УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ХРУПКИХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к области материаловедения, а именно к определению механических свойств материалов, и может быть использовано в металлургии, машиностроении, минералогии.
Известно устройство - прибор Шора, который содержит боек в трубке, спусковую защелку, наковальню с образцом и шкалу измерений. Это устройство не может быть применено для определения динамичной прочности отдельных частиц по причине того, что невозможно подсчитать работу, затрачиваемую на разрушение хрупкого образца, поскольку подскок груза связан с упругостью образца [«Механические испытания металлов», М.И.Замоторин, Л.П.Зайцева, ЛПИ, 1968, стр.78].
Известно устройство для испытания сварных узлов падающим грузом, которое содержит плиту с образцом, опору, ограничитель и падающий груз. Недостатком этого устройства является невозможность его применения для определения ударной прочности хрупких частиц [«Испытания материалов», под ред. Блюменауэра, М., Металлургия, 1979, стр.89].
В качестве прототипа выбрано устройство - маятниковый копер, используемое для определения динамической прочности (ударной вязкости) при изгибе призматических образцов [«Испытания материалов», под ред. Блюменауэра, М., Металлургия, 1979, стр.82]. Устройство включает станину на которой установлены упоры для образца и стойка, в верхней части которой на оси закреплен маятник с ударной частью и фиксирующий механизм. Фиксирующий механизм состоит из угловой шкалы и стрелки, закрепленные на одной оси.
Недостатком устройства является невозможность произвести испытание хрупких частиц размером 0,2-5 мм произвольной формы на ударное сжатие с определением ударной прочности.
Известны данные о влиянии размеров образцов при испытаниях на определение прочности, показывающие увеличение прочности в 2-6 раз в зависимости от диаметра испытуемых образцов за счет уменьшения вероятности появления неоднородности и дефектов у образцов малых размеров [«Механические свойства металлов», Фридман Я.Б., М., Оборон. изд., 1952, стр.126].
Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего определять ударную прочность частиц произвольной формы диаметром 0,2-5 мм, которая дает возможность охарактеризовать механические свойства материала.
Предложено устройство для определения ударной прочности хрупких частиц, включающее станину на которой установлена стойка маятника, в верхней части которой на оси закреплены фиксирующий механизм и маятник с ударной частью на нижней стороне которой выполнен скос 10-20°. Рычажный механизм закреплен на дополнительной стойке с возможностью движения и соединен пружиной со станиной. Внутри стойки маятника установлена дополнительная стойка с отверстием для рычажного механизма, внутри которой над рычажным механизмом расположен промежуточный боек со сферическими верхней и нижней частями. Между стойкой маятника и стойкой рычажного механизма установлена рабочая стойка со сквозным отверстием и с возможностью ее перемещения по станине. В нижней части стойки закреплена опора, на которой установлена нижняя съемная полированная пластина, а на ней расположена вторая аналогичная пластина с возможностью передвижения по вертикали, на которой находится рабочий боек со сферической верхней частью. Над бойком на рычажном механизме нанесена шкала для определения местоположения рабочей стойки.
Устройство может быть дополнительно снабжено съемными грузами, который установлены на рычажном механизме в противоположном от пружины конце.
На фиг.1 представлено устройство для определения прочности хрупких частиц размером 5-0,2 мм на ударное сжатие, где
1 - станина, 2 - стойка маятника, 3 - маятник, 4 - ударная часть маятника со скосом в его нижней части, 5 - фиксирующее устройство, 6 - рычажный механизм, 7 - стойка рычажного механизма, 8 - пружина, 9 - дополнительная стойка для промежуточного бойка, 10 - промежуточный боек, 11 - рабочая стойка, 12 - опора, 13 - нижняя съемная полированная пластина, 14 - образец, 15 - верхняя съемная полированная пластина, 16 - рабочий боек, 17 - шкала рычажного устройства, 18 - съемные грузы.
Скос ударной части маятника выполнен под углом 10-20° в нижней части маятника. Это оптимальный скос ударной части для обеспечения необходимого перемещения промежуточного, а следовательно и рабочего бойков в зависимости от ширины ударной части маятника. Причем величина перемещения будет равна
где h - перемещение рабочего бойка, b - ширина маятника, α - угол скоса.
Промежуточный боек имеет сферические формы верхней и нижней части для уменьшения его бокового нагрузки. Рычажное устройство позволяет регулировать ход рабочего бойка. Полировка на каждой из пластин может быть осуществлена только с одной стороны. Твердость съемных опорных пластин подбирается, исходя из условий - размера частиц, их формы, ориентировочной прочности, чтобы обеспечить некоторое внедрение ее в опорные пластины для получения отпечатков, которые измеряют лупой Бринелля и учитывают при расчете прочности. Наличие съемных грузов зачем.
Описанное устройство работает следующим образом. Производят градуировку шкалы 17 рычажного механизма 6 в зависимости от размера образца 14, для обеспечения зазора в 0,2-0,4 мм между маятником 3 и промежуточным бойком 10 во избежание заклинивания маятника после разрушения образца. Перемещение рабочей стойки осуществляется по направляющим на станине 1.
Поднимают рабочий боек 16, верхняя съемная стальная полированная пластина 15, рычажное устройство, промежуточный боек и через отверстие в рабочей стойке устанавливается образец на нижнюю опорную пластину 13. В качестве образца рассмотрим сферическую частицу сложного оксида (железа, кремния, алюминия), полученную методом плазменного распыления (размер частицы - 0,36 мм). Полированные стороны каждой из пластин находятся в контакте с образцом. Твердость пластин в рассматриваемом примере - 63 HRC.
Поднимают маятник на угол 60°, а фиксирующий механизм выставляют в нулевое положение, и спускают маятник.
Ударная часть маятника своей скошенной частью ударяет по верхней сферической части промежуточного бойка, который своей нижней сферической частью смещает рычажное устройство по оси на его стойке и рабочий боек вниз. Последний сдавливает верхнюю и нижнюю съемные полированные пластины, разрушая образец. Для компенсации веса промежуточного бойка и рычажного устройства используется пружина 8. Для создания предварительного нагружения перед приложением ударной нагрузки на левую сторону рычажного устройства может быть установлен сменный груз 18.
н
2
После разрушения образца маятник за счет оставшейся части энергии поднимается на некоторую высоту, которая фиксируется стрелкой на угловой шкале фиксирующего устройства. Расчет ударной прочности а осуществляется по известной формуле (2) с учетом угла подъема маятника холостого хода, регистрирующегося на устройстве при отсутствии образца. При разрушении сферической частицы сложного оксида угол, на который поднялся маятник равен 46°, а угол подъема маятника холостого хода - 57°. Ударная прочность хрупких частиц размером 5-0,2 мм выражается в размерности Дж/см, где учитывается площадь сечения частицы в момент разрушения определяется по величине меньшего отпечатка на опорной шлифованной пластине. Площадь полученного отпечатка - 0,000314 см.
o
от
где G - масса маятника, l - длина маятника, β - угол подъема маятника после разрушения частицы, α - угол подъема маятника холостого хода (без образца), F - площадь отпечатка [«Испытания материалов», под ред. Блюменауэра, М., Металлургия, 1979, стр.84]. При проведении испытания использовался маятник весом 75 г и длиной 20 см. Подставляя полученные значения в формулу, получаем:
н
2
2
а=0,075-0,2-(cos 46°-cos 57°)/0,000314 см=77,56 Дж/см
Аналогично были проведены опытные испытания различных материалов: частицы искусственного синтезированного алмаза (размер частицы - 0,4 мм) и частицы кварца (размер частицы 0,6 мм). Данные представлены в таблице 1.
Табл.1.
Материал
Ударная прочность, Дж/см
Кварц
20,74
Искусственный алмаз
42,35
Сложные оксиды
77,56
Проведенные испытания показали, что наибольшее значение ударной прочности имеют сферические частицы сложного оксида (железа, кремния, алюминия) и, следовательно, механические свойства данного материала значительно выше.