Устройство для испытания конструкционных материалов на динамическое растяжение
TESTING DEVICE OF CONSTRUCTIONAL MATERIALS FOR DYNAMIC TENSION

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов, а именно к установкам для высокоскоростного испытания материалов.
Известна установка для высокоскоростных испытаний материалов, содержащая основание, силовозбудитель, тягу для передачи усилий на образец через активный захват и источник импульсов [1].
Недостатком данной установки является ограниченность для проведения исследований влияния длительности и интенсивности импульсного растяжения на деформирование образца из-за растяжения образца с помощью тяги, активной только в одном направлении.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является установка для высокоскоростных испытаний материалов, содержащая два активных захвата для образца испытуемого материала, два силовозбудителя, подключенных к накопителю энергии, тяги для передачи усилий образцу и аппаратуру для наблюдения процесса деформирования образца [2].
Недостатком известной установки являются ограниченный диапазон амплитуды импульса растяжения, который определяется параметрами накопителя энергии в виде батареи конденсаторов, отсутствие возможности формирования импульсов растяжения с заданной формой и длительностью, а также наличие усложненной передачи растягивающего усилия в образец через систему последовательного взаимодействия между силовозбудителем, электропроводящим диском, тягой и захватом, что может приводить к искажению временных и амплитудных параметров импульсов растяжения за счет переотражения на контактных поверхностях соединений образца, тяг и диска, нарушению повторяемости от опыта к опыту и, как следствие, к снижению достоверности получаемых результатов.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности преобразования электрической энергии в механическую и повышение информативности и достоверности результатов испытаний конструкционных материалов на динамическое растяжение путем реализации испытаний с различными амплитудами, длительностями и формами импульсов растяжения, а также упрощения конструкции за счет фиксации образца в волноводах-концентраторах, исключая захваты.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для испытания конструкционных материалов на динамическое растяжение, содержащее два электромагнитных силовозбудителя, подключенных к накопителю энергии, тяги для передачи усилий образцу и аппаратуру для наблюдения режима деформирования образца, выполнено с тягами в виде волноводов-концентраторов, которые прилегают к внешней стороне силовозбудителей, размещенных между волноводами-концентраторами, при этом волноводы-концентраторы имеют резьбовые отверстия для фиксации образца.
Динамическое растяжение образца происходит путем интерференции волн растяжения, распространяющихся по образцу навстречу друг другу. Интерференция волн растяжения определяется длительностью и интенсивностью взаимодействия электромагнитных силовозбудителей, а также формой, составом и длиной волноводов-концентраторов, которые расходятся вдоль одной оси в противоположных направлениях, за счет отталкивающего электромагнитного взаимодействия с силовозбудителями. Необходимая форма, размеры и материал волновода-концентратора могут быть определены согласно известным уравнениям теории акустики [3, 4]. Это дает возможность проводить исследования деформации образцов конструкционных материалов при различных длительностях и формах импульсов высокоскоростного растяжения.
Сущность заявленного устройства поясняется Фиг. 1.
На Фиг. 1 представлена схема устройства для испытания конструкционных материалов при динамическом растяжении. Устройство содержит накопитель энергии в виде батареи конденсаторов 1, два одинаковых электромагнитных силовозбудителя 2 и 3, прилегающие к ним волноводы-концентраторы 4 и 5 и фиксируемый в них образец 6, пусковое устройство в виде разрядника 7, интерферометры 8 и 9 для регистрации характеристик волн нагрузки и разгрузки образца, блок управления и синхронизации запуска оборудования 10.
Установка работает следующим образом. При подаче запускающего импульса от блока управления 10 на разрядник 7 происходит разряд батареи конденсаторов 1 на силовозбудители 2 и 3, которые за счет электромагнитного взаимодействия генерируют импульс напряжения сжатия в волноводах-концентраторах 4 и 5, распространяющийся в противоположные стороны вдоль оси. Длительность и интенсивность волны сжатия определяется электромагнитным взаимодействием силовозбудителей 2 и 3. При этом, изменяя геометрические параметры волноводов-концентраторов 4 и 5, можно увеличивать интенсивность и менять временные параметры импульса сжатия. При выходе на свободную поверхность волновода-концентратора 4 и 5 волна сжатия отражается волной растяжения и передается в образец 6. Длительность и интенсивность волн растяжения определяется длиной, материалом и формой волновода-концентратора 4 и 5. Волны растяжения распространяются по образцу 6 навстречу друг другу и интерферируют, приводя к локальной деформации образца 6. Контроль длительности и интенсивности волн нагрузки и разгрузки осуществляется по движению свободных торцевых поверхностей образца с помощью лазерных дифференциальных интерферометров 8 и 9.
Таким образом, устройство позволяет проводить испытания образцов в широком диапазоне длительностей и интенсивностей импульсов растяжения, не ограничивая испытания параметрами используемого накопителя электрической энергии.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного результата: повышение эффективности и информативности исследований, а также возможность упрощения конструкции.
На Фиг. 2 представлены результаты апробаций.
Пример конкретной реализации заявленного изобретения.
В качестве примера конкретной реализации использования заявленного изобретения были проведены экспериментальные исследования динамического растяжения алюминиевого сплава (Д16). Гантелеобразные образцы с рабочей частью диаметром 12 мм и длиной 150 мм фиксировались в тягах с помощью резьбового соединения. Рассматривались тяги в виде экспоненциального волновода-концентратора и виде диска без участка сужения. Тяги были выполнены из сплава Д16. Волны сжатия формировались с помощью давления электромагнитных силовозбудителей на тяги. Электромагнитные силовозбудители представляли собой последовательно соединенные плоские катушки индуктивности (спирали Архимеда). Параметры импульсов растяжения контролировались по измерению скорости свободной торцевой поверхности образца с помощью дифференциальных лазерных интерферометров.
fr
На Фиг. 2 показана зависимость скорости перемещения v торцевой свободной поверхности образца без применения волновода-концентратора (сплошная линия) и с тягой в виде волновода-концентратора (прерывистая линия) для одинакового заряда конденсаторной батареи. Ноль соответствует выходу волны сжатия, распространяющейся вдоль тяги на свободную торцевую поверхность образца.
Как видно из Фиг. 2, применение волновода концентратора позволило существенно изменить амплитуду и длительность импульса растяжения образца. Процессы деформации и разрушения образца (Фиг. 3) могут быть зарегистрированы с помощью известных методов акустических измерений или фоторегистрации быстропротекающих процессов.
Таким образом, результаты показывают, что заявленное устройство позволяет эффективно влиять на процесс преобразования электрической энергии в механическую, способствуя тем самым повышению информативности испытаний. При этом упрощение конструкции не влияет на процесс деформации образца.
Изобретение может быть применено в материаловедении и других областях науки и инженерного проектирования, где необходима информация о механических и кинетических свойствах материала при кратковременных интенсивных растягивающих нагрузках. При этом могут быть использованы как стандартные образцы, регламентируемые условиями ГОСТ, так и нестандартные микрообразцы, размеры которых ограничены возможным объемом получения новых материалов.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №838520,1979.
2. Авторское свидетельство СССР №1146578, 1983 (прототип).
3. И.И. Теумин. «Коэффициент полезного действия ультразвуковых концентраторов» // Акустический журнал, Том 9, Вып. 2, с. 205-208 (1963).
4. Л.Г. Меркулов, А.В. Харитонов. Теория и расчет составных концентраторов. // Акустический журнал, Том 5, Вып. 2, с. 184-190 (1959).