Способ определения механических свойств материала

Авторы патента:

ПИКО Ямид (RU)

G01N3/40 - исследование твердости или упругой твердости

Владельцы патента RU 2626067:

Шлюмберже Текнолоджи Б.В. (NL)

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов, а именно модуля Юнга и коэффициента Пуассона. Инструмент, имеющий по меньшей мере один датчик колебаний и по меньшей мере один выступ, приводят в контакт с материалом и вдавливают по меньшей мере один выступ инструмента в материал. Возбуждают колебания посредством по меньшей мере одного источника колебаний и измеряют по меньшей мере одну частоту взаимодействия инструмента посредством по меньшей мере одного датчика колебаний. На основе определенной частоты взаимодействия определяют контактную жесткость, по меньшей, мере одного выступа и определяют механические свойства материала, учитывая механические свойства по меньшей мере одного выступа. Технический результат – обеспечение простоты и быстроты определения механических свойств материалов. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к способам определения механических свойств материалов, а именно модуля Юнга и коэффициента Пуассона, и может использоваться, например, для изучения пород, окружающих скважину, нижнего яруса или любой поверхности, для которой должны измеряться свойства материала.

Уровень техники

Известно множество неразрушающих способов для определения механических свойств материалов, таких как способы распространения сейсмоволн и способы микро-/нановдавливания (см., например, "General relationship between contact stiffness, contact depth and mechanical properties for indentation in linear visco elastic solids using axisymetric indenters of arbitrary profile", Yang-Tse Chenga, Che-Min Cheng, 2005 год, APPLIED PHYSICS LETTERS 87, 111914, или "An analysis of nanoindentation in linearly elastic solids", B. Poon a, D. Rittel b, G. Ravichandran. s.l: International Journal of Solids and Structures 45, 2008 год, стр. 6018-6033). Известный способ обеспечивает измерение твердости на основе приложения и снятия нагрузки на образцы и может быть осуществлен только в лабораториях.

Предложенный способ обеспечивает простое и быстрое определение механических свойств материалов, которое требует только информации относительно динамических свойств используемого инструмента, и может осуществляться непосредственно на месте.

Сущность изобретения

Способ определения механических свойств материала предусматривает приведение в контакт с материалом инструмента, имеющего по меньшей мере один датчик колебаний и по меньшей мере один выступ. Затем по меньшей мере один выступ инструмента вдавливают в материал и возбуждают колебания посредством по меньшей мере одного источника колебаний. Измеряют по меньшей мере одну частоту взаимодействия инструмента посредством по меньшей мере одного датчика колебаний и определяют контактную жесткость по меньшей мере одного выступа на основе определенной частоты взаимодействия. Механические свойства материала определяют на основе определенной контактной жесткости по меньшей мере одного выступа и на основе динамических свойств по меньшей мере одного выступа.

Источник колебаний может располагаться внутри или снаружи инструмента.

Материал может представлять собой породы, окружающие скважину.

Инструмент может быть прижат к материалу.

Механические свойства материала и по меньшей мере одного выступа представляют собой коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала и по меньшей мере одного выступа.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан пример инструмента с тремя выступами, на фиг. 2 приведена динамическая схема для инструмента, показанного на фиг. 1, на фиг. 3 показаны два варианта возможных форм выступов.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

На фиг. 1 показан пример инструмента согласно предложенному изобретению. Инструмент имеет выступы 1 (контактные поверхности) и отверстия 2 для датчиков колебаний. Датчики колебаний могут представлять собой геофоны или акселерометры, которые могут измерять направление колебаний. В инструменте может быть также размещен по меньшей мере один источник колебаний. Источник колебаний может быть вибрационного типа или может представлять собой любое колебательное устройство, допускающее формирование управляемых колебаний в заданной полосе частот сейсмоволн. Все эти датчики колебаний и источники колебаний могут быть расположены в различных позициях в инструменте и с различной ориентацией. Целью является получение возможности возбуждения различных мод колебаний. Это особенно важно для анизотропных материалов и для обеспечения качества измерений.

Затем по меньшей мере один выступ инструмента вдавливают в материал и возбуждают колебания посредством источника колебаний. Колебания могут быть возбуждены посредством любого внешнего или внутреннего источника колебаний. По меньшей мере одну частоту взаимодействия (частоту, при которой инструмент начинает колебаться вследствие контакта (взаимодействия)) инструмента измеряют посредством по меньшей мере одного датчика колебаний, расположенного в инструменте. Частоты взаимодействия измеряют посредством анализа спектра полученных показаний датчиков колебаний.

Усилие прижатия, а также масса и момент инерции инструмента известны, форма и механические свойства выступов также известны. Комбинация уравнений динамики и уравнений для контакта может быть решена для определения неизвестных: модуля Юнга и коэффициента Пуассона материала, на котором расположен инструмент (и при необходимости прижат). Для случая изотропного материала конфигурация может быть свободно выбрана и могут быть использованы два или более выступов для обеспечения качества измерений. Знание двух первых частот взаимодействия для конкретной конфигурации инструмента дает возможность вычислять модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала, на котором расположен инструмент. Даже только с помощью первой частоты взаимодействия, зарегистрированной для любой конфигурации, можно иметь хорошую аппроксимацию модуля Юнга относительно хорошей начальной оценки коэффициента Пуассона. Для случая анизотропного материала чем больше число частот, тем больше свойств материала можно определить.

Ниже описывается процедура получения уравнений для случая использования инструмента с тремя выступами, показанного на фиг. 1.

Уравнения движения дают соотношения для расчета частоты взаимодействия (уравнение Лагранжа системы) для инструмента. Получается следующее:

где Ωcoup₁, Ωcoup₂, Ωcoup₃ являются частотами взаимодействия инструмента, k₁, k₂, k₃ - контактные жесткости трех выступов. Для конкретной конструкции можно обеспечить почти идентичные значения контактной жесткости, так что можно предполагать их равными: k₁=k₂=k₃. Параметры d, с и а являются расстояниями от центра массы до местоположения выступов (см. фиг. 2); m - масса инструмента и I₂, I₃ - моменты инерции корпуса инструмента/комплекта относительно оси вращения. При проведении нескольких измерений частот можно получить более надежное значение частот.

Ниже на основе теории контакта получено несколько соотношений для контактной жесткости; основное соотношение:

где k - контактная жесткостью, а А - площадь контакта.

E_r является приведенным модулем жесткости, который определяется следующим образом:

Здесь υ, Е - соответственно коэффициент Пуассона и модуль Юнга исследуемого материала; υ', Е' - коэффициент Пуассона и модуль Юнга выступов.

Определение площади контакта А зависит от формы выступа. Ее вычисляют с использованием теории контакта Герца.

Ниже приведены примеры вычисления для двух форм выступов (фиг. 3а и 3b).

Полусферический выступ

Используя теорию Герца, можно связать усилие прижатия инструмента с площадью контакта. Для формы, как указано на фиг. 3а, площадь контакта определяется как

А²=π⋅R⋅h

где R - радиус круглого выступа, h - глубина проникновения выступа в материал.

Сила связана с приведенным модулем и площадью контакта следующим образом:

Из этого получается следующее соотношение:

На основе данного соотношения получаем соотношение для контактной жесткости для круглого выступа (с υ, Е), вдавливаемого с силой F в образец (с υ', Е'):

Полученное значение контактной жесткости используют в формулах для частот (1):

где:

Находят E_r и определяют модуль Юнга и коэффициент Пуассона исследуемого материала.

Конические выступы (шипы)

Как и в предыдущем случае, контактная теория Герца используется для того, чтобы связать усилие прижатия с площадью контакта. Для формы, показанной на фиг. 3b, площадь контакта следующая:

где θ - угол, определяющий заострение выступов, h - глубина проникновения в материал. Сила соотносится с уменьшенным модулем и площадью контакта следующим образом:

Из этого получается соотношение:

Используя это соотношение для контактной жесткости для конического выступа (с υ, Е), вдавливаемого с силой F в образец (с υ', Е'), получаем:

Полученное значение контактной жесткости используют в формулах для частот (1):

где:

Затем находят E_r и определяют модуль Юнга и коэффициент Пуассона исследуемого материала.

Описанная процедура является общей для любой формы или механической конструкции инструмента и любой формы и материала выступов.

1. Способ определения механических свойств материала, в соответствии с которым:

- приводят в контакт с материалом инструмент, имеющий по меньшей мере один датчик колебаний и по меньшей мере один выступ,

- вдавливают по меньшей мере один выступ инструмента в материал,

- возбуждают колебания посредством по меньшей мере одного источника колебаний,

- измеряют по меньшей мере одну частоту взаимодействия инструмента посредством по меньшей мере одного датчика колебаний,

- определяют контактную жесткость по меньшей мере одного выступа на основе определенной частоты взаимодействия и

определяют механические свойства материала на основе определенной контактной жесткости по меньшей мере одного выступа и на основе механических свойств по меньшей мере одного выступа.

2. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере один источник колебаний расположен внутри инструмента.

3. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере один источник колебаний расположен вне инструмента.

4. Способ по п. 1, в котором механические свойства материала и по меньшей мере одного выступа представляют собой коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала и по меньшей мере одного выступа.

5. Способ по п. 1, в котором материал представляет собой породы, окружающие скважину.

6. Способ по п. 1, в котором инструмент прижимают к материалу.

Изобретение относится к определению геометрических характеристик однородных покрытий, а именно к определению его толщины посредством вдавливания в поверхность материала цилиндрического индентора, и может быть использовано для определения толщины покрытий на подложках из различных материалов.

Устройство для исследования прочностных свойств корнеклубнеплодов // 2618672

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для изучения усилий на сжатие и непосредственно на процесс резания материалов, преимущественно корнеклубнеплодов.

Установка для исследования твердости образца из токсичного материала // 2612197

Изобретение относится к механическим испытаниям, а конкретно к исследованиям твердости образцов из токсичных материалов. Установка содержит вакуумируемую рабочую камеру с захватами, один из которых активный, а второй пассивный захват-тензодинамометр, механизм нагружения, регистрирующую аппаратуру, установленную на захвате-тензодинамометре К активному захвату прикреплена верхняя рамка, а к пассивному захвату прикреплена нижняя рамка, которые соединены друг с другом таким образом, что растягивающее усилие захватов инвертируется в сжимающее усилие рамок, в месте соприкосновения рамок помещен испытуемый образец и индентор, который вдавливается в образец с определенным усилием, фиксируемым захватом-тензодинамометром.

Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц // 2611698

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем вдавливания индентора в поверхность образца с заданной нагрузкой, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга (ниже модуль упругости).

Способ определения остаточного напряжения с применением инструментального индентирования, носитель информации с соответствующей компьютерной программой и устройство для инструментального индентирования, предназначенное для реализации инструментального индентирования с использованием носителя информации // 2611078

Изобретение относится к области определения остаточного напряжения путем инструментального индентирования. Сущность: осуществляют приложение к образцу одноосного напряжения, двуосного напряжения и одинакового по всем направлениям напряжения, а затем выполнение инструментального индентирования с использованием индентора, вычисление наибольшей глубины вдавливания индентора в ненапряженном состоянии образца путем подстановки в формулу для вычисления максимальной глубины вдавливания индентора в ненапряженном состоянии фактической глубины контакта в ненапряженном состоянии, полученной из фактической глубины контакта индентора, и максимальной глубины вдавливания индентора и результирующей глубины отпечатка индентора при приложении максимального вдавливающего усилия L0, найденных из зависимости глубины вдавливания индентора от вдавливающего усилия, полученной путем инструментального индентирования, получение кривой зависимости глубины вдавливания индентора от вдавливающего усилия в ненапряженном состоянии путем подстановки вычисленной указанным образом максимальной глубины вдавливания индентора в ненапряженном состоянии образца в формулу, связывающую глубину вдавливания индентора и вдавливающее усилие, и вычисления разности ΔL усилий между усилием L1, соответствующим максимальной глубине вдавливания индентора на кривой зависимости глубины вдавливания индентора от вдавливающего усилия в ненапряженном состоянии, и максимальным вдавливающим усилием L0, и вычисление остаточного напряжения в образце путем подстановки вычисленной разности ΔL усилий в формулу для вычисления остаточного напряжения.

Устройство для горизонтального непрерывного измерения твердости почвы // 2608345

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в сельском хозяйстве для исследования физико-механических свойств почвы, в частности твердости почвы.

Способ определения микротвердости нанокомпозитного покрытия с повышенной износостойкостью по соотношению в нем металлической и керамической фаз // 2608159

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ определения микротвердости нанокомпозитного покрытия с повышенной износостойкостью по соотношению в нем металлической и керамической фаз характеризуется тем, что определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума.

Способ получения нанокомпозитных покрытий металл-керамика с требуемым значением микротвердости // 2608158

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения нанокомпозитных покрытий металл-керамика с требуемым значением микротвердости включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значение микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума.

Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины // 2608157

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины ионно-лучевым распылением включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом и с изменением процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума, после чего определяют значения микротвердости полученного покрытия при заданном соотношении указанных фаз.

Устройство для измерения сопротивления исследуемого материала сверлению // 2607064

Изобретение относится к устройствам для исследования и анализа свойств материалов путем определения величины сопротивления их просверливанию и может быть использовано для определения физико-механических характеристик древесины растущих деревьев, пиломатериалов, деревянных строительных конструкций различного назначения.

Пуленепробиваемые однонаправленные ленты/изделия с жесткой структурой и низким значением глубины отпечатка и способы их изготовления // 2627374

Изобретение относится к пуленепробиваемым волокнистым композитам и касается пуленепробиваемых однонаправленных лент или изделий с жесткой структурой и низким значением глубины отпечатка и способов их изготовления. Пуленепробиваемый волокнистый композит содержит множество смежных слоев на основе волокон, причем каждый слой на основе волокон содержит синтетические волокна с высоким модулем упругости при растяжении, характеризующиеся наличием поверхностей, которые, по меньшей мере, частично покрыты полимерным материалом, при этом указанные волокна преимущественно не содержат защитного покрытия волокон так, что указанный полимерный материал находится преимущественно в непосредственном взаимодействии с поверхностями волокон, при этом указанный волокнистый композит характеризуется значением динамического модуля упругости, которое превышает значение динамического модуля упругости сопоставимого волокнистого композита, характеризующегося наличием поверхностей волокон, которые преимущественно покрыты защитным покрытием волокон, при этом указанное защитное покрытие волокон расположено между поверхностями волокон и полимерным материалом. Описаны также способы изготовления пуленепробиваемого композита. Изобретение обеспечивает создание композитов с улучшенными свойствами устойчивости к воздействию пуль и осколков, в частности улучшенными значениями динамического модуля упругости, что коррелирует с низкой глубиной отпечатка композита. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 табл.

Способ создания в образце испытываемого материала сложного напряжённого состояния и устройство для этого // 2648308

Изобретения относятся к испытательной технике, а именно к способам задания сложного напряженного состояния в образце материала и устройствам для этого. Сущность: образец устанавливают на опоры, расположенные по одной по каждому плечу крестообразного образца симметрично центра на расстояниях, определяемых по формуле: Где: σ1 и σ2 - напряжения в центре образца во взаимно перпендикулярных направлениях, b - ширина плеча образца, h - толщина плеча образца, p - усилие воздействия на образец, а воздействие осуществляют индентором по центру образца со стороны, противоположной от опор. Устройство содержит крестообразное основание с Т-образными пазами в его плечах, расположенными под прямым углом друг к другу. В пазах расположены опоры цилиндрической формы с возможностью перемещения, оси которых расположены перпендикулярно направлению плеч основания. Индентор сферической формы установлен по центру образца со стороны, противоположной от опор. Технический результат: упрощение способа испытания и получение достоверного результата. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.