Способ прочностных испытаний пластических материалов и зонд для его осуществления

 

союз советских социАлистических

РеспуБлик специ им. Н (72) В пов, С (56)

83.

¹ кл (54)

НИ

30Н (57) стнь

Сущ ческ ник сопр дей внед

1 (21) 4749754/28 (22) 27.09.89 (46) l07,02.93. Бюл, N 5 (71), Н ауч но-исследо ва тел ьский институт ального машиностроения МГТУ .Э. Баумана .М. Миляев, М.Ю. Сотский, M.Ì. Ара.В. Соколов и А,М, Ручко

Проблемы прочности, 1986, №5, с.80Авторское свидетельство СССР

2877, 01 N 3/30, 1989.

ПОСОБ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАПЛАСТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ спользование: исследование прочнос вой ств пластичес ких материалов. ость: в исследуемый материал динамивнедряют зонд с коническим наконечм, имеющим по длине несколько женных участков, и измеряют усилия, вующие на каждый участок, Зонд яют неоднократно, с одинаковыми усзобретение относится к исследованиям прочностных свойств материалов и к сред твам осуществления исследований, в част ости к способам и средствам определения динамических прочностных характерист ик материалов по результатам изме ения характеристик сопротивления материалов прониканию в пих зонда.

1

Известен способ, позволяющий по экспери4ентально определенным усилиям внедрения дать оценку динамического сопретт еленил материала(1).

Б („, 1793321 А1 ловиями внедрения. При каждом внедрении измеряют усилие, действующее только на один участок наконечника. а все измерениия производят с помощью одного силоизмерительного преобразователя, Для осуществления способа используют зонд, имеющий цилиндрический корпус, связанный с корпусом наконечник, поверхность которого образована сопряженными коническими поверхностями, и пьезоэлектрические средства для измерения усилий, включающие один силоизмерительйый ripeобразователь, установленный в корпусе зонда. Наконечник выполнен по длине составным с разъемами по границам сопряжения конических поверхностей, а одна иэ . частей наконечника установлена с воэможностью осевого перемещения относительно других частей, прикрепленных к корпусу, и связана с измерительным преобразователем через силопередающий элемент. Измерение усилий, действующих на участки наконечника, одним силоизмерителем повышает точность исследований. 2 с,п,ф-лы, 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Чувствительность материала к скорости пластической деформации проявляется и регистрируется в зависймости сопротивления внедрению недеформируемого индентора от скорости, Известен также способ определения предела прочности на сдвиг пластических материалов при динамическом нагружении, заключающийся в том, что цилиндрический зонд с коническим наконечником разгоняют, внедряют его в исследуемый материал и измеряют усилие сдвига на поверхности наконечника (2).

1793321

Этот способ и реализующая его устаНоВКВ приняты за прототип как содер>кащие наибольшее число совпадающих существенных признаков. Недостатком способа является то, что при его применении изме-. рение производится измерительным преобразователем, размещенным на ограниченном участке поверхности наконечника, Наиболее близким к предлагаемому является измерительный зонд в установкедля определения предела прочности на сдвиг пластических материалов при динамическом нагружении, содержащий установленные в отверстиях, выполненных в его поликоническом наконечнике, пьезоэлектрические преобразователи, обеспечивающие измерение величины касательной составляющей силы сопротивления материала движению зонда (преобразователи силы сдвига) и нормального давления (2), К недостаткам известных способа и устройства (2), кроме уже указанных, следует отнести также то, что величины, измеряемые на ограниченном участке поверхности при динамическом нагружении, отражают значения этой величины, возникающие при нагружении в локальном сечении материала, располо>кенном вдоль траектории движения в материале чувствительного участка поверхности и необязательно совпадающие со значениями изменяемой величины, возникающими в сечениях материала, расположенных на уровне чувствительного участка концентрично нагружающей поверхности зонда. Кроме того, конструктивные особенности установки преобразователей в наконечнике зонда не позволяют располагать их вдоль всей образующей поверхности наконечника, вблизи вершины и основания наконечйика, а особенности установки преобразователя 8 разных частях наконечника будут неизбежно отражаться на коэффициенте преобразования и диапазоне линейности его значений, даже в случае обеспечения воэмо>кности установки в разных опытах одного и того же преобразователя. Это снижает возможности известного устройства при его применении для определения распределений измеряемой величины в объеме исследуемого материала в определенный момент времени.

Цель изобретения — повышение точности измерений в испытаниях, В предлагаемом способе прочностных испытаний пластических материалов при динамическом нагружении, включающем внедрение зонда с измерительными преобразователями в исследуемый материал с заданной скоростью, измерение силовых

С целью обеспечения надежности использования в качестве чувствительного элемента измерительного преобразователя пьезокерамических дисков кинематическая связь в зонде выполнена в виде центрального хвостовика, скрепленного со второй частью зонда.

На фиг. 1 показан в разрезе зонд в процессе внедрения в исследуемый пластический материал; на фиг. 2 — осциллограмма изменения давлений, регистрируемая в испараметров воздействия материала на чувствительный участок поверхности заостренного наконечника зонда и установление по результатам измерений прочностных харак5 - теристик материала, во время внедрения в исследуемый материал обеспечивают механическую передачу силового воздействия на измерительный преобразователь с любого напередзаданного замкнутого осесимметричного чувствительного участка на поверхности наконечника, измерение производят одним преобразователем с разных участков в различных опытах, обеспечивая идентичность начальных условий встречи

"5 зонда и исследуемого материала в повторных опытах, а прочностные характеристики материала устанавливают по значениям измеряемого силового параметра в исследуемом материале. Поставленная цель

2О дОстигается также тем, что в зонде для и рочноСтных испытаний пластических материалов при динамическом нагружении, состоящем из корпуса с заостренным наконечником и с измерительным преобразова25 телем усилий, воздействующих на чувствительный участок поверхности наконечника зонда со стороны исследуемого материала, и средства связи измерительного . преобразователя с измерйтельной аппара3О турой, корпус выполнен составным, содержит силоиэмерительный преобразователь в одной из частей, причем силоизмерительный преобразователь кинематически связан со второй частью зонда, выполненной с

35 чувствительным участком в виде пояса на боковой поверхности наконечника и размещенной в объеме зонда с возможностью перемещения относительно него, Зонд может быть выполнен с площадью

4О пояса на боковой поверхности наконечника, составляющей целую часть от всей площади боковой поверхности зонда, и при этом распределение давлений в объеме исследуемого материала будет адекватно распределению амплитуд электрических сигналов, регистрируемых измерительным преобразователем от различных поясов, выполненных с одинаковой площадью на боковой поверхности.

1793321 ни Il, осредненные по сечению материала в плоскости поверхности А(Па).

Выполнение элементов 2 в зонде с одинаковой площадью поверхности А для всего

5 набора элементов, перекрывающего всю поверхность наконечника, позволяет определять распределение давлений непосредственно по значениям регистрируемых электрических сигналов на осциллограм10 мах, что приводит к облегчению анализа результатовв.

Вариант практического исполнения зонда,.содержащего в качестве чувствительE ного элемента силоизмерительного преоб15 разователя пьезокерамический диск, показан на фиг. 3. Корпус зонда 1 выполнен из трех основных осесимметричных деталей, две из которых скреплены между собой винтами 8 и представляют собой сменный

20 наконечник, сопрягаемый с третью частью корпуса по поверхности 9, В объеме сменного наконечника размещен с .возможностью перемещения относительно него осесимметричный элемент 2, выполненный

25 с чувствительным участком в виде пояса на боковой поверхности наконечника и с направляющим элементом 10. В третьей части корпуса выполнено отверстие 11, в торцовой; части которого размещен пьезоэлектриче30 ский силоизмерительнь|й преобразователь 3.

К преобразователю прикреплены провода связи 4, выведенные через отверстие 12 в корпусе к измерительной аппаратуре 5.

Кинематическая связь силоизмеритель35 ного преобразователя с элементом 2 выполнена в виде направляющего элемента 10, размещенного в отверстии 11, и обеспечивает многоразовость и однообразие условий передачи усилий на измерительный

40 преобразователь от сменных наконечников с различным расположением элемента 2 в обьеме наконечника. Отверстие 11 для направляющего элемента 10 выполненного соосно в двух скрепленных винтами 8 частях

45 корпуса 1(сменного наконечника). Направляющий элемент может быть скрепленным с элементам 2 зонда или образованным на элементе 2 (выполненным заодно с элементом 2), как на фиг. 3. Выполнение направля50 ющего элемента заодно с элементом 2 упрощает процесс изготовления и сборки зонда. р(1) = К 1 х U(ti), (1) 55 где K< — коэффициент преобразования измер лтельного преобразователя давления (В/Па1 по напряжению;

)(ti) — динамические давления в исследуемом материале в расчетный момент времеI пытаниях; на фиг, 3- зонд с конструктивными эл ментами, обеспечивающими надежность при использовании в силоизмерительном преобразователе пьезокерамических дисков в ачестве чувствительного элемента, Способ реализован в зонде для прочностных испытаний в составе измерительно-реги трирующей установки для динамического на ружения исследуемых материалов с компле сом регистрирующей аппаратуры.

Зонд для прочностных испытаний пластических материалов при динамическом на ружении состоит из корпуса с заостренны наконечником 1, в котором размещен эл мент 2 с осесимметричной боковой пове хностью А, являющейся частью поверхно ти наконечника (А + Б + В, фиг. 1). В ко пусе размещен силоизмерительный преоб азователь 3, кинематически связанный с эл ментом 2 зонда, а электрически — с испо i ьзованием проводной связи 4 с измеритег1ьной аппаратурой 5, Зонд работает следующим образом.

Пр внедрении наконечника 1 зонда с зада ной скоростью в исследуемый пластическ и материал 6, возникающие в материале да ления р(), характеризующие прочност ые характеристики материалов при дина ическом нагружении, воздействуют на по ерхность А элемента 2 зонда. Результиру щая сила посредством кинематической свяри в виде силопередающего элемента 7 передается перемещающиглся относительно орпуса 1 элементо л 2 на силоизмерительный преобразователь 3, который ген рирует электрический сигнал О® пропо циональный этой силе, и, следовательно, при известности площади поверхности

А- ропорциональный давлениям в материале интегрированным в заданном сечении мат риала 6 по конической поверхности А в зад í.ый момент времени, считая от мо ле та касания исследуемого материала 6 нак нечником 1 зонда. Непрерывно регистрир емые в процессе внедрения зонда в мат риал значения действующих в материI але давлений передаются по проводной свя и 4 на измерительную аппаратуру 5, где фиксируются в виде осциллограммы "напря кение-время" (фиг. 2), которая пересчитыв ется в зависимость "давление-время".

Пер счет производится с использованием выр жения

При проведении испытаний был использован зонд с диаметром корпуса 30 мм и отверстием 11 диаметром 6 мм. Площадь чувствительного участка на конической головной части с углом 60 при вершине составляла от 0,2 до 0,33 площади поверхности головной части зонда.

15

Чувствительный элемент выполнялся из пьезокерамики ЦТС-19, Исследуемый пластический материал с плотностью 1,47 Тlм з разгонялся на вертикальном копре, В приведенных условиях и с масштабной емкостью порядка 60000 Пф на экране осциллографа типа С8-13 регистрировались осциллограммы изменения давлений с амплитудой сигнала U до 2,0 В (см. репродукцию осциллограммы на фиг. 2). Контейнер с исследуемым материалом принудительно тормозился с помощью упругих демиферов после того как зонд внедрялся в материал на глубину Zr<, превышающую высоту головной части зонда (см. фиг. 1). В данной измерительной схеме постоянная времени разряда входной цепи превышает 31 мс.

Поскольку время внедрения на высоту головной части (см. фиг. 2) составляет для условий измерений 3...4 мс, а время, через которое нагрузка на зонд принудйтельно снимается, составляет величину около 10 мс, то при любой форме импульса давления суммарная погрешность измерений давления в испытаниях не превышает 10 .

Вариант исполнения зонда составным, с набором наконечников и чувствительным элементом измерительного преобразователя в виде пьезокерамического диска обеспечил, кроме того, возможность использования в серии опытов одного и того же измерительного преобразователя, что приводит к снижению погрешности измерения давлений и особенно при измерении распределения давлений. При этом выполнение кинематической связи в виде направляющего элемента 10 обеспечивает однообразие и симметричность при смещении элемента 2 относительно скрепленных винтами 8 частей корпуса 1 зонда, а также многоразовость и однообразие воздействия на преобразователь при использовании зонда в серии опытов. В совокупности это обеспечивает надежность и точность при использовании для измерений давления пьезокерамических дисков.

Выполнение площади чувствительного участка на боковой поверхности наконечника одинаковой для всего набора наконечников в серии опытов исключает необходимость пересчета результатов измерения с использованием выражения 1 и обеспечивает условия для анализа распределения давлений непосредственно по амплитуде электрического сигнала регистрируемого на осциллограмме, а это, в свою очередь, приводит к снижению трудоемкости анализа и повышает наглядность результатов.

Формула изобретения

1. Способ прочностных испытаний пластических материалов при динамическом нагружении, по которому в исследуемый ма- 40 териал внедряют зонд с коническим наконечником, имеющим по длине несколько сопряженных участков, и измеряют усилия, действующие на каждый участок, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения 45 точности, зонд внедряют в исследуемый материал неоднократно с одинаковыми условиями внедрения, при каждом внедрении измеряют усилие, действующее на один участок наконечника, а все измерения произво- 50 дят с помощью одного силоизмерительного преобразователя.

2. Зонд для прочностных испытаний пластических материалов при динамическом нагружении, содержащий @илиндриче- 55 ский корпус, связанный с корпусом наконечник, поверхность которого образована сопряженными коническими поверхностями, пьезоэлектрические средства для измерения усилий, действующих на поверхность наконечника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, средства для измерения усилий включают один силоизмерительный преобразователь, установленный в корпусе зонда, наконечник выполнен по длине составным с разъемами по границам сопряжения конических поверхностей, а одна из частей наконечника установлена с возможностью осевого перемещения относительно других частей, прикрепленных к корпусу, и связана с измерительным преобразователем через силопередающий элемент.

3. Зондпоп.2,отличающийся тем, что площадь конической поверхности части наконечника, соединенной с измерительным преобразователем, кратна площади боковой поверхности наконечника зонда.

4. Зонд по и. 2, отличающийся тем, что в корпусе выполнено направляющее отверстие для силопередающего элемента.

1793371

1793321

8

Составитель M.Ñîòñêèé

Редактор Б.Федотов Техред М.Моргентал Корректор Н.Слободяник

Заказ 499 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101