УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ ДУГООБРАЗНЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ ТОКОПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
DEVICE FOR STRETCHING TEST OF BOW-SHAPED SAMPLES FROM CONDUCTING MATERIAL AT INCREASED TEMPERATURE

Изобретение относится к механическим испытаниям, а конкретно к испытаниям токопроводящих материалов с целью получения диаграммы деформирования при одноосном растяжении и импульсном нагреве в вакууме или инертной среде.
Во многих областях промышленности и техники необходимы знания упругопластических свойств материала при повышенной температуре. Для определения упругопластических свойств материалов при повышенной температуре обычно используются устройства, обеспечивающие одноосное растяжение образцов, нагретых до заданной температуры, с регистрацией зависимости удлинения образца от приложенной нагрузки. Например, известна установка для механических испытаний материалов при высоких температурах (патент RU 2240531 с приоритетом от 26.02.2003 г.), в которой заданная температура испытаний обеспечивается размещением образца в герметичной нагревательной камере. Такие устройства эффективны при испытаниях прямолинейных стержневых образцов, рабочая часть которых не контактирует с элементами устройства, что минимизирует теплообменные процессы и способствует обеспечению в образце однородного температурного поля.
Однако в некоторых областях техники данные устройства не применимы. В частности, механические свойства широко распространенных тонкостенных криволинейных оболочек, работающих под давлением при повышенной температуре (трубопроводы в тепловой энергетике, в химической промышленности, и т.п.), зависят не только от исходного качества материала, но и от технологии изготовления оболочек, а также от условий и длительности эксплуатации. Под действием этих факторов формируется анизотропия свойств в различных направлениях оболочки. Экспериментальную оценку механических свойств материала таких оболочек получают при испытаниях вырезанных из них криволинейных образцов, которые невозможно провести в режиме простого растяжения.
Известно устройство, позволяющее создавать одноосное растяжение при испытаниях вырезанных из оболочек дугообразных образцов (патент RU 2402009 с приоритетом от 02.09.2009 г.). Для этого круговые дугообразные образцы устанавливаются на составную круговую направляющую, состоящую из двух фрагментов. Фрагменты круговой направляющей обеспечивают возможность относительного поворота вокруг общей оси, создающего в образце напряженно-деформированное состояние, практически идентичное одноосному растяжению.
Данное устройство обеспечивает достижение качественных результатов при нормальной температуре, но по ряду причин не применимо для исследований материала при повышенных температурах. Равномерному нагреву образца препятствует его плотный контакт с круговой направляющей, способствующей интенсивному теплообмену между этими элементами. Это исключает возможность создания в образце необходимого для испытаний однородного температурного поля. Проблема осложняется недопустимостью нагрева круговой направляющей из-за наличия в ее составе прецизионных подшипниковых узлов, не допускающих высокотемпературного нагрева и связанных с этим тепловых деформаций. Таким образом, возможен только локальный нагрев образца, например, пропусканием по нему электрического тока, но между холодной направляющей и нагретым образцом возникает интенсивный теплообмен, который препятствует созданию однородного и стабильного температурного поля. Кроме того, созданию в образце электрического тока с заданными параметрами препятствует электропроводность круговой направляющей и концевых захватов, приводящая практически к короткому замыканию системы.
Устройство для определения упругопластических свойств материала при одноосном растяжении дугообразных образцов (патент RU 2402009) выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является возможность точного определения механических свойств дугообразных образцов из токопроводящих материалов при одноосном растяжении и импульсном нагреве в вакууме с возможностью управления уровнем достигаемой температуры, при достаточной однородности и стабильности температурного поля, достигаемой за счет высокой скорости нагрева и быстрого автоматического начала процесса нагружения в момент достижении заданной температуры.
Кроме того, обеспечивается защита персонала и окружающей среды от негативного воздействия при испытании образцов из экологически опасного материала.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для испытания на растяжение дугообразных образцов из токопроводящего материала при повышенной температуре, выполненном в виде составной круговой направляющей, образованной двумя, имеющими возможность поворота относительно общей оси, фрагментами, опорные поверхности которых совпадают по форме с вогнутой поверхностью образца, оснащенными механизмами для крепления к ним образца и соосными шарнирными хвостовиками, соединенными с нагружающим устройством. Согласно изобретению, опорная поверхность обоих фрагментов круговой направляющей в местах контакта с образцом выполнена из токонепроводящего и теплоизолирующего материала, механизмы для крепления образца выполнены в виде токоподводов, при этом, по крайней мере, один из них электрически изолирован от фрагментов устройства. В состав устройства включены датчики усилия, деформации, температуры образца, источник электрического тока и коммутирующее устройство.
Также в состав устройства включена герметичная охватывающая рабочая камера, оснащенная токовводами силовой электрической цепи нагрева образца и электрически изолированным разъемом для подключения датчиков измерения усилия, температуры и деформации образца.
Герметичная охватывающая рабочая камера служит для защиты персонала и окружающей среды при испытаниях образцов из экологически опасного материала, а также для предотвращения возгорания пирофорного материала образца за счет создания инертной среды. Для создания инертной среды или вакуума в рабочей камере предусмотрен штуцер. Коммутирующее устройство осуществляет автоматическое включение механизма деформирования при достижении заданной температуры образца.
На фиг. 1 показан пример реализации механической части устройства;
на фиг. 2 показан пример конкретного исполнения устройства для испытаний образцов из экологически опасного материала со схемой токоподводов и размещения датчиков.
Устройство состоит из следующих составных частей:
а) герметичная охватывающая рабочая камера, состоящая из колпака 1, основания 2 с манжетой 3 и штуцера 4;
б) механическая часть устройства, включающая в себя два фрагмента направляющей 5 с подшипником 6; дугообразный образец 7, установленный с помощью механизмов крепления образцов с токоподводами 8; захваты 9, соединенные с тягой 10 нагружающего устройства 11 и датчиком усилия 12, и защищенные от прохождения электрического тока изолирующими втулками 13.
в) подача тока в колпак с помощью токовводов 14 от источника электрического тока 15 через коммутирующее устройство 16;
г) регистрирующая часть устройства, включающая в себя датчик деформации 17, датчик температуры 18, датчик усилия 12, закрепленный на силовой раме 19 и герметичный разъем 20.
Работает устройство для растяжения дугообразных образцов 7 (фиг. 1) следующим образом. Один из захватов 9 (фиг. 2) соединен с датчиком измерения усилия 12, закрепленным на силовой раме 19, второй захват 9 соединен с тягой 10 нагружающего устройства 11, проходящей через силовую раму 19 и манжету 3. Манжета 3 обеспечивает герметичность рабочей камеры, состоящей из колпака 1 и основания 2. На основании 2 закреплена силовая рама 19. Для обеспечения относительного поворота круговых направляющих 5 они соединены друг с другом подшипником 6. На опорные криволинейные поверхности фрагментов направляющей 5, выполненные из токонепроводящего и теплоизолирующего материала, устанавливается и прикрепляется к ним с помощью механизмов крепления образцов с токоподводами 8 дугообразный образец 7. Для подачи на дугообразный образец 7 через механизмы крепления образцов с токоподводами 8 импульса электрического тока от источника электрического тока 15 устройство оснащено токовводами 14. В состав устройства входят датчик деформации 17 и датчик температуры 18, размещенные на рабочей части дугообразного образца 7. В колпаке 1 размещен также электрически изолированный герметичный разъем 20 для вывода сигналов с датчиков деформации 17, температуры 18 и усилия 12. С помощью штуцера 4 в колпаке 1 можно создать вакуум либо инертную газовую среду. В электрическую схему устройства включено коммутирующее устройство 16 для отключения импульса электрического тока при достижении заданной температуры и автоматического включения в этот момент нагружающего механизма 11, обеспечивающего перемещение тяги 10 в направлении растягивающего усилия.
Благодаря заявляемой совокупности признаков устройства появляется возможность определения механических свойств дугообразных образцов из токопроводящих материалов при точно зафиксированной повышенной температуре материала, достигаемой импульсным токовым нагревом, с возможностью защиты персонала и окружающей среды при испытаниях экологически опасных материалов, а также для предотвращения возгорания при пирофорных свойствах материала путем создания в рабочей камере вакуума или инертной газовой среды.