Способ испытаний образцов материалов в условиях двухосного растяжения

 

Изобретение относится к испытательной технике. Технический результат от использования изобретения - расширение диапазона режимов нагружения и исследуемых материалов за счет возможности проведения их в динамических режимах и испытаний более прочных материалов. Для этого осесимметричный образец испытываемого материала 1 устанавливают в кольцевом нагружателе 2, жестко скрепляют их по периметру образца и прикладывают к образцу растягивающее усилие путем расширения кольцевого нагружателя. Нагружатель 2 выполнен из упругого материала, до скрепления с образцом нагружатель равномерно сжимают усилием, равным растягивающему усилию, прикладываемому к образцу, а приложение растягивающего усилия осуществляют путем снятия сжимающего усилия с нагружателя со скоростью, соответствующей требуемой скорости деформации образца. Для увеличения прочности соединения нагружателя 2 с образцом 1 могут использоваться накладки 4. Изобретение обеспечивает снижение стоимости испытаний за счет использования стандартного оборудования. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для статических и динамических испытаний материалов двухосным растяжением.

Известен способ испытаний материалов при двухосном растяжении, позволяющий повысить точность испытаний за счет обеспечения однородного напряженного состояния плоского образца [1] Схема для реализации способа содержит два кольца, между которыми размещен плоский образец, и нагружающие пуансоны, центрируемые относительно друг друга при помощи обоймы. Способ заключается в том, что испытуемый образец нагружают между двумя кольцами, которые осуществляют двухосное растяжение образца в результате поперечной упругопластической деформации, возникающей при сжатии колец пуансонами силой, направленной перпендикулярно плоскости испытуемого образца.

Однако этот способ не позволяет проводить испытания образцов более простой цилиндрической формы, кроме того, он не предназначен для проведения динамических испытаний.

Наиболее близким к предлагаемому является способ испытаний образцов при плоском напряженном состоянии [2] При испытаниях по этому способу используется образец цилиндрической формы. Способ заключается в том, что образец связывают с нагружателем, при нагреве которого создают нагрузку на образец, используют нагружатель в виде незамкнутого биметаллического кольца, охватывающего образец, а для связи нагружателя с образцом используют термоизолирующее клеющее вещество.

Способ осуществляют следующим образом. Образец с помощью термоизолирующего клеющего вещества укрепляют внутри нагружителя в виде биметаллического незамкнутого кольца, снаружи которого размещен нагревательный элемент. При включении нагревательного элемента в биметаллическом кольце вследствие разности коэффициентов линейного расширения составляющих его металлов возникают напряжения, приводящие к равномерному увеличению диаметра кольца. При этом образец подвергается двухосному растяжению.

Способ имеет следующие недостатки: невозможность проведения испытаний при высоких скоростях деформирования из-за ограниченной скорости прогрева биметаллического образца; ограниченный перечень испытываемых материалов, связанный с тем, что по данному способу могут испытываться только материалы, прочность которых не превышает прочность термоизолирующего клеющего вещества, поскольку в иных случаях раньше будет разрушаться клеевой стык; трудности, связанные с обеспечением регулирования скорости нагружения и обеспечением ее постоянства в процессе испытаний из-за неоднозначной зависимости скорости нагружения от скорости нагрева биметаллического кольца.

При механических испытаниях по способу, заключающемуся в том, что осесимметричный образец материала размещают в охватывающем его кольцевом нагружателе, жестко скрепляют их по периметру образца и прикладывают к образцу растягивающее усилие путем расширения кольцевого нагружателя, используют кольцевой нагружатель, выполненный из упругого материала, до скрепления с образцом нагружатель равномерно сжимают усилием, равным растягивающему усилию, прикладываемому к образцу, а приложение растягивающего усилия осуществляют путем снятия сжимающего усилия с нагружателя со скоростью, соответствующей требуемой скорости деформации образца.

Применение нагружателя, выполненного из упругого материала, позволяет использовать энергию, запасаемую в нем при равномерном радиальном сжатии, для последующего равномерного приложения испытательной нагрузки к образцу в радиальных направлениях при высоких скоростях нагружения.

Выполнение взаимного скрепления нагружателя и испытуемого образца после радиального сжатия позволяет исключить возмущение напряженно-деформированного состояния образца перед приложением испытательной нагрузки.

Использование способа приложения растягивающих усилий путем снятия с нагружателя сжимающей нагрузки позволяет обеспечить высокую регулируемую скорость нагружения образца. При этом скорость нагружения однозначно связана со скоростью снятия сжимающей нагрузки и может задаваться постоянной до момента разрушения образца.

Применение упругого нагружателя для приложения равномерной радиальной нагрузки к образцу известно (авт. св. СССР N 125436, кл. G 01 N 3/08, 1986).

На чертеже изображена схема осуществления способа.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец испытуемого материала 1 размещают в кольцевом нагружателе 2, имеющем по внешнему периметру конусную поверхность.

С нагружателем 2 сопрягается по конусной поверхности обод 3, с помощью которого осуществляется равномерное радиальное сжатие нагружателя 2. Для дополнительного скрепления образца 1 с нагружателем используются накладки 4. Угол исполнения конусных поверхностей α выбирается из условия самоторможения пары нагружатель-обод.

Перед испытаниями проводят напрессовку обода 3 по периметру нагружателя 2 путем вертикального перемещения обода 3 по отношению к нагружателю 2, например, с помощью пресса. Максимальное усилие напрессовки определяется из выражения Q (1+ftgα·cosα) где σ_1,2 задаваемые значения разрушающих напряжений в образце; К коэффициент, характеризующий задаваемое превышение запаса потенциальной энергии деформации нагружателя над энергией, необходимой для разрушения образца, обычно К 2-3; Е_н модуль упругости материала нагружателя; Е_обр модуль упругости испытываемого материала; М_обр коэффициент Пуассона материала образца; f коэффициент трения скольжения пары нагружатель-обод.

Уравнение получено из предположения упруго-деформируемых материалов образца и нагружателя.

После напрессовки обода 3 производится скрепление нагружателя 2 и образца 1. Скрепление может быть произведено, например, путем склейки, пайки, сварки или другим способом. Для увеличения прочности соединения могут быть использованы накладки 4, изготовленные из того материала, что и образец 1.

Для испытаний подготовленную сборку устанавливают на прессе или в копровой установке и сбрасывают обод 3 с нагружателя 2 путем его вертикального перемещения в направлении, противоположном напрессовке. При этом за счет запасенной в нагружателе 2 потенциальной энергии деформации происходит двухосное растяжение материала образца 1 до его разрушения.

П р и м е р. Для испытаний материала с пределом прочности σ_в= 0,5 кг/мм² и Е_обр0,06 ˙10⁴ кг/мм² на дисковых образцах диаметром 2 r 60 мм и толщиной h 10 использовали нагружатель в виде кольца из оргстекла со средним диаметром 2R 80 мм и толщиной Н 25 мм. Обод изготавливали из алюминиевого сплава Д16Т с углом α= 80^о. Напрессовку обода проводили до усилия Q 430 кг. Скрепление образца и нагружателя выполняли эпоксидным клеем с использованием накладок из оргстекла. Испытания проводили на копровой установке при скорости перемещения груза 30 м/с. Поле деформаций в рабочей части образца фиксировали тензометрированием. Рост деформаций образца при испытаниях до разрушения носил линейный характер. Неоднородность поля не превышала 15 ˙10^-5ед.от.деф. Скорость деформации ε= 0,4 с^-1 и может быть увеличена при увеличении скорости перемещения груза.

Технические преимущества предложенного способа испытаний осесимметричных образцов двухосным растяжением по сравнению с прототипом заключаются в том, что он позволяет регулировать скорость нагружения испытываемого материала и проводить испытания в динамических режимах. Дополнительным преимуществом является то, что способ позволяет проводить испытаний материалов более прочных, чем термоизолирующий клей, поскольку для скрепления образца с нагружателем могут использоваться сварка, пайка и др.

Предлагаемый способ более простой в эксплуатации, поскольку исключено использование нагрева, и более дешевый, поскольку не используются биметаллическое кольцо и термоизолирующий клей, требующие специальных технологий.

Формула изобретения

СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ДВУХОСНОГО РАСТЯЖЕНИЯ, заключающийся в том, что осесимметричный образец материала размещают в охватывающем его кольцевом нагружателе, жестко скрепляют их по периметру образца и прикладывают к образцу растягивающее усилие путем расширения кольцевого нагружателя, отличающийся тем, что используют кольцевой нагружатель, выполненный из упругого материала, до скрепления с образцом нагружатель равномерно сжимают усилием, равным растягивающему усилию, прикладываемому к образцу, а приложение растягивающего усилия осуществляют путем снятия сжимающего усилия с нагружателя со скоростью, соответствующей требуемой скорости деформации образца.

РИСУНКИ

Рисунок 1