Устройство для испытаний миниатюрных образцов на растяжение

Полезная модель относится к области испытательной техники и может быть использована для определения механических свойств металлических материалов при растяжении.
Известны устройства различных конструкций в виде захватов для металлических образцов, широко использующиеся в испытательных машинах (по ГОСТ 28840-90) при проведении испытаний на растяжение (например, описанный в патенте РФ №2282173 от 11.01.2005 ЗАХВАТ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ПРИ ИСПЫТАНИИ НА РАСТЯЖЕНИЕ и многих других). Устройства позволяют надежно закреплять образцы различной геометрии и размеров и проводить испытания на растяжение вплоть до разрушения образцов. Недостатком известных устройств в виде захватов является невозможность их использования в случае необходимости проведения испытаний нестандартных образцов (образцов, не попадающих по типоразмерам, описанным в ГОСТ 1497-84 Методы испытаний на растяжение), например, малогабаритных образцов, образцов в виде тонких нитей или лент и т.д. Необходимость в испытании нестандартных образцов возникает в случае необходимости определения характеристик материалов, используемых в малогабаритных изделиях, тонких проволоках, фольгах и так далее.
Для проведения испытаний таких нестандартных образцов могут использоваться специальные испытательные машины, предусматривающие возможность закрепления таких малогабаритных образцов (КУЛЯСОВА О.Б., ИСЛАМГАЛИЕВ Р.К., ВАЛИЕВ Р.З. «ОБ ОСОБЕННОСТЯХ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАЛЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ» ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2005, Т. 100, №3, С. 83-90. Однако, при использовании таких машин становится невозможным испытывать образцы стандартных размеров, то есть такие установки не являются универсальными.
Существуют также подходы с использованием нестандартных установок, в которых используются иные подходы в определении механических свойств при растяжении, основанные на применении других схем нагружения или воздействия, например, основанные на идентировании образцов (патент РФ №2621935 от 29.10.2015 ИНДЕНТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО, АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ИНДЕНТАЦИОННЫМ МЕТОДОМ). Такие установки часто позволяют испытывать нестандартные образцы, однако вследствие того, что в них используется не прямое испытание на растяжение, а другое испытание с перерасчетом характеристик, они не обеспечивают достаточную достоверность и точность получаемых результатов.
Для проведения механических испытаний на растяжение нестандартных образцов могут использоваться специальные устройства (приспособления), в которые непосредственно закрепляются сами образцы, а устройства далее закрепляются в стандартные захваты обычных испытательных машин, предназначенных для проведения испытаний на растяжение. Данные устройства таким образом являются «переходным звеном» между образцами и стандартными захватами испытательных машин. Использование подобных устройств позволяет решить задачу проведения испытания на растяжение нестандартных образцов на универсальных стандартных испытательных машинах (Патент РФ на полезную модель №155927 от 17.12.2014 ЗАЖИМ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ).
В качестве прототипа выбрано устройство, предназначенное для проведения испытаний на растяжение малогабаритных плоских образцов, продемонстрированное в работе (Валиев Р.З. «Разработка научно-технологических основ получения композиционного наноматериала на основе наноструктурированной матрицы титана и поверхностного биоактивного нанопокрытия для повышения механических и биомедицинских свойств имплантантов», Выставка-форум ВУЗПРОМЭКСПО-2016, г. Москва, 14 декабря - 15 декабря 2016 г.). Устройство включает три основные детали: шаровой упор, закрепляющийся к захвату испытательной машины, шаровой палец, вставляющийся в шаровой упор и сухарь (прижимная накладка), который вставлялся в шаровой палец. Для проведения испытания на растяжение малогабаритного образца необходимо использование двух таких устройств (одно устройство закрепляет одну из головок образца и вставляется в верхний захват испытательной машины, второе устройство закрепляет противоположную головку образца и вставляется в нижний захват испытательной машины).
Шаровой упор выполнен в виде детали цилиндрической формы, при этом половина упора (по его длине) выполнена в виде цилиндра одного диаметра, а другая половина - в виде цилиндра другого (большего) диаметра. В половине упора цилиндра меньшего диаметра изготовлено внутреннее отверстие, направленное вдоль оси цилиндра с внутренней резьбой для закрепления к захвату испытательной машины, а в другой половине упора (большего диаметра) изготовлено круглое отверстие для шарового шарнирного сочленения, в которое вставляется шаровой палец. Шаровой палец выполнен в виде детали вытянутой формы, одна часть которой представляет собой цилиндр с наконечником в виде шара (вставляющегося в круглое отверстие шарового упора), а другая часть выполнена в виде параллелепипеда с вырезом по середине, в который вставляется сухарь и прижимается к ней с помощью болта. Между сухарем и стенкой вставляется головка испытываемого миниатюрного образца и зажимается с помощью болта.
Недостатками прототипа являются: невозможность испытывать миниатюрные образцы различной длины, поскольку болт, прижимающий сухарь к стенке шарового пальца, ограничивает возможную длину испытываемых образцов (не более 15 мм), неравномерное прижимание головок испытываемых образцов, что приводит к локальной деформации образцов до испытаний, деформация сухаря и шарового пальца вследствие недостаточной твердости используемого материала (цветной металл или малоуглеродистая сталь).
Техническим результатом, на достижение которого направлена настоящая полезная модель, является повышение универсальности устройства (за счет увеличения возможной длины испытываемых образцов) и повышение воспроизводимости определения механических свойств образцов при испытаниях в 2 раза и более (за счет устранения локальных деформаций испытуемого образца и элементов устройства).
Для достижения указанного технического результата в устройстве для испытания миниатюрных образцов длиной от 10 до 40 мм на осевое растяжение, содержится шаровой упор, закрепленный к захвату испытательной машины, шаровой палец, вставленный в шаровой упор и сухарь, вставленный в шаровой палец, имеется зажим в виде профильной трубы квадратного сечения, надетый на шаровой палец (ту его часть, выполненную в виде параллеллепипеда и включающую вырез со вставленным сухарем) и прижимающийся к шаровому пальцу за счет болта, вкручиваемого непосредственно в зажим. В зажиме имеется отверстие для болта с нарезанной резьбой, при этом резьба отсутствует в шаровом пальце и в сухаре, что позволяет зажимать между сухарем и шаровым пальцем миниатюрные образцы различной длины от 10 до 40 мм, шириной рабочей части до 1,5 мм и толщиной 0,3-0,9 мм (ввиду отсутствия болта в этом промежутке). Зажим в виде профильной трубы квадратного сечения также позволяет более равномерно нагружать головки миниатюрных образцов при их зажиме, понижая вероятность излишнего и неравномерного деформирования головок миниатюрных образцов еще перед проведением испытаний на растяжение. Кроме того, сухарь и шаровой палец выполнены из высокопрочной стали (твердость по шкале HRC составляет не менее 54 едениц), например, мартенситного класса, что исключает их деформирование при проведении испытаний на растяжение миниатюрных образцов и позволяет испытывать образцы не только изготовленные из металла, но и не металлические образцы (из полимерных, композиционных и других материалов).
Отличительными признаками предлгаемой полезной модели является использование зажима в виде профильной трубы квадратного сечения с вкручиваемым в него болтом, а также изготовление всех элементов устройства из высокопрочной стали.
Предлагаемое устройство для испытания миниатюрных образцов на осевое растяжение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 показан общий вид устройства в состоянии до надевания на него зажима в виде профильной трубы квадратного сечения (а) и после надевания соответсвующего зажима (б).
На фиг. 2 - показан чертеж шарового упора;
На фиг. 3 показан чертеж шарового пальца, а также зажима в виде профильной трубы квадратного сечения.
Устройство для испытания миниатюрных образцов предназначено для испытания на растяжение образцов длиной от 10 до 40 мм, которые являются миниатюрными по сравнению с образцами, указанными в ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.
Устройство для испытания миниатюрных образцов на осевое растяжение содержит (согласно фиг. 1) шаровой упор 1, шаровой палец 2, сухарь 3, зажим в виде профильной трубы квадратного сечения 4, болта 5. Все элементы выполнены из высокопрочной стали (твердость по шкале HRC составляет не менее 54 единиц).
Устройство работает следующим образом. Сухарь приподнимается над шаровым пальцем и в образовавшийся зазор помещается плоский миниатюрный образец (верхняя его часть - головка). Сухарь опускается на место и плотно прижимается к шаровому пальцу. На шаровой палец вместе с сухарем надевается зажим в виде профильной трубы квадратного сечения таким образом, чтобы покрывать большую часть сухаря. Далее путем закручивания болта зажим плотно прижимается к сухарю и шаровому пальцу, тем самым плотно зажимая миниатюрный образец между сухарем и шаровым пальцем. Шаровой палец вставляется в шаровой упор, а последний крепится к захвату испытательной машины. Аналогично собирается ответная часть устройства, зажимающая вторую половину миниатюрного образца на растяжение.
Устройство для испытаний миниатюрных образцов состоящее из шарового упора, шарового пальца, сухаря и зажима в виде профильной трубы квадратного сечения с болтом изготовлено в соответствии с чертежами представленных на Фиг. 1-3 из стали 18Х11МНФБ. Устройство использовали следующим образом: миниатюрный образец длиной 20 мм вставляли верхней частью головки в зазор между сухарем и шаровым пальцем. Сверху на шаровой палец с сухарем одевали зажим в виде профильной трубы квадратного сечения с болтом. Зажим плотно прижимали к шаровому пальцу с сухарем путем закручивания болта до упора. Шаровой палец вставляли в шаровой упор. Аналогично закрепляли вторую половину миниатюрного образца. Устройство вставляли в захваты испытательной машины и проводили испытания на растяжение с записью диаграмм деформации.