УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ ДЛИННОМЕРНЫХ ОБРАЗЦОВ
COMPRESSION TESTING DEVICE FOR LONG SPECIMENS

Изобретение относится к устройствам для исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения растягивающих или сжимающих статических нагрузок и может найти применение в испытании на одноосное сжатие при исследовании механических свойств материала.
Конструкционные материалы при эксплуатации нередко подвергаются интенсивному воздействию сжимающих нагрузок. Для расчета конструкций на прочность необходимо знать конкретные механические характеристики этих материалов, которые можно получить лишь экспериментально, при испытании образцов. Удобным и широко распространенным способом определения механических свойств материалов являются испытания на растяжение. Но для материалов, работающих на сжатие, полученные при растяжении прочностные характеристики могут быть непригодными, так как их свойства при сжимающей и растягивающей нагрузке могут различаться. Для получения данных о прочностных характеристиках этих материалов проводят испытания на одноосное сжатие, в процессе которых определяется зависимость относительной осевой деформации образца от продольных сжимающих напряжений.
Однако достижение одноосного напряженно-деформированного состояния при испытании на сжатие, особенно пластичных материалов, достаточно проблематично. Испытания проводят в основном на коротких образцах, длина которых примерно равна их диаметру. Сжатие образца из пластичного материала сопровождается пропорциональным увеличением площади его сечения, а соответственно и диаметра. При этом точки на торце образца стремятся совершить радиальное перемещение от центра к периферии, но этому препятствуют возникающие между торцами образца и захватами испытательной машины радиально направленные силы трения. Это приводит к возникновению в значительной части приближенного к торцам материала вместо одноосного сжатия объемного напряженно-деформированного состояния, что существенно искажает результаты испытания. Уменьшить влияние сил трения можно использованием длинномерного образца, у которого длина многократно превышает диаметр, в этом случае относительное влияние рассмотренного краевого эффекта на результат испытания незначительно. Но длинномерные образцы выдерживают только малые упругие деформации, при увеличении сжимающей нагрузки происходит потеря их устойчивости, сопровождающаяся изгибом. Это исключает возможность получения данных о свойствах материала при глубоком деформировании.
Возможность применения боковых опор, поддерживающих длинномерный образец для исключения его изгиба, осложняется тем, что происходящее при продольном сжатии образца увеличение его поперечного размера может привести к возникновению боковых сил реакции и замене одноосного сжатия объемным напряженно-деформированным состоянием. В этом случае получение объективных данных о свойствах материала при одноосном сжатии становится невозможным.
Известны технические решения, в которых используются боковые опоры, которые по мере увеличения диаметра сжимаемого образца раздвигаются, что снижает боковые усилия и уменьшает влияние создаваемого ими объемного напряженно-деформированного состояния. К числу таких технических решений относится устройство для испытания на прочность при пластическом сжатии длинномерных образцов, в котором для поддержания образца использованы конические опорные секторы, контактирующие с ответной конической обоймой (а.с. СССР №1810786, опубл. 23.04.1993, G01N 3/08. Устройство для испытания на прочность при пластическом сжатии длинномерных образцов). При расширении образца секторы раздвигаются, скользя вверх по конической поверхности обоймы и создавая тем самым поддерживающие образец силы. Но такое техническое решение лишь уменьшает всестороннее действие боковых сил, не устраняя его полностью. Эффективность работы этого устройства зависит от принятого угла конусности опорных секторов и обоймы, величина которого сложным образом связана с параметрами системы - весом секторов, обоймы и коэффициентами трения между движущимися поверхностями.
Известно сходное по принципу действия техническое решение, в котором, с целью уменьшить боковые реакции без потери устойчивости образца, конструктивные параметры устройства оптимизируют путем проведения сложных расчетов (п.РФ №2247355, опубл. 27.02.2005, G01N 3/08. Устройство для испытания на пластическое сжатие длинномерных образцов). Недостатком таких расчетов является использование в них однозначных, постоянных исходных данных. На практике параметры, влияющие на работу устройства, например коэффициенты трения, могут изменяться в широких пределах. Это приводит к отклонению конкретных параметров эксперимента от полученных в расчетах, возникновению объемного сжатия образца и искажению результатов опыта.
Также известно техническое решение - устройство для испытания на одноосное сжатие длинномерных образцов, включающее осевые опоры, между которыми размещают образец и поддерживающую его в поперечном направлении опору. Данное решение, несмотря на использование боковых опор, практически исключает создание ими объемного напряженно-деформированного состояния (п.РФ №2536091, опубл. 2014.12.20, G01N 3/04. Устройство для испытания на упругопластическое сжатие длинномерных образцов). Это достигается тем, что в каждой из опор имеются три равномерно распределенных по окружности кулачка и механизм для их синхронного радиального раздвижения в момент, когда расширяющийся образец придет в контакт со всеми тремя кулачками, до положения, при котором хотя бы один из них находится вне контакта с образцом. Данное техническое решение исключает потерю устойчивости длинномерных образцов при испытании на одноосное сжатие и не создает в них объемного сжатия. Однако недостатком такого устройства является его высокая сложность, необходимость применения следящего привода с контактными датчиками на всех кулачков. Еще одним недостатком устройства является то, что на кулачках, остающихся в контакте с образцом, сохраняются односторонние силы реакции, которые препятствуют осевому перемещению точек деформируемого образца, создавая силы трения. На соответствующую величину снижается продольное сжимающее усилие в сечении образца, что вносит погрешность в результат испытания. Устройство для испытания на упругопластическое сжатие длинномерных образцов (п.РФ №2536091) выбрано в качестве прототипа.
Задачей изобретения является разработка устройства для испытания на одноосное сжатие длинномерных образцов, обеспечивающего удержание образца от искривления без создания объемного напряженно-деформированного состояния и устраняющего негативное влияние сил трения без применения сложных дорогостоящих механизмов.
Техническим результатом данного технического решения является повышение точности результатов при проведении испытания на одноосное сжатие длинномерных стержневых образцов без использования сложной дорогостоящей оснастки.
Технический результат обеспечивается тем, что в устройство для испытания на одноосное сжатие длинномерных образцов включают осевые опоры, между которыми размещают образец, и опору, поддерживающую образец в поперечном направлении, согласно изобретению, опора, поддерживающая образец в поперечном направлении выполнена в виде кондукторной втулки, при этом образец размещен во втулке с возможностью вращения втулки вокруг образца, для чего обеспечивают зазор, исключающий всесторонний контакт втулки с образцом при приложении сжимающего усилия. Зазор выбирают в зависимости от заданной степени деформации образца. Одна из осевых опор является неподвижной и имеет на торце контактирующий с торцом образца цилиндрический выступ, входящий в отверстие втулки. Противоположная осевая опора является плунжером, имеющим удлиненный цилиндрический выступ, входящий в отверстие втулки и воздействующий на образец при приложении сжимающего усилия. В частном случае кондукторная втулка может быть выполнена разделенной на две или более составные части, расположенные соосно и имеющие возможность вращаться в противоположных направлениях.
На фиг. 1 показана схема устройства для испытания на сжатие длинномерных образцов, на фиг. 2 показано направление действия боковой силы трения при отсутствии вращения кондукторной втулки, на фиг. 3 показано соотношение осевой и окружной составляющей силы трения при вращении кондукторной втулки, где:
1 - образец;
2 - кондукторная втулка;
3 - осевая опора;
4 - плунжер;
5 - удлиненный цилиндрический выступ;
6 -цилиндрический выступ;
7 - корпус.
8 качестве примера конкретного выполнения заявленного устройства может служить конструкция устройства для испытания на одноосное сжатие длинномерных образцов диаметром 4 мм и длиной 40 мм, изготовленных из подлежащего испытанию пластичного материала, например, из алюминиевого сплава АМц 6. Схема реализации данного устройства показана на фиг. 1. В стальном корпусе 7 с размерами, 40×20×84 устройства размещается опора, поддерживающая длинномерный образец 1 в поперечном направлении, выполненная в виде кондукторной втулки 2 длиной 48 мм, с наружным диаметром 13 мм и номинальным диаметром отверстия 4 мм, изготовленной из антифрикционной бронзы БрАЖ9-4 ГОСТ 18175-78. Образец 1 в кондукторной втулке 2, имеющей возможность при его сжатии вращаться, размещают с радиальным зазором величина которого за счет допусков на диаметры образца и отверстия кондукторной втулки составляет 0,25 мм, что исключает всесторонний контакт образца со втулкой вследствие увеличения его поперечного размера и сопутствующее этому заклинивание вследствие при продольном сжатии. В отверстии корпуса располагается изготовленная из закаленной стали осевая опора 3 диаметром 10 мм, имеющая входящий в отверстие кондукторной втулки 2 цилиндрический выступ 6 диаметром 4 мм и высотой 3 мм. Подвижный плунжер 4 диаметром 10 мм, также изготовленный из закаленной стали и располагающийся в отверстии корпуса, имеет на торце контактирующий с торцом образца 1 для воздействия на него сжимающим усилием удлиненный цилиндрический выступ 5 с диаметром 4 мм, равным диаметру образца 1, и высотой 10 мм. Отверстия корпуса 7, в которых размещаются неподвижная осевая опора 3 и плунжер 4 выполнены соосными, что обеспечивает соосность и всех остальных элементов устройства, включая образец 1 и кондукторную втулку 2.
Кондукторная втулка 2 может быть монолитной или разделенной на две или более составные части, расположенные соосно и имеющие возможность вращаться в противоположных направлениях.
Испытание на одноосное сжатие длинномерного образца при помощи предлагаемого устройства производится следующим образом. Под воздействием сжимающего усилия происходит деформирование образца 1 в осевом направлении, приводящее к сокращению его длины. Пропорционально уменьшению длины увеличивается площадь поперечного сечения, а соответственно и диаметр образца 1. Чтобы при увеличении диаметра исключить всесторонний контакт боковой поверхности образца 1 с отверстием втулки 2, между образцом 1 и втулкой 2 имеется зазор. Из-за наличия зазора кондукторная втулка 2 не может полностью исключить изгиб образца 1, теряющего устойчивость при пластическом деформировании, но позволяет уменьшить стрелу прогиба образца 1 до значений, не приводящих к негативным последствиям. Чтобы прогиб вследствие изгиба образца 1 не оказывал практического влияния на характер напряженно-деформированного состояния, зазор целесообразно ограничивать величиной, достаточной для компенсации возрастания поперечного размера образца 1 при сжатии его на установленную регламентом испытания величину.
тр
oc
При изгибе образца 1 даже на малую величину его контакт с кондукторной втулкой 2 на вершинах изгибных волн, все же происходит. В местах контакта возникают контактные давления и формируются нормальные к поверхности силы реакций. Так как всесторонний контакт образца 1 и втулки 2 отсутствует, силы реакции имеют относительно небольшую величину и на создаваемое в сечении образца 1 состояние одноосного сжатия повлиять не могут. Однако они негативно влияют на результаты испытания по другой причине. Так как все точки боковой поверхности образца 1 в процессе его деформирования перемещаются вдоль втулки 2 в сторону неподвижной осевой опоры 3, под действием нормальных к поверхности контактных давлений, в местах контакта возникают силы трения F (фиг. 2), действующие противоположно направлению перемещения точек образца 1, движущихся с некоторой скоростью V. С учетом большой протяженности боковой поверхности длинномерного образца 1, сумма сил трения может оказывать негативное влияние на результат испытания. Наличие сил трения приводит к передаче некоторой части приложенного к образцу 1 сжимающего усилия на втулку 2, из-за этого усилие в самом образце 1 снижается по сравнению с регистрируемой датчиком величиной, что вносит погрешность в результат опыта. Из-за неопределенности происходящих процессов учесть влияние сил трения и внести соответствующую поправку не представляется возможным.
окр
тp
oc
тp
окр
oc
Для того чтобы снизить негативное влияние продольных сил трения при испытании длинномерного образца 1 на сжатие, втулка 2 приводится во вращение вокруг оси относительно выступов опоры 3 и плунжера 4 при помощи внешнего привода, не входящего в состав устройства. Так как скорость деформирования образца 1 относительно невелика, даже при небольшой скорости вращения втулки 2 осевая и окружная скорости относительного перемещения отличаются многократно. В итоге перемещение точек образца 1 относительно втулки 2 происходит по винтовой линии с малым углом подъема. Сила трения при этом имеет ту же величину, что и без вращения втулки 2, но ее вектор, направленный противоположно вектору скорости, располагается под столь же малым углом наклона (фиг. 3). Оценить влияние силы трения можно разложением ее на две составляющие - окружную F, практически равную результирующей силе F, и осевую F, величина которой меньше результирующей силы F примерно во столько раз, во сколько окружная линейная скорость втулки относительно V больше скорости перемещения точек образца 1 в осевом направлении V.
Вращение втулки 2, снижая осевую составляющую боковых сил трения, приводит к появлению окружной составляющей, которая при определенных условиях испытания может преодолеть удерживающие образец 1 силы трения на его торцах и привести к вращению образца 1 вместе с втулкой 2, в результате чего вращение втулки 1 станет бесполезным. В таком случае может использоваться составная кондукторная втулка, разделенная по длине на две составные части равной длины, расположенные соосно и имеющие возможность вращаться в противоположных направлениях. В этом случае будут возникать две окружные составляющие боковых сил трения, направленные в противоположные стороны, и уравновешивающие друг друга, что исключает возможность вращения образца вместе с втулкой. Втулка может быть разделена и на большее число составных частей из условия, чтобы возникающие на них окружные составляющие сил трения взаимно уравновешивались.
-2
ос
окр
oc
Оценка положительного эффекта от вращения кондукторной втулки произведена на описанном выше примере конкретного выполнения. Рекомендуемая скорость относительного деформирования должна быть не менее 10, на практике примерно 3% в секунду. В пересчете на абсолютные значения осевая скорость перемещения V образца длиной 40 мм у его верхнего края составит 1,2 мм/с. При вращении втулки диаметром 4 мм со скоростью всего 1 об/с окружная скорость ее движения V относительно образца составит примерно 12 мм/с. При таком режиме осевая составляющая силы трения F у верхнего торца образца не превысит 10% от ее полного значения. Таким образом, негативное влияние сил трения при таком режиме вращения втулки уменьшается десятикратно, что снижает вызываемую ими погрешность до долей процента. Из-за отсутствия ограничивающих факторов имеется возможность вращать втулку с гораздо более высокой скоростью, что позволяет устранить влияние сил трения полностью.