Устройство для испытания конструкционных материалов на циклическую прочность при изгибе в коррозионных средах

Установка относится к испытательной технике, в частности к устройствам для испытаний конструкционных материалов на усталостную, а также на коррозионно-усталостную прочность.
В настоящее время одной из главных проблем является качество материалов из-за их недостаточной прочности. На данный момент не найдено решения для этой проблемы, из-за низкого качества и плохой проверки материалов на прочность, они быстро приходят в негодность, а также подвергаются коррозии.
Методы испытаний на усталостную и коррозионно-усталостную прочность металлических и не металлических материалов регламентированы рядом отечественных и зарубежных ГОСТов, нормалей и справочных пособий, например, ГОСТ 6032-2017 «Стали и сплавы коррозионностойкие. Методы испытаний на стойкость против межкристаллитной коррозии», ГОСТ 9.005-72 «Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы, сплавы, металлические и неметаллические неорганические покрытия. Допустимые и недопустимые контакты с металлами и неметаллами», ГОСТ 25.502-79 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость (с Изменением N 1)» и др.
Был проведен патентный поиск, результатом которого было выявлено несколько аналогов.
В качестве одного из аналогов принята полезная модель "Устройство крепления пары трения вращающийся ролик - неподвижный ролик" (Полезная модель РФ №173823, G01N 3/02; G01N 3/56, опубл. 13.09.2017). Устройство крепления пары трения «вращающийся ролик - неподвижный ролик» в составе машины трения 2070 СМТ-1 для ускоренных триботехнических испытаний, содержащее кронштейн, подвижный и неподвижный ролики, болты крепления, отличающееся тем, что ось неподвижного ролика, закрепленного в устройстве, перпендикулярна оси вращающегося ролика, установленного на шпинделе машины трения, отчего внешние образующие двух роликов контактируют в точке.
Главным недостатком известного изобретения является то, что в ходе испытания может проверяться всего один образец. А по причине того, что сложно сделать какие-либо выводы о прочности материала только из испытания одного образца, этот процесс нужно повторять неопределенное количество раз, следовательно, расходовать большое количество времени и средств.
В качестве еще одного аналога принята полезная модель "Устройство для испытаний конструкционных материалов на изгиб при нормальных, криогенных и повышенных температурах" (Полезная модель РФ №135136, G01N 3/02, опубл. 27.11.2013). Устройство для испытания конструкционных материалов на изгиб при нормальных, криогенных и повышенных температурах, содержащее нагружатель, опоры для образца, средства регулирования и измерения температуры, отличающееся тем, что оно помещено в силовой корпус с теплоизолятором и вкладышем, в котором установлена термокамера, в качестве средства регулирования температуры используется текучая среда между стенками вкладыша и термокамеры, в стенках последней выполнены перфорации, расположенные не выше верхних точек отверстий, выполненных соосно в стенках термокамеры, вкладыша, термоизолятора и силового корпуса, через которые проходят опоры для образца.
Представленное известное устройство, так же как и предыдущее имеет такой же недостаток, это устройство так же за одно исследование испытывает на прочность всего один образец, но этого недостаточно. Так же это устройство применимо только для проведения исследований материалов на изгиб, что не является полным исследованием материалов на прочность. Ведь прочность материалов зависит не только от исследований их на изгиб. Для того чтобы провести полное исследование материалов на прочность, необходимо проверить их на усталостную и коррозионно-усталостную прочность, но данная установка предназначена только для проверки на изгиб при различных температурных условиях.
В качестве прототипа принимается известное изобретение "Устройство для прочностных испытаний" (Изобретение РФ №2206884, G01N 3/02, опубл. 20.06.2003). Устройство для прочностных испытаний жаропрочных сплавов в условиях высокотемпературной коррозии, включающее приспособление для фиксации образцов, приспособление для нагрева образцов, приспособление для создания коррозионных условий, отличающееся тем, что испытуемый образец выполнен в виде кольца, внутрь которого запрессовано кольцо из материала с более высоким коэффициентом линейного расширение.
Известное изобретение отличается от предыдущих аналогов, но в то же время оно имеет ту же проблему, то есть не смотря на то, что это изобретение более точно помогает определить прочность материалов, нежели остальных аналоги, оно тоже приспособлено для исследований всего одного образца. Так же одной из проблем является то, что исследование проходит, только за счет высоких температур в среде продуктов сгорания топлива, содержащих коррозионные примеси. Можно сказать, что это изобретение является устройством, которое испытывает материалы не только на прочность, но еще и на коррозию, но все приходит только к одной проблеме, затратам на повторные испытания, так как из испытания одного образца рано делать какие-либо выводы о прочности исследуемого материала.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Ставится задача создания устройства для испытания конструкционных материалов на циклическую прочность при изгибе в коррозионных средах, с возможностью испытывать одновременно несколько образцов.
Повышение точности полученных результатов исследований за счет увеличения статистических данных и вычисления среднеарифметической или среднеквадратической величины количества циклов до разрушения (использование методов математической статики).
Технический результат - повышение точности испытаний и экономии затраченного на них времени и средств.
Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем, оно является устройством для испытания конструкционных материалов на циклическую прочность при изгибе в коррозионных средах. По своей схожести с прототипом оно содержит приспособления для фиксации образцов и создает коррозионные условия, но отличается тем, что дополнительно имеет кривошипно-шатунный механизм с электродвигателем. Это обеспечивает циклические колебания образцов, с возможностью изменения амплитуды их колебаний. С кривошипно-шатунным механизмом соединены два штока, на которых закрепляются плоские образцы с помощью втулок и резиновых шайб, а внизу образцы закрепляются при помощи специальных упоров. Упоры установлены на дне ванн, в которых может создаваться коррозионная среда. Подробнее устройство пояснено фигурами:
на фиг. 1 - основные элементы устройства и их расположение а) вид сбоку; б) вид сверху;
на фиг. 2 - крепление плоских образцов;
на фиг. 3 - а) форма плоских образцов; б) симметричное нагружение образцов;
на фиг.4 - кривые усталости а и б - при испытании образцов в атмосферных условиях (в воздухе), Р=5%; в и г - в 3%-м растворе NaCl; Р=50%.
На фиг. 1 показаны основные элементы устройства и их расположение. Оно содержит: 1 - основание установки; 2 - электрический двигатель; 3 - кривошипно-шатунный механизм; 4 - регулировочный винт; 5 - направляющие стойки штоков ползуна; 6 - штоки ползуна; 7 - ванны из оргстекла; 8 - узлы смещения ванн.
На фиг. 2 изображено крепление плоских образцов на штоках и в ваннах. На этой фигуре обозначено: 9 - дно ванны; 10 - специальные упоры; 11 - плоские образцы; 12 - шток; 13 - резиновые шайбы; 14 - втулки.
На фиг. 4 приведены некоторые кривые усталости при испытании образцов в воздухе и в 3%-м растворе NaCl. Испытания носили сравнительный характер, поэтому семейства кривых усталости расположены на рисунках с учетом влияния энергетических параметров ЛИ и сравнения их с исходным (необработанным) материалом. Кривые усталости: а и б - при испытании образцов в атмосферных условиях (в воздухе), Р=5%; в и г - в 3%-м растворе NaCl; Р=50%. Кривые: 1 - исходный материал; 2 - образцы обработанные на режиме образования микротрещин; 3 - то же на режиме «выравнивания».
Устройство работает следующим образом: перед началом испытания нужно изготовить партию плоских образцов. Они изготавливаются из материала одной поставки, то есть из одного листа, и обрабатываются механическим путем. Первоначально проводились испытания не подвергнутых какому-либо виду обработки, затем образцы подвергались лазерной обработке. Партия плоских образцов включает в себя около 100 образцов толщиной, примерно, 1-2 мм и была изготовлена из сплава Д16Т (обшивочно-авиационный материал). После изготовления образцы нижней частью фиксируются между упорами из оргстекла, на дне ванн, а верхней частью закрепляются под штоком ползуна, между двумя резиновыми шайбами, на которые давят втулки, тем самым удерживая образцы. После закрепления образцов устанавливается амплитуда колебаний регулирующим винтом симметричных нагружений.
Первая партия, в количестве 20 плоских образцов испытывается при максимальной амплитуде колебаний. Проведение усталостных испытаний проходит в обычных условиях, то есть при комнатных условиях, а при проведении коррозионных испытаний в ванны добавляется 3-х % раствор NaCl, до уровня на 10-15 мм выше широкой части образца, так как разрушение образца при этом испытании происходит в этой части. Испытание проводится до разрушения вех образцов, предварительно пронумеровав образцы. Разрушение фиксируется по времени или количеству циклов. При разрушении первой партии образцов завершается испытание и результаты сводятся в таблицу. Последующие партии также устанавливаются, но с уменьшением амплитуды колебаний, примерно на 2-4 мм, затем повторно проводятся испытания. По результатам проведения испытаний для каждой партии вычисляется среднеарифметическая или среднеквадратическая величина циклов до разрушения. После окончания испытаний при различных амплитудах колебаний строится кривая усталости (график зависимости количества колебаний от нагрузки). Исходя из анализа кривых усталости, определяется уровень повышения усталостной прочности. В точке, где кривая усталости становится параллельна горизонтальной оси, определяется предел усталостной прочности.
Анализ полученных результатов показывает, что материал, подвергнутый лазерной обработке, заметно увеличивает усталостную и коррозионно-усталостную долговечность образцов на всех уровнях напряжений. С увеличением энергетических параметров ЛИ, несмотря на появление микротрещин в анодной пленке, показатель долговечности образцов также увеличивается. Так, например, на уровне предела ограниченной выносливости долговечность обработанных образцов на 3-м режиме, при испытании в атмосферной среде, превышает долговечность необработанных в три с лишним раза и более чем в два раза - в коррозионной. Важно отметить, что ввиду высокой хрупкости оксидной пленки, микротрещины, подобные образованным при лазерной обработке, возникают при незначительных изгибных нагрузках, а также при усталостных испытаниях после действия первых циклов нагружения. Очевидно, поэтому микротрещины, вызванные лазерной обработкой, не оказывают существенного влияния на результаты усталостных испытаний.