УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ КОНСТАНТ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
PLANT FOR DETERMINATION OF ELASTIC CONSTANTS OF FISSILE MATERIALS UNDER HIGHER TEMPERATURES

Изобретение относится к неразрушающим испытаниям металлов и сплавов, а конкретно к испытаниям делящихся материалов с целью определения модуля нормальной упругости и коэффициента Пуассона ультразвуковым резонансным методом в вакууме при повышенных температурах.
Известен способ определения модуля нормальной упругости и модуля сдвига бериллиевой бронзы Бр.Б2 путем пропускания через образец ультразвуковой волны поперечного типа и определения скорости ее прохождения через образец [патент РФ, №2281491, опубликован 10.03.2006, G01N 29/07. Способ определения модулей упругости бериллиевой бронзы Бр.Б2]. В дальнейшем, вычисляют модуль нормальной упругости и модуль сдвига. К недостаткам этого метода относится невозможность определения коэффициента Пуассона.
Известна установка для определения модуля нормальной упругости и коэффициента Пуассона ультразвуковым резонансным методом, основаном на решениях уравнений собственных колебаний свободного диска из однородного изотропного материала [Баранов В.М. Определение констант упругости образцов материалов, имеющих форму диска. Заводская лаборатория, №9, 1972, с.1120-1123], которая состоит из стержней для передачи и приема ультразвуковых колебаний, пьезопреобразователей, акустических изоляторов, основания, приборов для возбуждения и регистрации сигнала с пьезопреобразователей, электронагревателя для высокотемпературных испытаний.
Недостатком этой установки является отсутствие возможности размещения установки в герметичном перчаточном боксе для защиты персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых делящихся материалов, отсутствие рабочей камеры и вакуума, что не решает задачу, поставленную перед разработчиками.
Установка для определения модуля нормальной упругости и коэффициента Пуассона ультразвуковым резонансным методом, основанном на решениях уравнений собственных колебаний свободного диска из однородного изотропного материала выбрана в качестве прототипа.
Задачей, стоящей перед авторами предполагаемого изобретения, является разработка установки для определения упругих констант делящихся материалов при повышенных температурах с возможностью измерения резонансных частот при постоянном нарастании температуры, с защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых делящихся материалов.
Техническим результатом предлагаемого решения является возможность проведения ультразвуковых резонансных испытаний делящихся материалов при повышенных температурах, получение значений модуля нормальной упругости и коэффициента Пуассона в зависимости от температуры в диапазоне температур 20-600°С, с одновременной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых делящихся материалов, путем двойной герметизации образцов из делящихся материалов.
Технический результат достигается тем, что в установке для определения упругих констант делящихся материалов при повышенных температурах, содержащей звуководы, снабженные акустическими изоляторами, между концами звуководов размещен образец из делящегося материала, а на противоположных концах установлены пьезоэлектрические преобразователи, соединенные с генератором и регистрирующей аппаратурой, согласно изобретению, образец и часть звуководов окружены нагревателем и помещены они в вакуумную камеру, при этом образец соединен с термопарой, рабочая камера помещена в герметичный перчаточный бокс и имеет рубашку охлаждения и протоки охлаждения проточной водой.
Нагреватель может быть снабжен распределителем тепла для выравнивания температурного поля.
Один звуковод может быть выполнен из кварцевого стекла, а второй - из нержавеющей стали.
Звуководы необходимы для закрепления образца и передачи ультразвуковых колебаний, пьезоэлектрические преобразователи служат для возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний, а акустические изоляторы - для минимизации потерь. Вакуумная камера помещена в герметичный перчаточный бокс, что обеспечивает двойную защиту персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых делящихся материалов. С помощью нагревателя обеспечен нагрев образца, а для предотвращения нагрева вакуумной камеры, звуководов, пьезопреобразователя-приемника и пьезопреобразователя-излучателя, используется рубашка охлаждения и протоки охлаждения проточной водопроводной водой. Для исключения окисления и самовозгорания образца из делящихся материалов испытания проводятся в вакуумной камере. Сигналы с генератора поступают на пьезопреобразователь-излучатель, далее через звуковод на образец, и через второй звуковод на пьезопреобразователь-приемник и далее на регистрирующую аппаратуру. Акустические изоляторы служат для минимизации потерь.
Испытание образцов именно из делящихся материалов стало возможным при размещении вакуумной камеры в герметичном перчаточном боксе.
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает возможность определения модуля нормальной упругости и коэффициента Пуассона ультразвуковым резонансным методом на образцах из делящихся материалов при повышенных температурах.
На фиг.1 показан пример блок-схемы установки для определения модуля нормальной упругости и коэффициента Пуассона ультразвуковым резонансным методом на образцах из делящихся материалов при повышенных температурах, где:
1. пьезопреобразователь-приемник;
2. звуковод;
3. нагреватель с распределителем;
4. образец;
5. звуковод;
6. термопара;
7. регистрирующая аппаратура (осциллограф);
8. пьезопреобразователь-излучатель;
9. генератор;
10. регистрирующая аппаратура (частотомер);
11. вакуумная камера;
12. рубашка охлаждения;
13. протоки охлаждения;
14. акустический изолятор;
15. регистриратор температуры.
Вакуумная камера с звуководами, образцом, пьезопреобразователями, акустическими изоляторами, нагревателем с распределителем, термопарой, рубашкой охлаждения рабочей камеры, протоками охлаждения, помещена в герметичном перчаточном боксе (на фиг.1 не показан).
Работает установка следующим образом.
Образец 4 в форме диска диаметром 10-16 мм и толщиной 2-4 мм закрепляется между звуководами 2 и 5, размещенными в вакуумной камере 11. Звуковод 5 изготовлен из кварцевого стекла, а звуковод 2 - из нержавеющей стали. Звуковод 2 прижат к образцу пружиной (на фиг.1 не показана) с усилием 10-20 грамм. Звуководы 2 и 5 изолированы от мест закрепления с помощью акустических изоляторов 14. Для проведения испытаний при повышенной температуре применяется нагреватель с распределителем 3. Температура образца измеряется термопарой 6 и регистрируется регистратором температуры 15. Термопара 6 зачеканивается или приваривается точечной электрической сваркой к образцу 4. При проведении испытаний с повышенной температурой во избежание нагрева пьезопреобразователя-приемника 1 и пьезопреобразователя-излучателя 8, звуководы 2 и 5 охлаждаются через протоки охлаждения 13, а вакуумная камера 11 - с помощью рубашки охлаждения 12 проточной водой. Для возбуждения собственных колебаний в испытуемом образце 4 используется пьезопреобразователь-излучатель 8 из пьезокерамики. Пьезопреобразователь-излучатель 8, в свою очередь, возбуждается с помощью генератора 9, механическое возбуждение по звуководу 5 передается образцу 4. Образец 4, работающий как резонансный фильтр, уменьшает амплитуды всех колебаний, кроме тех, которые совпадают с его собственными частотами. Механические колебания образца 4 передаются по звуководу 2 пьезопреобразователю-приемнику 1, электрический сигнал с которого подается на вход регистрирующей аппаратуры (осциллографа) 7. При изменении частоты возбуждения и совпадении ее с резонансной частотой образца амплитуда сигнала на экране осциллографа резко возрастает, при этом значение частоты измеряется при помощи регистрирующей аппаратуры (частотомера) 10.
Из решения уравнений собственных колебаний свободного диска из однородного изотропного материала следует, что диск имеет множество собственных частот колебаний, однозначно связанных с абсолютными значениями двух независимых констант упругости, плотностью материала и его геометрическими размерами, причем каждая собственная частота представляет свой вид зависимости от упругих свойств материала. Наиболее сильная зависимость собственных частот от свойств материала наблюдается у низших изгибных форм колебаний, поэтому определение соотношений между двумя низшими изгибными собственными частотами диска и двумя независимыми константами упругости позволяет выразить одну пару величин через другую известную пару [Баранов В.М. Определение констант упругости образцов материалов, имеющих форму диска. Заводская лаборатория, №9, 1972, с.1120-1123] в соответствии с
,
u
u
u
u
где k(i) - безразмерный частотный параметр, f(i) - изгибная резонансная частота, d - диаметр образца, E - модуль нормальной упругости, ρ - плотность. Самыми низшими собственными частотами свободного диска являются: изгибная частота f(2), имеющая два узловых диаметра, и изгибная частота f(0), имеющая один узловой диаметр, причем f(2)<f(0). Задача определения констант упругости материала сводится к измерению этих частот, определению геометрических размеров образца и плотности материала. Коэффициент Пуассона ν определяется через вышеназванные изгибные резонансные частоты, геометрические размеры образца, а также с использованием табличных зависимостей, приведенных в работе [Баранов В.М. Определение констант упругости образцов материалов, имеющих форму диска. Заводская лаборатория, №9, 1972, с.1120-1123].
Благодаря заявляемой совокупности признаков решения появляется возможность определения модуля нормальной упругости и коэффициента Пуассона ультразвуковым резонансным методом на образцах из делящихся материалов при повышенных температурах с одновременной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых делящихся материалов, путем двойной герметизации образцов из делящихся материалов.
Изготовлен опытный образец установки, испытан, результаты подтвердили работоспособность установки и получение нового технического результата.