СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ МАТЕРИАЛА
METHOD FOR ANALYZING MATERIAL DEFORMATION

Изобретение относится к оптическим способам измерения деформаций в области исследования механических свойств материалов, в частности инструментальных сталей и твердых сплавов, путем приложения сжимающих статических нагрузок.
Известен способ исследования механических свойств материалов сжатием (ГОСТ 25.503-97. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. Минск, 1998), в котором образец предварительно нагружают между плитами пресса, устанавливают на образец тензометры, нагружают ступенчато-возрастающей нагрузкой, измеряют силы нагружения, а также контактным методом продольные и поперечные деформации образца.
Недостатком известного способа является его низкая точность из-за использования контактного метода измерения с помощью тензометров, а также сложность обработки результатов измерений для определения упругих постоянных.
Наиболее близким к предлагаемому является способ исследования деформации материала (пат. РФ №2023252, МПК 5 G01N 3/00, G01B 11/16, опубл. 15.11.1994, Бюл. №21), который выбран в качестве прототипа. Известный способ заключается в том, что полируют одну из граней исследуемого образца и поверхность подвижной плиты пресса, обращенную к неподвижной плите. Устанавливают и деформируют образец между подвижной и неподвижной плитами пресса. Освещают зеркально-полированные поверхности образца и подвижной плиты пучками когерентного монохроматического излучения. Формируют интерференционные картины посредством двуплечих интерферометров, в рабочих плечах которых располагают соответственно зеркально-полированную поверхность образца и зеркально-полированную поверхность подвижной плиты. В процессе испытания измеряют силу нагружения. По изменению интерференционных картин определяют деформации материала, а модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ определяют по формулам:
где P - сила нагружения;
n и m - числа считанных интерференционных линий соответственно на продольном и поперечном интерферометрах;
a - толщина образца в направлении, перпендикулярном полированной грани;
l и b - длина и ширина образца соответственно;
λ - длина волны источника когерентного монохроматического излучения.
Недостатками этого способа являются невозможность проведения измерений на нагретом образце из-за быстрой потери тепла, связанной с его стоком в плиты пресса и длительностью установки и настройки, а также недостаточная точность измерений из-за погрешностей, возникающих от просадки неподвижной плиты под воздействием силы нагружения и большой разности температур образца и плит пресса.
Задачей изобретения является повышение точности измерений упругих постоянных материала при высоких температурах.
Поставленная задача решается за счет получения следующих технических результатов. Нагрев образца производится в его рабочем положении непосредственно перед проведением испытания и с поддержанием температуры нагрева в процессе испытания. Изменение длины образца регистрируется путем измерения расстояния между плитами пресса.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Полируют одну из боковых граней исследуемого образца и поверхность подвижной плиты пресса, обращенную к неподвижной плите. Устанавливают и деформируют образец между плитами пресса. Освещают зеркально-полированные поверхности образца и подвижной плиты пучками когерентного монохроматического излучения. Формируют интерференционные картины посредством двуплечих интерферометров, в рабочих плечах которых располагают соответственно зеркально-полированную поверхность образца и зеркально-полированную поверхность подвижной плиты, причем луч рабочего плеча продольного интерферометра направляют на зеркально-полированную поверхность подвижной плиты через предварительно-изготовленную на неподвижной плите под углом 45 градусов зеркальную полированную поверхность. С наружных сторон плит пресса располагают электроды, между одной из плит и соответствующим электродом вводят слой полупроводника, нагревают образец путем пропускания постоянного электрического тока между электродами через образец, плиты и слой полупроводника. В процессе испытания непрерывно регистрируют температуру образца с помощью термопары, силу нагружения и по изменению интерференционных картин деформации материала, по которым определяют модуль упругости E и коэффициент Пуассона μ. Для получения более стабильного прогрева образца слой полупроводника также вводят между второй плитой и вторым электродом.
На фиг. 1 изображена оптико-механическая схема, поясняющая реализацию описываемого способа, на фиг. 2 - схема компенсации погрешностей, возникающих из-за просадки неподвижной плиты, за счет увеличения хода рабочего луча при использовании зеркально-полированной поверхности подвижной плиты под углом 45 градусов.
Способ осуществляется следующим образом.
Полируют поверхность 1 одной из боковых граней исследуемого образца 2 и поверхность 3 подвижной плиты 4 пресса, обращенную к неподвижной плите 5. С наружных сторон плит 4 и 5 пресса располагают электроды 6 и 7. Между одной из плит 5 и соответствующим электродом 7 вводят слой полупроводника 8. Устанавливают образец 2 между подвижной 4 и неподвижной 5 плитами пресса. Освещают зеркально-полированные поверхности 1 и 3 образца 2 и подвижной плиты 4 пучками когерентного монохроматического излучения лазера 9. Формируют интерференционные картины посредством двуплечих интерферометров 10 и 11, в рабочих плечах которых располагают соответственно зеркально-полированную поверхность 1 образца 2 и зеркально-полированную поверхность 3 подвижной плиты 4. Причем луч рабочего плеча продольного интерферометра 11 направляют на зеркально-полированную поверхность 3 подвижной плиты 4 через предварительно изготовленную на неподвижной плите 5 под углом 45 градусов зеркальную полированную поверхность 12, что позволяет автоматически компенсировать погрешности Δ1, возникающие из-за просадки неподвижной плиты 5, за счет увеличения хода луча рабочего плеча. Далее задают предварительную нагрузку на образец 2. Пропускают постоянный электрический ток между электродами 6 и 7 через образец 2, плиты 4 и 5 и слой полупроводника 8. При прохождении электрического тока через слой полупроводника 8 выделяется тепло, благодаря которому происходит нагрев плиты 5 и соответственно образца 2. В процессе испытания деформируют образец 2, непрерывно регистрируют температуру образца 2 с помощью термопары 13 и силу нагружения Р и ведут счет чисел n и m интерференционных линий с помощью фотоприемников 14 и 15, а результаты измерений записывают и обрабатывают на ПЭВМ 16. По изменению интерференционных картин определяют деформации материала, а модуль упругости E и коэффициент Пуассона μ определяют по формулам:
Для получения более стабильного прогрева образца слой полупроводника также вводят между второй плитой 4 и вторым электродом 6.
-3
-3
-6
-3
Пример осуществления способа. Взят образец из твердого сплава марки Т15К6 с размерами: толщина а и ширина b равны 6⋅10 м, длина l=12⋅10 м. Длина волны источника когерентного монохроматического излучения (лазер ЛГ-75) λ=0,6328⋅10 м. Плиты пресса выполнены из твердого сплава марки ВК8. В качестве полупроводника использован порошок дисульфида молибдена, нанесенный ровным слоем толщиной 0,06⋅10 м на медный электрод со стороны неподвижной плиты. При пропускании постоянного электрического тока в 75 А напряжение между электродами составило 1,2 В, а температура образца, измеряемая тарированной хромель-алюмелевой термопарой, составила 511 К. В результате нагружения образца силой P=60 кН при полученной температуре значения считанных интерференционных линий составили в продольном интерферометре n=151, в поперечном интерферометре m=9. После подстановки экспериментальных данных в приведенные формулы получены значения модуля упругости E=418,6 ГПа и коэффициента Пуассона μ=0,238.
Таким образом, описанный способ исследования деформации материала благодаря реализации нагрева образца в его рабочем положении непосредственно перед проведением испытания и поддержания температуры нагрева в процессе испытания, а также непрерывной регистрации изменения длины образца путем измерения расстояния между плитами пресса позволяет реализовать исследование упругих постоянных материала при высоких температурах с высокой точностью.