Устройство для испытания на сжатие образца материала на стержне гопкинсона-кольского

Изобретение предназначено для исследования механических свойств материалов, подвергаемых воздействию интенсивных динамических нагрузок и высокоскоростной деформации. Устройство для испытаний на сжатие образца материала на стержне Гопкинсона-Кольского содержит входной и выходной стержни, расположенные с двух сторон от образца. Устройство дополнительно снабжено четырьмя накладками, установленными с двух сторон образца попарно. Соприкасающиеся поверхности накладок в каждой паре выполнены по цилиндрической образующей. Накладки ориентированы так, что оси цилиндрических образующих пар накладок направлены перпендикулярно друг другу, диаметры накладок равны диаметру стержней, а радиус цилиндрических поверхностей равен 1,0÷4,0 радиуса накладок. Технический результат: повышение точности измерений и снижение погрешности результатов испытаний. 5 ил.

 

Устройство предназначено для исследования механических свойств материалов, подвергаемых воздействию интенсивных динамических нагрузок и высокоскоростной деформации, а именно для изучения деформационного поведения хрупких материалов при сжатии в условиях динамического нагружения при скоростях деформации 10²-10⁵ с^-1_.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому техническому решению является устройство для испытаний на сжатие образца материала на стержне Гопкинсона-Кольского, содержащее входной и выходной стержни расположенные с двух сторон от образца. (см. Разрезной стержень Гопкинсона-Кольского http://permsc.rutsentry-kollektivnogo-polzovaniya).

Недостатком его является то, что при испытании хрупких материалов возникает несоосность стержней Гопкинсона-Кольского и непараллельность торцевых плоскостей испытываемых образцов и поверхностей стержней Гопкинсона-Кольского, поэтому возникает нарушение осесимметричности и однородности напряженно-деформируемого состояния образца, что приводит к большим погрешностям результатов испытаний.

Технической задачей предлагаемого технического решения является снижение погрешности результатов испытаний.

Для решения поставленной задачи устройство для испытаний на сжатие образца материала на стержне Гопкинсона-Кольского, содержит входной и выходной стержни расположенные с двух сторон от образца, при этом устройство дополнительно снабжено четырьмя накладками, установленными с двух сторон образца по парно, причем соприкасающиеся поверхности накладок в каждой паре выполнены по цилиндрической образующей, при этом накладки ориентированы так, что оси цилиндрических образующих пар накладок направлены перпендикулярно друг другу, диаметры накладок равны диаметру стержней, а радиус цилиндрических поверхностей равен 1,0÷4,0 радиуса накладок.

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что устройство дополнительно снабжено четырьмя накладками, установленными с двух сторон образца по парно, причем соприкасающиеся поверхности накладок в каждой паре выполнены по цилиндрической образующей, при этом накладки ориентированы так, что оси цилиндрических образующих пар накладок направлены перпендикулярно друг другу, диаметры накладок равны диаметру стержней, а радиус цилиндрических поверхностей равен 1,0÷4,0 радиуса накладок.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид на устройство, на фиг. 2 увеличенный фрагмент А на фиг. 1, на фиг. 3 вид по стрелке Б на фиг. 2, на фиг. 4 изображены две проекции накладок 5, 7, а на фиг. 5 проекции накладок 4, 6.

Устройство для испытаний на сжатие образца материала на стержне Гопкинсона-Кольского, содержит входной 1 и выходной 2 стержни, расположенные с двух сторон от образца 3. Устройство дополнительно снабжено четырьмя накладками 4, 5, 6, 7, установленными с двух сторон образца 3 по парно. Соприкасающиеся поверхности накладок 4, 5, 6, 7 в каждой паре выполнены по цилиндрической образующей 8, 9. Накладки ориентированы так, что оси цилиндрических образующих пар накладок направлены перпендикулярно друг другу. Диаметры D накладок 4, 5, 6, 7 равны диаметру d стержней 1, 2. Радиус цилиндрических поверхностей R равен 1,0÷4,0 радиуса r накладок 4, 5, 6, 7. Устройство для испытаний снабжено насосом 10, камерой высокого давления 11, стволом 12, ударником 13, фотодатчиками 14 для измерения скорости ударника 13, частотомером 15, тензодатчиками 16, 17, блоком регистрации 18, и демпфером 19.

Работа устройства заключается в следующем.

В камеру высокого давления 11 с помощью насоса 10 нагнетается воздух до требуемого давления. После открывания клапана (на рисунке не показано) сжатый воздух разгоняет в стволе 12 ударник 13. Для измерения скорости ударника на конце ствола установлена система измерения скорости. Сигнал с фотодатчиков 14 поступает на частотомер 15, а с тензодатчиков 16, 17 поступает на вход блока регистрации 18.

Для изучения деформационного поведения хрупких материалов при сжатии и компенсации несоосности стержней Гопкинсона-Кольского (обеспечить которую с высокой точность представляет серьезную техническую проблему) и непараллельности поверхностей торцевых поверхностей образцов и поверхностей стержней Гопкинсона-Кольского применяются две пары накладок с цилиндрическими поверхностями.

Цилиндрические поверхности могут быть получены, например, путем разрезания цилиндрического прутка, диаметр которого равен диаметру стержней Гопкинсона-Кольского, например, электроэрозионным способом и последующей подгонкой поверхностей каждой пары накладок, причем радиусы цилиндрических поверхностей должны быть одинаковы у накладок одной пары, из которого изготовлены накладки.

Накладки изготавливаются из того же материала, что и стержни Гопкинсона-Кольского их диаметр равен диаметру стержней Гопкинсона-Кольского.

Каждая пара накладок устанавливается между стержнями Гопкинсона-Кольского и испытываемым образцом так, чтобы оси цилиндрических поверхностей разных пар накладок были перпендикулярны.

Таким образом можно компенсировать отклонения от соосности стержней Гопкинсона-Кольского и параллельности торцевых поверхностей образца и поверхностей стержней Гопкинсона-Кольского.

Пример.

Проводилось испытание на сжатие на стержне Гопкинсона-Кольского литого базальта (переплавленный базальт - магматическая горная порода), образцы цилиндрические, диаметр ~11 мм, толщина ~5 мм, скорость деформации ~2500 с^-1, определялся динамический предел прочности при сжатии. (см. Игнатова A.M., Артемов А.О., Игнатов М.Н., Соковиков М.А. Методика исследования диссипативных свойств синтетических минеральных сплавов при высокоскоростном пробивание // Фундаментальные исследования. - №9 (часть 1), 2012. - 145-150 с. http://elibrary.ru/item.asp?id=17881272.)

Испытание образцов проводились без применения накладок. Позднее испытания образцов из того же материала были проведены с применением накладок.

Динамический предел прочности при сжатии соответствует максимальному значению напряжения, определяемому по формуле

,

где - деформация в импульсе прошедшем через образец в выходной стержень, которая снимается тензодатчиком, находящимся на выходном стержне 2,

Е и А - соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения стержней Гопкинсона-Кольского.

A_S - мгновенная площадь поперечного сечения образца, определяемая из предположения о постоянстве объема образца в процессе деформирования,

,

где - начальное значение площади поперечного сечения образца,

- деформация образца,

где С - скорость звука, L₀ - начальная длина образца,

- деформация в импульсе отраженном от образца во входной стержень, которая снимается тензодатчиком, находящимся на входном стержне 1.

Испытания без применения накладок

- дисперсия

- среднее значение

дисперсия D=0,902⋅10¹⁶

среднее квадратическое отклонение

Испытания с применением накладок

Диаметр накладок 25 мм, радиус цилиндрической поверхности 18 мм.

дисперсия D=0,347⋅10¹⁶

среднее квадратическое отклонение

Таким образом, из испытаний следует, что применение накладок существенно уменьшает разброс при определении динамического предела прочности при сжатии при испытаниях на стержне Гопкинсона-Кольского, что повышает точность измерений, снижает погрешность результатов испытаний.

Устройство для испытаний на сжатие образца материала на стержне Гопкинсона-Кольского, содержащее входной и выходной стержни, расположенные с двух сторон от образца, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено четырьмя накладками, установленными с двух сторон образца попарно, причем соприкасающиеся поверхности накладок в каждой паре выполнены по цилиндрической образующей, при этом накладки ориентированы так, что оси цилиндрических образующих пар накладок направлены перпендикулярно друг другу, диаметры накладок равны диаметру стержней, а радиус цилиндрических поверхностей R равен 1,0÷4,0 радиуса накладок.