СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА РЕЛАКСАЦИЮ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ИЗГИБЕ
METHOD OF TESTING OF BENDING STRESS RELAXATION

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при испытании на релаксацию напряжения металлических образцов при изгибе.
Известен способ испытания на релаксацию напряжения при изгибе, использованный в изобретении (А.С. №896489, БИ №1, 1982) для испытания кольцевого образца, в изобретениях (А.С. №1033916, БИ №29, 1983 и А.С. №1235315, БИ №20, 1986) для испытаний плоского образца и заключающийся в том, что элемент, нагружающий образец, выполняют из двух частей, разделенных электроизолирующей прокладкой, одна часть элемента постоянно связана электрически с образцом, электрический контакт другой части с образцом периодически нарушается путем приложения к образцу усилия, отрывающего его от нагружающего элемента, и релаксирующее напряжение определяют по величине этого усилия в момент нарушения контакта.
Недостатками способа являются нестабильность размеров и деградация электрического сопротивления электроизолирующей прокладки в условиях воздействия нагрузки, температуры, высокопоточного радиоактивного излучения и агрессивной среды испытания. Нестабильность размеров приводит к постепенному изменению напряженного состояния образца и снижению точности результатов испытаний. Потеря электроизолирующих свойств ограничивает предельные параметры и продолжительность испытаний.
Известен способ испытания на релаксацию напряжения при четырехточечном изгибе плоских образцов (Изобретение «Способ испытаний на релаксацию напряжения при изгибе». Патент РФ на изобретение №2357224, БИ №15, 2009). В данном способе помещают образец между четырьмя нагружающими опорами, перемещают подвижные опоры поступательно к неподвижным опорам, сохраняя симметричность нагружения, до конечного положения опор, задаваемого жесткими ограничителями перемещения, выдерживают образец при заданных условиях испытания, перемещают подвижные опоры поступательно от неподвижных опор, перемещают с заданной скоростью подвижные опоры поступательно к неподвижным опорам, регистрируют прикладываемое усилие, получают зависимость усилия от перемещения и определяют релаксирующее напряжение по усилию в точке перелома указанной зависимости, причем подвижные - две наружные опоры, а две внутренние опоры неподвижные.
Недостатком данного способа является наличие периодически выполняемой операции частичной разгрузки образца перед измерением зависимости усилия от перемещения подвижных опор в сторону неподвижных опор, ограниченного жесткими ограничителями. Указанная операция возможна только при временном нарушении жесткости соединения элементов устройства с наружными и внутренними опорами. В дальнейшем жесткое соединение должно быть восстановлено техническими средствами для продолжения испытания образца.
Первые измерения релаксирующего напряжения проводятся с погрешностью ±(2-3)%. Последующие измерения с периодическим повторением операции частичной разгрузки образца приводят к постепенному увеличению погрешности в несколько раз из-за износа фиксаторов состояния образца с частичным и полным (рабочим) изгибом.
Другой недостаток данного способа, также связанный с операцией частичной разгрузки образца, состоит в сложности его дистанционной реализации на облученных образцах в защитных камерах.
Технический результат заявляемого решения заключается в повышении достоверности определения релаксационной зависимости для облучаемых образцов по результатам периодических измерений релаксирующего напряжения, упрощении дистанционно выполняемых измерительных операций, увеличении предельных параметров и продолжительности испытаний на релаксацию напряжения при изгибе плоского образца.
Для достижения вышеуказанного технического результата в способе испытаний на релаксацию напряжений при четырехточечном изгибе помещают образец между двумя наружными и двумя внутренними опорами, прижимают наружные и внутренние опоры к жестким ограничителям изгибающимся образцом, выдерживают образец при заданных условиях испытания, прикладывают компенсирующую силу к внутренним опорам, измеряют значение компенсирующей силы в момент начала перемещения внутренних опор от жесткого ограничителя, определяют напряжение в образце по указанному значению компенсирующей силы, снимают компенсирующую нагрузку.
Отсутствие частичного разгружения и выпрямления образца и принудительного возврата его в состояние начального изгиба позволяет проводить измерения с погрешностью ±(2-3)% без ее изменения в процессе испытаний.
Наличие жестких ограничителей позволяет восстанавливать указанное состояние самопроизвольно после снятия компенсирующей силы. Все это упрощает измерительные операции, позволяет выполнять их дистанционно, без прямого контакта с облученным образцом, увеличивает достоверность получаемых результатов, позволяет расширить диапазон параметров облучения.
На прилагаемом чертеже изображена схема, реализующая предлагаемый способ,
где
1 - образец,
2 - наружные опоры,
3 - внутренние опоры,
4, 5 - жесткие ограничители,
6 - система перемещения с датчиками силы и перемещения,
а
- расстояние между ближайшими наружной и внутренней опорами,
l - расстояние между внутренними опорами.
Для реализации заявляемого способа помещают образец между двумя наружными и двумя внутренними опорами, прижимают наружные и внутренние опоры к жестким ограничителям изгибающимся образцом, выдерживают образец при заданных условиях испытания, прикладывают компенсирующую силу к внутренним опорам, измеряют значение компенсирующей силы в момент начала перемещения внутренних опор от жесткого ограничителя, определяют напряжение в образце по указанному значению компенсирующей силы, снимают компенсирующую нагрузку.
При симметричном расположении образца (1) между парами опор (2) и (3), прижатым к жестким ограничителям (4) и (5), на каждую из четырех опор воздействует сила Р, равная
а
где Е - модуль Юнга, h - толщина образца, изгиб концов образца на участках длиной . По силе Р определяют напряжение во внешних слоях образца на участке длиной l
где b - ширина образца.
к
к
к
к
к
к
к
В предлагаемом способе напряжение σ рассчитывается с помощью формулы (2) по результатам измерения силы Р. Для измерения Р к внутренним опорам прикладывается компенсирующая сила Р, противодействующая силе 2Р. С момента, когда Р становится равной 2Р, внутренние опоры начинают перемещаться, увеличивая заданный прогиб образца. Указанный момент фиксируется датчиком перемещения. Кроме того, при Р>2Р резко снижается наклон зависимости Р от перемещения. Пока Р<2Р перемещение определяется малой упругой податливостью участка нагружающей тяги ниже места закрепления датчика перемещения. Этот участок мал и обладает большой жесткостью. В этом случае указанная зависимость практически вертикальна. При Р>2Р показания датчика перемещения существенно возрастают из-за перемещения внутренних опор, что приводит в резкому снижению наклона зависимости Р от перемещения и принципиальной возможности измерения Р с погрешностью не более ±(2-3)%.
а
4
2
2
5
к
к
Для иллюстрации эффективности способа рассмотрим в качестве примера плоский образец из стали с размерами: =b=10 мм, l=20 мм, h=0,7 мм. Модуль Юнга Е=2·10 кг/мм. Положим изгиб концов образца y=h. По формуле (1) определяем Р=3,01 кг. При нижнем стальном участке тяги длиной 10 мм и сечением 50 мм сила 2Р вызовет ее сокращение на 0,03 мкм. Наклон зависимости Р от перемещения равен 10 кг/мм. При Р>2Р наклон указанной зависимости в соответствии с формулой (1) равен
к
к
поскольку Δl равно дополнительному изгибу концов образца, Δy. Отсюда ΔР/Δl=8,6 кг/мм, то есть на четыре порядка меньше, чем при Р<2Р.
к
т
к
к
Протяженность второго участка зависимости Р от перемещения не должна быть больше предельной, при которой напряжение в образце становится равным пределу текучести σ. По этому критерию в соответствии с формулой (2) предельное увеличение силы Р на указанном участке, ΔР, определяется по формуле
т
к
2
Для рассмотренного примера это означает, что при 2Р=6,02 кг и σ=20 кг/мм предельное значение ΔР равно 3,27 кг.