СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ И УСТРОЙСТВО "ЛЕТАЮЩАЯ ТАРЕЛКА" ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR TESTING THIN-WALL SPECIMENS UNDER STRESS AND DEVICE "FLYING SAUCER" FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области испытаний материалов, а именно к определению изменяющихся во времени механических характеристик материалов, в частности износа материала под воздействием различных факторов, например коррозионного износа тонкостенных элементов конструкций, в том числе мембран на металлической основе.
2
Известны способы ускоренных испытаний материалов, заключающиеся в том, что испытуемый образец помещают в нагретый до определенной температуры трехпроцентный раствор хлористого натрия и подвергают действию циклически растягивающей нагрузки, причем нагружение производят с постоянной скоростью 1-1,5 кгс/мин и выдержкой при максимальной нагрузке 50-100 мин, при минимальной - 40-80 мин и с разницей между величинами максимальной и минимальной нагрузок, равной 10-15 кгс/мм (аналог) [Авторское свидетельство СССР №597948, М.Кл. G01N 17/00, опубл. 15.03.78 г., Бюл. №10].
Недостатком таких способов является испытание образца под напряжением только при одноосном растяжении, что не охватывает все особенности поведения испытуемого образца в реальных эксплуатационных условиях.
Известны способы испытания образцов металлических материалов под напряжением, согласно которым на образец испытуемого материала воздействуют растягивающей нагрузкой и коррозионной средой. При этом используют крестообразный образец, по крайней мере, один луч которого выполнен из испытуемого материала, воздействие коррозионной средой осуществляют путем заполнения полостей между лучами различными жидкостями и/или газами, а растягивающую нагрузку прикладывают к лучу из испытуемого материала по двум осям (аналог) [Патент СССР №1777648, М.Кл. G01N 17/00, опубл. 23.11.92 г., Бюл. №43].
Недостатком указанных способов является необходимость использования трудоемкого в изготовлении крестообразного образца и невысокая точность определения коррозионных характеристик образцов.
Известен также способ испытания образцов металлических мембран под напряжением, включающий операции воздействия растягивающей нагрузкой и коррозионной средой на образец испытуемого материала, при этом фиксируют исследуемый образец металлической мембраны на фланце нагрузочного резервуара, создают одностороннее давление рабочей средой на исследуемый образец, а на другую поверхность образца воздействуют коррозионной средой, замеряют через определенные интервалы времени необходимые параметры, такие как высоту подъема образовавшегося купола и толщину образца в центре образца, по результатам замеров вычисляют модуль упругости для заданного интервала времени для каждого образца и степень коррозии, на основе вычисленных величин составляют заключение о степени коррозионного износа материала исследуемого образца (прототип) [Патент РФ №2296976, М.Кл. G01N 17/00, опубл. 10.04.2007].
Известный способ обладает следующими недостатками:
а) практически невозможно обеспечить постоянство нагрузки образцов непосредственно при выдерживании их в коррозионной среде, приходится постоянно компенсировать потери нагрузочного давления в течение длительного срока испытаний;
б) требуется использование громоздкого стационарного оборудования;
в) возникают технологические трудности при осуществлении воздействия на образцы физическими полями и при испытании образцов в различных условиях.
Известны приспособления для испытания пластинчатых образцов под напряжением методом постоянной деформации при изгибе, содержащие корпус в виде скобы с опорными плоскостями для концов образца и нажимной винт, расположенный в центре скобы, причем они снабжены устройствами для прижатия концов образца к опорным плоскостям, которые повернуты в противоположные стороны вокруг установочной оси скобы по отношению к плоскости, перпендикулярной оси нажимного винта (аналог) [Авторское свидетельство СССР №355546, М.Кл. G01N 17/00, G01N 3/22, G01N 3/20; опубл. 16.10.72 г., Бюл. №31].
Недостатком известных приспособлений является необходимость помещения в воздействующую среду приспособления вместе с нажимным винтом, который изнашивается и влияет на точность эксперимента.
Известны приспособления для коррозионных испытаний, содержащие ампулу, размещаемую в коррозионной среде, укрепленный на его дне пассивный захват, активный захват, нагружающее устройство и измеритель деформации, при этом они снабжены промежуточными захватами, установленными последовательно по оси пассивного и активного захватов, между которыми располагаются испытуемые образцы, и жестко закрепленными на ампуле ограничителями хода промежуточных захватов, каждый из которых установлен относительно соответствующего захвата на расстоянии, определяемом задаваемой степенью деформации каждого из испытуемых образцов (аналог) [Авторское свидетельство СССР №381972, М.Кл. G01N 17/00, G01N 3/08; опубл. 22.05.73 г., Бюл. №22].
Недостатком указанных приспособлений является сложность и дороговизна устройства и необходимость тщательной подготовки приспособлений к испытаниям.
Известны устройства для испытания полых эластичных образцов на многократное деформирование, содержащие камеры для агрессивной среды, установленные в камере подвижный и неподвижный захваты для закрепления торцов образца, средство создания давления в полости образца, средства для воздействия на образец статическими и циклическими нагрузками и регистрирующую аппаратуру. Средство воздействия на образец циклическими нагрузками выполнено в виде двух симметрично расположенных относительно оси захватов пуансонов, предназначенных для одновременного воздействия на образец, а рабочие торцы пуансонов выполнены плоскими с округлениями по краям (аналог) [Авторское свидетельство СССР №1497512, М.Кл. G01N 17/00, опубл. 30.07.89 г., Бюл. №28].
Недостатком указанных устройств является невозможность проведения испытания неполых образцов, недостаточная точность получаемых результатов, а также сложная в реализации технология испытания.
Известно также устройство для осуществления способа испытания образцов металлических мембран под напряжением, содержащее емкость для агрессивной среды, средства для воздействия на образец нагрузками и регистрирующую аппаратуру. При этом нагрузочный резервуар имеет фланец, на который установлен с образованием герметично закрытой полости испытуемый образец, причем к резервуару подведена магистраль от источника рабочей среды для оказания одностороннего давления на образец, а также подсоединено устройство замера давления, кроме того установлен измерительный комплекс для замера геометрических параметров образца (прототип) [Патент RU №2296976 по М.Кл. - G01N 17/00, опубл. 10.04.2007].
Известное устройство обладает следующими недостатками:
а) не позволяет проводить испытание образцов без подключения к источнику нагружения;
б) невозможно использовать установку в мобильном режиме;
в) возникают трудности при использовании установки в естественных природных условиях;
г) устройство является относительно громоздким в изготовлении.
Целью (задачами) настоящего изобретения является обеспечение автономности и расширение возможности выдерживания нагруженных образцов при различных условиях воздействующих внешних сред и полей, повышение точности механических характеристик образцов, упрощение методики и технологии испытания.
Указанная цель достигается тем, что в способе испытания тонкостенных образцов под напряжением, включающем операции воздействия нагрузкой, средой и полем на образец испытуемого материала, замера необходимых параметров и составления заключения о степени изменения характеристик образцов по результатам вычисления модуля упругости, на первом этапе испытания в центральное отверстие корпуса испытательного узла вводят нагрузочное тело соответствующего размера, с обеих сторон корпуса размещают по одному образцу, накладывают на образцы зажимные кольца, стягивают зажимные кольца друг к другу при помощи крепежных соединений с деформированием образцов и образованием герметичной полости, таким образом формируют испытательный узел «Летающая тарелка», в котором оба образца нагружаются одновременно путем приложения локальной нагрузки на центральный участок образца от нагрузочного тела при сближении зажимных колец друг к другу. При этом размеры нагрузочного тела подбирают с учетом уровня заданных напряжений
где d - диаметр нагрузочного тела;
A
H - суммарная толщина пакета собранного испытательного узла (толщина корпуса совместно с толщиной образцов и герметизирующих прокладок);
h - исходная толщина испытуемого образца;
D - диаметр рабочей части образца;
σ - заданное напряжение;
0
E - первоначальный модуль упругости материала образца.
Замеряют первоначальные параметры испытательного узла, выдерживают испытательный узел под действием рабочих сред и полей в течение заданного времени, извлекают испытательный узел из рабочей среды и поля, при необходимости производят очистку от образовавшихся отложений, повторно замеряют параметры (размеры, форму и массу) испытательного узла.
На втором этапе способа закрепляют испытательный узел на измерительном устройстве, соединяют полость корпуса испытательного узла с источником давления, подают давление внутрь испытательного узла без его разборки, наблюдают за изменением форм куполов обоих образцов и замеряют через заданный интервал нарастания давления общую толщину испытательного узла. Далее обрабатывают полученную информацию об изменении форм куполов. Для упругих материалов механические характеристики образцов вычисляют по значениям модуля упругости по формуле
i
где E - текущий модуль упругости материала образца;
N - согласующий коэффициент;
i
p - равномерно распределенное давление внутри испытательного узла;
D - диаметр рабочей части образца;
ν - коэффициент Пуассона материала;
i
i
Н - толщина испытательного узла при давлении p;
A
H - суммарная толщина пакета собранного испытательного узла;
0
Н - исходная толщина испытательного узла до испытаний;
d - поперечный размер (диаметр) нагрузочного тела.
Для материалов при пластичных деформациях механические
усл
характеристики образцов определяют по условному модулю Е упругости по формуле
усл
где Е - условный модуль упругости материала образца;
А - параметр, свойственный для конкретного материала с учетом возможного изменения структуры материала в процессе нагружения образца;
k - коэффициент, характерный для материала данного образца (0≤k≤1);
i
е - интенсивность деформаций.
В устройстве для осуществления способа испытания тонкостенных образцов под напряжением, содержащем источник рабочей среды, магистраль для подачи рабочей среды для оказания одностороннего давления на образец, устройство замера давления, измерительный комплекс для замера геометрических параметров образца, образцы скомпонованы в единый испытательный узел, состоящий из корпуса в виде диска с центральным отверстием, в котором размещено нагрузочное тело. С обеих сторон корпуса размещены по одному образцу с герметизирующими прокладками. Снаружи образцов расположены зажимные кольца. В корпусе испытательного узла имеются каналы для соединения полости с источником давления. Нагрузочное тело обычно имеет сферическую форму соответствующего размера.
0
i
i
A
i
i
На фиг.1 представлен общий вид испытательного узла в стадии осуществления первого этапа способа, обозначено: D - диаметр рабочей части образца, H - исходная толщина испытательного узла; на фиг.2 - общий вид устройства для осуществления второго этапа способа, обозначено H - толщина испытательного узла при давлении p; на фиг.3 - поперечный разрез испытательного узла, обозначено: d - поперечный размер (диаметр) нагрузочного тела, Н - суммарная толщина пакета собранного испытательного узла; на фиг.4 - сечение А-А по фиг.3; на фиг.5 приведен график изменения коэффициента N от коэффициента Пуассона материала ν; на фиг.6 показан график изменения толщины испытательного узла Н от давления p для рассмотренного примера (сплошная линия соответствует деформированию образца, подверженного воздействию агрессивной среды, а штриховая - деформированию образца без воздействия агрессивной среды).
Способ испытания тонкостенных образцов под напряжением осуществляют в два этапа.
На первом этапе испытания в центральное отверстие корпуса испытательного узла вводят нагрузочное тело соответствующего размера. Если нагрузочное тело имеет сферическую форму, то в качестве соответствующего размера берется его диаметр. С обеих сторон корпуса размещают по одному образцу с герметизирующими прокладками. Накладывают на образцы зажимные кольца и стягивают друг к другу зажимные кольца при помощи крепежных соединений. Для обеспечения равномерного нагружения образцов рекомендуется зажимные кольца стягивать по диагональным сечениям, например, посредством винта с гайкой. Таким образом формируют испытательный узел «Летающая тарелка», в котором оба образца нагружаются одновременно путем приложения локальной нагрузки (на центральный участок образца) от нагрузочного тела при сближении зажимных колец друг к другу.
При этом размеры нагрузочного тела подбирают с учетом уровня заданных напряжений
где d - диаметр нагрузочного тела;
A
H - суммарная толщина пакета собранного испытательного узла (толщина корпуса совместно с толщиной образцов и герметизирующих прокладок);
h - исходная толщина испытуемого образца;
D - диаметр рабочей части образца;
σ - заданное напряжение;
0
E - первоначальный модуль упругости материала образца.
Замеряют первоначальные параметры испытательного узла, в том числе его геометрические размеры, характеризующие форму образуемого при деформации купола. Выдерживают испытательный узел под действием рабочих сред и полей в течение заданного времени.
Могут быть рассмотрены три варианта воздействия сред и полей на первом этапе испытаний: 1) только в заданной среде; 2) только под воздействием заданного поля; 3) комбинированное (совместное) воздействие как среды, так и поля.
В качестве рабочих сред могут быть использованы жидкие, парогазожидкие, парогазовые, коррозионные, кислотные, щелочные, почвенные, биологические и другие среды. В качестве полей могут применяться температурные, электрические и магнитные поля, электромагнитные излучения, в том числе оптические, рентгеновские и другие излучения.
После истечения заданного времени испытания в данной среде и полях извлекают испытательный узел из рабочей среды и поля, при необходимости производят очистку от образовавшихся отложений (остатков). При очистке необходимо исключить нанесение на исследуемые образцы механических и других повреждений (дефектов). Повторно замеряют параметры (размеры, форму и массу) испытательного узла. При этом разборка испытательного узла не производится.
i
На втором этапе способа закрепляют испытательный узел на измерительном устройстве и соединяют полости корпуса с источником давления, например с ресивером или компрессором. Подают по соответствующим каналам, например, воздух под давлением внутрь испытательного узла (без его разборки). Наблюдают за изменением форм куполов обоих образцов и замеряют через заданный интервал нарастания давления общую толщину H испытательного узла. Далее обрабатывают полученную информацию об изменении форм куполов в зависимости от вида деформации. При этом для упругих материалов механические характеристики образцов оценивают по значениям модуля упругости по формуле
i
где Е - текущий модуль упругости материала образца;
N - согласующий коэффициент;
i
p - равномерно распределенное давление внутри испытательного узла;
D - диаметр рабочей части образца;
ν - коэффициент Пуассона материала;
i
i
H - толщина испытательного узла при давлении p;
A
H - суммарная толщина пакета собранного испытательного узла;
0
H - исходная толщина испытательного узла до испытаний;
d - поперечный размер (диаметр) нагрузочного тела.
Согласующий коэффициент N получают из аналитической зависимости
2
N=0,35963-0,22425ν+0,12623ν.
График изменения коэффициента N от коэффициента Пуассона материала ν приведен на фиг.5.
усл
Для материалов при пластичных деформациях механические характеристики образцов оценивают по условному модулю Е упругости по формуле
усл
где Е - условный модуль упругости материала образца;
А - параметр, свойственный для конкретного материала с учетом возможного изменения структуры материала в процессе нагружения образца;
k - коэффициент, характерный для материала данного образца (0≤k≤1);
i
e - интенсивность деформаций.
i
i
При построении кривой «интенсивность напряжений σ - интенсивность деформаций e» придерживаются следующего алгоритма.
1. Задают последовательно разные значения коэффициента k, характерного для материала рассмотренных образцов в пределах от 0 до 1 с определенным шагом (например, с шагом 0,1).
2. Вводят безразмерный параметр
3. Определяют параметр с, характеризующий условия равновесия нагруженного образца, из решения алгебраического уравнения
4
3
2
2
3
4
3
2
2
3
3,67с+(12-G) с+G (G-23,5) с+G(26-0,67 G) с-10 G-(1-k)[3,167 с-(3,5 G-8) с-(17,5-6 G) Gс-G (2,667 G-22) с-8 G]=0.
4. Задают радиальное перемещение u и прогиб w срединной поверхности образца в виде
где  - безразмерная радиальная координата;
r - радиальная координата.
1
2
5. Вычисляют радиальные ε и окружные ε деформации по формулам
где
i
6. Вычисляют интенсивность деформаций e из выражения
i
i
7. Вычисляют вспомогательный параметр J, зависящий от деформаций в материале, толщины испытательного узла Н при давлении p и коэффициента k
i
8. Вычисляют параметр A(e), зависящий от деформации и характеризующий прочность материала, по формуле
i
9. Вычисляют интенсивность напряжений σ по формуле
.
1
2
1
2
10. Вычисляют кривизны купола образца в радиальном К и окружном К направлениях соответственно. Кривизны К и К получают из формул
m
11. Вычисляют теоретическое давление p по формуле
m
12. Для уточнения коэффициента k описанную процедуру повторяют многократно, исходя из условия наибольшего согласования теоретического давления p с экспериментальным значением давления нагружения p.
усл
13. Определяют значение условного модуля Е по формуле
При необходимости строят соответствующие графики зависимости параметров. Далее составляют заключение о прочностных свойствах образца.
Устройство для осуществления способа испытания тонкостенных образцов под напряжением содержит раму 1, источник 2 рабочей среды (нагрузочный резервуар), к которому подсоединена магистраль 3 для подачи рабочей среды в испытательный узел через вентиль 4. На магистрали также имеется стравливающий патрубок 5 с вентилем 6. К магистрали подключено устройство замера давления, которое в простейшем исполнении может представлять собой манометр 7. На раме установлен измерительный комплекс 8 для измерения геометрических параметров испытательного узла.
Испытательный узел представляет собой единую конструкцию, которая состоит из корпуса 8, выполненного в виде двусвязного диска с центральным отверстием а. В центральном отверстии размещено нагрузочное тело 9. Нагрузочное тело имеет обычно сферическую форму соответствующего размера (диаметра).
С обеих сторон корпуса 8 размещены два образца 10 и 11 с герметизирующими прокладками 12 и 13. Снаружи образцов расположены зажимные кольца 14 и 15, которые имеют крепежные соединения. Таким образом, в собранном виде в испытательном узле формируется герметичная полость б. В корпусе 8 имеются каналы в и г для подсоединения полости б испытательного узла к магистрали 3. Канал в на выходе имеет резьбовую часть, в которую на первом этапе испытаний вворачивают пробку 16, а на втором этапе испытании подсоединяется магистраль 3. Замеры текущих геометрических параметров испытательного узла производятся при помощи измерительного комплекса 17.
Устройство работает следующим образом.
На первом этапе производится сборка испытательного узла с установкой образцов 10, 11 на корпус 8 при помощи зажимных колец 14 и 15. Расположенное внутри корпуса 8 нагрузочное тело 9 вызывает возникновение нагрузочных напряжений на исследуемых образцах вследствие деформирования (из-за разности размеров). Герметичность образующейся полости обеспечивается установкой прокладок 12 и 13. Канал в заглушается пробкой 16 для того, чтобы внутрь полости испытательного узла не попадали воздействующая среда, посторонние предметы или химические и биологические загрязнители. После сборки испытательный узел размещается в зону действия сред и полей на заданное время. При этом образцы подвергаются воздействию сред и полей, которые могут вызвать изменение физико-механических характеристик материалов исследуемых образцов.
На втором этапе извлекают испытательный узел из зоны действия сред и полей. При необходимости производят очистку внешних поверхностей образцов 10, 11 от продуктов коррозии. Снимают пробку 16 испытательного узла и канал в присоединяют к магистрали 3 устройства. При этом испытательный узел закрепляют на раме 1. При открытии вентиля 4 от источника 3 в полость испытательного узла через каналы в и г поступает рабочий агент (например, сжатый воздух). При этом стравливающий вентиль 6 закрыт.Тогда создается поверхностная нагрузка на исследуемые образцы 10, 11 за счет подачи давления рабочей среды из источника рабочей среды 2 внутрь испытательного узла. Тем самым оказывается одностороннее давление на внутренние поверхности образцов 10, 11 (образцы при этом дополнительно прогибаются). Изменение давление наблюдают при помощи устройства замера давления 7. Синхронно с увеличением давления производятся замеры текущих геометрических параметров испытательного узла при помощи измерительного комплекса 17.
По полученным результатам замеров для каждого фиксированного давления производят теоретическую обработку и составляют заключение о степени изменения характеристик материала исследуемых образцов.
0
A
Пример 1. Производилось по описанному способу испытание двух тонкостенных металлических образцов из стали 3 с исходной толщиной h=0,5 мм. Поперечный размер нагрузочного тела был равен d=20 мм. Исходная толщина испытательного узла до испытаний составила Н=21 мм. Суммарная толщина пакета собранного испытательного узла составила Н=15,8 мм. Рабочий диаметр образцов составлял D=110 мм.
На первом этапе испытательный узел был выдержан в течение 168 часов в коррозионной среде (50% раствор соляной кислоты НСl). Толщина испытательного узла после испытаний составила 20,02 мм (то есть толщина образца после испытаний 0,49 мм).
Одновременно был подготовлен контрольный испытательный узел с теми же параметрами, который не помещался в агрессивную среду.
На втором этапе испытательные узлы были исследованы путем подачи внутрь узлов воздуха под давлением с замером толщины испытательных узлов. Результаты замеров приведены в таблице 1.
Как видим, образцы начинают дополнительно прогибаться при внутреннем давлении 0,16 МПа.
усл
усл
Для начальных значений давления нагружения были рассчитаны условные модули упругости образцов. При давлении 0,18 МПа для образца, выдержанного в агрессивной среде, условный модуль упругости составил Е=54200 МПа, а для образца, не подверженного воздействию агрессивной среды, модуль составил Е=53560 МПа.
Таблица 1
Зависимость толщины испытательного узла от давления
Давление p<sub>i</sub> внутри испытательного узла, МПа
Толщина испытательного узла H<sub>i</sub> при давлении p<sub>i</sub>, мм
выдержанного в агрессивной среде
контрольного
0,16
20,06
21,00
0,18
20,26
21,02
0,20
20,60
21,04
0,24
21,36
21,22
0,30
22,58
21,86
0,38
24,42
22,84
0,46
26,64
24,08
Предложенный способ и устройство для его осуществления позволяют определять с достаточной степенью точности модули упругости нагруженных образцов, подверженных и неподверженных воздействию полей и сред и установить степень износа. Кроме того, существенно упрощаются методика проведения испытания, технология испытания и устройство для осуществления способа. Обеспечивается автономность исследования, расширяются возможности выдерживания нагруженных образцов при различных условиях воздействующих внешних сред и полей. Испытательные узлы представляют собой портативные узлы (устройство имеет небольшие размеры), позволяющие установить их в необходимых исследуемых координатах (под водой, под землей, в воздухе, в потоке жидкости и т.д.). Способ позволяет без разборки устройства производить испытание образцов экспериментально-теоретическим методом и производить постоянный мониторинг за процессом деформирования.