СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ КРИОГЕННЫХ И ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01N3/20 G01N3/18 

Изобретение относится к испытательной техникe, в частности к способам испытания конструкционных материалов на прочность в широком диапазоне температур.

Область применения - авиастроение, судостроение, машиностроение, атомная энергетика, металлургия и др.

Модуль упругости при растяжении (сжатии) является характеристикой сопротивления материала упругой деформации, численно равной отношению напряжения к вызванной им упругой деформации, не выходящей за предел пропорциональности. Знание величины модуля упругости необходимо при расчетах на прочность, жесткость и устойчивость конструкций, при обработке результатов измерений с целью определения напряжений в конструкции по величине относительной деформации, а также как мера силы межатомной связи (см. Политехнический словарь. - М. : Советская энциклопедия, 1977 г., с. 295; Бэкофен В. Процессы деформирования.- М.: Металлургия, 1977, с. 21 и др.).

Методы испытаний на растяжение, сжатие и изгиб металлических и неметаллических материалов регламентированы рядом отечественных и зарубежных ГОСТов, нормалей и справочных пособий, например, ГОСТ 1497-84 "Металлы. Методы испытаний на растяжение", "Методы статических испытаний армированных пластиков/Справочное пособие, Рига: Зинатне, 1972 г.; Тернопольский Ю.М., Кинцис Т. Я. Методы статических испытаний армированных пластиков.- М.: Химия, 1981; ГОСТ 9651-84; ГОСТ 25.503-80; ГОСТ 11150-84 и др.

Модуль упругости конструкционных металлических материалов сильно зависит от природы самого материала (сплавы алюминия - 7,2 • 10³ кг/мм², сплавы титана - 11•10³ кг/мм², стали - 20•10³ кг/мм²) слабо зависит от химического состава в группе материалов (титановый сплав ВТ14 - 11•10³ кг/мм², ВТ7 - 11,4•10³ кг/мм²); зависит от нагортовки поверхности при прокате, штамповке; зависит от термической закалки, старения; и очень сильно зависит от температуры (для сплава титана ВТЗ-1 модуль E при температуре 20^oC равен 11,5•10³ кг/мм², а при 500^oC равен 8•10³ кг/мм², т.е. отличается на 32%).

Поэтому для поверочных расчетов конструкций на прочность обработки результатов тензометрирования натурных конструкций самолетов использование значений модулей E из справочных данных не всегда обосновано. Так, например, в практике ЦАГИ отмечен случай, когда в результате контрольной поверки действительный модуль упругости материала на растяжение одного из отечественных самолетов отличался от указанного в технической документации на 4,8%. В то же время определение модуля упругости материалов в широком диапазоне температур известными способами является достаточно трудоемким и дорогостоящим технологическим процессом, требующим дальнейшего совершенствования.

Известен способ определения модуля упругости металлов динамическим методом путем измерения собственной частоты продольных колебаний образцов (см. Вопросы высокотемпературной прочности в машиностроении.- Киев, Труды Научн. -техн. конференции, 1961 г. , Ин-тут металлокерамики и спец. сплавов, с. 226).

Недостатком этого способа является высокая погрешность в определении модуля упругости (±5-7%) и необходимость наличия специальных цилиндрических образцов.

Известен способ определения модуля упругости материалов при криогенных и повышенных температурах (Способ определения модуля упругости материала. А.с. N 954850, кл. 01 N 3108, СССР, 1982 г.). Сущность способа заключается в том, что наклеивают на образцы из исследуемого и эталонного материалов тензорезисторы одной партии, соединяют образцы последовательно шарнирно, нагревают и нагружают совместно, измеряют изменение номинального электрического сопротивления тензорезисторов и рассчитывают модуль упругости.

Недостатком этого способа является ограничение температурного диапазона рабочим диапазоном термостойких тензорезисторов, который в настоящее время равен (-100)-(+300)^oC (для тензорезисторов ЦАГИ типа ЗСПК) и 20-450^oC (для тензорезисторов Краснодарского завода "Тензоприбор" типа НМТ-450), и высокая их стоимость.

Известен способ определения модуля упругости металлов и пластмасс с использованием плоских и цилиндрических образцов при нормальных, криогенных и повышенных температурах (ГОСТ 9550-71. Пластмассы. Методы определения модуля упругости, М., Гос. ком. cтандартов, 1972, с. 104, 132), принятый за прототип. Сущность способа заключается в том, что партию образцов нагревают до заданной температуры, поочередно нагружают в упругой зоне диаграммы "напряжение-деформация", измеряют изменение длины образца на принятой базе и рассчитывают модуль упругости. Недостатками этого способа является высокая погрешность измерения деформаций при высоких температурах (величина которых может достигать 3-7% в диапазоне температур 100-500^oC), большая трудоемкость испытаний, необходимость наличия дорогостоящей испытательной машины и др.

Известно устройство для испытания материалов на изгиб (см. В.С. Золотаревский, Механические свойства материалов.- М.: Металлургия, 1989 г., с. 190), содержащее механизм нагружения, специальные опоры и устройство для измерения перемещений.

Недостатком устройства является высокая погрешность воспроизведения нагрузки и измерения прогибов при повышенных температурах.

Известно устройство для испытания материалов на изгиб (см. И.И. Жуковец, Механические испытания материалов на изгиб.- М.: Высшая школа, 1986 г., с. 79), принятое за прототип (для реализации способа), содержащее нагружающий механизм, систему регулирования температуры, специальные раздвижные опоры и измеритель перемещений образца для получения диаграммы "нагрузка-прогиб".

Недостатком устройства является высокая погрешность при определении диаграммы "нагрузка-прогиб" в условиях повышенных температур и соответственно низкая точность определения модуля упругости испытываемых материалов.

Обоснование формулы (I) для определения модуля упругости металлических материалов при криогeнных и повышенных температурах.

Если нагрузить симметричную балку на двух опорах с двумя консолями силами P, то в среднем пролете балка будет нагружаться постоянным изгибающим моментом M, равным P • a ("чистый" изгибающий момент, см. М.Ф. Астахов, А.В. Караваев, С. Я. Маказов, Я.Я. Сердальцев. Справочная книга по расчету самолета на прочность. - M.: Гос. издат. Oборонной промышленности, 1954 г., с. 209).

Максимальный прогиб в среднем пролете балки при нормальной температуре будет равен

где P - силы, прикладываемые на концах консолей балки;
a - длина консолей балки;
l - длина балки в среднем пролете;
E₀ - модуль упругости материала при нормальной температуре;
J - момент инерции.

А при заданной температуре t и нагружении теми же силами максимальный прогиб балки в среднем пролете будет равен

Решая уравнение (а) и (б) относительно силы P, имеем

и

Из уравнений (в) и (г) имеем

или
f_p^o • E_o = f_p^t • E_t (д)
Из уравнения (д) модуль упругости E_t при заданной температуре t равен

или
E_t = E_o • Φ_t (I)
где Φ_t - функция влияния температуры на модуль упругости материала при изгибе балки, равная отношению f_p^o/f_p^t.

При испытаниях более точные результаты будут получены, если нагружать балку не одной постоянной силой P, а поочередно двумя разными по величине силами P₁ и P₂ и определять соответственно разность прогибов.

В этом случае функция влияния температуры на модуль упругости будет иметь вид

где f_p1^o и f_p1^t - прогибы балки при нагружении на изгиб грузом P₁ при нормальной и повышенной температурах, соответственно;
f_p2^o и f_p2^t - прогибы балки при нагружении на изгиб грузом P₂ при нормальной и повышенной температурах, соответственно.

Определив при растяжении или сжатии образца из конструкционного материала модуль упругости E_o при нормальной температуре по стандартной методике и функцию влияния температуры на модуль упругости материала при изгибе, рассчитываем значение модуля упругости материала при заданной температуре по формуле (I).

Задачей предложенного изобретения является увеличение точности и температурного диапазона определения модуля упругости материалов, сокращение затрат на испытательное оборудование и трудоемкости испытаний.

Технический результат достигается широким диапазоном воспроизведения криогенных и повышенных температур, высокой точностью задания величины нагрузки и измерения больших изгибных деформаций (прогибов продольной оси образцов).

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе исследуемый образец нагружают на изгиб поочередно двумя грузами разной величины при нормальной и заданной температурах, измеряют максимальные прогибы оси образца в направлении действия нагрузки, рассчитывают модуль упругости материала на растяжение или сжатие при заданной температуре по формуле
E_t = E_o • Φ_t, (I)
где E_o - модуль упругости материала на растяжение (сжатие) при нормальной температуре, определенный по известной технологии;
Φ_t - функция влияния температуры на модуль упругости исследуемого материала, равная

f_p1^o и f_p1^t - прогибы образца при нагружении на изгиб грузом P₁ при нормальной и заданной температурах, соответственно;
f_p2^o и f_p2^t - прогиб образца при нагружении на изгиб грузом P₂ при нормальной и заданной температурах, соответственно.

Обоснование формулы (I) приведено выше.

На фиг. 1 приведена структурная схема испытательной установки.

На фиг. 2 приведена функция влияния температуры на модуль упругости и изменение модуля упругости некоторых титановых сплавов в рабочем диапазоне температур.

Способ осуществляется следующим образом. Устанавливают исследуемый образец 1 (фиг. 1), выполненный в виде двухопорной с двумя консолями балки, в захваты 2 нагружающего механизма испытательной установки 4. Тягами 3 нагружают образец при нормальной температуре поочередно грузами различной величины P₁ (5) и P₂ (6) при помощи гидравлического блока опускания или подъема 7 и пульта управления 8. При этом измеряют максимальные прогибы продольной оси образца в центре среднего пролета (точка А) f_p1^o и f_p2^o при помощи измерителя перемещений 9. Затем образец разгружают, нагревают (охлаждают) до заданной температуры и выдерживают при этой температуре в течение времени τ до установления равномерного температурного поля по всему общему материала образца в зачетной зоне. Для нагревания образцов используется система регулирования температуры с кварцевыми инфракрасными нагревателями 10 и регулятором электрического напряжения 11, а в случае охлаждения - криогенная панель 12 с устройством управления охлаждением образца 13. Затем при установившейся заданной температуре вновь нагружают образец теми же грузами P₁ и P₂ и измеряют максимальные прогибы продольной оси в средине среднего пролета f_p1^t и f_p2^t.

Измерение прогибов образца производится измерителем перемещений 9, который состоит из корпуса, базовых опор 14, электрического преобразователя линейных перемещений 15 и измерительного штока 16. Опоры и шток шарнирно соединены с образцом, что обеспечивает измерение прогиба образца в точке А на выбранной базе измерения. Базовые опоры и измерительный шток выполнены из керамических стержней.

Регистрация показаний электрического преобразователя осуществляется измерительной аппаратурой 17, например самопишущим прибором КСТ-4. Измерение температуры производится термопарами 18, а регистрация - самопишущим прибором КСП-4 (19).

Затем модуль упругости материала на растяжение (сжатие) при заданной температуре определяют по формуле
E_t = E_o • Φ_t, (I)
где E_o - модуль упругости материала на растяжение (сжатие) при нормальной температуре, определенный по стандартной технологии;
Φ_t - функция влияния температуры на модуль упругости материала, равная

f_p1^o и f_p1^t - прогибы образца при нагружении на изгиб грузом P₁ при нормальной и заданной температурах, соответственно;
f_p2^o и f_p2^t - прогибы образца при нагружении на изгиб грузом P₂ при нормальной и заданной температурах, соответственно.

В измерителе перемещений в качестве электрического преобразователя могут применяться тензорезисторные датчики линейных перемещений типа ДП (см. Баранов А.Н., Белозеров Д.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов.- М.: Машиностроение, 1974 г., с. 262), прибор, показывающий с индуктивным преобразователем модель 276 (паспорт прибора, Московский з-д "Калибр"), который обеспечивает измерение прогибов с погрешностью не более ±5,0 мкм.

Для измерения прогибов образцов в широком диапазоне температур может использоваться оптический катетометр типа КО-6 (см. Паспорт катетометра. Ленинградское оптико-механическое объединение, Инструкция к использованию, 1966 г. ), обеспечивающий бесконтактное измерение прогибов в пределах 0-200 мм с предельной погрешностью ±6,0 мкм.

Увеличение точности определения модуля упругости на растяжение (сжатие) в широком диапазоне температур достигается за счет следующего:
1) исключения погрешностей измерения нагрузки (нагружение производится двумя постоянными грузами, причем сама величина грузов в расчетах не используется);
2) расширения диапазона измеряемых перемещений (прогибы образца на изгиб больше, чем изменение базы измерения при растяжении или сжатии на несколько порядков);
3) исключения погрешностей измерения перемещений, возникающих за счет изменения базы измерения при нагревании, температурных деформаций выносных тяг измерителей деформаций, люфтов в узлах подвески измерительных устройств и др.

Погрешность определения модуля упругости материалов на растяжение (сжатие) предлагаемым способом может быть оценена следующим образом. Если для определения модуля упругости при растяжении (сжатии) при температуре 20^oC воспользоваться способом по а.с. N 954850, среднеквадратическая погрешность которого составляет ±1-1,3%, то с учетом дополнительных погрешностей определения функции влияния температуры на модуль упругости эта погрешность возрастает до ±1,7-2% в рабочем диапазоне температур 100-1000^oC.

Снижение расходов на приобретение оборудования достигается за счет следующего:
1) использования в испытательной установке стандартных широко применяемых приборов и устройств;
2) отсутствия необходимости использования в качестве нагружающего оборудования универсальной испытательной машины;
3) oтсутствия в установке больших теплоемких захватов образца, что позволяет сократить число зон регулирования температуры с 3 до 1.

На фиг. 2 приведены в качестве примера результаты определения функции влияния температуры на модуль упругости конструкционных титановых сплавов марки ВТ3, ВТ5 и ВТ10 в диапазоне температур 20-500^oC. Там же пунктирной кривой показана зависимость E от температуры при растяжении, определенная по формуле (I), для титанового сплава ВТ3, где E_o - модуль упругости сплава на растяжение при 20^oC.

Устройство для определения модуля упругости материалов при криогенных и повышенных температурах (фиг. 1) состоит из нагружающего механизма, измерителя перемещений, системы регулирования температуры, устройства для измерения и регистрации. Нагружающий механизм снабжен двумя разными по величине грузами (5 и 6) и гидравлическим блоком их опускания и поднятия 7, соединенным с пультом управления 8. Система регулирования температуры снабжена кварцевыми инфракрасными нагревателями 10, управляемыми регулятором электрического напряжения 11, и криогенной панелью 12 с устройством управления охлаждением образца 13. Измеритель перемещений 9, выполненный в виде измерителя прогиба продольной оси образца, базовыми опорами 14 и измерительным штоком 16 шарнирно крепится к образцу. Базовые опоры и измерительный шток выполнены из керамических стержней. Электрический преобразователь 15 измерителя перемещений своим выходом соединен с входом измерительной аппаратуры 17. Для измерения поля температур образца на его поверхности установлены термопары 18, соединенные с входом регистрирующей аппаратуры 19.

Осуществление способа и работа устройства для его осуществления описаны выше.

Экспериментальная проверка и расчеты показали, что предлагаемые способ и устройство для его осуществления обеспечивают расширение рабочего диапазона температур в 1,5-2 раза, увеличение точности исследования в 2-3 раза, уменьшение затрат на приобретение материалов и оборудование, снижение трудоемкости испытаний в 1,5-2 раза.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности, к способам испытания конструкционных материалов на прочность в широком диапазоне температур. Изобретение заключается в том, что в предлагаемом способе исследуемый образец нагружают на изгиб поочередно двумя грузами разной величины при нормальной и заданной температурах, измеряют максимальные прогибы образца в направлении действия нагрузки и расчетным путем определяют модуль упругости материала на растяжение или сжатие при заданной температуре. Устройство для осуществления данного способа содержит нагружающий механизм, измеритель перемещений, систему регулирования температуры и устройства для измерения и регистрации температуры образца. Данное изобретение позволяет исследовать металлические материалы на прочность в широком диапазоне температур с высокой точностью задания величины нагрузки и измерения больших изгибных деформаций, а также сократить затраты на испытательное оборудование и снизить трудоемкость испытаний. 2 c.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения модуля упругости металлических материалов при криогенных и повышенных температурах, заключающийся в нагружении образца растягивающей или сжимающей нагрузкой при нормальной температуре в упругой области диаграммы "напряжение - деформация", измеряют нагрузку и изменение длины образца на принятой базе измерения и рассчитывают модуль упругости материала при нормальной температуре, отличающийся тем, что после указанной последовательности операций нагружают образец на изгиб поочередно двумя грузами разной величины при нормальной температуре, измеряют максимальные прогибы образца в направлении действия нагрузки, разгружают образец, нагревают или охлаждают образец до заданной температуры, выдерживают его при этой температуре до установления равномерного температурного поля по всему объему материала образца в зачетной зоне, нагружают образец на изгиб поочередно теми же двумя грузами, измеряют максимальные прогибы образца в направлении действия нагрузки и рассчитывают модуль упругости материала на растяжение или сжатие при заданной температуре по формуле
E_t = E₀Φ_t,
где E₀ - модуль упругости материала на растяжение (сжатие) при нормальной температуре;
Φ_t - функция влияния температуры на модуль упругости исследуемого материала, равная

где f_p1⁰ и f_p1^t - изгибы образца при нагружении на изгиб грузом P₁ при нормальной и заданной температурах соответственно;
f_p2⁰ и f_p2^t - изгибы образца при нагружении на изгиб грузом P₂ при нормальной и заданной температурах соответственно. 2. Устройство для определения модуля упругости металлических материалов при криогенных и повышенных температурах, содержащее нагружающий механизм, измеритель перемещений, систему регулирования температуры и устройства для измерения и регистрации температуры образца, отличающееся тем, что нагружающий механизм снабжен двумя разными по величине грузами и блоком их опускания и поднятия при нагружении, система регулирования температуры снабжена кварцевыми инфракрасными нагревателями и криогенной панелью охлаждения, измеритель перемещений выполнен в виде измерителя прогиба продольной оси образца при нагружении, базовые опоры и измерительный шток которого выполнены из керамических стержней и шарнирно соединены с испытываемым образцом.