СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ
METHOD TO DETERMINE MECHANICAL PROPERTIES OF BRITTLE MATERIALS AT TENSION

Область техники
Изобретение относится к испытательной технике, а именно к механическим испытаниям образцов из композиционных материалов, поведение которых при растяжении близко к хрупкому. Область применения - авиастроение, судостроение, машиностроение, атомная энергетика и др.
Предшествующий уровень техники
Известен способ испытаний на растяжение металлических и неметаллических материалов (ГОСТ 1497-84, “Металлы. Методы испытаний на растяжение”), заключающийся в том, что стандартный испытываемый образец нагружают до разрушения, при этом измеряют нагрузку и деформацию, по которым определяют модуль упругости, предел пропорциональности, предел текучести и временное сопротивление.
Недостатками способа при его применении к испытаниям хрупких материалов являются трудности в обеспечении надежного крепления в захватах испытательной машины, а так же невозможность отслеживания нелинейного участка деформирования, предшествующего разрушению, так как хрупкие материалы более чувствительны к внецентровому приложению нагрузки и соответственно наложению изгиба на одноосное напряженное состояние.
Известен способ испытания на растяжение армированных пластиков («Методы статических испытаний армированных пластиков», Тернопольский Ю.М., Кянцис Т.Я., М., “Химия”, 1981 г.), заключающийся в том, что нагружают стандартный образец типа двусторонней лопатки с наклеенными на концевые части накладками до разрушения, измеряют нагрузки и деформации, по которым определяют механические характеристики пластиков.
Недостатком способа является недооценка величин деформационной способности и предела прочности композиционного материала в отличие от соответствующих характеристик, определяемых при испытаниях натурных конструкций. Хрупкие материалы имеют механические характеристики, различные при растяжении и сжатии, что справедливо для большинства композитов. При данном способе испытаний образцов из композиционных материалов возникают трудности в выполнении принципа Сен-Венана: в образцах из материалов с зависящими от вида напряженно-деформированного состояния свойствами существенно возрастают зоны краевого эффекта, что препятствует созданию однородного напряженного состояния в рабочей части образца».
В качестве прототипа было выбрано авторское свидетельство РФ №1335844, от 11.12.1985, G01N 3/08, «Способ механических испытаний образцов материалов», Авторы: Ефимов О.Ю., Сахно А.И., Мамлеев Р.Ф. Образец типа двусторонней лопатки с накладками размещают в захватах испытательной машины, нагружают его испытательной нагрузкой, регистрируют нагрузку и относительное перемещение захватов. Накладки из хрупкого материала с прочностью, в 3-10 раз меньшей прочности материала образца, контактируют с захватами и размещены на поверхностях перехода рабочей части образца в захватную часть. Перед нагружением испытательной нагрузкой к образцу прикладывают предварительное усилие до разрушения накладок, которое затем снижают. Далее образец нагружают до разрушения. Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются - образец с накладками размещают в захватах испытательной машины, нагружают его испытательной нагрузкой, регистрируют нагрузку, регистрируют относительное перемещение захватов, накладки размещают на поверхностях образца и контактируют с захватами, образец нагружают до разрушения.
Недостатком прототипа можно считать то, что при описанном способе испытаний образцов из хрупких материалов возникают трудности в выполнении принципа Сен-Венана и соответственно в создании однородного напряженного состояния в рабочей части образца. Кроме того, при увеличении ширины свободных торцов образца уменьшается относительный объем «полезной» рабочей части, увеличивается расход материала и стоимость изготовления образцов. Также невозможно применить данный способ к исследованию взрывчатых составов, поведение которых при растяжении близко к хрупкому, из-за опасности инициирования взрыва в местах контакта с захватами через разрушенные в предварительном нагружении накладки.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения механических свойств хрупких материалов, в том числе взрывчатых составов, в переходной области, предшествующей разрушению, при их растяжении; выявление резервов деформационной способности исследуемого материала; повышении точности и информативности результатов экспериментов.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в выполнении принципа Сен-Венана и, соответственно, создании однородного напряженного состояния в рабочей части образца из хрупкого материала; создании одноосного растяжения в рабочей части образца из исследуемого материала, исключении изгиба; получении большего количества точек измерения усилия на одинаковой базе деформации.
o
лс
п
o
лс
п
Для получения указанного технического результата в предложенном способе определения механических свойств хрупких материалов при растяжении, включающем прикрепление накладок к образцу, размещение образца с накладками в захватах испытательной машины, нагрузку образца с накладками, регистрацию деформации рабочей части образца, согласно изобретению накладки одинаковых с образцом размеров и формы выполнены из материала, обеспечивающего суммарную жесткость обеих накладок, меньшую или равную жесткости исследуемого образца. Накладки наклеивают на двух противоположных поверхностях образца. В результате получают лабораторную сборку, которую размещают в цанговых захватах испытательной машины. При этом каждый захват устанавливают между краем торца и началом дуги галтели сборки. На поверхность сборки устанавливают экстензометр. Прикладывают нагрузку к сборке. По показаниям экстензометра получают кривую «деформация-напряжение» лабораторной сборки, из которой восстанавливают диаграмму деформирования образца. Напряжение в образце σ выражают через напряжения лабораторной сборки σ и накладки σ, при условии равенства деформации, по формуле σ=3·σ-2·σ.
Это позволяет более точно выполнить принцип Сен-Венана, увеличить точность определения деформационной способности и предела прочности при растяжении образца из хрупкого материала. Появляется возможность применять цанговые захваты, способные центрироваться вдоль оси нагружения. За счет увеличения жесткости объекта исследований на одинаковой базе деформации записывается большее количество точек измерения усилия, что повышает точность и информативность результатов экспериментов. Это позволяет определить диаграмму деформирования хрупких материалов при растяжении, в том числе и в переходной области, предшествующей разрушению.
На поверхность накладок в зоне контакта с захватами возможно нанесение канавок, рисок, шероховатостей. Это позволяет применять данный метод к исследованию механических свойств взрывчатых составов без опасности инициирования взрыва при проскальзывании в захватах испытательной машины.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана лабораторная сборка.
На фиг.2 показана диаграмма деформирования лабораторной сборки.
На фиг.3 показана диаграмма деформирования образца.
На фиг.4 показана таблица результатов экспериментальных исследований, где
раст
ε (%) - деформационная способность при растяжении,
раст
σ (МПа) - предел прочности при растяжении,
раст
E (МПа) - модуль упругости при растяжении.
Варианты осуществления изобретения
Как показано на фиг.1, испытуемый образец 1 выполнен из хрупкого материала в форме двусторонней лопатки. На две противоположные поверхности образца 1 наклеены накладки 2. Накладки 2 выполнены одинаковых с образцом 1 размеров и формы из материала, обеспечивающего суммарную жесткость обеих накладок 2, меньшую или равную жесткости исследуемого образца 1. Образец 1 с наклеенными накладками 2 образует лабораторную сборку 3. Сборку 3 размещают и фиксируют в цанговых захватах испытательной машины. Захваты накладывают на поверхности четырех граней сборки 3 таким образом, чтобы край каждого захвата располагался между краем торца 4 и началом дуги галтели 5 сборки 3. На поверхность сборки 3 в зоне контакта 6 с захватами наносят канавки, или риски, или шероховатости.
о
лс
п
о
лс
п
На поверхность рабочей части сборки 3 устанавливают экстензометр 7. Прикладывают нагрузку к сборке 3, снимают показания экстензометра 7 и получают график зависимости деформации рабочей части лабораторной сборки 3 от приложенного усилия (на фиг.2), из которой восстанавливают диаграмму деформирования образца 1. Напряжение в образце σ выражают через напряжения лабораторной сборки σ и накладки σ, при условии равенства деформации, по формуле σ=3·σ-2·σ. Диаграмма деформирования лабораторной сборки 3 приведена на фиг.2. Данная диаграмма содержит четыре участка: участок 8 упругого деформирования лабораторной сборки 3; участок 9 пластического деформирования образца 1 в составе лабораторной сборки 3 с упругодеформирующимися накладками 2; участок 10 разрушения образца 1 (прохождения поперечной трещины); участок 11 деформирования сборки 3 с образцом 1, имеющим сквозную поперечную трещину.
На фиг.3 приведена диаграмма деформирования образца 1 без накладок 2. Сравнение диаграмм на фиг.2 и фиг.3 позволяет сделать вывод о том, что стандартные испытания образцов 1 в отличие от лабораторных сборок 3 не позволяют выявить предшествующую разрушению область - участок 9 (на фиг.2) нелинейного деформирования материала образца 1, поведение которого близко к хрупкому. Диаграмма на фиг.3 практически линейна вплоть до разрушения образца 1.
На фиг.4 представлена таблица результатов статистической обработки экспериментальных данных, полученных в опытах по растяжению накладок 2 из оргстекла, образцов 1 из взрывчатого состава (ВС) и лабораторных сборок 3. Было проведено и обработано не менее 18 опытов на каждый вид испытаний. В таблице также приведены параметры диаграммы деформирования материала ВС образцов 1, полученные по результатам испытаний лабораторных сборок 3. Анализ данных, представленных в таблице, позволяет сделать следующие выводы:
- использование при испытаниях на растяжение предложенной конструкции лабораторной сборки 3 позволило выявить существенные (в 1.77 раза) резервы деформационной способности материала ВС образцов 1, которые невозможно определить при проведении стандартных испытаний образцов 1;
- различная степень отличий деформационной способности и предела прочности при растяжении (в 1.77 и 1.58 раза соответственно), полученных в испытаниях лабораторных сборок 3 и образцов 1 без накладок 2, говорит о нелинейном поведении материала ВС образцов 1 в области, предшествующей разрушению - участок 9 (на фиг.2). Стандартные испытания образцов 1 в отличие от лабораторных сборок 3 не позволяют выявить эту область деформирования материала - участок 9 (на фиг.2): зависимость «напряжение-деформация» (фиг.3 практически линейна вплоть до разрушения);
- использование при испытаниях на растяжение предложенной конструкции лабораторной сборки 3 позволяет получать более стабильные (с меньшим разбросом) в отличие от стандартных испытаний образцов 1 результаты. Это, в свою очередь, позволяет получать более точные расчетные оценки прочности и надежности конструкций, содержащих детали из хрупких материалов;
- модуль упругости материала образца 1, определенный с использованием лабораторных сборок 3, практически совпадает (отличие не превышает 2%) со значением этой характеристики, полученной в стандартных испытаниях образцов 1. Что подтверждает правильность вывода формулы восстановления диаграммы деформирования материала ВС образца 1 из кривой «деформация-напряжение» лабораторной сборки 3 и обоснованность методических предположений, использованных при проектировании лабораторной сборки 3, и способа ее испытания.
Необходимо отметить, что разрушение всех образцов, испытанных в составе лабораторных сборок, произошло в рабочей части. Данный результат доказывает, что предложенный способ позволяет выполнить принцип Сен-Венана, создать однородное напряженное состояние в рабочей части образца из хрупких материалов.
Таким образом, способ расширяет арсенал технических средств определения механических свойств хрупких материалов при растяжении в переходной области, предшествующей разрушению, выявляет резервы деформационной способности материала, которые невозможно определить при проведении стандартных испытаний образцов на растяжение, позволяет повысить точность и информативность результатов экспериментов.
Промышленная применимость
Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в авиастроении, судостроении, машиностроении, атомной энергетике. Для оценки прочности и жесткости любого конструкционного материала, поведение которого при растяжении близко к хрупкому, он подвергается механическим испытаниям. Достоверность сведений о прочности и жесткости материала обусловливает эффективность его использования и эксплуатационные возможности конструкций, содержащих детали из него. Осуществление на практике описанного способа подтвердило получение технического результата. Это показывает его работоспособность и подтверждает промышленную применимость.