Устройство для испытания образца материала на растяжение

Полезная модель относится к устройствам для исследования прочностных свойств и стойкости твердых материалов путем приложения к ним механических усилий для создания контролируемого напряженного состояния и может быть использована для испытания материалов под напряжением в агрессивных средах.
Известно устройство для испытания образцов материалов на растяжение, описанное в способе испытания образцов строительных материалов на растяжение (патент RU №2001383 С1, МПК C01N 3/08, опубл. 1993 г.), содержащее две балки, одна из которых установлена на опоре - оси поворота с образованием двуплечего рычага, на одном плече которого выполнен захват для образца, а на втором узел приложения растягивающей нагрузки к образцу в виде платформы для тарированных грузов.
Недостатком такого устройства является неудобство в эксплуатации, что объясняется сложностью конструкции и необходимостью горизонтального позиционирования платформы для тарированных грузов, а также - ограниченные технические возможности устройства, т.к. невозможно проводить испытания образца в агрессивной среде.
Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является устройство для испытания образцов материалов на растяжение, описанное в способе испытания образцов строительных материалов на растяжение (патент RU №2544299 С1, МПК C01N 3/08 (2006/01), опубл. 2015 г.), содержащее две балки, одна из которых установлена на опоре - оси поворота с образованием двуплечего рычага, на одном плече которого выполнен захват для образца, а на втором узел приложения растягивающей нагрузки к образцу, состоящее из стойки, упругого элемента, второй стойки, винта и второго упругого элемента - компенсатора.
Такая конструкция позволяет несколько повысить удобство эксплуатации за счет возможности проведения испытаний при любом угловом положении устройства, однако сложна его конструкция и ограничены технические возможности, т. к. невозможно проводить испытания образца в агрессивной среде из-за изменения механических характеристик или разрушения упругих элементов от воздействия агрессивной среды.
Задачей заявляемой полезной модели и техническим результатом является упрощение конструкции, расширение технических возможностей за счет обеспечения проведения испытания образца в агрессивной среде и повышение точности создаваемого напряжения на образец за счет обеспечения возможности растяжения образца без изгиба при его испытании в агрессивной среде.
Указанный технический результат достигается усовершенствованием устройства для испытания образцов материалов на растяжение, содержащего две балки, одна из которых установлена на опоре с образованием двуплечего рычага, на одном плече которого выполнен захват для образца, а на втором - узел приложения растягивающей нагрузки к образцу.
Это усовершенствование состоит в том, что вторая балка установлена на опоре с образованием двуплечего рычага, на одном плече которого выполнен захват для образца, при этом балки выполнены упругодеформируемыми, а узел приложения к образцу растягивающей нагрузки выполнен в виде винтового механизма.
Такое конструктивное выполнение устройства позволяет упростить конструкцию за счет исключения использования упругих элементов для приложения растягивающей нагрузки, расширить технические возможности за счет обеспечения проведения испытания образца в агрессивной среде и повысить точность испытания в агрессивной среде за счет обеспечения возможности растяжения образца без изгиба и замера расстояния между контрольными плоскостями растягиваемых образцов (например, торцами).
Кроме того, суммарная величина упругой деформации балок в направлении оси образца превышает заданную величину удлинения испытуемого образца при растяжении, что обеспечивает в случае его удлинения и/или растрескивания сохранение нагрузки, постоянный контакт захватов с торцами образца и исключает изгиб образца при приложении нагрузки.
Кроме того, опора может быть выполнена в виде оси поворота балок - вариант простой конструкции, обеспечивающей надежное приложение растягивающей нагрузки к образцу.
Кроме того, обе балки могут быть установлены на одной общей оси поворота, что повышает точность испытания за счет одинаковой деформации балок и одинакового приложения растягивающей нагрузки к обоим торцам образца.
Кроме того, опора балок может быть выполнена в виде винтовой пары - вариант простой конструкции, обеспечивающей надежное приложение растягивающей нагрузки к образцу и упругой деформации балок.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, на котором
на фиг. 1 изображено заявляемое устройство с опорой в виде оси поворота балок;
на фиг. 2 - устройство в положении приложения нагрузки к образцу (пунктирной линией условно показано положение балок при упругой деформации);
на фиг. 3 - заявляемое устройство с опорой в виде винтовой пары.
а
б
в
г
Устройство для испытания образца материала на растяжение содержит две балки 1 и 2. Балка 1 установлена на оси 3 поворота с образованием двуплечего рычага, на одном плече  которого выполнен захват 4 для образца 5, а на втором плече  - узел приложения растягивающей нагрузки к образцу 5. Вторая балка 2 установлена на оси 3 поворота с образованием двуплечего рычага, на одном плече  которого выполнен захват 6 для образца 5, а на втором плече  - узел приложения растягивающей нагрузки к образцу 5. Балки 1 и 2 выполнены упругодеформируемыми из резистентной в модельной среде стали (например, специальным образом закаленная и высоко отпущенная коррозионно-стойкая сталь 30X13 с твердостью не более 22HRC), а узел приложения к образцу растягивающей нагрузки выполнен в виде винтового механизма - болта 7 и гайки 8. В приведенном варианте суммарная величина n упругой деформации балок 1 и 2 в направлении оси образца (относительного перемещения захватов 4 и 6 образца 5 при упругой деформации балок 1 и 2) превышает заданную величину удлинения k испытуемого образца 5 при растяжении. Обе балки 1 и 2 установлены на одной общей оси 3 поворота. В приведенном на фиг. 3 варианте опора балок выполнена в виде винтовой пары с винтом 9 и гайкой 10.
Заявляемое устройство используют следующим образом.
0
Изготавливают группу испытательных образцов 5 из одного материала, одной ориентации выборки, одинакового состояния и обработки. На нескольких образцах определяют механические свойства (пределы прочности, текучести, условный предел текучести) и данные напряжение-растяжение. При необходимости задания растягивающих напряжений в виде доли от условного предела текучести допустимо не проводить дополнительных испытаний для определения механических свойств и данных напряжение-растяжение. Образец 5 с известными механическими свойствами и данными напряжение-растяжение устанавливают в захватах 4 и 6. По известным данным напряжение-растяжение выполняют пересчет относительного и абсолютного растяжения, а для наведения напряжения долей от условного предела текучести удлинение определяется этой же долей от базы расчета (например, е=0.2%, а напряжение -80% от условного предела текучести, тогда относительное удлинение рабочей части образца для наведения этого напряжения 0,2⋅80/100=0,16%), на испытываемый образец, учитывая его реальные размеры, в т. ч. длину рабочих частей, и контролируют длину (расстояние между торцами) или величину k - растяжения образца 5. вращая гайку 8 относительно болта 7, к образцу 5 прикладывают растягивающую нагрузку, растягивая образец 5 на заранее рассчитанное абсолютное и/или относительное удлинение. При этом за счет упругой деформации балок 1 и 2 обеспечивается растяжение образца 5 без изгиба, что необходимо для повышения точности испытаний. За счет того, что величина деформации балок 1 и 2 превышает заданную величину удлинения k испытуемого образца 5 длиной L в направлении оси образца, при растяжении обеспечивается постоянный контакт захватов 4 и 6 с торцами образца 5 и исключается изгиб образца 5 при приложении нагрузки. Упругодеформированные балки обеспечивают сохранение растягивающих напряжений даже при удлинении образца при его возможном растрескивании. Статически растянутый образец 5, установленный в заявляемом устройстве, помещают в агрессивную среду для проведения испытаний (например, для определения времени до растрескивания под напряжением при воздействии агрессивной среды). После окончания испытаний устройство с растянутым образцом 5 извлекают из агрессивной среды, ослабляют гайку 8, перемещая по болту 7, и извлекают образец 5. В случае отсутствия критических повреждений в виде трещин образца в течение срока испытания (например, 720 часов) делается вывод о стойкости материала в модельной среде, например, к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением. В варианте конструкции (фиг. 3) необходимую упругую деформацию балок при приложении к образу растягивающей нагрузки задают перемещением гайки 10 по винту 9.
Таким образом, использование заявляемой упрощенной конструкции расширяет технические возможности за счет обеспечения проведения испытания образца в агрессивной среде, в том числе при повышенных давлениях и температурах, и повышает точность испытания за счет обеспечения возможности растяжения образца без изгиба при его испытании в агрессивной среде.