УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СМЯТИЕ И СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА СМЯТИЕ
DEVICE FOR TESTING CONSTRUCTION MATERIALS FOR CRUSHING, AND TEST METHOD OF CRUSHING

Изобретение относится к устройствам и методам механических испытаний образцов конструкционных материалов и может быть использовано для определения характеристик сопротивления смятию.
Испытания на смятие проводятся на образцах, имитирующих элемент конструкции с отверстием под крепежную деталь (болт, заклепка). При испытаниях на смятие получают данные по сопротивлению смятию листового образца при нагружении через отверстие, расположенное вблизи края образца, с помощью гладкой шпильки.
Из уровня техники известно устройство для испытаний на смятие, описанное в патенте US 5379647 A, опубл. 10.01.1995, G01N 3/06, которое предназначено для замера деформации отверстия при смятии по перемещению расположенного над нагружающей шпилькой торца образца относительно шпильки.
К недостаткам данного устройства следует отнести то, что деформация отверстия определяется косвенным методом, а также чрезмерно высокую конструктивную сложность данного устройства.
Известно устройство для испытаний на смятие, описанное в стандарте ASTM Е 238. Принцип работы устройства состоит в том, что для замера деформации отверстия на образец устанавливается специальное приспособление, которое крепится к образцу с помощью двух прижимных винтов в районе верхнего торца образца.
К недостаткам данного устройства необходимо отнести то, что деформация отверстия определяется косвенным методом, при этом участок образца, относительно которого производится замер деформации, в процессе нагружения находится в сложно-деформированном состоянии и перемещается относительно нижнего края отверстия, что влияет на точность полученных результатов.
Ближайшим аналогом заявленного технического решения является устройство для испытания прочностных свойств конструкционных материалов, содержащее две нагружающие рамы, установленные в верхнем захвате испытательной машины, две нагружающие рамы, установленные в нижнем захвате испытательной машины, при этом в каждой нагружающей раме выполнено отверстие, в которое вставлен сминающий цилиндрический штифт, выступающий над нагружающей рамой на 0,05-0,1 диаметра. Каждая пара нагружающих рам зафиксирована между собой направляющими штифтами и упругими элементами с возможностью регламентированного усилия прижатия, а также зажимами, на горизонтальной части нагружающих рам с внутренней стороны до середины сминающего цилиндрического штифта выполнен выступ с гладкой поверхностью. Образец с прикрепленными прижимными винтами упорами имеет два одинаковых отверстия под сминающие цилиндрические штифты, расположенные одно от другого на расстоянии не менее чем три ширины образца. В качестве датчика деформации используются два датчика раскрытия, которые установлены в каждой паре нагружающих рам между сминающими цилиндрическими штифтами, выступающими над нагружающими рамами, и упорами, прикрепленными к образцу (RU №102801, опубл. 10.03.2011, G01N 3/00).
К недостаткам ближайшего аналога относится то, что замер деформации отверстия производится относительно упора, закрепляемого прижимными винтами на углах испытываемого образца аналогично устройству, описанному в ASTM Е 238.
Способ испытаний на смятие с использованием ближайшего аналога состоит в том, что в процессе нагружения специального образца с отверстием с помощью вставленного в отверстие нагружающего штифта возникает упруго-пластическая деформация (овализация) отверстия, которая регистрируется датчиком деформации (раскрытия), установленным между нагружающим штифтом и специальным упором, закрепленным прижимными винтами на угловых участках образца вблизи верхнего торца на удалении от отверстия. В процессе испытаний определяют напряжения в образце, соответствующие определенной степени овализации отверстия. При этом считается, что упруго-пластическая деформация (овализация) образца локализована в узкой области между верхним краем отверстия и торцом образца, а на участках образца в зоне нижнего края отверстия, а также над отверстием вблизи углов образца (место крепления упора) деформация мала и ею можно пренебречь. Данное предположение вносит погрешность в оценку степени овализации отверстия, что является недостатком данного способа испытаний.
Технической задачей является создание устройства и способа для испытаний на смятие образцов, соответствующих стандарту ASTM Е238, позволяющего проводить прямое измерение овализации отверстия в процессе испытаний на смятие.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является увеличение точности измерения за счет исключения из результатов определения овализации отверстия систематической ошибки, связанной с косвенным измерением величины овализации по перемещению нагружающего стержня относительно упора, закрепленного в углах образца, упрощение конструкции устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для испытаний конструкционных материалов на смятие, содержит две нагружающие рамы, установленные в верхнем захвате испытательной машины, и сминающий цилиндрический штифт.Включает ножи с зубцами, установленные на нижнем краю отверстия в образце и закрепленные в прижимах, стянутых между собой болтами. В нагружающих рамах выполнены сквозные пазы для перемещения ножей. Сминающий цилиндрический штифт имеет треугольный паз для установки датчика деформации. Нагружающие рамы зафиксированы между собой болтами с возможностью свободного перемещения образца относительно рам.
В варианте исполнения ножи прижимов с помощью зубцов фиксируются на кромках отверстия с обеих сторон образца.
В варианте исполнения ножи входят в соответствующие сквозные пазы нагружающих рам.
В варианте исполнения болты, стягивающие прижимы между собой, располагаются за пределами габаритов нагружающих рам.
Заявлен также способ испытаний конструкционных материалов на смятие, включающий нагружение стандартного, соответствующего ASTM Е238 образца с отверстием, сопровождающийся овализацией отверстия регистрируемой датчиком деформации, при этом овализация отверстия оценивается по возникающему в процессе испытаний смещению прижимов, закрепленных с помощью ножей на нижнем краю отверстия в образце, относительно сминающего цилиндрического штифта, определение величины овализации отверстия производится по взаимному перемещению противоположных краев отверстия образца.
Конструктивно обеспечивается минимизация деформаций штифта в процессе испытаний за счет выбора материала штифта с высоким модулем упругости и использования минимальных зазоров между штифтом и отверстиями в нагружающих рамах, а также между нагружающими рамами и образцом.
На фигурах изображено:
Фиг. 1 - устройство для испытаний на смятие,
Фиг. 2 - нагружающая рама,
Фиг. 3 – ножи,
Фиг. 4 – прижим,
Фиг. 5 - устройство в сборе.
Устройство для испытаний конструкционных материалов на смятие (фиг. 1) включает две нагружающие рамы 2, установленные в верхнем захвате испытательной машины, при этом в каждой нагружающей раме выполнено отверстие, в которое вставлен сминающий цилиндрический штифт 3. Сминающий цилиндрический штифт выполнен с треугольным пазом для установки датчика деформации 6. Нагружающие рамы зафиксированы между собой болтами с обеспечением зазора между рамами и образцом 0,2-0,3 мм. Образец 1 соответствующий международному стандарту сертификации и метрологии ASTM Е238 имеет отверстие под сминающий штифт, соответствующее форме штифта. Для измерения деформации отверстия на нижнем краю отверстия с обеих сторон образца устанавливают ножи 5 с зубцами для фиксации на кромках отверстия. Ножи 5 закреплены в прижимах 4, стянутых между собой болтами, что обеспечивает врезание зубцов в образец на кромках отверстия и надежную фиксацию прижимов с ножами на образце. Ножи входят в соответствующие сквозные пазы 8 нагружающих рам с зазором. Болты, стягивающие прижимы между собой, располагаются за пределами габаритов нагружающих рам.
В качестве датчика деформации может использоваться датчик раскрытия, который установлен на кромках треугольных пазов сминающего штифта и прижима. Приложение нагрузки к образцу возможно осуществить двумя способами: либо непосредственно к образцу, зажимая его в захвате испытательной машины, либо с использованием аналогичного устройства с противоположной стороны образца.
Принцип работы устройства (фиг. 1) заключается в том, что при перемещении нижнего захвата 7 испытательной машины вниз в образце 1 возникает усилие, которое через сминающий штифт 3 передается на нагружающие рамы 2 (фиг. 2) и далее на верхний захват и силоизмерительный датчик испытательной машины (не показаны). В результате этого нижний край отверстия образца начинает смещаться вниз, в направлении перемещения нижнего захвата 7, при этом сминающий штифт 3, контактирующий с верхним краем отверстия в образце, неподвижен, а само отверстие образца приобретает овальную форму. При смещении нижнего края отверстия вниз, закрепленные на нем ножи 5 (фиг. 3) вместе с прижимами 4 (фиг. 4) также смещаются вниз. Датчик раскрытия 6, установленный между пазами сминающего штифта 3 и прижима 4, регистрирует величину перемещения прижима 4 относительно неподвижного сминающего штифта 3. Таким образом, определение величины овализации отверстия образца производится по взаимному перемещению противоположных краев отверстия образца. Данное перемещение определяет величину овализации отверстия при данной нагрузке.
Способ испытаний на смятие с использованием предложенного устройства состоит в том, что в процессе нагружения стандартного, соответствующего ASTM Е238, образца с отверстием с помощью вставленного в отверстие сминающего штифта возникает упругопластическая деформация (овализация) отверстия, которая регистрируется датчиком деформации, установленным между сминающим цилиндрическим штифтом и прижимами, закрепленными с помощью ножей на нижнем краю отверстия. При этом конструктивно обеспечивается минимизация деформаций штифта в процессе испытаний за счет выбора материала штифта с высоким модулем упругости и использования минимальных зазоров между штифтом и отверстиями в нагружающих рамах, а также между нагружающими рамами и образцом.
При использовании заявленного способа замер деформации отверстия в процессе испытаний производится непосредственно на контуре отверстия образца.