Способ определения прочности материала
METHOD OF DETERMINING STRENGTH OF MATERIAL

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям материалов, в частности горных пород, путем вдавливания индентора в поверхность образца и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях.
nd
Известен способ определения прочности горных пород при объемном сжатии для осуществления которого цилиндрический образец устанавливается в рабочую камеру объемного сжатия, в которой боковые поверхности образца нагружаются гидравлическим давлением постоянной величины со стороны рабочей жидкости, а торцовые поверхности, непрерывно возрастающей нагрузкой до разрушения образца с регистрацией величины нагрузки в момент разрушения материала образца, и последующим вычислением предела прочности материала горной породы путем деления величины разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения образца. [API RP 40, Recommended practice for core - analysis procedure, 2ed.: Chapter 7.7. American Petroleum Institute, 1998. Washington, D.C. - 236 p.].
Недостатком данного способа является однократное использование образца, не позволяющее проводить повторные исследования материала образца с целью повышения точности результата испытания.
IT
IT
Наиболее близким, по технической сущности к заявляемому является способ определения прочностных характеристик материалов, включающий вдавливание в материал индентора переменного сечения с нарастающей нагрузкой и последующей разгрузкой, регистрацией зависимости нагрузки от перемещения индентора, в результате которого по положению касательной к ветви разгрузки, проведенной через верхнюю точку графической зависимости, определяется статический модуль Юнга Е* испытуемого материала, а отношение приложенной к индентору нагрузки F к площади контактной поверхности S между индентором и испытуемым материалом, определенное при вдавливании индентора, принимается за величину твердости H испытуемого материала. Недостатком данного способа является необходимость определения на графике разгрузки точки, определяющей две доли общей глубины отпечатка индентора, отражающих глубину внедрения на протяжении которой осуществляется контакт между индентором и материалом и глубину на протяжении которой контакт индентора с материалом отсутствует в результате образовавшегося в материале углубления вокруг индентора. Соотношение между указанными глубинами находится в линейной зависимости от соотношения между твердостью H и модулем упругости Е*, из указанной зависимости невозможно определить количественное значение предела прочности материала. [Фирстов, С.А. Новые методологические возможности определения механических свойств современных материалов методом автоматического индентирования / С.А. Фирстов, В.Ф. Горбань, Э.П. Печковский //  2010. Т. 6. №5. С. 7-18.]
Задача заявляемого способа заключается в определении предела прочности материала при сжатии без разрушения образца.
Технический результат достигается тем, что в способе определения прочностных характеристик материала, включающем вдавливание индентора переменного сечения непрерывно возрастающей нагрузкой до максимального значения произвольной величины после достижения которого, прекращают вдавливание и производят разгрузку образца до нулевого значения, при этом регистрируют значение величины нагрузки и соответствующую ей глубину перемещения индентора, рассчитывают давление на контактной поверхности между индентором и образцом в период возрастания нагрузки, согласно изобретению, производят вдавливание и разгрузку индентора, не изменяя его положения, циклично, обеспечивая в каждом последующем цикле дискретное увеличение максимального значения нагрузки при которой начинается разгрузка, при этом в период разгрузки образца определяют давление на контактной поверхности путем отношения значения нагрузки на индентор к максимальной площади контактной поверхности в каждом цикле, и также в каждом цикле для одной и той же глубины перемещения индентора рассчитывают разность между давлениям на контактной поверхности в период увеличения нагрузки и давлением в период разгрузки, и определяют максимальное значение разности указанных давлений на основании установленной зависимости между максимальными значениями разности давлений, соответствующим значениям максимальных нагрузок в циклах, определяют предел прочности испытуемого образца. При расчете давления на контактной поверхности между индентором и образцом, с целью упрощения расчетов, при применении инденторов пирамидальной или конической формы, за величину площади контактной поверхности принимают проекцию площади контактной поверхности индентора с соответствующим поправочным коэффициентом. Испытания продолжают до тех пор, пока на графике зависимости между максимальными значениями разности давлений и соответствующими значениями нагрузки не сформируется горизонтальный участок с постоянными значениями разности давлений, величина которых является пределом прочности материала при сжимающих нагрузках.
Сущность изобретения поясняется чертежами. Фиг. 1 - График отражающий изменение нагрузки, приложенной к индентору и соответствующего изменения глубины перемещения индентора h при многократном повторении увеличения нагрузки и разгрузки образца. Фиг. 2 - График отражающий изменение нагрузки, приложенной к индентору и соответствующего изменения глубины перемещения индентора, в случае однократного вдавливания индентора. Фиг. 3 - Графики отражающие изменение давления на контактной поверхности между индентором и материалом в момент увеличения нагрузки и давления в момент разгрузки индентора, а также изменение разности между указанными давлениями на контактной поверхности в зависимости от перемещения индентора. Фиг. 4 - Графики отражающие зависимости отражающие зависимость разности давлений в каждом цикле от максимальных значений нагрузок в соответствующих им циклах испытаний.
Способ осуществляют следующим образом.
2
1
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Плоскопараллельный образец устанавливают на стол нагружающего стенда и вдавливают индентор непрерывно возрастающей нагрузкой F до максимального значения Fmaxi произвольной величины, после достижения которого, прекращают вдавливание и производят разгрузку образца до нулевого значения нагрузки F. Не изменяя положения индентора, повторяют его вдавливание непрерывно возрастающей нагрузкой до максимальной величины Fmax, превышающей первоначальное значение Fmax и затем аналогично производят разгрузку. Описанное циклическое вдавливание индентора продолжают повторять i-раз обеспечивая в каждом цикле непрерывное возрастание нагрузки F и разгрузку образца, повышая в каждом следующем цикле максимальное значение нагрузки Fmax, после которого начинается разгрузка индентора с уменьшением величины нагрузки F до нулевого значения (Фиг. 1). Регистрируют зависимость величины нагрузки F от перемещения h индентора при каждом цикле увеличения нагрузки до максимального значения Fmax и разгрузки. Для полученной в каждом цикле вдавливания индентора зависимости величины нагрузки F от перемещения h индентора рассчитывают давление на контактной поверхности между индентором и материалом образца для каждого текущего значения перемещения h индентора (Фиг. 2). При этом в момент увеличения нагрузки ее величину F делят на площадь контактной поверхности S, которая увеличивается сообразно увеличению перемещения h индентора и рассчитывают давление P=F/S на контактной поверхности между индентором и материалом образца в момент увеличения нагрузки. Площадь контактной поверхности рассчитывают исходя из геометрической формы индентора и величины его перемещения h или принимают ее равной площади проекции поверхности индентора с поправочным коэффициентом. В период разгрузки индентора текущее значение нагрузки  делят на площадь контактной поверхности Smax, соответствующую положению индентора hmax в момент начала разгрузки и принимают постоянной, т.к. в момент разгрузки образца материал образца совершает только упругое восстановление, которое не изменяет сформировавшейся на этапе увеличения нагрузки максимальной площади контактной поверхности между индентором и образцом. При этом величина нагрузки  уменьшается до нулевого значения сообразно перемещению индентора. Таким образом рассчитывают давление  на контактной поверхности между индентором и образцом в период разгрузки. Для одной и той же величины перемещения h индентора рассчитывают разницу  между давлением на контактной поверхности в момент увеличения нагрузки - P и давлением в момент разгрузки  и на полученной зависимости ΔP от h определяют максимальное значение разницы ΔPmax для каждого i-го цикла увеличения нагрузки и разгрузки индентора.
i
i
i
По результатам эксперимента строят зависимость ΔPmax от Fmax и на основании полученной зависимости определяют предел прочности испытуемого материала на сжатие, считая данной величиной значение ΔPmax соответствующее горизонтальному участку указанной зависимости.
1
1
1
Пример осуществления способа. Исследовали материал керна горной породы, извлеченной из скважины №208 Речицкого месторождения Республики Беларусь. Испытания проводят на цилиндрических образцах диаметром 30 мм и высокой 60 мм что соответствует ГОСТ 21153.3-85. Образец устанавливают на испытательный стол стенда «INSTRON». В качестве индентора используют алмазную пирамиду Виккерса, которую с помощью специальной оправки закрепляют на траверсе стенда «INSTRON». Затем вдавливают индентор в поверхность образца с непрерывным увеличением нагрузки до максимального значения Fmax=100H, после чего вдавливание прекращают и осуществляют разгрузку индентора до нулевого значения. Регистрируют изменение нагрузки F в зависимости от перемещения h индентора.
i
i
i
Повторное и следующие за ним вдавливания индентора проводят, не изменяя взаимного расположения образца и индентора, увеличивая максимальную нагрузку Fmax на 100Н при которой прекращают процесс вдавливания и начинают разгрузку в каждом последующем цикле вдавливания индентора. Величина максимальной нагрузки в рассматриваемом примере возрастала в следующей последовательности 100Н, 200Н, 300Н, 400Н, 500Н, 600Н, 700Н, 800Н. Регистрируют изменение нагрузки F в зависимости от координаты h индентора при его перемещении в процессе всех циклов вдавливания индентора. Получают зависимость нагрузки F от перемещения h индентора, которую представляют в графическом виде (Фиг. 1).
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
2
2
2
Для каждого цикла вдавливания проводят расчет величины давления Р на контактной поверхности между индентором и материалом образца путем деления нагрузки F, приложенной к индентору на площадь S контакта между индентором и поверхностью исследуемого материала. Величину давления P на контактной поверхности в момент непрерывного увеличения нагрузки F рассчитывают с учетом непрерывного увеличения площади S контактной поверхности, которую рассчитывают исходя из глубины внедрения h индентора, а также исходя из его геометрической формы представляющей собой четырехгранную пирамиду с углом при вершине 136°. Для алмазного индентора Виккерса площадь контактной поверхности между индентором и испытуемым материалом рассчитывают по формуле S=4hsin68°/cos68° или S=26,428 h. В качестве величины нагрузки F и перемещения индентора h используют экспериментальные данные, полученные в результате телеметрии процесса вдавливания. Величину давления  на контактной поверхности в момент разгрузки рассчитывают путем деления текущей величины нагрузки  регистрируемой с помощью телеметрии, на площадь контактной поверхности Smax соответствующую перемещению hmax индентора, в каждом цикле испытания. В расчете величины давления  на контактной поверхности в момент разгрузки используют постоянную величину площади контактной поверхности Smax, полученную при перемещении индентора до величины hmax. Для каждого цикла углубления индентора строят графическую зависимость изменения величины нагрузки F от перемещения h индентора в момент вдавливания индентора и  от h в момент разгрузки индентора, при этом для каждого цикла испытаний регистрируют значения hmax и Fmax (Фиг. 2).
i
i
i
i
i
i
i
Для каждого цикла вдавливания индентора рассчитывают разницу между давлением в момент увеличения усилия P и его уменьшением  по формуле  Строят графические зависимости изменения P,  и ΔP от перемещения h индентора. На графике зависимости ΔP от h определяют максимальное значение ΔPmax для каждого цикла испытаний (Фиг. 3).
i
i
i
Строят графическую зависимость между величинами максимальных разностей давлений ΔPmax и максимальными значениями нагрузки Fmax для всех циклов испытаний (Фиг. 4). На указанном графике горизонтальный участок, отражающий постоянные величины ΔPmax=183 МПа, соответствует пределу прочности на сжатие испытуемого материала.
Проверочные испытания, проведенные согласно ГОСТ21153.8-88 с объемным разрушением образца, обеспечивают получение близких значений предела прочности на сжатие, отличающихся не более чем на 25%.