Устройство для испытания материала на сдвиг и кручение при скорости деформации 102-105 с-1, способ определения зависимости максимального касательного напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня и способ определения зависимости напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы с использованием этого устройства

Изобретение относится к испытательной технике, к устройствам для испытаний материалов на сдвиг и кручение и может быть использовано в машиностроении. Устройство содержит нагружающий и опорный стержни, снабженные тензодатчиками, между которыми размещен образец. Устройство снабжено тремя последовательно перекрещивающимися под приблизительно прямым углом рычагами, в каждом из которых по центру перекрестия выполнено отверстие некруглой формы, причем в двух из них расположены противоположные концы опытного образца, а в третьем - средняя его часть. Концы образцов и средняя часть выполнены одинаковой формы и входят в отверстия рычагов с минимальными зазорами, при этом рычаги установлены так, что продольные оси симметрии рычагов по концам образца установлены в одной плоскости, а продольная ось симметрии среднего рычага расположена приблизительно перпендикулярно этой плоскости. Один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем, а другой - с опорным. Сущность способа: производят замер деформаций в падающем, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, а затем деформацию сдвига в образце, максимальное касательное напряжение для образца и скорость деформации определяют по формулам. Технический результат: расширение возможностей устройства. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение предназначено для проведения испытаний материалов на сдвиг и кручение и может быть использовано в машиностроении.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для испытания образца материала на сдвиг и кручение при скорости деформации 10²-10⁵ с^-1, содержащее нагружающий и опорный стержни, снабженные тензодатчиками, между которыми размещен образец (см. A. Marchand and J. Duffy An experimental study of the formation process of adiabatic shear bands in a structural steel // J. Mech. phis. Solids. Vol. 36. No. 3. pp 251-283. 1988).

Недостатком его является узкая специализация, сложность конструкции. Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей устройства, упрощение его конструкции и повышение универсальности устройства.

Для этого устройство для испытания образца материала на сдвиг и кручение при скорости деформации 10²-10⁵ с^-1 содержит нагружающий и опорный стержни, снабженные тензодатчиками, между которыми размещен образец, причем устройство снабжено тремя последовательно перекрещивающимися под приблизительно прямым углом рычагами, в каждом из которых по центру перекрестия выполнено отверстие некруглой формы, причем в двух из них расположены противоположные концы опытного образца, а в третьем - средняя его часть, причем концы образцов и средняя часть выполнены одинаковой формы и входят в отверстия рычагов с минимальными зазорами, при этом рычаги установлены так, что продольные оси симметрии рычагов по концам образца установлены в одной плоскости, а продольная ось симметрии среднего рычага расположена приблизительно перпендикулярно этой плоскости, при этом один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем, а другой - с опорным.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что устройство снабжено тремя последовательно перекрещивающимися под приблизительно прямым углом рычагами, в каждом из которых по центру перекрестия выполнено отверстие некруглой формы, причем в двух из них расположены противоположные концы опытного образца, а в третьем - средняя его часть, причем концы образцов и средняя часть выполнены одинаковой формы и входят в отверстия рычагов с минимальными зазорами, при этом рычаги установлены так, что продольные оси симметрии рычагов по концам образца установлены в одной плоскости, а продольная ось симметрии среднего рычага расположена приблизительно перпендикулярно этой плоскости при этом один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем, а другой - с опорным.

Наиболее близким к предлагаемому способу определения зависимости крутящего момента от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня является способ (См. A. Marchand and J. Duffy An experimental study of the formation process of adiabatic shear bands in a structural steel // J. Mech. phis. Solids. Vol. 36. No. 3. pp 251-283. 1988). Недостатком его является узкая специализация.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей устройства.

Для этого предлагается способ определения зависимости максимального касательного напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня с использованием устройства по п. 1, в котором сначала производят замер деформаций в падающем, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле

где с_В - скорость упругой волны в стержнях,

ε_I(t), ε_R(t), ε_T(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,

R - радиус рабочей части образца,

H - длина рабочей части образца,

L - половина длины рычага устройства,

а максимальное касательное напряжение для образца определяют по формуле

где Е и А - соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения стержней,

а затем посредством исключения времени как переменной получают зависимость τ_max=ƒ(γ).

Скорость деформации определяется по формуле

Наиболее близким к предлагаемому способу определения зависимости напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы с использованием устройства по п. 1 является способ (См. A. Marchand and J. Duffy An experimental study of the formation process of adiabatic shear bands in a structural steel // J. Mech. phis. Solids. Vol. 36. No. 3. pp 251-283. 1988).

Недостатком его является узкая специализация.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей устройства.

Для этого предлагается способ определения зависимости напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы с использованием устройства по п. 1, в котором сначала производят замер деформаций в начальном, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле

где с_В - скорость упругой волны в стержнях,

ε_I(t), ε_R(t), ε_T(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,

Н - длина рабочей части образца,

R_t=(R_e+R_i)/2,

где R_e - внешний радиус образца,

R_i - внутренний радиус образца,

L - половина длины рычага устройства,

а напряжение сдвига в тонкостенном образце определяют по формуле

где h - толщина стенки рабочей части образца,

а затем, посредством исключения времени как переменной, получают зависимость τ=ƒ(γ).

Скорость деформации определяется по формуле

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема устройства, на фиг. 2 - три перекрещивающихся рычага с образцом, на фиг. 3 - устройство с рычагами в виде пластин эллипсовидной формы, на фиг. 4 - образец в виде сплошного цилиндрического стержня, на фиг 5 - образец в виде тонкостенной цилиндрической трубы, на фиг. 6 - зависимость максимального касательного напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня, на фиг. 7 - зависимость напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы.

Устройство для испытания образца материала на сдвиг и кручение при скорости деформации 10²-10⁵ с^-1 содержит нагружающий 1 и опорный 2 стержни, снабженные тензодатчиками (не показано), между которыми размещен образец 3. Устройство снабжено тремя перекрещивающимися под приблизительно прямым углом рычагами 4, 5, 6, в каждом из которых по центру перекрестия выполнено отверстие 7 некруглой формы. В одном из этих отверстий расположен один конец опытного образца 3, а в другом - противоположный, а в третьем - располагается часть образца в средней его части. Концы образцов и часть образца в его средней части выполнены такой же формы, что и отверстия рычагов, и входят в них с минимальными зазорами, например, соединение выполнено с применением переходной посадки, а именно напряженной H7/k6, K7/h6 или плотной H7/j_s6, J_s7/h6.

При этом рычаги установлены так, что продольные оси симметрии рычагов по концам образца установлены в одной плоскости, а продольная ось симметрии среднего рычага расположена приблизительно перпендикулярно этой плоскости, при этом один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем, а другой - с опорным.

Рычаги установлены так, что один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем 1, а другой - с опорным 2. Рычаги 4, 5, 6 по концам могут быть снабжены осями, на которых установлены ролики. Рычаги могут быть выполнены в виде пластин эллипсовидной формы, для лучшего соединения образца и таких рычагов может использоваться цилиндрический штифт из высокопрочной стали, который проходит через рычаг и образец.

Тензодатчики размещают на входном и выходном стержнях на равных расстояниях от образца, так чтобы отраженная и прошедшая волны деформации приходили к каждому датчику одновременно.

Предлагаемое устройство позволяет проводить испытания на кручение сплошного цилиндрического образца и сдвиг в форме кручения тонкостенного цилиндрического образца на стержне Гопкинсона-Кольского, предназначенном только для испытаний на сжатие и растяжение, что расширяет возможности этой установки. Устройство содержит простые детали.

Работа предлагаемого устройства по предлагаемому способу заключается в следующем.

Для определения зависимости максимального касательного напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня сначала производят замер деформаций в падающем, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле

где с_В - скорость упругой волны в стержнях,

ε_I(t), ε_R(t), ε_T(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,

R - радиус рабочей части образца,

H - длина рабочей части образца,

L - половина длины рычага устройства,

а максимальное касательное напряжение определяют по формуле

где Е и А - соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения стержней,

а затем посредством исключения времени как переменной получают зависимость τ_max=ƒ(γ).

Скорость деформации определяется по формуле

Например

На фиг. 6 приведена динамическая диаграмма - максимальное касательное напряжение-деформация для сплава С464 (сплошной цилиндрический образец) при кручении скорость деформации - 5000 с^-1.

Таким образом, диаграмма максимальное касательное напряжение-деформация, полученная на предлагаемой установке предлагаемым способом, позволяет достоверно изучать деформационные свойства материала с достаточной степенью точности. Получение диаграмм максимальное касательное напряжение-деформация материалов в широком диапазоне скоростей деформирования позволяет делать выводы о прочности и пластичности материалов для заданной скорости деформирования.

Для определения зависимости напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы сначала производят замер деформаций в падающием, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле

где с_В - скорость упругой волны в стержнях,

ε_I(t), ε_R(t), ε_T(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,

Н - длина рабочей части образца,

R_t=(R_e+R_i)/2,

где R_e - внешний радиус образца,

R_i - внутренний радиус образца,

L - половина длины рычага устройства,

а напряжение сдвига в тонкостенном образце определяют по формуле

где h - толщина стенки рабочей части образца,

а затем, посредством исключения времени как переменной, получают зависимость τ=ƒ(γ).

Скорость деформации определяется по формуле

Например. На фиг. 7 приведена динамическая диаграмма напряжение-деформация для стали 4340 при сдвиге, скорость деформации - 1000 с^-1.

Полый тонкостенный образец, отношение внутреннего диаметра к толщине стенки 1/10.

Таким образом, диаграмма напряжение-деформация, полученная на предлагаемой установке предлагаемым способом, позволяет достоверно изучать деформационные свойства материала с достаточной степенью точности. Получение диаграмм напряжение-деформация материалов в широком диапазоне скоростей деформирования позволяет делать выводы о прочности и пластичности материалов для заданной скорости деформирования.

1. Устройство для испытания образца материала на сдвиг и кручение при скорости деформации 10²-10⁵ с^-1, содержащее нагружающий и опорный стержни, снабженные тензодатчиками, между которыми размещен образец, отличающееся тем, что устройство снабжено тремя последовательно перекрещивающимися под приблизительно прямым углом рычагами, в каждом из которых по центру перекрестия выполнено отверстие некруглой формы, причем в двух из них расположены противоположные концы опытного образца, а в третьем - средняя его часть, причем концы образцов и средняя часть выполнены одинаковой формы и входят в отверстия рычагов с минимальными зазорами, при этом рычаги установлены так, что продольные оси симметрии рычагов по концам образца установлены в одной плоскости, а продольная ось симметрии среднего рычага расположена приблизительно перпендикулярно этой плоскости, при этом один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем, а другой - с опорным.

2. Устройство для испытания образца материала на сдвиг и кручение по. 1, отличающееся тем, что рычаги на концах снабжены осями, на которых установлены ролики.

3. Устройство для испытания образца материала на сдвиг и кручение по. 1, отличающееся тем, что рычаги выполнены в виде пластин эллипсовидной формы.

4. Способ определения зависимости максимального касательного напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня с использованием устройства по п. 1, отличающийся тем, что сначала производят замер деформаций в падающем, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле

где с_В - скорость упругой волны в стержнях,
ε_I(t), ε_R(t), ε_T(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,
R - радиус рабочей части образца,
H - длина рабочей части образца,
L - половина длины рычага устройства,
а максимальное касательное напряжение для образца определяют по формуле

где Е и А - соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения стержней,
а затем посредством исключения времени как переменной получают зависимость τ_max=ƒ(γ),
скорость деформации определяется по формуле

5. Способ определения зависимости напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы с использованием устройства по п. 1, отличающийся тем, что сначала производят замер деформаций в падающем, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле

где с_В - скорость упругой волны в стержнях,
ε_I(t), ε_R(t), ε_T(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,
Н - длина рабочей части образца,
R_t=(R_e+R_i)/2,
где R_e - внешний радиус образца
R_i - внутренний радиус образца,
L - половина длины рычага устройства,
а напряжение сдвига в тонкостенном образце определяют по формуле

где h - толщина стенки рабочей части образца,
а затем, посредством исключения времени как переменной, получают зависимость τ=ƒ(γ),
скорость деформации определяется по формуле