Автоматизированный стенд для усталостных испытаний металлов в условиях пониженных температур

Решение относится к области усталостных испытаний материалов и предназначено для охлаждения образцов в процессе подготовки и проведения усталостных испытаний на изгиб, а также оценки степени разрушения образца и его поврежденности в процессе испытаний.
Известно «Автоматизированное устройство для охлаждения образцов в процессе проведения длительных усталостных испытаний сварных образцов при низких температурах» [RU 2457460]. Здесь процесс охлаждения осуществляется за счет того, что образец помещается в одну из двух частей камеры, связанную с другой частью камеры, в которой находится хладагент. Средство подачи охлаждающей среды в виде холодного воздуха из отсека с хладагентом в отсек с испытуемым образцом выполнено в виде принудительного нагнетателя воздуха, размещенного в отсеке с хладагентом, а система контроля температуры в отсеке камеры с образцом представляет собой размещенные в упомянутом отсеке датчики температуры, связанные с внешним управляющим компьютером, которым оснащено устройство.
Недостатком данного способа является не возможность установления температуры испытания ниже -50°С, вследствие охлаждения воздушной средой и применения в качестве хладагента твердой углекислоты. Также недостатком является невозможность оценки степени разрушения образца в ходе испытаний.
Наиболее близким является «Автоматизированное устройство для охлаждения образцов при усталостных испытаниях на изгиб» [RU 2645162]. Процесс охлаждения в рассматриваемом устройстве осуществляется за счет подвода холода через гибкий хладопровод и за счет подачи холодного воздуха из ванны с жидким азотом через регулируемую заслонку. Кроме этого, дополнительно непосредственно на образце устанавливается датчик акустической эмиссии, а на приводное устройство счетчик количества циклов с выходом на ЭВМ для оценки степени разрушения образца в ходе испытаний.
Недостатком данного устройства является относительно большое время на установление рабочей температуры образца, а также не достаточное количество характеристических параметров для точной оценки степени разрушения образца и его поврежденности.
Для расширения области использования устройства и исключения выявленных недостатков дополнительно в конструкцию предлагается использовать автоматизированное устройство подачи потока воздуха из камеры с жидким азотом, оснащенной многоуровневым радиатором, и дополнительно на образец установить ультразвуковой датчик для контроля поврежденности металла образца в процессе испытаний, также в корпусе камеры устанавливается система фотофиксации процессов деформации и разрушения образца.
Целью решения является ускорение процесса установления рабочей температуры рабочей части образца, а также повышение точности оценки степени разрушения и поврежденности материала образца.
Технический результат решения заключается в ускорение процесса установления рабочей температуры образца, автоматизации процесса ее поддержания в заданном диапазоне в процессе испытаний.
Технический результат, заключающийся в ускорении процесса установления рабочей температуры в рабочей части образца, достигается благодаря применению в конструкции стенда для усталостных испытаний металлов автоматизированного устройства подачи потока воздуха, и благодаря тому, что в камере с жидким азотом установлен многоуровневый радиатор, а стенд выполнен с возможностью соединения с ЭВМ.
Схема устройства для охлаждения образцов при усталостных испытаниях на изгиб показана на Фиг. 1.
Принцип работы устройства следующий: В теплоизолированную камеру 1 заливается в установленных пределах (min…max) и регулируется в процессе испытания хладагент из сосуда Дьюара посредством клапана 2. В камере установлен многоуровневый радиатор 3 специальной конструкции. Камера 1 связана с камерой 4, которая с целью уменьшения потерь холода изготовлена из материала с низким коэффициентом теплопроводности и дополнительной изоляцией. Соединительное отверстие 5 обеспечивает приток холодного воздуха от камеры 1 в камеру 3, при этом интенсивность потока холодного воздуха (паров азота) регулируется при открытом положении заслонки 6 автоматизированным устройством подачи потока воздуха 7, управляемым посредством блока контроля рабочей температуры на ЭВМ 8, на который поступает сигнал от датчика температуры 9, установленного вблизи рабочей части образца 10. Образец 10 закрепляется с использованием механизма закрепления, который представляет собой нижнюю регулируемую по высоте платформу с пазом, в который устанавливается медный зажим 11, выполняющий две функции: передачу холода от хладопровода 12 непосредственно на образец, а также закрепление образца в процессе испытания. С целью уменьшения потерь холода медный зажим 11 заизолирован от механизма закрепления дополнительными вставками. Для регулирования рабочей температуры на медный зажим 11 установлен резистор 13. Резистор 13 в свою очередь управляется через блок контроля рабочей температуры на ЭВМ 8 и связан с источником постоянного тока 14, который нагревает зажим до определенной, постоянной в процессе испытания температуры.
Для оценки степени разрушения и поврежденности материала образца на образце со стороны зажима установлены датчик акустической эмиссии 15 и ультразвуковой датчик 16, а также в отверстие корпуса установлена система фотофиксации процессов деформации и разрушения образца 17, сфокусированная на участке образца с наибольшими напряжениями. Счетчик количества циклов 18 устанавливается на приводе установки для усталостных испытаний. Сигнал с датчика акустической эмиссии 15 регистрируется на протяжении всего цикла испытания, а регистрация ультразвука отраженного импульса с датчика 16 и фотографирование рабочей части образца системой 17 производится перед началом испытаний и после установленного количества циклов нагружения N с определенной периодичностью, после остановки устройства нагружения и закрытия заслонки 6.
Сигналы с датчиков 15 и 16 и фотографии с системы 17, а также данные по фактическому количеству циклов нагружения с устройства 18 поступают на блок обработки сигналов на ЭВМ 19, где производиться их обработка с использованием специального программного обеспечения.
Таким образом, за счет применения в конструкции стенда автоматизированного устройства подачи потока воздуха 7 удается значительно снизить время на установление рабочей температуры образца и снизить минимальную температуру испытания. Применение датчика ультразвука 16 и системы фотофиксация процессов деформации и разрушения рабочей части образца 17 позволило расширить количество характеристических параметров, тем самым повысить информативность испытаний и повысить точность оценки поврежденности металла образца.