Устройство для испытания колец на растяжение и способ испытания
RING TENSILE TESTING DEVICE AND TEST METHOD

Изобретение относится к испытательной технике и может использоваться для оценки прочностных и деформационных характеристик материала колец из хрупких материалов, преимущественно керамических, при испытании на растяжение, в том числе в условиях высоких температур.
Использование керамики, как конструкционного материала, требует знания прочностных и механических свойств материала, которые необходимы для оценки его применимости в конкретной конструкции. Проблема получения таких свойств существует все время и не решена до сих пор. Связано это со спецификой керамических материалов - хрупкостью и низкой деформативностью. Это не позволяет использовать существующие методики испытания материалов и требуется разработка иных способов с учетом особенностей керамики.
К недостаткам известных схем нагружения образцов при испытании как на растяжение, так и на изгиб, относятся погрешности при испытании, которые достигают 30-40%, что приводит к разбросу показаний величин и вызывают разброс прочности в дополнении к естественному разбросу прочности керамического материала. Существенной особенностью керамических материалов является также то, что реальные характеристики материала в конструкции, прежде всего механические (прочность и модуль упругости), отличаются от характеристик, определяемых в образцах при паспортизации материала. И связано это с технологией изготовления конструкций из керамических материалов, например обтекателей ракет, которая неотделимо связана с изготовлением самого материала.
Получаемые данные на образцах, вырезаемых из натурных обтекателей, не всегда достоверны и достаточно сложен и трудоемок процесс их получения, а при этом испытываются они на изгиб, что существенно отличается от требуемого одноосного чистого растяжения. Это важно особенно при определении свойств материала на длительную прочность или ползучесть, которые необходимо проводить только при чистом одноосном растяжении. Задача определения характеристик керамического материала в натурных конструкциях обтекателей сама по себе важна, а особенно важно определение этих характеристик при чистом одноосном растяжении.
Известно устройство для испытания колец (Патент RU 2392599, МПК G01N 13/00. Опубл. 20.06.2010. Бюл. №17), которое содержит n секторных элементов, размещенных внутри испытуемого кольца, с расположенными в них 2n овальными отверстиями внутри двух дисков с круговыми полостями и глухими отверстиями, в которых установлены 2n штифтов, на которые насажены секторные элементы, которые внешней частью контактируют с внутренней поверхностью испытуемого кольца, размещенного между дисками, при этом внутри дисков расположены полостное кольцо и проставка, а в полостях дисков на буртиках, выступающих в круговые полости, установлены регулирующие кольца, причем диски с установленными внутри элементами соединены с фланцем дополнительного вала и стянуты болтами.
К недостаткам устройства и реализуемом в нем способа испытаний, следует отнести его техническую сложность и невозможность замера деформационных характеристик материала и то, что он предназначен для испытания композитных материалов, а также наличие при испытании 12 зон одновременного нагружения кольца.
К недостаткам способа следует также отнести нагружение кольца за счет центробежных сил от вращения кольца и всего устройства.
Известно устройство для испытания колец на растяжение (Авторское свидетельство СССР SU 1241085, МПК G01N 3/08. Опубл. 30.06.1986. Бюл. №24), которое содержит два раздвижных элемента в виде полуколец, для взаимодействия с внутренней поверхностью кольца и связанные с ними тяги для приложения растягивающего усилия.
К недостаткам устройства и способа, реализуемого этим устройством, следует отнести использование в качестве силовых нагружающих элементов полуколец, которые имеют ограниченную жесткость, неприемлемую для испытания высокопрочных керамических материалов, а также наличие при испытании одновременно двух зон нагружения кольца. Зоны нагружения выбираются случайным образом. Деформационные и прочностные характеристики других зон кольца при этом не исследуются.
Наиболее близким по совокупности признаков, выбранным в качестве прототипа, является устройство и способ испытание колец на растяжение ГОСТ 25.603-82 от 01.01.1984. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на растяжение кольцевых образцов при нормальной, повышенной и пониженной температурах.
Испытания проводят на испытательном устройстве, обеспечивающем растяжение кольцевых образцов из полимерных композиционных намоточных материалов, армированных выкокомодульными волокнами. Оно снабжено замыкающимися полудисками, устанавливаемыми внутри испытуемого образца.
Метод испытаний распространяется на полимерные композиционные намоточные материалы, армированные непрерывными высокомодульными волокнами, и устанавливает метод испытания на растяжение кольцевых образцов из этих материалов при нормальной (20°С), повышенной (до 180°С) и пониженной (до минус 60°С) температурах. Сущность метода заключается в кратковременном растяжении кольцевых образцов из композиционных намоточных материалов самозамыкающимися полудисками. При растяжении образцов определяют: диаграмму деформирования в окружном направлении - зависимость окружного напряжения от окружной деформации, предел пропорциональности в окружном направлении, модуль упругости в окружном направлении, и предел прочности в окружном направлении.
К недостаткам этого устройства и способа можно отнести то, что при испытании происходит нагружение одновременно двух участков кольца, что не позволяет однозначно определить в кольце зону с минимальной прочностью материала, а деформационные характеристики этих двух зон будут усреднены и распространены на все кольцо. Кроме того, устройство и способ предназначены для композитных материалов, имеющих специфичный характер разрушения, отличный от хрупких материалов. При этом зоны нагружения кольца выбираются случайным образом и не исследуются другие участки кольца и их деформационные и прочностные характеристики.
Задачей изобретения является повышение точности и информативности при определении прочностных и деформационных характеристик материала колец из хрупких материалов на растяжение, максимально приближенное к одноосному напряженному состоянию чистого растяжения.
1. Устройство для испытания колец на растяжение, содержащее два раздвижных элемента в виде полудисков и связанные с ними тяги для приложения растягивающего усилия, отличающееся тем, что полудиски соединены между собой с одной стороны разъема полудисков двумя проушинами с установленными в их отверстиях крепежными элементами, в проточках полудисков размещены съемные проставки с буртиком, а между кольцом и проставками установлены антифрикционные прокладки.
2. Способ испытания колец на растяжение, включающий нагружение кольца изнутри растягивающими усилиями посредством раздвижных полудисков, измерение деформаций кольца в виде диаграммы «нагрузка-деформация» и вычисление по ней модуля упругости и предела прочности в окружном направлении, отличающийся тем, что проводят поэтапно и последовательно нагружение раздвижными полудисками в 12 равномерно распределенных зонах кольца с увеличением нагрузки на 10-15% на каждом этапе нагружения до его разрушения и определяют предел прочности материала кольца по формуле:
к
i
P
i
i
i
i
(σ)=(F)(L+R+0,5 h)/(Lβh)
где
p
F - нагрузка в момент разрушения кольца;
L - расстояние от центра кольца до оси проушин;
R - радиус внутренней поверхности кольца;
i
i
h,β - толщина и ширина кольца в i-й зоне;
i - номер зоны,
а по измеренным значениям деформаций, вычисляют модуль упругости материала в окружном направлении в 12 зонах кольца.
Предложенная конструкция устройства для испытания керамических колец на растяжение представлена на фиг. 1: общий вид, вид А и сечение В-В.
Устройство для испытания керамических колец на растяжение содержит два раздвижных элемента в виде полудисков 1, с размещенными на них полукольцевыми проставками 2, взаимодействующими с внутренней поверхностью испытуемого кольца 3 через антифрикционную прокладку 4. К полудискам прикладываются усилия через тяги 5 и фиксирующие пальцы 6. Проставки делаются сменными и подбираются для конкретных размеров испытываемого кольца, чтобы обеспечить минимальный и гарантированный размер зазора между полудисками. Проставки 2 имеют буртик 7, а при переходе от цилиндрической части проставки к буртику может быть выполнена кольцевая выточка, чтобы исключить сколы острой кромки кольца при его установке в устройство. Если испытываемое кольцо вырезано из оболочки обтекателя, то внутренняя часть кольца может иметь коническую поверхность, которая полностью должна быть сопрягаемой с поверхностью проставки 2 и коническая поверхность проставки имеет наклон к буртику 7, чтобы в последующем кольцо упиралось в буртик, а не сползало с проставки при нагружении. Полудиски 1 соединены между собой посредством наложенных на полудиски проушин 8 с установленными в их отверстия крепежными элементами (пальцами) 9, что обеспечивает возможность размыкания полудисков в зоне нагружения кольца.
На фиг. 2 показана схема разметки кольца на 12 зон нагружения.
На фиг. 3 показаны эпюры растягивающих напряжений в зоне нагружения кольца в сечении по линии разъема между дисками в зависимости от величины зазора а между полудисками (α=0, α=4,2 мм и α=25,2 мм) и характер изменения растягивающих напряжений по толщине кольца.
Устройство работает следующим образом. Тяги 6 устанавливают в захваты испытательной машины (не показана) и прикладывать к полудискам нагрузку, которая одномоментно нагружает только одну из зон кольца и последовательно проворачивая кольцо на 30°, нагружают все 12 зон кольца при данном уровне нагрузки. Затем нагрузку увеличивают на выбранный шаг в 10…15% и процесс повторяется для всех зон кольца до тех пор, пока кольцо не будет разрушено в одной из зон при нагрузке, которая будет соответствовать пределу прочности материала кольца на растяжение в окружном направлении.
Испытываемое кольцо предварительно размечают на 12 зон (одна часть - 30° по окружности). Проводят замер в каждой зоне и запись в журнал толщины и ширины кольца и номер зоны. Если кольца для испытаний вырезаются из натурного обтекателя, т.е. являются частью его оболочки, то дополнительно должен быть указан номер сечения по высоте оболочки с целью последующей привязки результатов испытаний к конкретному месту на поверхности обтекателя.
Способ реализуется следующим образом. Со скоростью траверсы до 2 мм/мин устанавливается контрольная нагрузка через тяги 5, пальцы 6 и полудиски 1 в зоне их разъема, в кольце 3 создается однородное напряженное состояние, близкое к одноосному растяжению, в одной из 12 выбранных зон нагружения и контроля. При этом производится постоянный замер деформаций для каждой зоны нагружения в виде диаграммы «нагрузка-деформация». Нагружение повторяется для новой зоны при этой же нагрузке и так последовательно для всех 12 зон. Затем нагрузка увеличивается на выбранный шаг в 10…15% от предполагаемой предельной нагрузки для конкретного материала и процесс повторяется до тех пор, пока кольцо не будет разрушено. По величине разрушающей нагрузки определяется значение предела прочности на растяжение материала кольца в окружном направлении в зоне с номером i, по формуле:
к
i
P
i
i
i
i
(σ)=(F)(L+R+0,5 h)/(Lβh),
где
p
F - нагрузка в момент разрушения кольца;
L - расстояние от центра кольца до оси проушин;
R - радиус внутренней поверхности кольца;
i
i
h, β - толщина и ширина кольца в i-й зоне;
i - номер зоны.
В процессе всех нагружений кольца производится измерение деформаций всех 12 зон кольца в виде диаграммы «нагрузка-деформация», что позволяет известным способом вычислить по ней во всех 12 зонах модуль упругости материала кольца в окружном направлении.
Рассмотрим кратко теоретические вопросы в обосновании выбора испытания керамических колец в качестве альтернативы испытаниям образцов из керамики на растяжение. В процессе разработки методики таких испытаний авторами были проанализированы различные схемы нагружения кольца, как расчетным путем, так и проведением натурных экспериментов, в том числе с тензометрией. В качестве схем нагружения кольца рассматривались следующие: нагружение двумя, тремя и четырьмя сосредоточенными силами внутри кольца; нагружение двумя силами (сжатие) снаружи кольца; нагружение внутренним давлением по всей поверхности кольца. Целью таких исследований являлось математическое обоснование схемы нагружения колец и создание при контрольных испытаниях растягивающих напряжений максимально приближенных к чистому растяжению. В расчетах принимались следующие размеры кольца: диаметр D=150 мм, толщина кольца β=3 мм; ширина кольца h=20 мм. Кольцо изготавливалось из горячепресованого нитрида кремния (материал ОТМ-914), с модулем упругости Е=256 ГПа и коэффициентом Пуассона μ=0,26. Для численного эксперимента был проведен ряд расчетов, как с помощью аналитических соотношений для кольца, так и с помощью метода конечных элементов (МКЭ) с использованием комплекса программ. При исследовании использовались следующие расчетные схемы: диаметральное растяжение (сжатие); растяжение (сжатие) тремя силами под углом 120°; двухосное растяжение; растяжение кольца с помощью металлических полудисков, которая используется в ГОСТ 25.603-82 от 01.01.1984.
Результаты расчетов показали, что использовать при контрольных испытаниях кольца схемы одно и двухосного растяжения, а также растяжение тремя силами под углом 120° нельзя, ввиду значительного преобладания напряжений изгиба над напряжениями растяжения.
При растяжении керамических колец полудисками с минимальным зазором, растягивающие напряжения в сечении кольца по линии разъема между дисками близки к нормальным (почти чистое растяжение) в зоне от -15° до +15° по окружности от линии разъема полудисков (фиг. 3). Увеличение зазора α между полудисками приводит к изменению характера растягивающих напряжений, а картина распределения напряжений меняется вплоть до изгибных при зазоре α>20 мм (фиг. 3). Поэтому зазор между полудисками необходимо оставлять как можно меньше, для минимизации погрешности и не более 5 мм. При этом отличие напряжений растяжения в сечении кольца от номинальных не превышает 15%. С учетом того, что напряжение растяжения в зоне нагружения в пределах 30° соответствует почти чистому растяжению, определено 12 зон нагружения, проверив которые, можно полностью характеризовать прочность материала всего кольца.
Важно отметить, что многочисленные расчетные и экспериментальные работы, проведенные авторами, выявили одну особенность при силовом нагружении керамики, связанную с сильным влиянием сил трения между керамикой и соприкасающимися деталями нагружающего устройства, в частности с проставкой, которые приводят к погрешности вычисления разрушающих напряжений до 30-40%. Поэтому, для уменьшения погрешностей испытаний кольца, важно обеспечить минимальное трение между керамическим кольцом и проставкой за счет использования антифрикционной прокладки, например в виде фольги из высокотемпературного сплава ЭИ-435. Таким образом, обосновано выбран способ испытания колец на растяжение.
Предлагаемый способ испытания колец применим и для испытания материала оболочек обтекателей, если необходимо убедится в воспроизводимости прочностных свойств материала обтекателя. Для этого необходимо вырезать кольца из оболочки обтекателя, с шириной кольца равного его толщине. При этом необходимо обязательно нумеровать все зоны на обтекателе, чтобы потом проследить и связать полученные прочностные свойства и модуль упругости в кольце с конкретным расположением этой зоны в обтекателе. Кроме того, важно отметить, что кольцо не будет подвергаться никакой обработке, кроме шлифовки торцевых поверхностей кольца, и полностью соответствует материалу обтекателя. Немаловажно и то, что это напряжение будет действительно максимально приближено к пределу прочности керамического материала на растяжение, что очень важно для оценки прочности конструкции обтекателя.
Устройство для испытания колец на растяжение и способ испытания позволяет экспериментально определять прочность материала кольца и его модуль упругости в окружном направлении в 12 зонах при проведении одного испытания.