УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦА ИЗ МАТЕРИАЛА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ
TEST SETUP OF SPECIMEN FROM MATERIAL WITH SHAPE MEMORY, AT COMPLEX STRESS CONDITION

Изобретение относится к области испытаний материалов с памятью формы при циклических, тепловых и механических воздействиях, а именно к испытательным машинам, позволяющим воспроизводить на образце циклический нагрев и охлаждение, в диапазоне изменения температуры, вызывающем циклические мартенситные превращения структуры материала, при раздельном и совместном воздействии на материал образца осевой статической нагрузки или циклической нагрузки и статического или циклического крутящего момента и осуществлять при этих воздействиях измерения в образце обратимых, обусловленных циклическими фазовыми превращениями, осевой деформации и деформации кручения.
Известным техническим решением к предлагаемому изобретению является машина для испытаний образца из материала с памятью формы, содержащая корпус, устройство для циклического нагрева и охлаждения образца, узел осевого нагружения, активный и пассивный держатели и измеритель деформаций образца (Патент США №5209568, 11 мая 1993, класс 374/49). Машина может быть использована для испытания образца из материала с памятью формы при циклическом нагреве и охлаждении и осевом нагружении образца и получения данных измерения осевых деформаций образца. Однако, вследствие отсутствия в данной машине узла нагружения кручением и измерителя деформаций кручения, эта машина не позволяет воспроизводить совместное воздействие на образец при циклическом нагреве и охлаждении осевой нагрузки и нагрузки кручения и осуществлять при этих воздействиях совместные измерения осевой деформации и деформации кручения.
Наиболее близким является патент машины для испытания образца из материала с памятью формы при циклических тепловых и механических воздействиях, а именно к испытательным машинам, позволяющим воспроизводить на образце циклический нагрев и охлаждение, в диапазоне изменения температуры, вызывающем циклические мартенситные превращения структуры материала при раздельном и совместном воздействии на материал образца осевой нагрузки и нагрузки кручения, и осуществлять при этих воздействиях измерения в образце обратимых, обусловленных циклическими фазовыми превращениями, осевой деформации и деформации кручения ((19) RU (11) 2292030 (13) C1).
На данной установке можно воздействовать на образец только осевой нагрузкой и нагрузкой кручения, но невозможно использовать циклическое кручение, что существенно уменьшает возможности рассматриваемого изобретения.
Задачей предлагаемого изобретения является осуществление возможности испытания образца из материала с памятью формы при совместном воздействии на образец циклического нагрева и охлаждения, осевой нагрузки и нагрузки кручения, и дополнительно с одновременным приложением сил циклически колебательных движений.
Задача решается установкой для испытаний образца из материала с памятью формы при сложном напряженном состоянии, содержащей корпус, узел для циклического нагрева и охлаждения образца, верхний и нижний держатели для закрепления образца, узел осевого нагружения, узел нагружения статическим кручением, жестко соединенный с двуплечим рычагом и верхним держателем и измеритель деформации, отличающейся тем, что она дополнительно содержит узел нагружения циклическим кручением, выполненный в виде вибратора, соединенного через тензометрический узел с нижним захватом, и состоящий из рычага, один конец которого соединен с валом с неуравновешенной массой, соединенного с электродвигателем и установленного в корпусе с возможностью вращения, а на другом конце закреплена пружина, причем тензометрический узел состоит из полого цилиндра с патрубками подвода и отвода охлаждающей жидкости и тензодатчиками сопротивления, закрепленными на корпусе цилиндра, кроме того, узел нагружения статическим кручением состоит из вала, жестко соединенного со стержневой системой верхнего держателя, расположенного перпендикулярно стержневой системе, находящейся в корпусе узла нагружения кручением с установленными подшипниками, что дает возможность вертикального перемещения и поворота, причем корпус узла нагружения кручением жестко соединен с корпусом установки, а измеритель деформации выполнен в виде динамометра с установленными проволочными тензодатчиками сопротивления на его поверхности. Двуплечий рычаг выполнен в виде маховика и имеет направляющую для троса, один конец которого закреплен на рычаге, а к другому подвешен груз.
Технический результат: повышение точности испытания за счет возможности проведения исследований в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации.
В установку дополнительно введен узел циклического кручения исследуемого образца с памятью формы. При испытании образца с памятью формы можно испытывать не только на осевое нагружение и нагружение кручением, но и на циклическое кручение, данные условия испытания приближают к реальным условиям, что позволяет определять экспериментальные данные, характеризующие память формы в виде значений обратимых деформаций материала и устанавливать диапазоны их стабильности в зависимости от количества циклов нагрева и охлаждения при раздельном и совместном воздействии циклического кручения, осевого нагружения и нагружения кручением. При испытаниях можно воспроизводить определенные виды совместных воздействий на образец, варьировать условия нагружения, нагревания и охлаждения и регистрировать деформации, напряжения и температуру. Таким образом, в зависимости от того, какие параметры задаются и поведение каких параметров исследуется, может быть экспериментально найдено решение большого числа комбинаторных задач, важных для выявления свойств и поведения материалов с памятью формы.
На чертеже изображена схема предлагаемой установки для испытаний образца с памятью формы.
Установка состоит из корпуса 1, в котором в верхнем держателе 2 и нижнем держателе 3 закреплен образец 4 в виде стержня, выполненный из материала с памятью формы. Вокруг образца 4 расположен полый цилиндр 5 с патрубками для подачи горячей и охлаждающей жидкости. Внизу корпуса 1 расположен узел для циклического кручения, соединенный через тензометрический узел 6 с нижним держателем 3. Узел циклического кручения состоит из рычага 7, один конец которого соединен с корпусом 8, выполненным в виде вибратора, в котором в подшипниках 9 установлен вал 10 с неуравновешенной массой 11, соединенный с помощью гибкого вала 12 (резинового валика) с электродвигателем 13.
На втором конце рычага 7 закреплены пружины 14 с рукоятками 15 для определения частоты колебаний вибратора. Рычаг 7 жестко соединен со стержнем 16, передающим усилия от вибратора к образцу 4, нижний конец которого установлен в радиально-упорном подшипнике 17 нижнего держателя 3, установленного в корпусе 1 с возможностью вращения, и соединен с тензометрическим узлом, состоящим из полого цилиндра 6 (динамометра) с патрубками 18 подвода и отвода охлаждающей жидкости, на поверхности которого установлены проволочные тензодатчики сопротивления 19.
Верхний конец образца с памятью формы 4, соединенный с узлом нагружения статическим кручением, который состоит из динамометра 20 на поверхности которого установлены проволочные тензодатчики сопротивления 19, жестко связанным с подвижным шпинделем 21, который перемещается в опоре 22 и сопряжен с неподвижным в осевом направлении шпинделем 23. Взаимное прокручивание шпинделей 21 и 23 исключается благодаря тому, что узел нагружения статическим кручением имеет вал 24, жестко соединенный со стержневой системой верхнего держателя 2 и расположенный перпендикулярно стержневой системе, и сидящих на нем подшипников 25, которые контактируют с пластинами 26, приваренными к шпинделю 23. Шпиндель 23 смонтирован на подшипниках 27, находящихся в корпусе 28. Корпус 28 узла нагружения кручения жестко соединен с корпусом 1 установки. В верхней части узла нагружения корпуса 28 закреплен маховик 29, через который к образцу с памятью формы 4 прикладывается постоянный крутящий момент при подвеске груза 30 через трос 31. Статическая растягивающаяся нагрузка создается грузом 32 и двуплечим рычагом 33, который находится на оси 34. Все узлы нагружения собраны в корпусе 1.
Испытание образца можно осуществить следующим образом, подготовленный образец из материала с памятью формы с помощью установки заключается в воздействии на образец циклического нагрева и охлаждения, раздельного и совместного циклического кручения, осевого нагружения и нагружения кручением и совместного измерения при этих испытаниях осевой деформации и деформации кручения.
При воздействии на образец с памятью формы 4 только циклической нагрузки кручения. Образец 4 устанавливают в полый цилиндр 5 с патрубками для подачи горячей и охлаждающей жидкости, закрепляют образец 4 в верхнем и нижнем держателе 2 и 3 и производят его нагружение с помощью узла нагружения циклическим кручением образца 4, осуществляется вибратором. Частота колебаний вибратора определяется моментом его инерции и жесткостью пружин 14. Натяжение пружин регулируется рукоятками 15 посредством винтовой пары. Неуравновешенная масса 11 вибратора вращается в подшипниках 9 корпуса 8 и приводится во вращение с помощью гибкого вала 12 (резинового валика). Величину угла закручивания образца можно регулировать, изменяя число оборотов электродвигателя 13. Поскольку при изменении одного лишь угла закручивания образца 4, в случае незначительных нагрузок, нельзя точно определить величину действующих касательных напряжений, необходимо еще определять и крутящий момент. Величину крутящего момента определяют на данной установке с помощью динамометра 6. Образец подвергают циклическому процессу нагрева и охлаждения с помощью полого цилиндра 5 с патрубками для подачи горячей и охлаждающей жидкости. Измеряют деформацию и характер осевой деформации кручения образца 4 с помощью динамометра 20, на поверхности которого установлены проволочные тензодатчики сопротивления 19.
При воздействии на образец 4 только нагрузки кручения. Образец 4 устанавливают в полый цилиндр 5 с патрубками для подачи горячей и охлаждающей жидкости, закрепляют образец 4 в верхнем и нижнем держателе 2 и 3 и производят его нагружение с помощью узла нагружения кручением образца 4 к маховику 29, через который к образцу 4 прикладывается постоянный крутящий момент при подвеске груза 30 через трос 31. В этом случае маховик 29 является сейсметрической массой, воспринимающей знакопеременный крутящий момент. Частота собственных крутильных колебаний образца 4 с маховиком 29 (при жестком нижнем закреплении) не превышает 1 кол/с. При частоте изменения крутящего момента 20-50 циклов в с. Маховик практически остается неподвижным, поэтому к нему можно прикладывать постоянный крутящий момент. Образец подвергают циклическому процессу нагрева и охлаждения с помощью полого цилиндра 5 с патрубками для подачи горячей и охлаждающей жидкости. Измеряют деформацию и характер осевой деформации кручения образца 4 с помощью динамометра 20, на поверхности которого установлены проволочные тензодатчики сопротивления 19.
При воздействии на образец 4 только нагрузки кручения. Образец 4 устанавливают в полый цилиндр 5 с патрубками для подачи горячей и охлаждающей жидкости, закрепляют образец 4 в верхнем и нижнем держателях 2 и 3 и производят его нагружение с помощью узла осевого растяжения. Статическая растягивающая нагрузка создается грузом 32 и двуплечим рычагом 33. Если осевую нагрузку необходимо изменять, то с помощью динамометра 20 и автоматического потенциометра можно записывать характер изменения осевой силы. Образец подвергают циклическому процессу нагрева и охлаждения с помощью полого цилиндра 5 с патрубками для подачи горячей и охлаждающей жидкости. Измеряют деформацию и характер осевой деформации кручения образца 4 с помощью динамометра 20, на поверхности которого установлены проволочные тензодатчики сопротивления 19.
Можно одновременно приложить все три нагрузки к образцу 4 и, если образец нагружается выше предела усталостной прочности и имеет высокую демпфирующую способность (например нитинол), то он сильно нагреется (до красного каления), в связи с чем изменяются его физические свойства и уменьшается жесткость системы, чтобы этого не происходило в этом случае хорошим средством для достижения постоянства амплитуды с начала нагружения является охлаждение образца очищенным керосином.
Очищенный керосин является нейтральной жидкостью, не влияющей на усталостную прочность.
При любом сочетании нагрузок на образец 3 из вышеприведенных нагрузок можно менять температурный интервал мартенситных превращений и величину амплитуды возврата в исходное состояние.
Применение описанного изобретения позволяет также уменьшить расходы на проведение испытаний материалов с памятью формы, что достигается за счет того, что нет необходимости в приобретении дорогостоящего испытательного и измерительного оборудования.