УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИЗГИБ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ, КРИОГЕННЫХ И ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Устройство для испытаний конструкционных материалов на изгиб при нормальных, криогенных и повышенных температурах.
Решение относится к испытательной технике, в частности, к устройствам для испытаний конструкционных материалов на прочность в широком диапазоне температур. Область применения машиностроение.
Модуль упругости при растяжении (сжатии) является характеристикой сопротивления материала упругой деформации, численно равной отношению напряжения к вызванной им упругой деформации, не выходящей за предел пропорциональности. Знание величины модуля упругости необходимо при расчетах на прочность, жесткость и устойчивость конструкций, при обработке результатов измерений с целью определения напряжений в конструкции по величине относительной деформации, а также как мера силы межатомной связи (см. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1977 г., с.295; Бэкофен В. Процессы деформирования.- М.: Металлургия, 1977, с.21 и др.).
Методы испытаний на растяжение, сжатие и изгиб металлических и неметаллических материалов регламентированы рядом отечественных и зарубежных ГОСТов, нормалей и справочных пособий, например, ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение», ГОСТ 11150-84 «Металлы. Методы испытания на растяжение при пониженных температурах» и ГОСТ 14019-2003 «Материалы металлические. Метод испытания на изгиб», ГОСТ 9550-81 «Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе» и др.
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
Модуль упругости конструкционных металлических материалов сильно зависит от природы самого материала (сплавы алюминия - 7,2×10 кг/мм, сплавы титана - 11×10 кг/мм, стали - 20×10 кг/мм), слабо зависит от химического состава в группе материалов (титановый сплав ВТ14 - 11×10 кг/мм, ВТ7 - 11,4×10 кг/мм); зависит от нагортовки поверхности при прокате, штамповке; зависит от термической обработки (закалка, отжиг, старение); и очень сильно зависит от температуры испытания (для сплава титана ВТЗ-1 модуль E при температуре 20°C равен 11,5×10 кг/мм, а при 500°C равен 8×10 кг/мм, т.е. отличается на 32%).
Поэтому для проверочных расчетов конструкций на прочность использование значений модулей E из справочных данных не всегда обосновано. Поэтому важно проводить испытания образцов материалов во всем диапазоне температур, при которых планируется эксплуатация изделия.
В качестве прототипа приято устройство для реализации способа определения модуля упругости металлических материалов при криогенных и повышенных температурах по патенту РФ №2169355, G01N 3/20 G01N 3/18 опубл. 20.06.2001. Устройство для определения модуля упругости металлических материалов при крирогенных и повышенных температурах, содержащее нагружающий механизм (нагружатель), опоры для образца, измеритель перемещений, систему регулирования температуры и устройства для измерения температуры образца, нагружающий механизм снабжен двумя разными по величине грузами и блоком их опускания и поднятия при нагружении, система регулирования температуры снабжена кварцевыми инфракрасными нагревателями и криогенной панелью охлаждения, измеритель перемещений выполнен в виде измерителя прогиба продольной оси образца при нагружении, базовые опоры и измерительный шток которого выполнены из керамических стержней и шарнирно соединены с испытываемым образцом.
Известное устройство является стационарным и снабжено специальными тягами и грузами различной величины для нагружения образца, измерительная аппаратура является неотъемлемой его частью. Устройство предназначено для косвенного способа определения модуля Юнга при повышенных и криогенных температурах путем сравнения прогиба под действием грузов известной массой при нормальной и необходимой температурах, причем определение модуля Юнга при нормальной температуре должно производится по какой-либо стандартной, широко известной методике. Нагружение испытуемого образца двумя грузами разной величины в результате испытаний дает всего 2 точки, по которым и производятся дальнейшие вычисления, что явно недостаточно, так как при проведении испытаний и обработке результатов могут появляться различные случайные погрешности, которые могут оказать существенное влияние на получаемые результаты. Кроме того, данная конструкция предназначена для испытания металлических материалов, при испытании различных материалов, для каждого типа материалов и даже каждой толщины образца потребуется свой набор грузов, что повышает трудоемкость испытаний, так как, например, для пластмасс ГОСТ 9550-81 четко регламентирует диапазон относительных деформаций, при котором производится определение модуля Юнга (для металлов четкой регламентации нет, однако в литературе имеются рекомендации). Кроме того, при первичном испытании нового типа материалов (например, нового композита или пластика) могут потребоваться предварительные испытания по подбору и (или) изготовлению необходимых грузов, так как использование слишком малых грузов может увеличить погрешность испытания, а слишком больших привести к пластической деформации или разрушению испытуемого образца.
На открытом воздухе трудно поддерживать необходимую температуру при испытаниях, и требуются большие затраты энергии. Криогенная панель, расположенная только у одной части образца, едва ли обеспечит его равномерное охлаждение. Ее расположению вдоль всего образца мешают конструктивные элементы установки: базовые опоры, измерители перемещений. Все это снижает точность испытаний и увеличивает их трудоемкость.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Ставится задача создания унифицированного устройства, которое можно использовать в широком диапазоне температур в совокупности с разрывными машинами, уже имеющими нагружающее и силоизмерительные устройства.
Технический результат - повышение точности испытаний при обеспечении равномерного распределения температуры по объему образца в процессе испытаний, снижение трудоемкости испытаний и увеличение номенклатуры испытуемых материалов.
Этот технический результат достигается тем, что устройство для испытаний конструкционных материалов на изгиб при нормальных, криогенных и повышенных температурах, содержащее нагружатель, опоры для образца, средства регулирования и измерения температуры помещено в силовой корпус с теплоизолятором и вкладышем, в котором установлена термокамера, в качестве средства регулирования температуры в термокамере использована текучая среда (жидкость или газ) между стенками вкладыша и термокамеры, в стенках последней выполнены перфорации, расположенные не выше верхних точек отверстий, выполненных соосно в стенках термокамеры, вкладыша, теплоизолятора и силового корпуса, через которые проходят опоры для образца.
Помещение устройства в силовой корпус с теплоизолятором и вкладышем обеспечивает компактность, уменьшает теплоотдачу в окружающую среду, что снижает энергозатраты и уменьшает трудоемкость, обеспечивает компактность и возможность перемещения устройства для проведения испытаний на различных разрывных машинах.
При использовании регистрирующего оборудования разрывной машины позволяет получить облако точек в координатах Р(усилие), АЬ (прогиб), что повышает точность получаемых результатов.
Установка термокамеры, в которую помещают испытательный образец, предотвращает непосредственный контакт образца с текучей средой, что позволяет предотвратить перегрев или переохлаждение, в том числе локальный, образца.
Перфорации в стенках термокамеры обеспечивают проникновение текучей среды к образцу. Вкладыш предохраняет теплоизолятор от воздействия текучей среды.
Использование для нагрева и охлаждения текучей среды технически легче и дешевле, чем электоронагрев. Перфорация не выше верхних точек отверстий под опоры позволяет избежать локального перегрева или переохлаждения образца в зоне напротив перфораций.
Данное устройство может использоваться в широком диапазоне температур, в том числе и нормальных, для определения модуля Юнга испытуемых материалов без его предварительного определения каким-либо другим известным методом.
Предлагаемое устройство приведено на чертежах - Фиг 1. и Фиг 2.
Оно состоит из силового сварного корпуса 1, выполненного из стальных листов толщиной 10…12 мм, в боковых стенках которого сделаны отверстия для цилиндрических опор 2. Устанавливая цилиндрические опоры 2 в различные отверстия, можно добиться различного межосевого расстояния, что необходимо при испытаниях образцов различной толщины. Внутри корпуса 1 находится тонкий герметичный вкладыш 3, выполненный из медного листа толщиной 0,2-0,5 мм. Между силовым корпусом 1 и вкладышем 3 находится теплоизолятор 4. Во вкладыше и теплоизоляторе выполнены отверстия соосные с отверстиями аналогичного диаметра отверстиям в силовом корпусе. Неиспользуемые в данном испытании отверстия закрываются теплоизолятором, выполненным в виде цилиндра. Внутри герметичного вкладыша 3 находится термокамера 5, выполненная из медного листа толщиной 0,2…0,5 мм. В боковых стенках термокамеры 5 выполнены отверстия для опор 2 и перфорации 6 (отверстия диаметром 1-2 мм) для прохода паров, данные отверстия располагаются не выше верхних точек отверстий термокамеры для прохода опор 2. Между вкладышем 3 и термокамерой 5 заливается текучая среда, с помощью которой происходит охлаждение (нагрев) образцов 7. Охлаждение (нагрев) происходит, с помощью паров текучей среды, проходящих в термокамеру 5 через перфорации 6. Нагрузка на образец 7 передается с помощью нагружателя 8, (изгибающего ножа), связанного с нагружающим устройством разрывной машины. Сверху конструкция накрыта крышкой 9 из теплоизолирующего материала с отверстием под нагружатель 8, отверстие выполнено, так чтобы зазор между стенками и нагружателем 8 был минимально возможным. Для контроля температуры в термокамере 5 над образцом в непосредственной близости от него устанавливается термопара 10
Описание работы: Устройство устанавливается на подвижный стол (опорную плиту в нижнем захвате) разрывной машины, центрируется относительно динамометра. К динамометру крепится нагружатель 8. На цилиндрические опоры 2 устанавливают испытуемый образец 7. Далее устройство закрывается крышкой 9, а нагружатель 8 подводят к образцу 7 через специальное отверстие в крышке. Резервуар, образованный вкладышем 3 и термокамерой 5, через специальное отверстие заполняется текучей средой. Охлаждение (нагрев) в термокамере (а соответственно и образца 7) происходит за счет паров, проникающих через перфорации 6 в термокамере 5. Регулировка температуры производится изменением количества текучей среды. При испытаниях происходит запись диаграммы в координатах P (усилие), ΔL (прогиб) с использованием оборудования разрывной машины, так же в процессе испытаний контролируется температура внутри термокамеры 5 с помощью термопары 10.