способ определения физико-механических свойств многослойных и поверхностно-упрочненных материалов

Формула изобретения

Способ определения физико-механических свойств многослойных и поверхностно-упрочненных материалов, заключающийся в том, что в исследуемом образце возбуждают колебания до и после удаления слоя материала, определяют модуль упругости удаленного слоя материала, а о свойствах материала судят по разнице модулей упругости удаленных слоев материала, отличающийся тем, что дополнительно определяют плотность исходного материала гидростатическим взвешиванием, нагревают образец, определяют коэффициент линейного термического расширения дилатометрическим методом нагретого образца, возбуждают продольные колебания в исходном нагретом материале и определяют модуль упругости, затем остужают образец, удаляют исследуемый слой материала одинаковой толщины с четырех сторон образца, определяют плотность оставшегося материала гидростатическим взвешиванием, нагревают оставшуюся часть материала, определяют коэффициент линейного термического расширения дилатометрическим методом нагретой оставшейся части материала, возбуждают продольные колебания и определяют модуль упругости исследуемого удаленного слоя по следующей зависимости:

где Е_n - модуль упругости n-го исследуемого слоя с площадью поперечного сечения S_n;

L - длина образца;

f_n-1,n-1 - резонансная частота 1-й гармоники до снятия исследуемого слоя;

f_n,n - резонансная частота 1-й гармоники после снятия исследуемого слоя;

_n-1,n-1 - плотность образца до снятия исследуемого слоя;

_n,n - плотность образца после снятия исследуемого слоя;

S_n-1,n-1 - площадь поперечного сечения образца до снятия исследуемого слоя;

S_n,n - площадь поперечного сечения образца после снятия исследуемого слоя;

_n-1,n-1 - коэффициент линейного термического расширения образца до снятия исследуемого слоя;

_n,n - коэффициент линейного термического расширения образца после снятия исследуемого слоя;

T=(T_эксп – T_комн);

Т_эксп - температура испытания,

Т_комн - комнатная температура,

затем удаляют следующий слой образца и повторяют операции, необходимые для определения модуля упругости материала исследуемого удаленного слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к исследованию физических свойств материалов с помощью ультразвуковых колебаний и может быть использовано для определения модулей упругости многослойных и поверхностно-упрочненных материалов в широком интервале температур, а также для контроля качества сплошных материалов.

Известен способ [Баранов В.М., Кудрявцев Е.М., Мартыненко С.П. Акустическая методика определения характеристик упругости и внутреннего трения материалов в широком интервале температур.//Проблемы прочности. - 1989. №6. c. 116-119] определения характеристик упругости материалов в широком интервале температур, заключающийся в том, что испытуемый образец закрепляют на торцах, возбуждают продольные колебания, измеряют параметры колебаний и по ним определяют комплексный модуль Юнга.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения модулей упругости материалов [авторское свидетельство СССР №1078315, кл. G 01 N 29/04, 1984], заключающийся в том, что в исследуемом образце возбуждают звуковые изгибные колебания и измеряют собственные частоты колебаний до и после удаления исследуемого слоя, а модуль упругости определяют по формуле

,

где E_n - модуль упругости N-го слоя образца, состоящего из N слоев;

h_N = Z_N-z_N-1; Z₀ = 0; Z_N - толщина N-слойного образца;

;

_n,N - собственная круговая частота n-й гармоники N-слойного образца;

m₀=0;

b, l - соответственно ширина и длина образца;

m_N - масса N-слойного образца.

Недостатком этого способа является сложность определения параметров, характеризующих модули упругости, обусловленная трудностью точного закрепления образца между звуководами, сложной формулой для расчета модулей упругости, а также определением плотности материала через размеры и массу образца. Такой метод определения плотности не пригоден для исследовательских целей, т.к. не обеспечивает достаточную точность, а изменение плотности материалов в результате различных физических воздействий (пластической деформации и термической обработки) обычно очень низкое. При определении модулей упругости методом изгибных колебаний, помимо смещения поперечного сечения в плоскости изгиба, наблюдается его вращение вокруг осей, перпендикулярных этой плоскости. При расчете модуля это вращение не учитывают, а если учитывают, то требуется измерять более высокие гармоники колебаний, чем первая гармоника. Данное обстоятельство требует большого объема измерений. Также этот способ не предусматривает определение модулей упругости при температурах выше комнатной.

Технический результат изобретения - упрощение способа определения модулей упругости и повышение точности измерения параметров, характеризующих модули упругости, определение температурной зависимости модулей упругости.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно заявляемому способу в исследуемом нагретом образце возбуждают колебания до и после удаления слоя материала, определяют модуль упругости удаленного слоя материала, а о свойствах материала судят по разнице модулей упругости удаленных слоев материала, при этом плотность исходного материала определяют гидростатическим взвешиванием при комнатной температуре известным из общедоступных источников информации [ГОСТ 18898-73, ГОСТ 20018-74], а коэффициент линейного термического расширения нагретого образца определяют дилатометрическим методом, возбуждают продольные колебания, измеряют его резонансную частоту с помощью прибора для измерения амплитудно-частотных характеристик и определяют модуль упругости, остужают образец, удаляют исследуемый слой материала одинаковой толщины с четырех сторон образца кроме торцов, определяют плотность гидростатическим взвешиванием оставшейся части образца, нагревают образец, определяют коэффициент линейного термического расширения нагретого образца из оставшейся части материала дилатометрическим методом, возбуждают продольные колебания в нагретом образце, измеряют резонансные частоты колебаний после удаления исследуемого слоя, а модуль упругости исследуемого слоя определяют по следующей зависимости

где E_n - модуль упругости n-го исследуемого слоя с площадью поперечного сечения S_n;

L - длина образца;

F_n-1,n-1 - резонансная частота 1-й гармоники до снятия исследуемого слоя;

F_n,n - резонансная частота 1-й гармоники после снятия исследуемого слоя;

_n-1,n-1 - плотность образца до снятия исследуемого слоя;

_n,n - плотность образца после снятия исследуемого слоя;

S_n-1,n-1 - площадь поперечного сечения образца до снятия исследуемого слоя;

S_n,n - площадь поперечного сечения образца после снятия исследуемого слоя;

_n-1,n-1 - коэффициент линейного термического расширения образца до снятия исследуемого слоя;

_n,n - коэффициент линейного термического расширения образца после снятия исследуемого слоя;

T=(T_эксп – T_комн);

Т_эксп - температура испытания;

Т_комн - комнатная температура

затем удаляют следующий слой образца и повторяют операции, необходимые для определения модуля упругости материала исследуемого удаленного слоя.

Удаление исследуемого слоя с четырех сторон образца производится для повышения точности определения модулей упругости и во избежание искривления образца за счет остаточных напряжений.

На чертеже представлен многослойный образец, сечение. В образце показаны сердцевина с параметрами Е_n,n и S_n,n, первый слой с параметрами E₁ и S₁, второй слой с параметрами Е₂ и S₂, n-й слой с параметрами E_n и S_n.

Способ определения модулей упругости материала при высоких температурах осуществляется следующим образом.

Из исследуемого материала изготовляют стержневой образец, измеряют его поперечные размеры и определяют плотность гидростатическим взвешиванием, нагревают образец, определяют коэффициент линейного термического расширения нагретого образца дилатометрическим методом, закрепляют его по торцам, возбуждают продольные колебания в нагретом образце и измеряют его резонансные частоты, остужают образец, удаляют исследуемый слой материала заданной толщины с четырех сторон образца, измеряют поперечные размеры и определяют плотность гидростатическим взвешиванием оставшейся части образца, затем нагревают образец, определяют коэффициент линейного термического расширения нагретого образца из оставшейся части материала дилатометрическим методом, закрепляют его по торцам, возбуждают продольные колебания в нагретой оставшейся части образца и измеряют его резонансные частоты с помощью прибора для измерения амплитудно-частотных характеристик, рассчитывают модуль упругости удаленного слоя, остужают образец, удаляют следующий слой образца и повторяют описанные операции.

Аналогичные операции проводят при контроле качества сплошного материала. При этом о качестве и физико-механических свойствах материала судят по разнице в модулях упругости отдельных слоев образца.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять модули упругости отдельных слоев многослойных и поверхностно-упрочненных материалов в широком интервале температур, проводить контроль качества материала сплошного образца и оценку физико-механических свойств многослойных и поверхностно-упрочненных материалов.