества точек измерения усилия на одинаковой базе деформации.

Для получения указанного технического результата в предложенном способе определения механических свойств хрупких материалов при растяжении, включающем прикрепление накладок к образцу, размещение образца с накладками в захватах испытательной машины, нагрузку образца с накладками, регистрацию деформации рабочей части образца, согласно изобретению накладки одинаковых с образцом размеров и формы выполнены из материала, обеспечивающего суммарную жесткость обеих накладок, меньшую или равную жесткости исследуемого образца. Накладки наклеивают на двух противоположных поверхностях образца. В результате получают лабораторную сборку, которую размещают в цанговых захватах испытательной машины. При этом каждый захват устанавливают между краем торца и началом дуги галтели сборки. На поверхность сборки устанавливают экстензометр. Прикладывают нагрузку к сборке. По показаниям экстензометра получают кривую «деформация-напряжение» лабораторной сборки, из которой восстанавливают диаграмму деформирования образца. Напряжение в образце σo выражают через напряжения лабораторной сборки σлс и накладки σп, при условии равенства деформации, по формуле σo=3·σлс-2·σп.

Это позволяет более точно выполнить принцип Сен-Венана, увеличить точность определения деформационной способности и предела прочности при растяжении образца из хрупкого материала. Появляется возможность применять цанговые захваты, способные центрироваться вдоль оси нагружения. За счет увеличения жесткости объекта исследований на одинаковой базе деформации записывается большее количество точек измерения усилия, что повышает точность и информативность результатов экспериментов. Это позволяет определить диаграмму деформирования хрупких материалов при растяжении, в том числе и в переходной области, предшествующей разрушению.

На поверхность накладок в зоне контакта с захватами возможно нанесение канавок, рисок, шероховатостей. Это позволяет применять данный метод к исследованию механических свойств взрывчатых составов без опасности инициирования взрыва при проскальзывании в захватах испытательной машины.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана лабораторная сборка.

На фиг.2 показана диаграмма деформирования лабораторной сборки.

На фиг.3 показана диаграмма деформирования образца.

На фиг.4 показана таблица результатов экспериментальных исследований, где

εраст (%) - деформационная способность при растяжении,

σраст (МПа) - предел прочности при растяжении,

Eраст (МПа) - модуль упругости при растяжении.

Варианты осуществления изобретения

Как показано на фиг.1, испытуемый образец 1 выполнен из хрупкого материала в форме двусторонней лопатки. На две противоположные поверхности образца 1 наклеены накладки 2. Накладки 2 выполнены одинаковых с образцом 1 размеров и формы из материала, обеспечивающего суммарную жесткость обеих накладок 2, меньшую или равную жесткости исследуемого образца 1. Образец 1 с наклеенными накладками 2 образует лабораторную сборку 3. Сборку 3 размещают и фиксируют в цанговых захватах испытательной машины. Захваты накладывают на поверхности четырех граней сборки 3 таким образом, чтобы край каждого захвата располагался между краем торца 4 и началом дуги галтели 5 сборки 3. На поверхность сборки 3 в зоне контакта 6 с захватами наносят канавки, или риски, или шероховатости.

На поверхность рабочей части сборки 3 устанавливают экстензометр 7. Прикладывают нагрузку к сборке 3, снимают показания экстензометра 7 и получают график зависимости деформации рабочей части лабораторной сборки 3 от приложенного усилия (на фиг.2), из которой восстанавливают диаграмму деформирования образца 1. Напряжение в образце σо выражают через напряжения лабораторной сборки σлс и накладки σп, при условии равенства деформации, по формуле σо=3·σлс-2·σп. Диаграмма деформирования лабораторной сборки 3 приведена на фиг.2. Данная диаграмма содержит четыре участка: участок 8 упругого деформирования лабораторной сборки 3; участок 9 пластического деформирования образца 1 в составе лабораторной сборки 3 с упругодеформирующимися накладками 2; участок 10 разрушения образца 1 (прохождения поперечной трещины); участок 11 деформирования сборки 3 с образцом 1, имеющим сквозную поперечную трещину.

На фиг.3 приведена диаграмма деформирования образца 1 без накладок 2. Сравнение диаграмм на фиг.2 и фиг.3 позволяет сделать вывод о том, что стандартные испытания образцов 1 в отличие от лабораторных сборок 3 не позволяют выявить предшествующую разрушению область - участок 9 (на фиг.2) нелинейного деформирования материала образца 1, поведение которого близко к хрупкому. Диаграмма на фиг.3 практически линейна вплоть до разрушения образца 1.

На фиг.4 представлена таблица результатов статистической обработки экспериментальных данных, полученных в опытах по растяжению накладок 2 из оргстекла, образцов 1 из взрывчатого состава (ВС) и лабораторных сборок 3. Было проведено и обработано не менее 18 опытов на каждый вид испытаний. В таблице также приведены параметры диаграммы деформирования материала ВС образцов 1, полученные по результатам испытаний лабораторных сборок 3. Анализ данных, представленных в таблице, позволяет сделать следующие выводы:

- использование при испытаниях на растяжение предложенной конструкции лабораторной сборки 3 позволило выявить существенные (в 1.77 раза) резервы деформационной способности материала ВС образцов 1, которые невозможно определить при проведении стандартных испытаний образцов 1;

- различная степень отличий деформационной способности и предела прочности при растяжении (в 1.77 и 1.58 раза соответственно), полученных в испытаниях лабораторных сборок 3 и образцов 1 без накладок 2, говорит о нелинейном поведении материала ВС образцов 1 в области, предшествующей разрушению - участок 9 (на фиг.2). Стандартные испытания образцов 1 в отличие от лабораторных сборок 3 не позволяют выявить эту область деформирования материала - участок 9 (на фиг.2): зависимость «напряжение-деформация» (фиг.3 практически линейна вплоть до разрушения);

- использование при испытаниях на растяжение предложенной конструкции лабораторной сборки 3 позволяет получать более стабильные (с меньшим разбросом) в отличие от стандартных испытаний образцов 1 результаты. Это, в свою очередь, позволяет получать более точные расчетные оценки прочности и надежности конструкций, содержащих детали из хрупких материалов;

- модуль упругости материала образца 1, определенный с использованием лабораторных сборок 3, практически совпадает (отличие не превышает 2%) со значением этой характеристики, полученной в стандартных испытаниях образцов 1. Что подтверждает правильность вывода формулы восстановления диаграммы деформирования материала ВС образца 1 из кривой «деформация-напряжение» лабораторной сборки 3 и обоснованность методических предположений, использованных при проектировании лабораторной сборки 3, и способа ее испытания.

Необходимо отметить, что разрушение всех образцов, испытанных в составе лабораторных сборок, произошло в рабочей части. Данный результат доказывает, что предложенный способ позволяет выполнить принцип Сен-Венана, создать однородное напряженное состояние в рабочей части образца из хрупких материалов.

Таким образом, способ расширяет арсенал технических средств определения механических свойств хрупких материалов при растяжении в переходной области, предшествующей разрушению, выявляет резервы деформационной способности материала, которые невозможно определить при проведении стандартных испытаний образцов на растяжение, позволяет повысить точность и информативность результатов экспериментов.

Промышленная применимость

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в авиастроении, судостроении, машиностроении, атомной энергетике. Для оценки прочности и жесткости любого конструкционного материала, поведение которого при растяжении близко к хрупкому, он подвергается механическим испытаниям. Достоверность сведений о прочности и жесткости материала обусловливает эффективность его использования и эксплуатационные возможности конструкций, содержащих детали из него. Осуществление на практике описанного способа подтвердило получение технического результата. Это показывает его работоспособность и подтверждает промышленную применимость.

1. Способ определения механических свойств хрупких материалов при растяжении, включающий прикрепление накладок к образцу, размещение образца с накладками в захватах испытательной машины, нагрузку образца с накладками, регистрацию деформации рабочей части образца, отличающийся тем, что накладки одинаковых с образцом размеров и формы, выполненные из материала, обеспечивающего суммарную жесткость обеих накладок, меньшую или равную жесткости исследуемого образца, наклеивают на двух противоположных поверхностях образца, в результате получают лабораторную сборку, которую размещают в цанговых захватах испытательной машины, при этом каждый захват устанавливают между краем торца и началом дуги галтели сборки, на поверхность сборки устанавливают экстензометр, прикладывают нагрузку к сборке, по показаниям экстензометра получают кривую «деформация-напряжение» лабораторной сборки, из которой восстанавливают диаграмму деформирования образца, напряжение в образце σo выражают через напряжения лабораторной сборки σлс и накладки σп, при условии равенства деформации, по формуле σо=3·σлс-2·σп.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхность накладок из пластмассы наносят контактирующие с захватами канавки, риски, шероховатости.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области испытания материалов и может быть использовано для определения сопротивления протяженному вязкому разрушению высокопрочных трубных сталей класса прочности К65 и выше с ударной вязкостью более 2,5 МДж/м2.

Изобретение относится к области физики материального (контактного) взаимодействия, а именно к способу определения угла φн внутреннего трения и удельного сцепления - сн материальной связной среды нарушенной структуры, воспринимающей давление свыше гравитационного.

Изобретение относится к испытательной технике для определения механических свойств материалов и изделий. Преимущественная область применения - исследование эксплутационных характеристик антисейсмических гидроамортизаторов атомных реакторов и другого оборудования АЭС.

Изобретение относится к методам определения эксплуатационных характеристик строительных материалов, конкретно к способам определения прочности древесины различных пород на скалывание.

Изобретение относится к области медицины, а именно к ортопедической стоматологии, и предназначено для использования при реставрации окклюзионной поверхности комбинированных зубных протезов любой протяженности, поврежденной при частичных сколах керамического облицовочного покрытия.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к установкам для испытания образцов материалов на прочность при постоянной и переменной нагрузках при комнатной и повышенной температурах и может быть применена в заводской и исследовательской лабораториях.

Изобретение относится к области исследования, а именно измерения механических свойств твердых материалов, например твердых геологических пород в условиях гидростатического давления, и может быть использовано для оценки их качества, а именно их прочности и модуля упругости при сжатии.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к машинам для механических испытаний растяжением, например геосинтетических материалов для дорожных покрытий и т.д., и может применяться в соответствующих областях техники.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к нагружающим механизмам установок для испытания образцов материалов на ползучесть и длительную прочность при комнатной температуре, и может быть применено в заводской и исследовательской лабораториях.

Изобретение относится к текстильному материаловедению и предназначено для объективной оценки свойств трикотажных полотен для одежды в текстильной и легкой промышленности.

Изобретение относится к способу сбора и обработки данных геохимической разведки, представляющему собой градиентный способ геохимической разведки. Способ включает получение в каждой точке отбора набора проб поочередным отбором проб почвы и проб газа с интервалом 0,5-1 м вниз от поверхности земли.

Группа изобретений относится к способу восстановления антигена в образце ткани, фиксированной формальдегидом, и к набору, использующемуся в данном способе. Способ включает инкубирование образца ткани, фиксированной формальдегидом, в первом растворе для восстановления антигена при температуре выше 90°C.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к технологии изготовления изделий из композиционных материалов, а именно, тел вращения с радиальными складками материала, и может найти применение при контроле качества изготовления крупногабаритных деталей из композиционных материалов.

Изобретение относится к устройству травления поверхности для металлографического анализа образцов. Устройство включает ячейку для протравливания и средства, изолирующие протравливаемую зону от окружающих областей поверхности.
Группа изобретений относится к отбору проб, в частности к способу и устройству получения образцов для исследования и взятия проб в жидком или текучем состоянии в условиях невесомости.

Изобретение относится к области получения и подготовки образцов проб балластной воды, а именно к способу и устройству для отбора воды и балластных емкостей теплоходов и судов типа «река-море» с целью проведения бактериологических исследований.

Изобретение относится преимущественно к инструментам, используемым космонавтом в открытом космосе. Устройство содержит корпус из химически, термически, механически устойчивого и γ-проницаемого материала.

Группа изобретений относится к композиции для фиксации тканей и/или клеток, и/или клеточных структур на предметных стеклах в целях их окрашивания и их анализа под микроскопом или с помощью системы анализа изображений, к применению данной композиции и вариантам способа ее получения, а также к вариантам способа окрашивания структур с ее использованием.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при исследовании структурного состояния, морфологии поверхности образцов из композиций, содержащих графит, например в графитопластах (с термопластом или реактопластом в качестве связующего).
Способ определения величины свободнорадикальной активности твердых материалов относится к области экологического тестирования, контроля качества строительных и др.
Изобретение относится к области ветеринарии, в частности к способу отбора биологического материала для диагностики лептоспироза у диких животных. Способ включает сбор мочи после естественного мочеиспускания животного в стерильную емкость. При этом пробы замороженной мочи отбирают вместе со снегом в зимний период при температуре наружного воздуха минус 10-50°C. Использование предлагаемого способа позволяет расширить круг исследуемых животных на носительство патогенных лептоспир, обеспечить наиболее длительное хранение отобранного биологического материала - мочи, а так же повысить точность определения очага лептоспироза.
Наверх