УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для определения прочностных свойств металлических и полимерных конструкционных материалов, а именно к определению характеристик смятия, которые характеризуют места деформации в болтовых, винтовых, резьбовых, клепаных соединениях конструкционных материалов, применяющихся в авиационной промышленности, машиностроении, судостроении и других отраслях техники, а также в строительной индустрии.
Известно устройство для испытания конструкционных металлических материалов на смятие, включающее две металлические пластины с выступами, между которыми расположена прокладка, закрепленные верхними захватами испытательной машины, и приливами, между которыми устанавливают образец конструкционного материала, закрепленный в нижних захватах испытательной машины. Пластины с образцом соединены болтовым соединением. На пластины и образец устанавливают датчик деформации, представляющий собой прижимной экстензометр с ножами. При нагружении болт сминает образец, пластины перемещаются и по перемещению пластин относительно образца измеряют деформацию, по которой определяют характеристики смятия. (ASTM D 5961/D 5961M-01).
Недостатки этого устройства заключаются в том, что:
- требуется большой расход материала на образцы для испытаний, так как рабочая часть образца около отверстия под болт мала, но требуется значительная длина образца для его надежного зажатия в захватах;
- установка датчика деформации включает в результат испытания «паразитные» деформации захвата и части образца под болтом;
- сила затяжки болта не регулируется;
- устройство предназначено для определения характеристик смятия только полимерных конструкционных материалов;
- зажатие образца приливами в зоне деформирования приводит к блокированию расширения образца, повышению трения между образцом и пластинами и, соответственно, к завышению результата.
Известна полезная модель для испытания на смятие, содержащая две металлические пластины, между которыми расположена прокладка, соединенная с ними болтовым соединением, и образец конструкционного материала, соединенный с металлическими пластинами сминающим цилиндрическим стержнем, на котором установлен стрелочный рычажный датчик деформации. Металлические пластины соединены через нагружающую шпильку с испытательной машиной, а образец конструкционного материала закреплен в нижнем захвате испытательной машины. При нагружении образца сминающий цилиндрический стержень деформирует образец, удлинение которого передается на рычаг датчика деформации. (Патент США №5379647).
Недостатки этого устройства заключаются в том, что:
- требуется большой расход материала на образцы для испытаний;
- для замера деформации используется стрелочный рычажный датчик, имеющий погрешность в результате косвенного измерения деформации через рычаг;
- зажатие образца между пластинами в зоне деформирования приводит к блокированию расширения образца, повышению трения между образцом и пластинами и завышению результата;
- конструкция является сложной для проведения испытания, что ограничивает ее применение.
За прототип принято устройство для испытания прочностных свойств конструкционных материалов, преимущественно на смятие, содержащее две металлические рамы U-образной формы с углублениями в центральной части, скрепленные между собой, устанавливаемые в верхний захват испытательной машины, образец конструкционного материала, представляющий собой прямоугольную пластину, соединенный с ними сминающим цилиндрическим стержнем, расположенным в углублениях рам, и датчик деформации, установленный между двумя щупами. Один щуп с направляющей прижимными винтами устанавливается на кромке образца конструкционного материала, а второй щуп представляет собой стержень с лезвием на конце, которое опирается на сминающий цилиндрический стержень. Нижняя часть образца конструкционного материала соединена с испытательной машиной через нагружающий стержень, который вставляется в нижний U-образный захват, установленный в испытательную машину. При нагружении образца сминающий цилиндрический стержень деформирует образец, щуп, опирающийся на сминающий цилиндрический стержень, перемещается и по взаимному перемещению щупов измеряют деформацию, по которой определяют характеристики смятия. (ASTM Е 238-08).
Недостатки этого устройства заключаются в том, что:
- требуется большой расход материала на образцы для испытаний;
- процесс проведения испытаний достаточно трудоемок;
- положение образца не фиксировано;
- устройство предназначено для определения характеристик смятия только металлических конструкционных материалов.
Технической задачей данной полезной модели является создание устройства, позволяющего проводить испытания на смятие, с минимально возможной трудоемкостью, без дополнительного расхода материала, с максимальной полнотой и достоверностью определения характеристик смятия образца из любого конструкционного материала.
Для решения поставленной задачи предложено устройство для испытания прочностных свойств конструкционных материалов, преимущественно на смятие, содержащее две металлические нагружающие рамы, установленные в верхний захват испытательной машины, образец конструкционного материала, представляющий собой прямоугольную пластину, соединенный с нагружающими рамами сминающим цилиндрическим стержнем, и датчик деформации, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит две нагружающие рамы, закрепленных в нижнем захвате испытательной машины, при этом в каждой нагружающей раме выполнено отверстие, в которое вставлен сминающий цилиндрический стержень, выступающий над нагружающей рамой на 0,05-0,1 диаметра, каждая пара нагружающих рам зафиксирована между собой направляющими штифтами, упругими элементами с возможностью регламентированного усилия прижатия и зажимами, на горизонтальной части нагружающих рам с внутренней стороны до середины сминающего цилиндрического стержня выполнен выступ с гладкой поверхностью, образец с прикрепленными прижимными винтами упорами имеет два одинаковых отверстия под сминающий цилиндрический стержень, расположенные друг от друга на расстоянии не менее чем три ширины образца, в качестве датчика деформации используются два датчика раскрытия, которые установлены в каждой паре нагружающих рам между сминающими цилиндрическими стержнями, выступающими над нагружающими рамами, и упорами, прикрепленными к образцу.
Данное устройство иллюстрировано на фиг.1, где:
1 - нагружающие рамы с выступом;
2 - образец конструкционного материала;
3 - сминающий цилиндрический стержень;
4 - датчик деформации;
5 - упругие элементы;
6 - зажимы;
7 - упор;
8 - прижимные винты.
2
2
Провели испытание на смятие образцов из алюминиевого сплава 1163. Для установки образца конструкционного материала (2) в нагружающие рамы (1), скрепленными упругими элементами (5) и направляющими штифтами (на фиг.1 не указаны), переводили зажимы (6) в положение, параллельное нагружающим рамам (1). Затем вставляли образец конструкционного материала (2) с предварительно прикрепленными прижимными винтами (8) упорами (7) и закрепляли его между выступами с гладкой поверхностью нагружающих рам (1), переводя зажимы (6) в положение, перпендикулярное нагружающим рамам (1). После чего вставляли в отверстия нагружающих рам (1) и отверстия образца конструкционного материала (2), расположенные на расстоянии, составляющим три ширины образца, сминающие цилиндрические стержни (3) диаметром 6 мм, выступающие над нагружающими рамами (2) на 0,3 мм. Затем между упорами (7) и сминающими цилиндрическими стержнями (3) устанавливали два датчика раскрытия (4). Установили получившуюся испытательную цепочку в испытательную машину. Подали нагрузку до остаточной деформации в 2%. После испытания партии из 30 образцов получили среднее значение σ=672,6 МПа и стандартное отклонение 9,86 МПа. При испытании партии из 60 образцов по устройству прототипа получили среднее значение σ=675,6 МПа и стандартное отклонение 12,26 МПа.
2
Аналогичным образом провели испытание на смятие образцов из углепластика КМУ-2э. После испытания партии из 30 образцов получили среднее значение σ=331,6 МПа и стандартное отклонение 23,8 МПа.
Устройство по прототипу для испытания на смятие полимерных композиционных материалов не предназначено.
Технический результат достигается за счет того, что образец имеет две дополнительные оси симметрии за счет наличия в нем двух симметрично расположенных одинаковых по диаметру отверстий, что позволяет точно устанавливать его в захватах. Наличие двух одинаковых отверстий под сминающие цилиндрические стержни позволяет получать при одном испытании две диаграммы смятия и определять два значения предела прочности при смятии на каждом отверстии, что вдвое снижает трудоемкость и расход материала при получении одинаковой статистики испытаний при помощи аналогичных устройств. Образец имеет небольшие размеры, что ведет к экономии материала. Регламентированное прижимное усилие до 10 Н на пару нагружающих рам снижает трение образца в нагружающих рамах. Установка датчика между упором на ненагруженной кромке образца конструкционного материала и сминающим цилиндрическим стержнем позволяет избежать «паразитных» деформаций захватов и приспособлений и повышает достоверность результата. Наличие выступа с гладкой поверхностью на нагружающих рамах повышает устойчивость образца конструкционного материала, уменьшает прогиб сминающего цилиндрического стержня и трение между образцом конструкционного материала и нагружающими рамами, а также не ограничивает деформацию смятия образца конструкционного материала, что повышает достоверность результата. Используется широко распространенный стандартный датчик раскрытия.
Таким образом, проведение испытания на смятие при помощи данной полезной модели позволяет уменьшить трудоемкость и расход материала и повысить достоверность полученных результатов.