СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА В УСЛОВИЯХ ВСЕСТОРОННЕГО ДАВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD TO MEASURE MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIAL UNDER CONDITIONS OF CONFINED PRESSURE (VERSIONS)

Изобретение относится к области исследования, а именно измерения механических свойств твердых материалов, например твердых геологических пород в условиях гидростатического давления, и может быть использовано для оценки их качества, а именно их прочности и модуля упругости при сжатии.
Известен способ определения предела выносливости металлических материалов (RU 2082146, G01N 3/08, опубл. 20.06.1997) [1]. Сущность способа: статически нагружают испытуемый образец и определяют напряжение перехода от линейного накопления остаточной деформации к нелинейному с последующим нагружением другого образца, идентичному вышеуказанному, меньшим напряжением и измеряют величину линейной релаксации, после чего о пределе выносливости судят по измеренным параметрам статического нагружения и релаксации напряжений.
Недостатком известного способа является то, что таким образом необходимо проводить многократное нагружение материала, в результате чего он может изменять свои свойства.
Известен способ определения коэффициента пуансона горных пород (RU 2350922, G01N 3/08 опубл. 27.03.2009) [2]. Сущность способа: одноосно нагружают образец в два цикла и измеряют величины физических откликов, сопровождающих это нагружение. Двухцикловому нагружению подвергают также второй образец, который изготовлен из того же керна, что и первый. Первый цикл нагружения первого образца осуществляют в режиме запрещенных боковых деформаций, а второго - по схеме Кармана в режиме трехосного осесимметричного сжатия. Второй образец во втором цикле нагружают одноосно, причем в качестве откликов образцов в процессе второго цикла их нагружения измеряют активность акустической эмиссии. Определяют величины осевых напряжений, соответствующих максимуму активности акустической эмиссии каждого из образцов, и определяют коэффициент Пуассона по формуле.
Недостатком известного способа является очень сложная схема многократного нагружения.
Известен способ измерения упругих констант материалов (RU 2465551, G01B 9/021, G01N 3/20, опубл. 27.10.2012) [3]. Сущность способа: нагружают образец, установленный в захватах, расчетной нагрузкой. Записывают цифровую голограмму образца без нагрузки. Прикладывают заданное нагружающее усилие и записывают голограмму образца в нагруженном состоянии. Рассчитывают цифровую голографическую интерферограмму образца. Измеряют нормальные перемещения поверхности образца при изгибе и определяют значение модуля упругости и модуля сдвига. Указанную последовательность действий осуществляют повторно, используя разные значения нагружающего усилия, и на основе полученных значений вычисляют среднее значение модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона. Технический результат: повышение точности измерения упругих констант материалов с одновременным сокращением временных затрат на подготовку и проведение измерений, а также на обработку результатов.
Недостатком известного способа является необходимость применения голографических методов, которые достаточно трудно сопоставлять с реальными механическими нагрузками.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является (SU 1801060 B22F 3/20, 3/24, 07.03.93) [4]. Сущность способа: нагретую капсулу с заготовкой продавливают через матрицу, рабочий диаметр которой относится к диаметру заготовки как 1.05-1.18, причем используют капсулу с утолщенным дном, эквивалентным пресс-остатку, и носовой частью, имеющей форму усеченного конуса, повторяющего профиль матричной воронки.
Недостатком известного способа является невозможность измерения усилий в образце в процессе продавливания через фильеру.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа измерения механических свойств материала в условиях всестороннего давления.
Предлагаемый способ прост в реализации, может быть реализован при использовании обычных испытательных машин и позволяет измерять прочность и модуль упругости при сжатии твердых материалов, например твердых геологических пород.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ измерения механических свойств материала в условиях всестороннего давления заключается в размещении образца материала, окруженного высокопластичным металлом, в матрицу устройства, обеспечивающего условия гидростатического давления на образец, и приложении нагрузки на образец материала.
При этом в первом варианте способа нагрузку осуществляют двумя пуансонами, причем внешний пуансон задает гидростатическое давление на образец материала при его воздействии на высокопластичный металл, а внутренний пуансон обеспечивает нагрузку непосредственно на образец материала.
Во втором варианте способа нагрузку на образец материала осуществляют одним пуансоном, который задает гидростатическое давление на образец материала при его воздействии на высокопластичный металл и одновременно обеспечивает нагрузку непосредственно на образец материала, причем матрица устройства имеет канал, по сечению которого определяют гидростатическое давление, действующее на образец материала.
В качестве высокопластичного металла используют свинец или алюминий.
В предлагаемом способе дополнительно осуществляют охлаждение или нагрев матрицы устройства с образцом в интервале температур от 100 К до температуры плавления пластичного материала.
Сущность изобретения состоит в том, что в первом варианте предлагаемого способа используют двухпуансонный метод нагрузки на образец твердого материала, в этом случае внешний пуансон создает гидростатическое давление на образец материала посредством нагрузки на высокопластичный металл (свинец, алюминий и др.), который окружает образец материала в матрице, изготовленной из высокопрочной стали. Внутренний (активный) пуансон осуществляет нагрузку непосредственно на образец твердого материала.
При осуществлении способа по второму варианту, когда в испытательной машине отсутствует возможность раздельного двухпуансонного нагружения (одна подвижная опора, плита см. прототип [4] на дне матрицы выполняют канал для возможности истечения высокопластичного металла вследствие его экструзии через этот канал. Изменение сечения этого канала определяет гидростатическое давление, под которым находится образец твердого материала.
Матрица с размещенным в ней образцом материала, окруженного высокопластичным металлом, или в целом все устройство, обеспечивающее условия гидростатического давления на образец материала, может быть помещено в установку, обеспечивающее охлаждение или нагрев, давая, таким образом, возможность измерения механических характеристик материала не только при комнатной температуре, но и при пониженных или повышенных температурах. Температуру охлаждения или нагрева под деформацию изменяют в интервале от 100 К, обеспечивая необходимую технологическую пластичность высокопластичного металла. Максимальная температура определяется точкой плавления высокопластичного металла, в частности, алюминия или свинца и обеспечивает минимальное гидростатическое давление.
Величина гидростатического давления на образец твердого материала в обоих случаях определяется из предварительных экспериментов - проводится калибровка устройства.
На фиг.1 представлен общий вид устройства, с помощью которого реализован первый вариант способа, где 1 - матрица, 2 - высокопластичный металл, 3 - внутренний пуансон, осуществляющий нагрузку непосредственно на образец, 4 - внешний пуансон, создающий гидростатическое давление на образец материала посредством нагрузки на высокопластичный металл, 5 - образец материала.
На фиг.2 представлен общий вид устройства, с помощью которого реализован второй вариант способа, где 1 - матрица, 2 - высокопластичный металл, 3 - пуансон, создающий гидростатическое давление на образец материала посредством нагрузки на высокопластичный металл и одновременно осуществляющий нагрузку непосредственно на образец материала, 5 - образец материала, 6 - канал истечения высокопластичного металла, плита 7.
Первый вариант способа осуществляется следующим образом.
2
3
2
3
При осуществлении изобретения используют матрицу 1 из стали Р6М5, высокопластичный металл 2 - свинец. Помещают образец 5 - спеченную керамику AlO в матрицу, укладывают вокруг образца свинец. Помещают матрицу устройства с образцом из спеченной керамики AlO в окружении свинца на неподвижную опору испытательной машины. Прикладывают нагрузку внешним пуансоном 4 на высокопластичный металл-свинец, который передает гидростатическое давление на образец материала и одновременно вторым внутренним пуансоном 3 непосредственно на сам образец материала. Измеряют перемещение внутреннего пуансона, по которому рассчитывают деформацию образца и усилие, передаваемое им на образец, по которому рассчитывают нагрузку. В процессе приложения нагрузки проводят запись этих величин посредством цифрового преобразователя в компьютер, по которым строят зависимости «напряжение-деформация».
Второй вариант способа осуществляется следующим образом.
При осуществлении изобретения использовали матрицу 1 из стали Р6М5, высокопластичный металл - алюминий 2. Помещают образец 5 твердого материала - геологической породы в матрицу, помещают вокруг образца геологической породы алюминий 2. Матрицу с образцом геологической породы в окружении алюминия нагревают спиральным нагревателем до температуры 350°C и прикладывают нагрузку через плиту 7 и пуансон 3, как на высокопластичный металл, который передает гидростатическое давление на образец материала, так и одновременно непосредственно на сам образец как это показано на фиг.2. На дне матрицы в этом случае выполнен канал 6 для пластического истечения алюминия (происходит его экструзия через этот канал), по сечению которого определяют гидростатическое давление, действующее на образец материала. Измеряют перемещение пуансона, по которому рассчитывают деформацию образца и усилие, передаваемое им на образец, по которому рассчитывают нагрузку. В процессе приложения нагрузки проводят запись этих величин посредством цифрового преобразователя в компьютер, по которым строят зависимости «напряжение-деформация».
Предел прочности рассчитывают по формуле: σ (Па)=F/S,
2
где F - максимальная нагрузка, которую выдерживает образец, Н; S - площадь сечения образца, м.
Эффективный модуль упругости рассчитывают по наклону кривой нагружения на начальном - линейном участке.