Устройство для определения упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при повышенной температуре
DEVICE FOR ANALYZING ELASTIC CONSTANT METALS WITH LOW PLASTICITY AND ALLOYS AT HIGH TEMPERATURE

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов оптическими средствами измерения путем приложения к ним сжимающих статических нагрузок.
3
Известно устройство для измерения деформаций (А.С. СССР №958851, МПК G01B 11/16, опубл. 15.09.82, Бюл. №34), содержащее основание, установленные на основании лазер, расположенный по ходу его излучения светоделитель, зеркало, образующее эталонное плечо интерферометра, два измерительных штока, подпружиненных в осевом направлении, три зеркала, расположенных в рабочем плече интерферометра, последовательно расположенные коллиматор, диафрагму, фотоприемник и электронную схему обработки, а также два зеркала, установленные на торцах измерительных штоков.
Недостатком известного устройства является низкая точность вследствие использования контактного метода измерения.
5
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для определения упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов (пат. РФ №1744445, МПК G01B 11/00, опубл. 30.06.92, Бюл. №24), которое содержит основание с неподвижной плитой и подвижную в продольном направлении плиту. Между плитами расположен исследуемый образец прямоугольного сечения с одной зеркально-полированной боковой поверхностью. На основании установлен лазер, расположенные по ходу его излучения светоделитель и зеркало, отраженные лучи от которых образуют эталонные плечи двуплечих интерферометров соответственно поперечных и продольных деформаций. После интерферометров по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно расположены два коллиматора, две диафрагмы, два фотоприемника и электронная схема обработки. При этом рабочее плечо интерферометра продольных деформаций образует зеркало, установленное на подвижной плите, а рабочее плечо интерферометра поперечных деформаций образует зеркально-полированная боковая поверхность исследуемого образца. Устройство может быть также снабжено тремя зеркалами, расположенными по ходу излучения в рабочем плече интерферометра поперечных деформаций. В этом случае луч рабочего плеча направляется под углом относительно нормали к передней зеркальной поверхности исследуемого образца.
Недостатками известного устройства являются недостаточная точность измерений из-за погрешностей, возникающих от просадки неподвижной плиты под воздействием силы нагружения, погрешности, связанной с направлением луча рабочего плеча под углом относительно нормали к передней зеркальной поверхности исследуемого образца, а также невозможность проведения измерений на нагретом образце из-за быстрой потери тепла, связанной с его стоком в плиты пресса и длительностью установки и настройки.
Задачей изобретения является повышение точности измерений упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при высоких температурах.
Поставленная задача решается за счет технических результатов, заключающихся в использовании дифференциальной схемы измерения длины образца, использовании четырехходовой оптической системы интерферометра поперечных деформаций и реализации нагрева образца в его рабочем положении непосредственно до и во время проведения испытания. Это достигается тем, что устройство содержит основание с неподвижной плитой и подвижную плиту. Между плитами расположен исследуемый образец прямоугольного сечения с двумя противоположными зеркально-полированными боковыми поверхностями. На основании установлены лазер, расположенные по ходу его излучения светоделитель и зеркало. Луч, прошедший через светоделитель и отразившийся от зеркала, образует эталонное плечо двуплечего интерферометра продольных деформаций. Луч, отразившийся от светоделителя, направляется поворотным зеркалом в интерферометр поперечных деформаций. После интерферометров, по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно расположены два коллиматора, две диафрагмы, два фотоприемника и электронная схема обработки. С наружных сторон плит установлены электроды, подключенные к источнику постоянного тока, между одной из плит и соответствующим электродом помещен слой полупроводника. Установлена термопара, контактирующая с исследуемым образцом и связанная электрически с электронной схемой обработки. В оптической системе измерения поперечной деформации образца использован четырехходовой интерферометр, включающий поляризованный светоделитель, делящий луч лазера на рабочий и эталонный лучи, четвертьволновую и поляризационную пластины, два ретроотражателя и шесть обводных зеркал для рабочего луча. Причем в рабочем плече интерферометра поперечных деформаций расположены две противоположные зеркально-полированные боковые поверхности исследуемого образца, а в рабочем плече интерферометра продольных деформаций расположены последовательно зеркально-полированная наклонная под углом 45 градусов поверхность неподвижной плиты и зеркально-полированная поверхность подвижной плиты, обращенная к неподвижной плите. Для получения более стабильного прогрева образца между второй плитой и вторым электродом также может быть помещен слой полупроводника.
На фиг. 1 изображена оптико-механическая схема устройства; на фиг. 2 - оптическая схема измерения поперечной деформации исследуемого образца с использованием четырехходового интерферометра; на фиг. 3 - схема компенсации погрешностей, возникающих из-за просадки неподвижной плиты, за счет сохранения величины хода рабочего луча при использовании зеркально-полированной поверхности подвижной плиты, расположенной под углом 45 градусов.
Устройство для определения упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при повышенной температуре содержит основание 1 с неподвижной плитой 2 и подвижную плиту 3. Между плитами 2 и 3 расположен исследуемый образец 4 прямоугольного сечения с двумя противоположными зеркально-полированными боковыми поверхностями 5 и 6. На основании 1 установлены лазер 7, расположенные по ходу его излучения светоделитель 8 и зеркало 9. Луч, прошедший через светоделитель 8 и отразившийся от зеркала 9, образует эталонное плечо двуплечего интерферометра 10 продольных деформаций. Луч, отразившийся от светоделителя 8, направляется поворотным зеркалом 11 в интерферометр 12 поперечных деформаций. После интерферометров 10 и 12 по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно расположены два коллиматора 13 и 14, две диафрагмы 15 и 16, два фотоприемника 17 и 18 и электронная схема обработки 19. С наружных сторон плит 2 и 3 установлены электроды 20 и 21, подключенные к источнику постоянного тока 22. Между одной из плит 2 и соответствующим электродом 21 помещен слой полупроводника 23. Установлена термопара 24, контактирующая с исследуемым образцом 4 и связанная электрически с электронной схемой обработки 19. Четырехходовой интерферометр 12 поперечных деформаций включает поляризованный светоделитель 25, делящий луч лазера 7 на рабочий и эталонный лучи, четвертьволновую пластину 26 и поляризационную пластину 27, два ретроотражателя 28 и 29 и шесть обводных зеркал 30 и 31 для рабочего луча. Причем в рабочем плече интерферометра 12 поперечных деформаций расположены две противоположные зеркально-полированные боковые поверхности 5 и 6 исследуемого образца 4, а в рабочем плече интерферометра 10 продольных деформаций расположены последовательно зеркально-полированная наклонная под углом 45 градусов поверхность 32 неподвижной плиты 2 и зеркально-полированная поверхность 33 подвижной плиты 3, обращенная к неподвижной плите 2. Для получения более стабильного прогрева образца 4 между второй плитой 3 и вторым электродом 20 также может быть помещен слой полупроводника.
Устройство работает следующим образом.
Излучение лазера 7 делится светоделителем 8 на два пучка, один из которых, прошедший через светоделитель 8 и отразившийся от зеркала 9, образует эталонное плечо двуплечего интерферометра 10 продольных деформаций, а другой, отразившийся от светоделителя 8, направляется поворотным зеркалом 11 в интерферометр 12 поперечных деформаций. Луч, отразившийся от светоделителя интерферометра 10 продольных деформаций, направляется через зеркально-полированную наклонную под углом 45 градусов поверхность 32 неподвижной плиты 2 на зеркально-полированную боковую поверхность 33 подвижной плиты 3, образуя рабочее плечо интерферометра 10 продольных деформаций. Поперечная деформация образца 4 регистрируется с помощью четырехходового интерферометра 12. Поляризованный под углом 45 градусов луч лазера 7 делится поляризованным светоделителем 25 интерферометра 12 на рабочий и эталонный лучи. Рабочий луч, образуемый путем прохождения через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 25, получает горизонтальную поляризацию, а отразившийся от наклонной поверхности эталонный луч - вертикальную поляризацию. Установленная по ходу рабочего луча четвертьволновая пластина 26 меняет поляризацию рабочего луча на круговую с направлением по часовой стрелке. С помощью трех обводных зеркал 30 рабочий луч направляется на зеркально-полированную боковую поверхность 5 исследуемого образца 4. После отражения от зеркально-полированной боковой поверхности 5 рабочий луч обретает противоположное направление круговой поляризации и возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 26, пройдя которую приобретает вертикальную поляризацию. Далее рабочий луч отражается от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 25 без изменения плоскости поляризации и направляется в ретроотражатель 29. После прохождения ретроотражателя 29 и отразившись от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 25 рабочий луч снова проходит через четвертьволновую пластину 26 со сменой вертикальной поляризации на круговую с направлением против часовой стрелки. С помощью трех обводных зеркал 31 рабочий луч направляется на противоположную зеркально-полированную боковую поверхность 6 исследуемого образца 4, отразившись от которой, меняет направление круговой поляризации на противоположное и возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 26. Пройдя сквозь последнюю, рабочий луч приобретает горизонтальную поляризацию, проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 25 и совмещается с эталонным лучом, который направляется туда же ретроотражателем 28. Далее совмещенные эталонный и рабочий лучи проходят через поляризационную пластину 27, на которой плоскости поляризации лучей совмещаются, в результате чего происходит их интерференция. Счет переместившихся интерференционных линий производится с помощью последовательно расположенных после интерферометров 12 и 10 по ходу отраженных лучей рабочих плеч соответственно двух коллиматоров 13 и 14, двух диафрагм 15 и 16, двух фотоприемников 17 и 18 и электронной схемы обработки 19.
Перед испытанием исследуемый образец 4 прямоугольного сечения устанавливают между плитами 2 и 3, соблюдая перпендикулярность его зеркально-полированных боковых поверхностей 5 и 6 направлению лучей рабочего плеча интерферометра 12 поперечных деформаций. Далее задают предварительную нагрузку на образец 4. Пропускают постоянный электрический ток между электродами 20 и 21 через образец 4, плиты 2 и 3 и слой полупроводника 23. При прохождении электрического тока через слой полупроводника 23 выделяется тепло, благодаря которому происходит нагрев плиты 2 и соответственно образца 4. В процессе испытания после нагрева исследуемого образца 4 его деформируют, непрерывно регистрируют температуру образца 4 с помощью термопары 24 и силу нагружения P и ведут счет чисел n и m интерференционных линий с помощью фотоприемников 17 и 18, а результаты измерений записывают и обрабатывают с помощью электронной схемы обработки 19, в качестве которой может быть использована ПЭВМ. По изменению интерференционных картин определяют деформации материала, а модуль упругости E и коэффициент Пуассона μ определяют по формулам:
где Р - сила нагружения;
n и m - числа считанных интерференционных линий соответственно в интерферометрах продольной и поперечной деформаций;
а - толщина образца между его зеркально-полированными боковыми поверхностями;
l и b - длина и ширина образца соответственно;
λ - длина волны источника когерентного монохроматического излучения.
Для получения более стабильного прогрева образца 4 между второй плитой 3 и вторым электродом 20 также помещают слой полупроводника.
Направление луча рабочего плеча двуплечего интерферометра 10 продольных деформаций на зеркально-полированную поверхность 33 подвижной плиты 3 через предварительно-изготовленную на неподвижной плите 2 под углом 45 градусов зеркально-полированную поверхность 32 позволяет реализовать дифференциальную схему измерения длины образца 4 и, таким образом, автоматически компенсировать погрешности Δl, возникающие из-за просадки неподвижной плиты 2, за счет увеличения хода луча рабочего плеча. Кроме того, использование четырехходового интерферометра для измерения поперечной деформации позволяет устранить погрешность, которая возникает в случае направления луча рабочего плеча под углом относительно нормали к передней зеркальной поверхности исследуемого образца.
Таким образом, описанное устройство, благодаря использованию дифференциальной схемы измерения длины образца, использованию четырехходового интерферометра для измерения поперечной деформации и реализации нагрева образца в его рабочем положении непосредственно перед проведением испытания, позволяет реализовать определение упругих постоянных материала малопластичных металлов и сплавов при высоких температурах с высокой точностью.