образец для испытания материалов на пластическое одноосное сжатие и растяжение

Формула изобретения

Образец для испытания материалов на пластическое одноосное сжатие и растяжение, содержащий цилиндрическую рабочую часть и две соосные с ней головки, каждая из которых имеет поверхность для передачи усилия сжатия и кольцевую плоскую площадку для передачи усилия растяжения, отличающийся тем, что поверхность для передачи усилия сжатия каждой головки выполнена конической, а между рабочей частью и каждой из головок расположена соосная с ними промежуточная часть образца, ограниченная поверхностью вращения, образующая которой определяется зависимостью



где - 1/2 исходной длины рабочей части образца;

r₀ - исходный радиус рабочей части образца;

l и r - координаты произвольной точки образующей, определенной в прямоугольной системе координат, ось l которой совпадает с осью образца, а начало совмещено с серединой его рабочей части,

при этом максимальный диаметр промежуточной части определяется неравенством



где d₀ - исходный диаметр рабочей части;

- относительная деформация при сжатии, %, которую требуется достичь при испытании.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытаниям материалов, а именно к образцам для испытания на пластическое одноосное сжатие и растяжение.

Известен образец для испытания материалов на пластическое одноосное сжатие, имеющий цилиндрическую рабочую часть и две соосные с ней захватные части.

Недостатками образца являются большая трудоемкость испытаний и невысокая точность получаемых результатов, обусловленная тем, что в процессе сжатия на рабочую часть образца для предотвращения потери устойчивости воздействуют поддерживающие элементы, не позволяющие провести испытания в условиях одноосного сжатия.

Известен образец для испытания материалов на пластическое одноосное сжатие и растяжение, принятый за прототип и содержащий цилиндрическую рабочую часть и две соосные с ней захватные части (головки), каждая из которых имеет поверхность для передачи на рабочую часть образца усилия сжатия и кольцевую плоскую площадку для передачи усилия растяжения.

Недостатком известного образца является большая длина его рабочей части, которая необходима для того, чтобы после ее укорочения при испытании на сжатие она осталась бы достаточной для проведения испытания на растяжение. Сжатие известного образца с большой длиной рабочей части невозможно без применения сложного специального устройства, предотвращающего потерю устойчивости рабочей части. Известно, что потери устойчивости при сжатии не происходит, если отношение длины рабочей части образца к ее диаметру не превышает трех. Испытание на сжатие известного образца с этим отношением длины рабочей части к диаметру приводит к такому укорочению его рабочей части, при котором выполнение измерений во время последующего испытания образца на растяжение становится невозможным или вызывает большие погрешности. Применение же специального устройства для предотвращения потери устойчивости ведет к большим затратам времени и высокой трудоемкости испытаний, поскольку приходится несколько раз прерывать испытание и заменять в устройстве элементы, поддерживающие рабочую часть образца. Кроме того, наличие трения между рабочей частью образца и поддерживающими элементами (несмотря на применение прокладок из антифрикционных материалов типа фторопластовой пленки) снижает точность испытаний и достоверность получаемых результатов.

Задача изобретения заключается в создании образца для испытания материалов на пластическое одноосное сжатие и растяжение, который обеспечивает большую точность измерений при меньшей трудоемкости процесса испытаний.

Сущность изобретения заключается в образце для испытания материалов на пластическое одноосное сжатие и растяжение, содержащем цилиндрическую рабочую часть, соосно расположенные по обе стороны от нее последовательно две промежуточные части и две головки, при этом каждая головка содержит поверхность для передачи усилия сжатия и кольцевую плоскую площадку для передачи усилия растяжения, а каждая промежуточная часть ограничена поверхностью вращения, образующая которой определяется зависимостью



где l₀" - 1/2 исходной длины рабочей части образца;

r₀ - исходный радиус рабочей части образца;

l и r - координаты произвольной точки образующей, определяемой в прямоугольной системе координат, ось l которой совпадает с осью образца, а начало совмещено с серединой его рабочей части,

с максимальным диаметром, определяемым неравенством



где d₀ - исходный диаметр рабочей части образца;

- относительная деформация при сжатии, которую требуется достичь при испытании.

Отличие предлагаемого образца от известного состоит в том, что поверхность для передачи усилия сжатия каждой головки выполнена конической, а между рабочей частью и каждой из головок расположена соосная им промежуточная часть образца, ограниченная поверхностью вращения, образующая которой определяется зависимостью



где l₀" - 1/2 исходной длины рабочей части образца;

r₀ - исходный радиус рабочей части образца;

l и r - координаты произвольной точки образующей, определяемой в прямоугольной системе координат, ось l которой совпадает с осью образца, а начало совмещено с серединой рабочей части,

при этом максимальный диаметр промежуточной части определяется неравенством



где d₀ - исходный диаметр рабочей части;

- относительная деформация при сжатии в %, которую требуется достичь при испытании.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении производительности и снижении трудоемкости испытаний, а также повышении точности испытаний и достоверности получаемых результатов за счет исключения воздействия сил трения на поверхность рабочей части образца.

На фиг. 1 показано: а) исходный образец, б) образец после испытания на сжатие, в) образец в промежуточной стадии испытания на растяжение; на фиг. 2 - расчетная схема для определения формы образующей промежуточной части образца.

Образец содержит рабочую часть 1, ограниченную цилиндрической поверхностью 2, длиной l₀ и диаметром d₀, две соосные с ней головки 3, служащие для передачи усилия сжатия или растяжения на рабочую часть 1, и две промежуточные части 4, ограниченные соосными поверхностями 5 вращения и располагаемые между рабочей частью 1 и головками 3. Для устойчивого протекания процесса деформации сжатия цилиндрическую рабочую часть 1 образца выполняют так, чтобы отношение ее длины l₀ к диаметру d₀ не превышало трех.

Головка 3 содержит несколько поверхностей. Коническая поверхность 6 предназначена для точной установки образца в соответствующем гнезде приспособления для испытания на сжатие и передачи на рабочую часть 1 образца усилия сжатия. Поверхности 6 в виде конусов просты в изготовлении и хорошо центрируют образец при установке. Кольцевую плоскую площадку 7 при испытании на растяжение для передачи на рабочую часть 1 образца усилия растяжения. Цилиндрическая поверхность 8 служит для усиления головки 3 образца, чтобы усилие, воздействующее на площадку 7 при испытании на растяжение, не приводило к пластической деформации установочной поверхности 6. Наличие цилиндрической поверхности 9 диаметром D_г предохраняет поверхность 5 промежуточной части 4 от случайных повреждений при установке образца в захватах испытательной шины для проведения испытания на растяжение.

Максимальный диаметр d рабочей части 1, достигаемый при испытании на сжатие, не должен превышать диаметра D_г цилиндрической поверхности 9. Центровые отверстия 10 служат для закрепления образца в центрах токарного станка при его изготовлении, а также при необходимости могут быть использованы для обработки образца после какой-либо стадии его деформирования.

Испытание образца производят следующим образом.

Исходный образец (фиг. 1, а) устанавливают по поверхностям 6 в гнезда устройства для испытания на сжатие (не показано), которое должно обеспечивать соосность гнезд (и соответственно поверхностей 6 образца) и их строго поступательное перемещение в процессе испытания. В качестве такого устройства целесообразно использовать блок штампа листовой штамповки, содержащий верхнюю и нижнюю плиты, подвижно соединенные между собой цилиндрическими шариковыми направляющими, обеспечивающими высокую точность относительно перемещения плит и малые силы трения в направляющих.

После установки и фиксации образца в гнездах производят нагружение его усилием сжатия, под воздействием которого начинает пластически деформироваться цилиндрическая рабочая часть 1, диаметр которой увеличивается. При этом в процесс деформации последовательно вовлекаются те сечения промежуточных частей 4 образца, диаметр которых становится равным диаметру цилиндрической рабочей части 1. Форму образующей поверхности 5 рассчитывают таким образом, чтобы не происходило уменьшения длины цилиндрической поверхности 2 при возрастании ее диаметра и тем самым обеспечивалось удобство проведения последующего испытания образца на одноосное растяжение.

Определение зависимости, по которой строится линия образующей поверхности вращения 5, произведено в соответствии с расчетной схемой, приведенной на фиг. 2, в прямоугольной системе координат (l-r). Начало этой системы координат выбрано в точке 0, лежащей на оси образца в середине длины l₀ его рабочей части. Ось l совпадает с осью образца, ось r - с радиусом окружности цилиндрической поверхности 2 с центром в точке 0.

Основными линиями показана форма образующих образца до деформации (ab - половина образующей цилиндрической поверхности 2 рабочей части 1, ac - образующая поверхности вращения 5 промежуточной части 4), штриховыми линиями - форма образующих образца после бесконечно малого перемещения dl₁, одной из головок 3 в процессе испытания на сжатие. При этом точка a переходит в точку a₁, точка d - в точку d₁, а цилиндрическая поверхность рабочей части 1 радиусом r переходит в цилиндрическую поверхность радиусом r+dr с сохранением первоначальной длины l₀ рабочей части образца. Элементарный объем V промежуточной части образца должен переходить либо в объем V₁, либо в объем V₂ рабочей части образца. Поэтому V₁=V₂. Пренебрегая бесконечно малыми величинами более высокого порядка, найдем выражения для указанных объемов.

где

Приравнивая выражения для объемов V₁ и V₂, получаем после преобразования дифференциальное уравнение образующей



Интегрируя это дифференциальное уравнение, получаем

l=2l₀"lnr+c.

Определяем постоянную интегрирования при l=l₀", r=r₀

l₀"=2l₀"lnr₀+c;

c=(1-2lnr₀)l₀".

После подстановки "c" получаем уравнение образующей поверхности вращения 5, т.е. зависимость l от r



Здесь l и r - текущие координаты произвольной точки на образующей, отсчитываемые от точки 0.

При изготовлении промежуточной части 4 образца с поверхностью 5, образующая которой построена по полученной выше зависимости, и при отсутствии потери устойчивости рабочей части 1 высота последней при испытании на сжатие не будет уменьшаться.

Для того чтобы диаметр рабочей части образца при испытании на сжатие не превысил максимального диаметра поверхности вращения 5 (т.е. диаметра D_г), необходимо при проектировании образца задаться относительной деформацией при сжатии, которую требуется достичь при испытании, и из зависимости



найти максимальный диаметр рабочей части



Поскольку диаметр d не должен превышать D_г, то максимальный диаметр поверхности вращения 5 определяется из неравенства



После достижения некоторой величины деформации, определенной задачами исследования, испытание образца на сжатие прекращают, деформированный образец извлекают из гнезд испытательного устройства и устанавливают в захваты устройства для испытания на растяжение (фиг.1,в). Производят испытание на растяжение либо до разрушения образца, либо до определенной степени деформации его рабочей части. Поскольку длина цилиндрической рабочей части деформированного при сжатии образца осталась не меньше, чем до испытания, обеспечивается удобство измерений и точность определения механических характеристик при испытании на растяжение. После растяжения образец вновь может быть подвергнут испытанию на сжатие.

Если после многократного сжатия-растяжения на рабочей части появятся отклонения от цилиндрической формы, образец может быть подвергнут механической обработке с целью восстановления цилиндричности рабочей части. Для этого используют центровые отверстия 10 на торцах образца.

Предложенный образец может быть использован для получения характеристик пластичности и прочности материалов, построения кривой упрочнения, исследования эффекта Баушингера и проведения других испытаний с меньшей трудоемкостью и более высокой достоверностью получаемых результатов.