Устройство для испытания конструкционных материалов на динамическое растяжение

Авторы патента:

Сусликов Александр Игоревич (RU)

Смирнов Иван Валерьевич (RU)

Судьенков Юрий Васильевич (RU)

G01N3/08 - путем приложения растягивающих или сжимающих статических нагрузок (G01N 3/28 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2613618:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) (RU)

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов, а именно к установкам для высокоскоростного испытания материалов. Устройство содержит два электромагнитных силовозбудителя, подключенных к накопителю энергии, две соосно установленные тяги для передачи усилий образцу и аппаратуру для наблюдения режима деформирования образца. Тяги для передачи усилий образцу выполнены в виде волноводов-концентраторов и прилегают к внешней стороне силовозбудителей, размещенных между волноводами-концентраторами. Волноводы-концентраторы имеют резьбовые отверстия для фиксации образца. Технический результат: повышение эффективности преобразования электрической энергии в механическую и повышение информативности и достоверности результатов испытаний конструкционных материалов на динамическое растяжение, а также упрощение конструкции. 3 ил.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов, а именно к установкам для высокоскоростного испытания материалов.

Известна установка для высокоскоростных испытаний материалов, содержащая основание, силовозбудитель, тягу для передачи усилий на образец через активный захват и источник импульсов [1].

Недостатком данной установки является ограниченность для проведения исследований влияния длительности и интенсивности импульсного растяжения на деформирование образца из-за растяжения образца с помощью тяги, активной только в одном направлении.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является установка для высокоскоростных испытаний материалов, содержащая два активных захвата для образца испытуемого материала, два силовозбудителя, подключенных к накопителю энергии, тяги для передачи усилий образцу и аппаратуру для наблюдения процесса деформирования образца [2].

Недостатком известной установки являются ограниченный диапазон амплитуды импульса растяжения, который определяется параметрами накопителя энергии в виде батареи конденсаторов, отсутствие возможности формирования импульсов растяжения с заданной формой и длительностью, а также наличие усложненной передачи растягивающего усилия в образец через систему последовательного взаимодействия между силовозбудителем, электропроводящим диском, тягой и захватом, что может приводить к искажению временных и амплитудных параметров импульсов растяжения за счет переотражения на контактных поверхностях соединений образца, тяг и диска, нарушению повторяемости от опыта к опыту и, как следствие, к снижению достоверности получаемых результатов.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности преобразования электрической энергии в механическую и повышение информативности и достоверности результатов испытаний конструкционных материалов на динамическое растяжение путем реализации испытаний с различными амплитудами, длительностями и формами импульсов растяжения, а также упрощения конструкции за счет фиксации образца в волноводах-концентраторах, исключая захваты.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для испытания конструкционных материалов на динамическое растяжение, содержащее два электромагнитных силовозбудителя, подключенных к накопителю энергии, тяги для передачи усилий образцу и аппаратуру для наблюдения режима деформирования образца, выполнено с тягами в виде волноводов-концентраторов, которые прилегают к внешней стороне силовозбудителей, размещенных между волноводами-концентраторами, при этом волноводы-концентраторы имеют резьбовые отверстия для фиксации образца.

Динамическое растяжение образца происходит путем интерференции волн растяжения, распространяющихся по образцу навстречу друг другу. Интерференция волн растяжения определяется длительностью и интенсивностью взаимодействия электромагнитных силовозбудителей, а также формой, составом и длиной волноводов-концентраторов, которые расходятся вдоль одной оси в противоположных направлениях, за счет отталкивающего электромагнитного взаимодействия с силовозбудителями. Необходимая форма, размеры и материал волновода-концентратора могут быть определены согласно известным уравнениям теории акустики [3, 4]. Это дает возможность проводить исследования деформации образцов конструкционных материалов при различных длительностях и формах импульсов высокоскоростного растяжения.

Сущность заявленного устройства поясняется Фиг. 1.

На Фиг. 1 представлена схема устройства для испытания конструкционных материалов при динамическом растяжении. Устройство содержит накопитель энергии в виде батареи конденсаторов 1, два одинаковых электромагнитных силовозбудителя 2 и 3, прилегающие к ним волноводы-концентраторы 4 и 5 и фиксируемый в них образец 6, пусковое устройство в виде разрядника 7, интерферометры 8 и 9 для регистрации характеристик волн нагрузки и разгрузки образца, блок управления и синхронизации запуска оборудования 10.

Установка работает следующим образом. При подаче запускающего импульса от блока управления 10 на разрядник 7 происходит разряд батареи конденсаторов 1 на силовозбудители 2 и 3, которые за счет электромагнитного взаимодействия генерируют импульс напряжения сжатия в волноводах-концентраторах 4 и 5, распространяющийся в противоположные стороны вдоль оси. Длительность и интенсивность волны сжатия определяется электромагнитным взаимодействием силовозбудителей 2 и 3. При этом, изменяя геометрические параметры волноводов-концентраторов 4 и 5, можно увеличивать интенсивность и менять временные параметры импульса сжатия. При выходе на свободную поверхность волновода-концентратора 4 и 5 волна сжатия отражается волной растяжения и передается в образец 6. Длительность и интенсивность волн растяжения определяется длиной, материалом и формой волновода-концентратора 4 и 5. Волны растяжения распространяются по образцу 6 навстречу друг другу и интерферируют, приводя к локальной деформации образца 6. Контроль длительности и интенсивности волн нагрузки и разгрузки осуществляется по движению свободных торцевых поверхностей образца с помощью лазерных дифференциальных интерферометров 8 и 9.

Таким образом, устройство позволяет проводить испытания образцов в широком диапазоне длительностей и интенсивностей импульсов растяжения, не ограничивая испытания параметрами используемого накопителя электрической энергии.

Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного результата: повышение эффективности и информативности исследований, а также возможность упрощения конструкции.

На Фиг. 2 представлены результаты апробаций.

Пример конкретной реализации заявленного изобретения.

В качестве примера конкретной реализации использования заявленного изобретения были проведены экспериментальные исследования динамического растяжения алюминиевого сплава (Д16). Гантелеобразные образцы с рабочей частью диаметром 12 мм и длиной 150 мм фиксировались в тягах с помощью резьбового соединения. Рассматривались тяги в виде экспоненциального волновода-концентратора и виде диска без участка сужения. Тяги были выполнены из сплава Д16. Волны сжатия формировались с помощью давления электромагнитных силовозбудителей на тяги. Электромагнитные силовозбудители представляли собой последовательно соединенные плоские катушки индуктивности (спирали Архимеда). Параметры импульсов растяжения контролировались по измерению скорости свободной торцевой поверхности образца с помощью дифференциальных лазерных интерферометров.

На Фиг. 2 показана зависимость скорости перемещения v_fr торцевой свободной поверхности образца без применения волновода-концентратора (сплошная линия) и с тягой в виде волновода-концентратора (прерывистая линия) для одинакового заряда конденсаторной батареи. Ноль соответствует выходу волны сжатия, распространяющейся вдоль тяги на свободную торцевую поверхность образца.

Как видно из Фиг. 2, применение волновода концентратора позволило существенно изменить амплитуду и длительность импульса растяжения образца. Процессы деформации и разрушения образца (Фиг. 3) могут быть зарегистрированы с помощью известных методов акустических измерений или фоторегистрации быстропротекающих процессов.

Таким образом, результаты показывают, что заявленное устройство позволяет эффективно влиять на процесс преобразования электрической энергии в механическую, способствуя тем самым повышению информативности испытаний. При этом упрощение конструкции не влияет на процесс деформации образца.

Изобретение может быть применено в материаловедении и других областях науки и инженерного проектирования, где необходима информация о механических и кинетических свойствах материала при кратковременных интенсивных растягивающих нагрузках. При этом могут быть использованы как стандартные образцы, регламентируемые условиями ГОСТ, так и нестандартные микрообразцы, размеры которых ограничены возможным объемом получения новых материалов.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №838520,1979.

2. Авторское свидетельство СССР №1146578, 1983 (прототип).

3. И.И. Теумин. «Коэффициент полезного действия ультразвуковых концентраторов» // Акустический журнал, Том 9, Вып. 2, с. 205-208 (1963).

4. Л.Г. Меркулов, А.В. Харитонов. Теория и расчет составных концентраторов. // Акустический журнал, Том 5, Вып. 2, с. 184-190 (1959).

Устройство для испытания конструкционных материалов на динамическое растяжение, содержащее два электромагнитных силовозбудителя, подключенных к накопителю энергии, две соосно установленные тяги для передачи усилий образцу и аппаратуру для наблюдения режима деформирования образца, отличающееся тем, что тяги для передачи усилий образцу выполнены в виде волноводов-концентраторов и прилегают к внешней стороне силовозбудителей, размещенных между волноводами-концентраторами, при этом волноводы-концентраторы имеют резьбовые отверстия для фиксации образца.

Изобретение относится к технике испытаний и измерений, а именно к устройствам для исследования механических свойств материалов с малым поперечным сечением, предпочтительно высокоэластичных нитей.

Способ хрусталева е.н. определения удельного и эквивалентного сцепления дисперсной связной среды // 2611553

Изобретение относится к «Физике материального контактного взаимодействия», конкретно к способу определения удельного и эквивалентного сцепления в структурированном и нарушенном состоянии.

Способ определения остаточного напряжения с применением инструментального индентирования, носитель информации с соответствующей компьютерной программой и устройство для инструментального индентирования, предназначенное для реализации инструментального индентирования с использованием носителя информации // 2611078

Изобретение относится к области определения остаточного напряжения путем инструментального индентирования. Сущность: осуществляют приложение к образцу одноосного напряжения, двуосного напряжения и одинакового по всем направлениям напряжения, а затем выполнение инструментального индентирования с использованием индентора, вычисление наибольшей глубины вдавливания индентора в ненапряженном состоянии образца путем подстановки в формулу для вычисления максимальной глубины вдавливания индентора в ненапряженном состоянии фактической глубины контакта в ненапряженном состоянии, полученной из фактической глубины контакта индентора, и максимальной глубины вдавливания индентора и результирующей глубины отпечатка индентора при приложении максимального вдавливающего усилия L0, найденных из зависимости глубины вдавливания индентора от вдавливающего усилия, полученной путем инструментального индентирования, получение кривой зависимости глубины вдавливания индентора от вдавливающего усилия в ненапряженном состоянии путем подстановки вычисленной указанным образом максимальной глубины вдавливания индентора в ненапряженном состоянии образца в формулу, связывающую глубину вдавливания индентора и вдавливающее усилие, и вычисления разности ΔL усилий между усилием L1, соответствующим максимальной глубине вдавливания индентора на кривой зависимости глубины вдавливания индентора от вдавливающего усилия в ненапряженном состоянии, и максимальным вдавливающим усилием L0, и вычисление остаточного напряжения в образце путем подстановки вычисленной разности ΔL усилий в формулу для вычисления остаточного напряжения.

Способ механического испытания металла // 2609817

Изобретение относится к механическим испытаниям, предназначенным для определения свойств металла, проявляющихся при пластическом деформировании в технологических операциях холодной обработки металла давлением (ХОМД).

Стенд для испытаний арматуры // 2605386

Изобретение относится к области испытаний строительных изделий. Стенд содержит опорную трубу с центральным сквозным отверстием для соосного вертикального размещения в нем арматуры и с днищем для опирания нижнего конца арматуры.

Способ определения оптимальных параметров давления прессования и влажности пресс-порошка для получения стеновых керамических материалов // 2595879

Изобретение относится к производству строительных материалов. Способ включает подготовку пресс-порошка, прессование образца, фиксацию изменений деформаций при сжатии, построение компрессионных кривых и проведение испытания, причем прессование осуществляют одностадийно и непрерывно, с переменными значениями давления прессования и формовочной влажности пресс-порошка, при этом требуемое оптимальное соотношение влажности и давления прессования определяют положением оптимальной точки на компрессионной кривой, лежащей на ее пересечении с отрезком, перпендикулярным хорде, соединяющей начальное и конечное значения интервала давления прессования на кривой, и проходящим через точку пересечения касательных к кривой в области заданного интервала давления прессования.

Способ определения предельных значений нормализованного критерия разрушения cockcroft-latham // 2595821

Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и их сплавов путем приложения растягивающих нагрузок к образцам и может быть использовано в металлургии и машиностроении.

Тензометрический штамп // 2594954

Изобретение относится к техническим устройствам для испытания грунтового основания фундамента штампом. Тензометрический секционный штамп содержит чувствительный элемент и измерительные приспособления для измерения контактного давления.

Способ испытания плоских образцов из органического стекла на чистый сдвиг // 2590941

Изобретение относится к области механических испытаний материалов на прочность и устойчивость, в частности к испытаниям образцов из органического стекла в условиях чистого сдвига.

Способ определения критической длины трещины для нахождения вязкости разрушения // 2589523

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов и может быть использовано для определения вязкости разрушения металлов. Сущность: осуществляют статическое нагружение плоского образца с выращенной трещиной усталости и регистрацию длины трещины в момент перехода от стабильного медленного ее развития в нестабильное быстрое.

Устройство для испытаний конструкционных материалов на смятие и способ испытаний на смятие // 2618489

Изобретение относится к устройствам и методам механических испытаний образцов конструкционных материалов и может быть использовано для определения характеристик сопротивления смятию. Устройство содержит две нагружающие рамы, установленные в верхнем захвате испытательной машины, в каждой нагружающей раме выполнено отверстие, в которое вставлен сминающий цилиндрический штифт, нагружающие рамы зафиксированы между собой болтами с обеспечением минимального зазора для свободного перемещения образца относительно рам, образец соответствует ASTM Е238. На нижнем краю отверстия в образце с обеих сторон образца устанавливают ножи с зубцами, закрепленные в прижимах, стянутых между собой болтами. Конструктивно обеспечивается независимое перемещение прижимов с ножами относительно нагружающих рам. Датчик раскрытия устанавливается на кромках сминающего цилиндрического штифта и прижима. Сущность: овализация отверстия в процессе испытаний регистрируется по перемещению прижимов, закрепленных с помощью ножей на нижнем краю отверстия относительно неподвижного сминающего штифта. При этом замер деформации отверстия обеспечивается в процессе испытаний непосредственно на контуре отверстия. Технический результат: увеличение точности измерения и упрощение конструкции устройства 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ оценки деформационных свойств полипропиленовых нитей с углеродными наполнителями // 2619866

Изобретение касается способа оценки деформационных свойств полипропиленовых нитей с углеродными наполнителями в процессе эксплуатации. Сущность способа заключается в том, что проводят поминутное растяжение с постоянной скоростью образцов синтетических нитей с одновременным воздействием электрическим током. Далее проводят поминутное измерение значений растягивающих напряжений и значения электрического сопротивления с одновременным вычислением значений удельного электрического сопротивления по формуле , где R - электрическое сопротивление нити, L≤2 мм - расстояние между контактами, b - толщина нити, d - ширина образца; причем полипропиленовую нить с углеродными наполнителями растягивают до достижения значения удельного электрического сопротивления ρ=109 Ом⋅м. По полученному значению максимального растягивающего напряжения с учетом усреднения по формуле: где σi - значение максимально допустимого растягивающего напряжения в каждом случае, судят о сохранении антистатических свойств полипропиленовых нитей с углеродными наполнителями. Использование способа позволяет спрогнозировать сохранение антистатических свойств материалов в процессе многократного растяжения полипропиленовых нитей с углеродными наполнителями 6 табл., 1 ил.

Устройство для фиксации образца при испытании на разрыв // 2623822

Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности к устройствам для фиксации образца к испытательной машине для разрыва образца, в том числе определения адгезии и прочности на разрыв образцов отвердевших минеральных или полимерных тампонажных растворов. Устройство содержит взаимодействующие с нагружателем пассивные и активные корпуса с полыми тягами с установленными в них узлами крепления образцов. Образец изготовлен в виде фигуры вращения с цилиндрическими выступами на концах. Корпуса изготовлены одинаковой конструкции в виде стакана с открытыми с одной стороны окнами длиной, превышающей длину образца, образующими тяги, равномерно размещенные по периметру корпуса. Тяги одного корпуса вставлены в окна другого корпуса с возможностью продольного перемещения, при этом тяги на концах снабжены внутренней, кольцевой радиальной относительно оси корпуса проточкой под упоры, перемещаемые внутрь полыми толкателями с наружной резьбой, которые вставлены в соответствующие радиальные резьбовые отверстия тяг. Внутри толкателей установлены подвижные шпильки, соединенные с упорами, которые выполнены с возможностью взаимодействия с соответствующими внутренними торцами выступа образца. Нагружатель выполнен в виде пресса, взаимодействующего с соответствующими торцами корпусов. Технический результат: позволяет исключить осевой перекос и пластический пережим благодаря ровному и отцентрированному захвату образца при разрыве, упростить конструкцию за счет отсутствия захватов со специальной разрывной машиной и использовать пресс для разрыва образцов. 4 ил.

Стенд для исследования энергообмена при разрушении // 2624407

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Стенд содержит корпус, установленные на нем захваты образца, механизм нагружения, включающий две гибкие тяги, кинематически связанные с захватами, натяжной механизм тяг, платформу, привод вращения, установленный на платформе, возбудитель колебаний нагрузки в форме треугольника, установленного на валу привода вращения и расположенного между тягами, и привод перемещения платформы вдоль оси вала. Стенд снабжен платформой вращения с фиксатором поворота, ось вращения которой перпендикулярна оси вала, и разъемным соединением вала привода вращения с возбудителем колебаний нагрузки. Вторые концы тяг закреплены на поверхности платформы вращения с возможностью изменения точек закрепления. Технический результат: расширение функциональных возможностей стенда при пропорциональном изменении амплитуд чередующихся циклов и интервалов между циклами. 1 ил.

Цилиндрический образец для испытания на сжатие // 2627957

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для определения сопротивления деформации металлических материалов путем испытания образцов на сжатие, для построения кривой упрочения, для определения математической зависимости между сопротивлением деформации и степенью деформации при различных температурах. Цилиндрический образец для испытания на сжатие содержит торцевые выточки и отверстие диаметром высоты образца, выполненное по оси образца. Технический результат: возможность повысить степень однородной деформации до 65-75%, за счет создания гидродинамического трения между рабочей поверхностью бойков и торцами образца в течение всего процесса сжатия. 1 ил.

Способ проверки керамических шаровидных головок для протезов тазобедренного сустава // 2628654

Группа изобретений относится к медицине. Способ проверки прочности конического входа керамических модульных шаровидных головок для протезов тазобедренного сустава, имеющих приемное пространство с конической боковой поверхностью с углом зажимного конуса γ и коническим входом, заключающийся в том, что на участки приемного объема оказывается давление. Радиальное усилие, направленное перпендикулярно к продольной оси шаровидной головки, оказывает воздействие исключительно на область конического входа. Устройство для реализации вышеуказанного способа включает в себя контропору, коническую втулку и пуансон. Все они расположены на одной общей продольной оси. Втулка и пуансон выполнены с возможностью сдвига по продольной оси. Втулка размещается между пуансоном и контропорой. Угол раствора конуса α больше, чем угол раствора зажимного конуса γ подлежащей проверке шаровидной головки. Изобретения обеспечивают готовность всех проверенных шаровидных головок к работе без нанесения ущерба также и под нагрузкой по косой в условиях in vivo. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для испытаний керамического вкладыша для имплантатов в тазоберденный сустав // 2635183

Изобретение относится к медицине. Устройство для испытания прочности керамического вкладыша имплантатов тазобедренного сустава с приемным устройством и нажимной деталью. В приемном устройстве имеется выемка с областью позиционирования для размещения вкладыша. У выемки на области позиционирования имеется приемный конус. На области позиционирования между приемным устройством и вкладышем размещается кольцевидный пластичный адаптер с конической наружной поверхностью, которая прилегает к приемному конусу, и внутренней поверхностью, которая прилегает к вкладышу. Трение между приемным устройством и адаптером меньше, чем между адаптером и вкладышем. Изобретение обеспечивает возможность универсального применения для всех ацетабулярных имплантатов тазобедренного сустава (монолитных, модульных, заранее соединенных). 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ и устройство для испытания канатов на выносливость в жидких агрессивных средах и при разных температурах // 2640319

Изобретения относятся к области машиностроения, в частности к стендам для испытания стальных канатов на выносливость. Способ заключается в испытании образца каната путем его перегибов на определенном участке при соответствующем расчетном статическом нагружении до полного или частичного разрушения при заданной температуре и влажности. При необходимости осуществляют периодическое окунание в жидкость испытуемого образца каната. Устройство содержит ведущие барабаны, осуществляющие колебательные движения и обеспечивающие возвратно-поступательное перемещение образца каната на определенной длине, сменные ролики определенного диаметра, обеспечивающие изгиб образца на 90°, грузовой ролик, свободно лежащий на образце и обеспечивающий определенное натяжение ветвей образца, зажимы для крепления концов образца к барабану и счетчик для учета числа изгибов. При этом оно помещено в термо-влагокамеру, с возможностью проведения внутри нее испытаний с изменением и поддержанием постоянной температуры и влажности в процессе испытания и дополнительно оснащена съемной емкостью для жидкости с возможностью периодического окунания в нее испытуемого образца каната. Технический результат заключается в возможности проведения испытаний при разных температурах и под воздействием жидких агрессивных сред. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ определения удельной энергии механического разрушения льда // 2640452

Изобретение относится к области исследования механических свойств материалов, а точнее к способам (нагружения материала образца) определения энергетических характеристик разрушения льда. Сущность изобретения: осуществляют изготовление образца в виде осесимметричного тела с параллельными верхней плоскостью и основанием и перпендикулярными им боковыми стенками, его размещение между плитами испытательной машины, нагружение перемещением верхней плиты с постоянной скоростью, с фиксацией предельных значений его упругой деформации и, соответствующей предельной упругой контактной силы, с определением удельной энергии механического разрушения как их произведения, отнесенного к значению массы всего образца. Используют образец, выполненный из льда, с возможностью локализации разрушений на верхнем участке образца, для чего используют образец, наименьший размер основания которого в 1,12–2 раза больше наименьшего размера верхней плоскости, а высота образца составляет 2,5–4,0 наименьшего размера его основания. Скорость перемещения подвижной плиты соответствует скорости дрейфа ледяного поля. Определяют плотность льда и непрерывно регистрируют предельные изменения высоты разрушаемой части образца льда и предельной контактной силы. Удельную энергию разрушения вычисляют как интегральную площадь той части графика изменения таких параметров, как предельное значение упругой деформации образца и соответствующее ему предельное значение упругой контактной силы, зарегистрированных в процессе испытания, которые описывают процесс разрушений только в подлежащей разрушению части образца, или удельную энергию разрушения вычисляют по формуле. Технический результат: возможность получения в лабораторных условиях достоверных результатов определения энергетических характеристик разрушения льда, необходимых для проектирования транспортных гидротехнических сооружений, а также сооружений на шельфе замерзающих морей. 3 ил.

Машина испытательная // 2643183

Изобретение относится к испытательным устройствам и предназначено для контроля в радиационно-защитной камере на прочность соединений испытательного образца: корпуса источника ионизирующего излучения с концевой деталью (тросиком). Машина содержит раму с расположенным в верхней её части захватом в виде зажимных губок для закрепления испытательного образца, каретку с двумя траверсами и двумя толкателями, передвигающуюся пневматическим приводом и с расположенным на одной траверсе цанговым захватом второго конца испытуемого образца. Рама испытательной машины закреплена в радиационно-защитной камере, а на нижней траверсе каретки закреплен датчик контроля усилия, который вторым концом соединен со штоком пневматического привода. Технический результат: возможность применения устройства в радиационно-защитной камере для контроля прочности соединений испытательного образца. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.