Образец для испытания на сдвиг (варианты) и способ испытаний его

Изобретение относится к машиностроению, а именно к испытанию материалов на сдвиг. Образец выполнен в виде параллелепипеда. Вдоль противоположных граней параллелепипеда выполнены с одной стороны сквозной прямоугольный паз, а с другой - выступ той же формы. Ширина выступа больше ширины паза. Размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза, выполнен не менее чем в 10 раз меньше длины образца. При этом образец снабжен опорным элементом, выполненным либо в виде рамки, охватывающей образец, либо в виде параллелепипеда. Сущность изобретения - при скорости деформации 10²÷10⁵ с^-1 воздействуют на противоположные грани образца ударником через входной и выходной передающие стержни со стороны паза и выступа. Исследование распределения пластической деформации образца осуществляют на участке плоской боковой поверхности образца в режиме реального времени. Размер участка деформации, равный разнице ширины выступа и паза, определяют по формуле. Проводят инфракрасное сканирование деформированного участка образца, по полученному полю температур определяют степень локализации пластической деформации и по значению степени локализации судят о способности материала сопротивляться динамическим нагрузкам в области пластической деформации. Технический результат - повышение точности определения характеристик материала при скоростях деформации 10²-10⁵ с^-1 в режиме реального времени. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к испытанию материалов на сдвиг.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому образцу для испытаний на сдвиг является образец для испытания (Q.Xue, G.T.Gray III, B.L.Henrie, S.A.Maloy, and S.R.Chen Influence of Shock Prestraining on the Formation of Shear Localization in 304 Stainless Steel // Metallurgical and materials transactions A, volume 36A, june 2005, p.473).

Недостатком его является невозможность получения картины деформационного поведения материала в условиях чистого сдвига при скоростях деформации 10²-10⁵ с^-1 в режиме реального времени и неточность определения механических и термодинамических характеристик материала.

Задачей предлагаемого технического решения является получение одинаковой картины напряженно-деформированного состояния во всех сечениях, параллельных боковой поверхности образца, повышение точности определения механических и термодинамических характеристик материала в режиме реального времени в процессе деформирования при скоростях деформации 10²-10⁵ с^-1.

Для выполнения поставленной технической задачи предлагается образец для испытания на сдвиг в виде параллелепипеда, причем вдоль противоположных граней параллелепипеда выполнены с одной стороны сквозной прямоугольный паз, а с другой - выступ той же формы, причем ширина выступа больше ширины паза, а размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза, выполнен не менее чем в 10 раз меньше длины образца, при этом образец снабжен рамкой, охватывающей образец так, что одна плоскость симметрии рамки совпадает с одной парой совпадающих плоскостей симметрии выступа и паза и перпендикулярна другой паре совпадающих плоскостей симметрии выступа и паза, причем ширина рамки выполнена на 5-40% меньше глубины паза образца, а одна боковая плоскость рамки совпадает с плоскостью грани образца, в котором выполнен паз.

Отличительной особенностью предлагаемого решения является то, что образец выполнен в виде параллелепипеда, вдоль противоположных граней параллелепипеда выполнены, с одной стороны сквозной прямоугольный паз, а с другой - выступ той же формы, причем ширина выступа больше ширины паза, а размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза, выполнен не менее чем в 10 раз меньше длины образца, при этом образец снабжен рамкой, охватывающей образец так, что одна плоскость симметрии рамки совпадает с одной парой совпадающих плоскостей симметрии выступа и паза и перпендикулярна другой паре совпадающих плоскостей симметрии выступа и паза, причем ширина рамки выполнена на 5-40% меньше глубины паза образца, а одна боковая плоскость рамки совпадает с плоскостью грани образца, в котором выполнен паз.

Как вариант предлагается образец для испытания на сдвиг в виде параллелепипеда, причем вдоль противоположных граней параллелепипеда выполнены, с одной стороны сквозной прямоугольный паз, а с другой - выступ той же формы, причем ширина выступа больше ширины паза, а размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза, выполнен не менее чем в 10 раз меньше длины образца, при этом образец снабжен опорным элементом в виде параллелепипеда, в котором с одной стороны выполнен прямоугольный закрытый паз, глубина которого на 5-40% меньше глубины паза образца, при этом внутри этого паза установлен образец так, что его грани плотно сопряжены со сторонами паза опорного элемента, а плоскости грани образца, в которой выполнен паз и основания паза опорного элемента, совмещены.

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что образец выполнен в виде параллелепипеда. Вдоль противоположных граней параллелепипеда выполнены с одной стороны сквозной прямоугольный паз, а с другой - выступ той же формы, причем ширина выступа больше ширины паза, а размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза, выполнен не менее чем, в 10 раз меньше длины образца, при этом образец снабжен опорным элементом в виде параллелепипеда, в котором с одной стороны выполнен прямоугольный закрытый паз, глубина которого на 5-40% меньше глубины паза образца, при этом внутри этого паза установлен образец так, что его грани плотно сопряжены со сторонами паза опорного элемента, а плоскости грани образца, в которой выполнен паз и основания паза опорного элемента, совмещены.

Наиболее близким к предлагаемому способу испытания образца является способ, заключающийся в воздействии на противоположные грани образца ударником через входной и выходной стержни (метод разрезного стержня Гопкинсона - Кольского, Динамика удара / Зукас Дж.А., Николас Т., Свифт Х.Ф. и др. - М.: Мир, 1985. - с.208-212.).

Недостатком его является невозможность получения картины деформационного поведения материала в условиях чистого сдвига при скоростях деформации 10²-10⁵ с^-1 в режиме реального времени, невысокая точность определения характеристик материала.

Задачей предлагаемого технического решения является получение одинаковой картины напряженно-деформированного состояния во всех сечениях, параллельных боковой поверхности образца, повышение точности определения характеристик материала, получение картины деформационного поведения материала в условиях чистого сдвига при скоростях деформации 10²-10⁵ с^-1 в режиме реального времени и распределения пластической деформации в условиях чистого сдвига и определение способности материала к локализации пластической деформации при заданной скорости деформации.

Для решения поставленной технической задачи предлагается воздействовать на противоположные грани образца, выполненного по п.1 или п.2 ударником через входной и выходной стержни со стороны паза и выступа, причем исследование распределения пластической деформации образца предлагается осуществлять на исследуемом участке плоской боковой поверхности образца в режиме реального времени, а конкретный размер Н участка деформации, равный разнице ширины выступа и паза, определять по формуле:

где ρ_p, ρ₁, ρ₂ - соответственно плотности ударника, передающего стержня и образца,

S_p, S₁, S₂ - сечения ударника, передающего стержня и образца в месте, примыкающем к передающему стержню,

c_p, c₁, c₂ - скорости звука для продольной волны соответственно в ударнике, передающем стержне и образце,

ν₀ - скорость ударника,

- задаваемая скорость деформации,

проводят инфракрасное сканирование деформированного участка образца, по полученному полю температур определяют степень локализации пластической деформации по формуле:

где T_max - максимальная температура в деформационной области,

T₀ - температура до деформирования,

Н - ширина области деформирования,

где ρ₂ - плотность исследуемого материала,

с - удельная теплоемкость материала,

τ - касательное напряжение,

определяемое по формуле

где E₁ - модуль упругости входящего и выходящего стержней,

S₁ - площадь сечения входящего и выходящего стержней,

ε_T(t) - деформация в прошедшем через образец сигнале снимается с тензодатчика на выходящем стержне,

S_shear - площадь поверхности сдвига, определяемая по формуле

S_shear=L·B,

где L - размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза;

В - ширина образца;

по значению степени локализации судят о способности материала сопротивляться динамическим нагрузкам в области пластической деформации.

Отличительной особенностью предлагаемого способа испытаний образца является то, что ударником через входной и выходной стержни со стороны паза и выступа воздействуют на противоположные грани образца, выполненного по п.1 или п.2, при этом исследование распределения пластической деформации образца осуществляют на участке плоской боковой поверхности образца в режиме реального времени, а конкретный размер Н участка деформации, равный разнице ширины выступа и паза, определяют по формуле:

где ρ_p, ρ₁, ρ₂ - соответственно плотности ударника, передающего стержня и образца,

S_p, S₁, S₂ - сечения ударника, передающего стержня и образца в месте, примыкающем к передающему стержню,

c_p, c₁, c₂ - скорости звука для продольной волны соответственно в ударнике, передающем стержне и образце,

ν₀ - скорость ударника,

- задаваемая скорость деформации,

проводят инфракрасное сканирование деформированного участка образца, по полученному полю температур определяют степень локализации пластической деформации по формуле:

где T_max - максимальная температура в деформационной области,

T₀ - температура до деформирования,

H - ширина области деформирования,

где ρ₂ - плотность исследуемого материала,

с - удельная теплоемкость материала,

τ - касательное напряжение,

определяемое по формуле

где E₁ - модуль упругости входящего и выходящего стержней,

S₁ - площадь сечения входящего и выходящего стержней,

ε_T(t) - деформация в прошедшем через образец сигнале снимается с тензодатчика на выходящем стержне,

S_shear - площадь поверхности сдвига, определяемая по формуле

S_shear=L·B,

где L - размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза;

В - ширина образца;

по значению степени локализации судят о способности материала сопротивляться динамическим нагрузкам в области пластической деформации. Сущность предлагаемого образца и способа испытаний его иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 изображен образец, на фиг.2 - рамка, на фиг.3 - опорный элемент, на фиг.4 - исследуемый образец в инфракрасных лучах, на фиг.5 - распределение температуры в исследуемой области.

Образец для испытания на сдвиг выполнен в виде параллелепипеда (см. фиг.1). Вдоль противоположных граней 1, 2 параллелепипеда выполнены с одной стороны сквозной прямоугольный паз 3, а с другой - выступ 4 той же формы. Ширина D выступа 4 больше ширины С паза 3, а размер L, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза, выполнен не менее чем в 10 раз меньше длины Е образца, при этом образец снабжен рамкой 5 (см. фиг.2), плотно охватывающей образец так, что одна плоскость симметрии рамки совпадает с одной парой совпадающих плоскостей симметрии выступа и паза и перпендикулярна другой паре совпадающих плоскостей симметрии выступа и паза, причем ширина U рамки выполнена на 5-40% меньше глубины G паза образца, а одна боковая плоскость рамки совпадает с плоскостью грани образца, в котором выполнен паз.

Образец для испытания на сдвиг (вариант) (см. фиг 3) снабжен опорным элементом 6 в виде параллелепипеда, в котором с одной стороны выполнен прямоугольный закрытый паз 7, глубина которого S на 1-2 мм меньше глубины G паза 3 образца 1. Внутри этого паза 7 установлен образец 1 так, что его грани плотно сопряжены со сторонами паза 7 опорного элемента, а плоскости грани образца, в которой выполнен паз 3 и основания паза 7 опорного элемента 6, совмещены.

Способ испытания образца, выполненного по п.1 или п.2 на сдвиг, заключается в следующем.

На противоположные грани образца со стороны паза и выступа воздействуют ударником через входной и выходной передающие стержни, при этом исследование распределения пластической деформации образца осуществляют на участке плоской боковой поверхности образца в режиме реального времени, а конкретные размеры участка деформации, а именно размер Н, равный разнице ширины выступа и паза, определяют по формуле:

где ρ_p, ρ₁, ρ₂ - соответственно плотности ударника, передающего стержня и образца,

S_p, S₁, S₂ - сечения ударника, передающего стержня и образца в месте, примыкающем к передающему стержню,

c_p, с₁, с₂ - скорости звука для продольной волны соответственно в ударнике, передающем стержне и образце,

ν₀ - скорость ударника,

- задаваемая скорость деформации.

При прохождении через образец импульса напряжений волна напряжений в образце должна многократно отразиться от передающего и опорного стержня, вследствие чего в образце получим нагружение с некоторой фиксированной скоростью деформации.

Размер L должен быть не менее чем в 10 раз меньше размера Е для реализации более менее однородной области чистого сдвига с фиксированной скоростью деформации при многократных переотражениях импульса напряжений внутри образца.

Размер исследуемого участка деформации варьируют, задавая ширину и глубину паза и ширину и высоту выступа так, что соотношение разницы ширины выступа и паза к разнице высоты образца и суммы высоты выступа и глубины паза находится в пределах от 1×10^-4 до 1.

Исследования проводятся методом инфракрасного сканирования деформированного участка образца. По полученному полю температур определяют степень локализации пластической деформации по формуле:

где T_max - максимальная температура в деформационной области,

Т₀ - температура до деформирования,

Н - ширина области деформирования,

где ρ₂ - плотность исследуемого материала,

с - удельная теплоемкость материала,

τ - касательное напряжение,

определяемое по формуле

где E₁ - модуль упругости входящего и выходящего стержней,

S₁ - площадь сечения входящего и выходящего стержней,

ε_T(t) - деформация в прошедшем через образец сигнале снимается с тензодатчика на выходящем стержне,

S_shear - площадь поверхности сдвига, определяемая по формуле

S_shear=L·B,

где L - размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза;

В - ширина образца;

по значению степени локализации судят о способности материала сопротивляться динамическим нагрузкам в области пластической деформации при заданной скорости деформации в условиях чистого сдвига.

Предлагаемый способ позволяет получить механические и термодинамические свойства материалов в условиях чистого сдвига при скоростях деформации 10²-10⁵ с^-1 в режиме реального времени в процессе деформирования.

Пример

Испытывался образец из алюминиевого сплава Д16.

Предел прочности σ_b=440 МПа, модуль упругости E=0.7·10⁵ МПа.

Рамка изготовлена из стали 40ХН предел прочности σ_b=1000÷1450 (МПа).

Модуль упругости Е=2.04·10⁵ МПа.

В расчетах были приняты:

ρ_p=ρ₁=7.8·10³ кг/м³;

E_p=Е₁=2·10⁵ МПа;

ρ₂=2.8·10³ кг/м³;

Е₂=0.71·10⁵ МПа;

S₁=πd²/4=3.14·(25·10^-3)²/4=4.91·10^-4 м²;

S₂=2·17.3·10^-3·4.5·10^-3≈1.55·10^-4 м².

При скорости деформации

и скорости ударника ν₀=18 м/с,

H=1.0·10^-3 м.

Максимальная температура в деформационной области:

T_max=255°С.

Температура до деформирования:

Т₀=25°С.

Удельная теплоемкость

c=0.9·10³ Дж/(кг К),

B=17·10^-3 м,

ε_T=1.52·10^-4,

L=2.2·10^-3 м,

K=0.0126 К^-1.

Степень локализации пластической деформации

Исследование проводилось путем инфракрасного сканирования температурного поля исследуемого участка. Результаты инфракрасного сканирования образца при испытании на чистый сдвиг приведены на фиг.4, 5.

1. Образец для испытаний на сдвиг при скоростях деформации 10^2÷10⁵ с^-1, отличающийся тем, что образец выполнен в виде параллелепипеда, вдоль противоположных граней параллелепипеда выполнены с одной стороны сквозной прямоугольный паз, а с другой - выступ той же формы, причем ширина выступа больше ширины паза, а размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза, выполнен не менее чем в 10 раз меньше длины образца, при этом образец снабжен рамкой, охватывающей образец так, что одна плоскость симметрии рамки совпадает с одной парой совпадающих плоскостей симметрии выступа и паза и перпендикулярна другой паре совпадающих плоскостей симметрии выступа и паза, причем ширина рамки выполнена на 5-40% меньше глубины паза образца, а одна боковая плоскость рамки совпадает с плоскостью грани образца, в котором выполнен паз.

2. Образец для испытаний на сдвиг по п.1 при скоростях деформации 10^2÷10⁵ с^-1, отличающийся тем, что рамка выполнена из материала как минимум в два раза большей прочности и жесткости, чем образец.

3. Образец для испытаний на сдвиг при скоростях деформации 10^2÷10⁵ с^-1 (вариант), отличающийся тем, что образец выполнен в виде параллелепипеда, вдоль противоположных граней параллелепипеда выполнены с одной стороны сквозной прямоугольный паз, а с другой - выступ той же формы, причем ширина выступа больше ширины паза, а размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза, выполнен не менее чем в 10 раз меньше длины образца, при этом образец снабжен опорным элементом в виде параллелепипеда, в котором с одной стороны выполнен прямоугольный закрытый паз, глубина которого на 5-40% меньше глубины паза образца, при этом внутри этого паза установлен образец так, что его грани плотно сопряжены со сторонами паза опорного элемента, а плоскости грани образца, в которой выполнен паз и основания паза опорного элемента, совмещены.

4. Образец для испытаний на сдвиг по п.3 при скоростях деформации 10^2÷10⁵ с^-1, отличающийся тем, что опорный элемент выполнен из материала как минимум в два раза большей прочности и жесткости, чем образец.

5. Способ испытания образца, выполненного по п.1 или 3, на сдвиг при скоростях деформации 10^2÷10⁵ с^-1, заключающийся в воздействии на противоположные грани образца ударником через входной и выходной передающие стержни со стороны паза и выступа, при этом исследование распределения пластической деформации образца осуществляют на участке плоской боковой поверхности образца в режиме реального времени, а конкретные размеры участка деформации, а именно размер Н, равный разнице ширины выступа и паза, определяют по формуле:

где ρ_ρ, ρ₁, ρ₂ - соответственно плотности ударника, передающего стержня и образца,
S_p, S₁, S₂ - сечения ударника, передающего стержня и образца в месте, примыкающем к передающему стержню,
с_р, с₁, с₂ - скорости звука, для продольной волны соответственно в ударнике, передающем стержне и образце,
ν₀ - скорость ударника,
- задаваемая скорость деформации,
проводят инфракрасное сканирование деформированного участка образца, по полученному полю температур определяют степень локализации пластической деформации по формуле:

где T_max - максимальная температура в деформационной области,
Т₀ - температура до деформирования,
Н - ширина области деформирования,

где ρ₂ - плотность исследуемого материала,
с - удельная теплоемкость материала,
τ - касательное напряжение,
определяемое по формуле

где E₁ - модуль упругости входящего и выходящего стержней,
S₁ - площадь сечения входящего и выходящего стержней,
ε_т(t) - деформация в прошедшем через образец сигнале, снимается с тензодатчика на выходящем стержне,
S_shear - площадь поверхности сдвига, определяемая по формуле
S_shear=L·B,
где L - размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза;
В - ширина образца,
и по значению степени локализации судят о способности материала сопротивляться динамическим нагрузкам в области пластической деформации.