устройство и способ для испытания образцов материалов на растяжение

Формула изобретения

1. Устройство для испытания образцов материалов на растяжение, содержащее элемент повышенной жесткости системы нагружения зоны локализации деформации, внутри которого расположены самоцентрирующиеся захваты с резьбой для крепления образца, систему сбора и обработки информации, отличающееся тем, что система сбора и обработки информации содержит мессдозу, а элемент повышенной жесткости системы нагружения выполнен в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, установленного между упорами на захватах (внутри и снаружи кольца), при этом устройство выполнено переносным.

2. Способ испытания образцов материалов на растяжение, заключающийся в том, что образец растягивают монотонно возрастающим усилием до разрушения, усилие монотонно снижают до достижения нуля в момент совпадения величины деформации образца с максимально возможной остаточной деформацией материала и фиксируют деформацию в процессе растяжения с построением полной диаграммы деформирования, отличающийся тем, что построение полной диаграммы деформирования осуществляется при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается, обеспечивая равновесное деформирование образца на стадии разупрочнения, а предварительно поджатая мессдоза в системе сбора и обработки информации, растягиваясь, фиксирует изменение силы растяжения, прикладываемой к образцу.

Описание изобретения к патенту

Испытания материалов с построением полностью равновесных диаграмм деформирования имеют большую информативность по сравнению со стандартными испытаниями. Они дают логически завершенное представление о сопротивлении материала деформированию, в полной мере отражая происходящие в нем физические процессы, вскрывая резерв несущей способности. Испытания показывают, что предельное состояние разрушения материала определяется как собственно его свойствами, так и условиями нагружения, в чем нетрудно убедиться, испытывая образцы с разной степенью структурной неоднородности и разной длины. Модуль спада, определяющий крутизну падающей ветви полной диаграммы деформирования, как известно, тесно коррелирует с трещиностойкостью материала. Проводя периодические разгрузки, можно найти дефект модуля упругости, определяющий степень деструкции (разрыхления) материала, и т.д.

Изобретения относятся к испытательной технике, преимущественно к статическим испытаниям материалов на растяжение во всем диапазоне деформирования, и могут быть использованы для изучения реологически неустойчивого состояния материала (зоны разупрочнения) при растяжении.

Известна установка для определения механических свойств материала на стадии разупрочнения (Миронов В.И., Микушин В.И., Владимиров А.П. и др.// Завод. Лаборатория, 2001, т. 67, №3. - с.48-51). Она содержит неподвижные и подвижные платформы, направляющие стержни, скрепляющие стержни, элемент повышенной жесткости системы нагружения непосредственно в зоне образца, состоящий из двух горизонтальных упругих балок и двух вертикальных стержней, внутри которого расположены самоцентрирующиеся захваты с резьбой для крепления образца, полый дюралюминиевый стержень или динамометр ДОСМ-3-1, нажимной винт, червячный редуктор, на нижнем захвате наклеен тензометрический мост, систему сбора и обработки информации. Эта установка наиболее близка по технической сути к предлагаемому устройству и выбрана в качестве прототипа.

К недостаткам известной установки относятся:

1. Применение устройства повышенной жесткости возможно только вместе с установкой из-за того, что оно является составляющей частью установки, не позволяющей производить нагружение с помощью другого испытательного оборудования на растяжение и тем более прессов, работающих на сжатие.

2. Перекос образца из-за неодновременного включения параллельных тяг, затрудняющий обеспечение одноосного растяжения образца.

3. Малый диапазон деформаций при включенных тягах из-за небольшой упругой деформации тяг в направлении оси растяжения, не обеспечивающий равновесное деформирование образца из достаточно пластичного материала.

Известен способ испытания образцов материалов на растяжение (пат. РФ №4034709/25-28, класс G 01 N 3/08, опубл. 23.02.88, Бюл. №7), при котором образец растягивают монотонно возрастающим усилием до разрушения, после достижения на образце деформации, соответствующей пределу прочности материала, усилие на нем монотонно снижают до достижения нуля в момент совпадения величины деформации образца с максимально возможной остаточной деформацией материала и фиксируют деформацию в процессе растяжения с построением полной диаграммы деформирования

Недостатки такого способа:

1. Необходимость замены разгружающего механизма при испытаниях образцов из различных материалов, т.к. в противном случае построение полной диаграммы деформирования не удастся из-за несоответствия жесткости разгружающего механизма с характеристиками: деформация, соответствующая пределу прочности материала; максимальное суммарное усилие на образец; максимально возможная остаточная деформация материала.

2. Деформирование в зоне разупрочнения происходит монотонно снижающейся нагрузкой, из-за чего стандартный образец может разрушиться в любой момент, т.к. для построения полной диаграммы деформирования растяжение образца в зоне разупрочнения должно быть квазистатическим (бесконечно медленным).

3. Требуется создать в системе нагружения большое растягивающее усилие из-за применения стандартных образцов и дополнительного разгружающего механизма, не позволяющее при испытаниях применять менее мощные и габаритные испытательные установки и прессы.

Предлагаемыми изобретениями решается задача: изучение процесса разрушения путем обеспечения равновесного деформирования материала в зоне реологической неустойчивости (разупрочнения) более простым способом, чем известный. При этом достигается следующий технический результат: построение полной диаграммы деформирования с помощью жесткой системы нагружения зоны локализации деформации.

Для получения такого технического результата в предлагаемом устройстве для испытания образцов материалов на растяжение, содержащем элемент повышенной жесткости системы нагружения зоны локализации деформации, внутри которого расположены самоцентрирующиеся захваты с резьбой для крепления образца, систему сбора и обработки информации, которая содержит мессдозу, элемент повышенной жесткости системы нагружения выполнен в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, установленного между упорами на захватах (внутри и снаружи), при этом устройство выполнено переносным.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что система сбора и обработки информации содержит мессдозу, а элемент повышенной жесткости системы нагружения выполнен в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, установленного между упорами на захватах (внутри и снаружи), при этом устройство выполнено переносным.

При этом значительно упрощается конструкция, т.к. отсутствует оригинальная установка для нагружения образца; создается возможность производить нагружение с помощью любого испытательного оборудования на растяжение, а также прессов, работающих на сжатие. Элемент повышенной жесткости системы нагружения образца выполнен в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, что обеспечивает одноосное растяжение образца и приводит к повышению качества испытаний и снижению трудоемкости при изготовлении, а также при проведении испытаний. Увеличивается диапазон деформаций в направлении оси растяжения за счет применения элемента повышенной жесткости в виде кольца, изготовленного из пружинной стали, что обеспечивает равновесное деформирование образца из достаточно пластичного материала.

Для достижения названного технического результата предлагается способ испытания образцов материалов на растяжение, который, как и наиболее близкий к нему известный, включает то, что образец растягивают монотонно возрастающим усилием до разрушения, усилие монотонно снижают до достижения нуля в момент совпадения величины деформации образца с максимально возможной остаточной деформацией материала и фиксируют деформацию в процессе растяжения с построением полной диаграммы деформирования, но построение полной диаграммы деформирования осуществляется при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается.

Отличительными признаками предлагаемого способа является то, что построение полной диаграммы деформирования осуществляется при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается.

Это обеспечивает устойчивое квазистатическое деформирование образцов из различных материалов с построением полной диаграммы деформирования из-за достаточно большой жесткости элемента повышенной жесткости системы нагружения зоны локализации деформации. Создается небольшое растягивающее усилие в системе нагружения из-за применения однократных микрообразцов, что приводит к применению менее мощного и габаритного испытательного оборудования на растяжение, а также прессов, работающих на сжатие.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - устройство для испытания образцов материалов на растяжение с помощью испытательного оборудования на растяжение;

на фиг.2 - устройство для испытания образцов материалов на растяжение с помощью прессов, работающих на сжатие;

на фиг.3 - способ испытания на растяжение.

Устройство состоит из самоцентрирующихся цилиндрических захватов (фиг.1) поз. 1, 2, в которые вкручивается однократный микрообразец поз.3. Захваты поз. 1, 2 расположены внутри кольца поз.4, выполненного из пружинной стали, на один из захватов устанавливается мессдоза поз. 5 для измерения усилия на образце, предварительно поджатая гайкой поз.6 к буртику поз.7 цилиндрического захвата. На захват поз.2 устанавливается шайба поз.8 и поджимается гайкой поз.9. В первом исполнении (фиг.1) устройство имеет захваты поз. 10, 11 для разрывной испытательной машины, фиксируемые с захватами для крепления образца штырями поз. 12. Удлинение образца измеряется тензометром вилочного типа. При проведении испытаний на прессе захваты поз. 10, 11 снимаются, на концы захватов поз. 1, 2 для крепления образца накручиваются гайки поз. 13, 14 (фиг.2) с шайбами поз. 15, 16.

Принцип работы кольцевого нагружающего устройства заключается в следующем.

В первом варианте исполнения при приложении растягивающего усилия Q через захваты поз. 10, 11 (фиг.1) происходит деформирование кольца поз.4, а параллельно с ним и образца поз.3. При растяжении предварительно поджатая мессдоза поз.5 фиксирует с помощью специальной аппаратуры изменение силы растяжения, прикладываемой к образцу. Во втором варианте исполнения испытания проводятся на прессе путем приложения сжимающего усилия Р к упругому кольцу поз.4 (фиг.2) перпендикулярно направлению растяжения образца. В остальном принцип работы и система измерения данных те же, что и в первом варианте.

Предлагаемый способ испытания образцов материалов на растяжение осуществляется следующим образом.

Для более устойчивого протекания квазистатического деформирования образца с построением полной диаграммы деформирования, а также увеличения жесткости и создания небольших растягивающих усилий в системе нагружения, построение полной диаграммы деформирования следует осуществлять при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается.

Пример. Требуется изучить процесс разрушения путем равновесного деформирования материала (по предлагаемому устройству) в зоне реологической неустойчивости. Если образец растягивать монотонно возрастающим усилием до разрушения и фиксировать деформации в процессе растяжения, после достижения на образце деформации, соответствующей пределу прочности материала, усилие на нем монотонно снижать до достижения нуля в момент совпадения величины деформации образца с максимально возможной остаточной деформацией материала, то для достижения результата понадобится по табличным данным или стандартным испытаниям материала определить: деформацию, соответствующую пределу прочности материала l _u, максимальное суммарное усилие на образец l _r, максимально возможную остаточную деформацию материала F_тах; выбрать жесткость разгружающего механизма, произвести растяжение стандартного образца монотонно возрастающим усилием, после достижения на образце деформации l _u (и соответственно усилия F_max) включается в работу разгружающий механизм, который создает в образце усилие S, монотонно возрастающее по мере дальнейшего деформирования образца, а суммарное усилие F на образец уменьшается, т.к. F=Q-S. В момент достижение на образце деформации l _r наступает разрушение образца, а усилие F на нем уменьшается до нуля. По полученным данным строится полная диаграмма напряжение - деформация вплоть до полного его разрушения.

По предлагаемому способу построение полной диаграммы деформирования следует осуществлять при помощи устройства, повышающего жесткость системы нагружения зоны локализации деформации, в котором с момента начала растяжения происходит квазистатическое деформирование образца и растягивающее усилие на нем снижается, т.е. обеспечивается устойчивое протекание квазистатического деформирования образца с построением полной диаграммы деформирования, а также увеличивается жесткость системы нагружения.

Из всего вышеописанного следует, что задача изучения процесса разрушения путем обеспечения равновесного деформирования материала в зоне реологической неустойчивости (разупрочнения) решена. При этом значительно упростилась конструкция устройства, повысилось качество испытаний и снизилась трудоемкость при изготовлении, а также при проведении испытаний обеспечивается равновесное деформирование образца из достаточно пластичного материала, следовательно, существует возможность изучения процесса разрушения и обеспечивается равновесное деформирование образца в зоне реологической неустойчивости.

Предлагаемые изобретения просты, надежны, экономичны, пригодны для широкого использования в испытательной технике.