УСТАНОВКА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ
INSTALLATION FOR MECHANICAL TESTING OF MATERIALS AT HIGH TEMPERATURES AND UNDER HIGH PRESSURES

Изобретение касается обработки материалов высоким давлением, в частности, устройства для испытания образцов на растяжение, кручение, сжатие под высоким давлением и при высоких температурах.
Известно устройство для испытания образцов на разрыв и сжатие при высоких гидростатических давлениях. Устройство содержит герметичный контейнер, заполняемый рабочей жидкостью, установленные в нем матрицу и пуансон, и расположенный между ними стакан с отверстием в дне для образца на разрыв и кромками, упирающимися в матрицу, упорную шайбу для крепления одного из концов образца на разрыв, который проходит сквозь цилиндрический образец на сжатие с торцевыми выточками и центральным отверстием, держатель для крепления другого конца образца на разрыв и вспомогательной заготовки, выполняемой с переменным диаметром по длине рабочей части (Патент RU 2703828, МПК G01N 3/08, 2019 год).
Однако к недостаткам известного устройства относится невозможность проведения механических испытаний материалов при высоких температурах.
Наиболее близким к предлагаемому является установка для механических испытаний материалов в различных средах при высоких температурах и давлениях. Установка содержит рабочую камеру с захватами для образца, механизм нагружения, нагреватель, средства подачи газовой среды и контрольно-измерительную аппаратуру, при этом стенки и фланцы рабочей камеры снабжены рубашкой охлаждения, штанги захватов образца и тоководы нагревателя имеют протоки охлаждения, с внутренней стороны рубашки охлаждения, с внутренней стороны рубашки охлаждения расположена теплоизолирующая конструкция, кроме того, на входе в рабочую камеру газовой среды дополнительно введены подпитывающий расширительный бачок с поршнем и регулятором подачи управляющего газа, а нагреватель выполнен в форме спирали и расположен в рабочей камере таким образом, что образец находится внутри спирали (патент RU 2240531, МПК G01N 3/18, 2004 год)(прототип).
Однако недостатком известного устройства является использование в качестве рабочей среды, создающей высокое давление, газа, что вызывает проблемы обеспечения надежного уплотнения движущихся штанг захватов, а также мест ввода контрольно-измерительных приборов и нагревающего проводника. В связи с использованием в качестве рабочей газовой среды, достигаемые в устройстве параметры давления и температуры имеют существенные ограничения.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать конструкцию устройства, обеспечивающую надежность и расширяющую технологические возможности за счет отсутствия ограничений по достижению высоких температур и давлений.
Поставленная задача решена в установке для механических испытаний материалов при высоких температурах и высоких давлениях, содержащей контейнер с расположенной в нем рабочей камерой, заполненной рабочей средой, с захватами для образца, механизм нагружения, нагреватель, выполненный в форме спирали и расположенный в рабочей камере таким образом, что образец находится внутри спирали, средства подачи рабочей среды и контрольно-измерительную аппаратуру, в которой что в качестве рабочей среды используют жидкую среду, механизм нагружения выполнен в форме верхнего и нижнего плунжеров, а нагреватель, выполненный в форме спирали с теплоизоляционным покрытием, помещен в керамическую трубку, при этом один из концов спирали соединен с корпусом верхнего захвата, другой размещен в электроизолированном отверстии нижнего захвата и предназначен для периодического взаимодействия с контактами, установленными в нижнем плунжере, средства контрольно-измерительной аппаратуры выполнены в виде термопары, спай которой размещен в полости керамической трубки, а вывод через электроизолированное отверстие верхнего захвата соединен с электрическими контактами верхнего плунжера, причем контакты плунжера выполнены конической формы.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известна установка для механических испытаний материалов при высоких температурах и высоких давлениях с использованием в качестве рабочей жидкой среды, оснащенная нагревателем и контрольно-измерительной аппаратурой предлагаемой конструкции.
Предлагаемая конструкция устройства для механических испытаний материалов при высоких температурах и высоких давлениях позволяет значительно повысить надежность работы устройства, как за счет использования в качестве рабочей жидкую среду, так и за счет многократного использования нагревателя - спирали с теплоизоляционным покрытием, помещенной в керамическую трубку, поскольку при нагружении испытуемого образца спираль, внутри которой помещен образец, не подвергается воздействию напряжений, за счет которых осуществляется пластическое деформирование образца. Кроме того, предлагаемая конструкция значительно расширяет технологические возможности установки, снимающие ограничения по значениям достигаемых температур и давлений, как за счет использования жидкой рабочей среды, так и за счет того, что схема нагрева не влияет на схему нагружения.
На фиг. 1 изображена предлагаемая установка для механических испытаний материалов при высоких температурах и высоких давлениях.
Установка включает контейнер (1) с помещенной в нем рабочей камерой (2), в котором с двух противоположных сторон расположены плунжеры (верхний и нижний) (3), плунжеры (3) снабжены набором прокладок (4) для предотвращения вытекания из рабочей камеры (2) контейнера (1) рабочей жидкости. Рабочая камера (2) контейнера (1) заполнена рабочей полиметилсилоксановой жидкостью (ПМС-200 или ПМС-500). На резьбовой конец нижнего плунжера (3) навинчена переходная гайка (5), компенсирующая разницу в длине образцов испытуемого материала (6). Образец (6) соединен с переходной гайкой (5) с помощью нижнего захвата (7), верхний захват (7) соединен с упорной гайкой (8), опирающейся на фланец (9) контейнера (1). Нижний плунжер (3) имеет четыре сквозные конические отверстия, в которых размещены токоподводящие провода (10), заканчивающиеся коническими наконечниками (11), изолированными от нижнего плунжера (3) с помощью изоляционной обмотки.
Конические наконечники (11) соединены с помощью проводников (12) с контактом (13). Контакт (13) соприкасается с контактом (14), находящимся на нижнем конце нижнего захвата (7). Контакт (14) припаян к проводнику (15), изолированному от нижнего захвата (7) с помощью керамической вставки (16), помещенной в высверленное отверстие в нижнем захвате (7). Проводник (15) припаян к спирали (17), например, нихромовой, которая изолирована от образца (6) керамической трубкой (18) и имеет теплоизолирующее покрытие (19), например, из каолиновой ваты. Второй вывод спирали (17) соединен с корпусом верхнего захвата (7), благодаря чему реализуется однопроводная схема нагрева. Между образцом (6) и керамической трубкой (18) помещен спай (20) термопары (21), которая помещена в сквозное отверстие верхнего захвата (7) и изолирована от него с помощью керамической вставки (22). Термопара (21) соединена с коническими наконечниками (23), которые помещены в сквозные конические отверстия (24) верхнего плунжера (3) и изолированы от него обмотками, например, стеклонитью. Конические наконечники (23) соединены с компенсационными проводами (25), размещенными в сквозных отверстиях верхнего плунжера (3) и соединены с измерительным устройством.
Предлагаемая установка для механических испытаний материалов при высоких температурах и высоких давлениях работает следующим образом. Образец (6), выполненный из материала, предназначенного для испытаний, например, на растяжение, с закрепленными на нем спиралью (17) с теплоизолирующим покрытием (19) и изолированной от образца (6) керамической трубкой (18) устанавливают посредством резьбового соединения в верхний и нижний захваты (7), при этом верхний захват (7) соединен с упорной гайкой (8). К образцу (6) подводят спай (20) термопары (21). Далее собранный блок через верхнее отверстие контейнера (1) вкручивают в переходную гайку (5) до соприкосновения контактов (13) и (14). Внутри рабочей камеры (2) создают гидростатическое давление путем сжатия рабочей жидкости плунжерами (3). Затем подают ток на токопроводящие провода (10) и осуществляют нагрев спирали (17) и, следовательно, образца (6) до необходимой температуры. При этом фиксацию и контроль режима нагрева осуществляют при помощи термопары (21). После достижения необходимых параметров давления и температуры осуществляют, например, растяжение образца (6) путем перемещения контейнера (1) вверх до момента разрушения образца (6). Затем разрушенный образец (6) извлекают из контейнера (1) и по параметрам шейки образца (6) и по известной методике (Колмогоров В.Л. "Напряжения, деформации, разрушение", М., Металлургия, 1970 г., с. 239) оценивают пластичность материала при данных термомеханических условиях испытания.
Таким образом, авторами предлагается установка для механических испытаний материалов при высоких температурах и высоких давлениях, обеспечивающая надежность и расширяющая технологические возможности за счет отсутствия ограничений по достижению высоких температур и давлений.