2
5
-1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛА НА СДВИГ И КРУЧЕНИЕ ПРИ СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ 10-10 с, СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ МАКСИМАЛЬНОГО КАСАТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ДЕФОРМАЦИИ СДВИГА В ОБРАЗЦЕ МАТЕРИАЛА В ВИДЕ СПЛОШНОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО СТЕРЖНЯ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ДЕФОРМАЦИИ СДВИГА В ОБРАЗЦЕ МАТЕРИАЛА В ВИДЕ ТОНКОСТЕННОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТОГО УСТРОЙСТВА
2
5
-1
DEVICE FOR TESTING MATERIAL FOR SHEARING AND TWISTING AT DEFORMATION RATE 10-10 с, METHOD OF DETERMINING DEPENDENCE OF MAXIMUM TANGENTIAL STRESS OF SHEAR DEFORMATION IN SAMPLE MATERIAL IN FORM OF SOLID CYLINDRICAL ROD AND METHOD OF DETERMINING DEPENDENCE OF VOLTAGE FROM SHEAR DEFORMATION IN SAMPLE MATERIAL IN FORM OF THIN-WALLED CYLINDRICAL TUBE USING SAID DEVICE

Изобретение предназначено для проведения испытаний материалов на сдвиг и кручение и может быть использовано в машиностроении.
2
5
-1
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для испытания образца материала на сдвиг и кручение при скорости деформации 10-10 с, содержащее нагружающий и опорный стержни, снабженные тензодатчиками, между которыми размещен образец (см. A. Marchand and J. Duffy An experimental study of the formation process of adiabatic shear bands in a structural steel // J. Mech. phis. Solids. Vol. 36. No. 3. pp 251-283. 1988).
Недостатком его является узкая специализация, сложность конструкции. Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей устройства, упрощение его конструкции и повышение универсальности устройства.
2
5
-1
Для этого устройство для испытания образца материала на сдвиг и кручение при скорости деформации 10-10 с содержит нагружающий и опорный стержни, снабженные тензодатчиками, между которыми размещен образец, причем устройство снабжено тремя последовательно перекрещивающимися под приблизительно прямым углом рычагами, в каждом из которых по центру перекрестия выполнено отверстие некруглой формы, причем в двух из них расположены противоположные концы опытного образца, а в третьем - средняя его часть, причем концы образцов и средняя часть выполнены одинаковой формы и входят в отверстия рычагов с минимальными зазорами, при этом рычаги установлены так, что продольные оси симметрии рычагов по концам образца установлены в одной плоскости, а продольная ось симметрии среднего рычага расположена приблизительно перпендикулярно этой плоскости, при этом один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем, а другой - с опорным.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что устройство снабжено тремя последовательно перекрещивающимися под приблизительно прямым углом рычагами, в каждом из которых по центру перекрестия выполнено отверстие некруглой формы, причем в двух из них расположены противоположные концы опытного образца, а в третьем - средняя его часть, причем концы образцов и средняя часть выполнены одинаковой формы и входят в отверстия рычагов с минимальными зазорами, при этом рычаги установлены так, что продольные оси симметрии рычагов по концам образца установлены в одной плоскости, а продольная ось симметрии среднего рычага расположена приблизительно перпендикулярно этой плоскости при этом один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем, а другой - с опорным.
Наиболее близким к предлагаемому способу определения зависимости крутящего момента от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня является способ (См. A. Marchand and J. Duffy An experimental study of the formation process of adiabatic shear bands in a structural steel // J. Mech. phis. Solids. Vol. 36. No. 3. pp 251-283. 1988). Недостатком его является узкая специализация.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей устройства.
Для этого предлагается способ определения зависимости максимального касательного напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня с использованием устройства по п. 1, в котором сначала производят замер деформаций в падающем, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле
В
где с - скорость упругой волны в стержнях,
I
R
T
ε(t), ε(t), ε(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,
R - радиус рабочей части образца,
H - длина рабочей части образца,
L - половина длины рычага устройства,
а максимальное касательное напряжение для образца определяют по формуле
где Е и А - соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения стержней,
max
а затем посредством исключения времени как переменной получают зависимость τ=ƒ(γ).
Скорость деформации определяется по формуле
Наиболее близким к предлагаемому способу определения зависимости напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы с использованием устройства по п. 1 является способ (См. A. Marchand and J. Duffy An experimental study of the formation process of adiabatic shear bands in a structural steel // J. Mech. phis. Solids. Vol. 36. No. 3. pp 251-283. 1988).
Недостатком его является узкая специализация.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей устройства.
Для этого предлагается способ определения зависимости напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы с использованием устройства по п. 1, в котором сначала производят замер деформаций в начальном, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле
В
где с - скорость упругой волны в стержнях,
I
R
T
ε(t), ε(t), ε(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,
Н - длина рабочей части образца,
t
e
i
R=(R+R)/2,
e
где R - внешний радиус образца,
i
R - внутренний радиус образца,
L - половина длины рычага устройства,
а напряжение сдвига в тонкостенном образце определяют по формуле
где h - толщина стенки рабочей части образца,
а затем, посредством исключения времени как переменной, получают зависимость τ=ƒ(γ).
Скорость деформации определяется по формуле
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема устройства, на фиг. 2 - три перекрещивающихся рычага с образцом, на фиг. 3 - устройство с рычагами в виде пластин эллипсовидной формы, на фиг. 4 - образец в виде сплошного цилиндрического стержня, на фиг 5 - образец в виде тонкостенной цилиндрической трубы, на фиг. 6 - зависимость максимального касательного напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня, на фиг. 7 - зависимость напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы.
2
5
-1
s
s
Устройство для испытания образца материала на сдвиг и кручение при скорости деформации 10-10 с содержит нагружающий 1 и опорный 2 стержни, снабженные тензодатчиками (не показано), между которыми размещен образец 3. Устройство снабжено тремя перекрещивающимися под приблизительно прямым углом рычагами 4, 5, 6, в каждом из которых по центру перекрестия выполнено отверстие 7 некруглой формы. В одном из этих отверстий расположен один конец опытного образца 3, а в другом - противоположный, а в третьем - располагается часть образца в средней его части. Концы образцов и часть образца в его средней части выполнены такой же формы, что и отверстия рычагов, и входят в них с минимальными зазорами, например, соединение выполнено с применением переходной посадки, а именно напряженной H7/k6, K7/h6 или плотной H7/j6, J7/h6.
При этом рычаги установлены так, что продольные оси симметрии рычагов по концам образца установлены в одной плоскости, а продольная ось симметрии среднего рычага расположена приблизительно перпендикулярно этой плоскости, при этом один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем, а другой - с опорным.
Рычаги установлены так, что один конец каждого рычага контактирует с нагружающим стержнем 1, а другой - с опорным 2. Рычаги 4, 5, 6 по концам могут быть снабжены осями, на которых установлены ролики. Рычаги могут быть выполнены в виде пластин эллипсовидной формы, для лучшего соединения образца и таких рычагов может использоваться цилиндрический штифт из высокопрочной стали, который проходит через рычаг и образец.
Тензодатчики размещают на входном и выходном стержнях на равных расстояниях от образца, так чтобы отраженная и прошедшая волны деформации приходили к каждому датчику одновременно.
Предлагаемое устройство позволяет проводить испытания на кручение сплошного цилиндрического образца и сдвиг в форме кручения тонкостенного цилиндрического образца на стержне Гопкинсона-Кольского, предназначенном только для испытаний на сжатие и растяжение, что расширяет возможности этой установки. Устройство содержит простые детали.
Работа предлагаемого устройства по предлагаемому способу заключается в следующем.
Для определения зависимости максимального касательного напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня сначала производят замер деформаций в падающем, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле
В
где с - скорость упругой волны в стержнях,
I
R
T
ε(t), ε(t), ε(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,
R - радиус рабочей части образца,
H - длина рабочей части образца,
L - половина длины рычага устройства,
а максимальное касательное напряжение определяют по формуле
где Е и А - соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения стержней,
max
а затем посредством исключения времени как переменной получают зависимость τ=ƒ(γ).
Скорость деформации определяется по формуле
Например
-1
На фиг. 6 приведена динамическая диаграмма - максимальное касательное напряжение-деформация для сплава С464 (сплошной цилиндрический образец) при кручении скорость деформации - 5000 с.
Таким образом, диаграмма максимальное касательное напряжение-деформация, полученная на предлагаемой установке предлагаемым способом, позволяет достоверно изучать деформационные свойства материала с достаточной степенью точности. Получение диаграмм максимальное касательное напряжение-деформация материалов в широком диапазоне скоростей деформирования позволяет делать выводы о прочности и пластичности материалов для заданной скорости деформирования.
Для определения зависимости напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы сначала производят замер деформаций в падающием, отраженном и прошедшем импульсе деформаций на всем временном промежутке деформационного воздействия с помощью тензодатчиков, расположенных на стержнях, затем деформацию сдвига в образце определяют по формуле
В
где с - скорость упругой волны в стержнях,
I
R
T
ε(t), ε(t), ε(t) - падающий, отраженный и прошедший импульсы деформаций,
Н - длина рабочей части образца,
t
e
i
R=(R+R)/2,
e
где R - внешний радиус образца,
i
R - внутренний радиус образца,
L - половина длины рычага устройства,
а напряжение сдвига в тонкостенном образце определяют по формуле
где h - толщина стенки рабочей части образца,
а затем, посредством исключения времени как переменной, получают зависимость τ=ƒ(γ).
Скорость деформации определяется по формуле
-1
Например. На фиг. 7 приведена динамическая диаграмма напряжение-деформация для стали 4340 при сдвиге, скорость деформации - 1000 с.
Полый тонкостенный образец, отношение внутреннего диаметра к толщине стенки 1/10.
Таким образом, диаграмма напряжение-деформация, полученная на предлагаемой установке предлагаемым способом, позволяет достоверно изучать деформационные свойства материала с достаточной степенью точности. Получение диаграмм напряжение-деформация материалов в широком диапазоне скоростей деформирования позволяет делать выводы о прочности и пластичности материалов для заданной скорости деформирования.