СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ЮНГА МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2007 года по МПК G01N3/08 

Описание патента на изобретение RU2296972C1

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем приложения растягивающих или сжимающих нагрузок, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга (ниже модуль упругости).

Известен способ определения модуля упругости [Авторское свидетельство СССР №954850, кл. G 01 N 3/08, 1982], основанный на том, что нагружают растяжением образец материала, имеющий площадь F сечения, с установленным на нем датчиком деформации, измеряют сигнал ΔR с датчика, соответствующий изменению напряжения в рабочем сечении. Используют образец эталонного материала, имеющий площадь FЭ сечения и модуль упругости ЕЭ, с установленным на нем датчиком деформации, который размещают последовательно с образцом исследуемого материала и нагружают одновременно с ним, измеряют сигнал ΔRЭ с датчика, установленного на образце эталонного материала, и рассчитывают модуль упругости Е материала.

Недостатками указанного способа определения модуля упругости являются: невозможность его применения к образцам материалов с непостоянной площадью сечения, например шарообразным образцам, а также необходимость использования эталонного материала.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятым за прототип, является способ определения модуля упругости, основанный на том, что в материал внедряют цилиндрический индентор без сцепления его с материалом и измеряют глубину внедрения, затем внедряют индентор с сцеплением с материалом при той же нагрузке. Определяют отношение глубин внедрения, по которым судят о модуле упругости [Авторское свидетельство СССР №957054, кл. G 01 N 3/42, 1982].

Недостатком указанного способа определения модуля упругости является сложность его реализации в образцах материалов малых размеров, меньших 100 нм.

Задача изобретения - устранение указанных недостатков, а именно получение способа определения модуля упругости для шарообразных микро- и наночастиц.

Данная задача решается с помощью экспериментального сжатия шарообразной частицы сосредоточенной силой n·F, где n=1,...k и может принимать не только целочисленные значения. После приложения силы n·F при n=1 вычисляют перемещение в точке действия силы на частицу. Затем к исходной частице прикладывают силу при n>1 и так далее. Таким образом, происходит сжатие частицы разными силами. Параметр k выбирают исходя из того, чтобы прикладываемая сила являлась сосредоточенной. При слишком большом значении k в ходе экспериментального сжатия это условие не выполняется. Строят зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на частицу. Строят аналитическую зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы для упругого шара, сжимаемого сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы диаметра и направленными параллельно. Для справочных значений модуля упругости и коэффициента Пуассона исследуемого материала сравнивают экспериментальную зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке ее действия на частицу с аналитической зависимостью перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на упругий шар, сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы диаметра и направленными параллельно. При этом радиус упругого шара равен радиусу частицы, прикладываемые расчетные силы к упругому шару равны прикладываемой силе к частице. Изменяя модуль упругости, находят такое его значение для справочного значения коэффициента Пуассона, при котором совпадают (из расчета минимальной среднеквадратичной ошибки) экспериментальная зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на частицу с аналитической зависимостью перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на упругий шар, сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы его диаметра.

На фиг.1 представлена схема сжатия шарообразной наночастицы после приложения сосредоточенной силы.

На фиг.2 представлен упругий шар, сжимаемый сосредоточенными силами F, приложенными в противоположные концы его диаметра d0.

На фиг.3 представлена аналитическая зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке ее действия на упругий шар (1), сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы его диаметра, для Е=9.5·1010 Па, ν=0.21 и экспериментальная зависимость перемещений (2) от величины прикладываемой силы к наночастице с числом атомов 216 в точке действия силы.

На фиг.4 представлена аналитическая зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке ее действия на упругий шар (1), сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы его диаметра, для Е=17.1·1010 Па, ν=0.21 и экспериментальная зависимость перемещений (2) от величины прикладываемой силы к наночастице с числом атомов 216 в точке действия силы.

Способ реализуется следующим образом: с помощью пуансона 1 прикладывают силу n·F, где n=1, действующую на частицу 2. Вычисляют перемещение в точке действия силы на частицу по формуле , где d0 - начальный диаметр частицы, d1 - диаметр частицы после сжатия силой n·F при n=1. Исследуемым материалом в описании примера применения способа является цинк. Для наночастицы цинка, состоящей из N=216 атомов, F=6.955·10-12 H, d0=11.997·10-10 м, d1=11.979·10-10 м, соответственно ur1=-1.8·10-12 м. После вычисления перемещения ur1 к исходной наночастице прикладывают силу n·F для n=2, находят перемещение ur2. Продолжают прикладывать силы и находить соответствующие перемещения для n≤7. Справочные значения модуля упругости и коэффициента Пуассона для цинка равны E=9.5·1010 Па, ν=0.21. Строят зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на наночастицу.

Для справочных значений модуля упругости Е и коэффициента Пуассона ν строят аналитическую зависимость перемещений от величины прикладываемой силы F в точке действия силы на упругий шар, сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы его диаметра d0 и направленными параллельно по формуле (1).

где r0 - радиус шара, P2n+1(cosα) - полином Лежандра, mn - функция, зависящая от ν и n [В.И.Блох, Теория упругости: Издательство Харьковского Университета, 1964, с.463].

Изменяя модуль упругости Е, находят такое его значение E=17.1·10-10 Па, при котором совпадают (из расчета минимальной среднеквадратичной ошибки) экспериментальная зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на наночастицу с аналитической зависимостью перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на упругий шар, сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы его диаметра.

Благодаря предложенному способу стало возможным определять модуль упругости и в шарообразных микро- и наночастицах.

Похожие патенты RU2296972C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ЮНГА МАТЕРИАЛОВ 2005
  • Вахрушев Александр Васильевич
  • Липанов Алексей Матвеевич
  • Шушков Андрей Александрович
RU2292029C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ЮНГА МАТЕРИАЛА МИКРО- И НАНОЧАСТИЦ 2012
  • Вахрушев Александр Васильевич
  • Шушков Андрей Александрович
  • Зыков Сергей Николаевич
RU2494038C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА НАНОИНДЕНТИРОВАНИЕМ 2013
  • Худолей Андрей Леонидович
  • Кузнецова Татьяна Анатольевна
RU2551263C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ЮНГА И КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА МАТЕРИАЛА МИКРО- И НАНОЧАСТИЦ 2005
  • Вахрушев Александр Васильевич
  • Шушков Андрей Александрович
RU2297617C1
Устройство 3D визуализации деформационного состояния поверхности материала в области упругих деформаций 2019
  • Николаев Андрей Леонидович
  • Сукиязов Александр Гургенович
  • Зеленцов Владимир Борисович
  • Садырин Евгений Валерьевич
  • Айзикович Сергей Михайлович
RU2714515C1
Устройство для проведения инструментального индентирования с возможностью экспериментального наблюдения области контакта индентора с поверхностью образца в реальном времени 2022
  • Николаев Андрей Леонидович
  • Голушко Иван Юрьевич
  • Садырин Евгений Валерьевич
  • Назаренко Дмитрий Владимирович
  • Айзикович Сергей Михайлович
RU2796200C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ 1998
  • Алейников С.М.
RU2145655C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УПРУГИХ КОНСТАНТ МАТЕРИАЛОВ 2011
  • Гапонов Владимир Егорович
  • Гуревич Вадим Семенович
  • Исаев Анри Мулдабекович
RU2465551C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТРУБОПРОВОДА 2000
  • Кузнецов Н.С.
  • Тарасюк П.С.
  • Кузнецов А.Н.
RU2194967C2
ПРИБОР ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВ НА СЖИМАЕМОСТЬ 2013
  • Невзоров Александр Леонидович
  • Дорошенко Сергей Петрович
RU2555981C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 296 972 C1

Реферат патента 2007 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ЮНГА МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов. Сущность: проводят экспериментальные сжатия шарообразной микро- или наночастицы разной сосредоточенной силой. Вычисляют перемещения в точке действия силы на частицу. Строят зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на частицу. Для справочных значений модуля упругости и коэффициента Пуассона исследуемого материала сравнивают экспериментальную зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке ее действия на частицу с аналитической зависимостью перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на упругий шар, сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы диаметра и направленными параллельно. Радиус упругого шара равен радиусу частицы, прикладываемые расчетные силы к упругому шару равны прикладываемой силе к частице. Изменяя модуль упругости, находят такое его значение, при котором совпадают (из расчета минимальной среднеквадратичной ошибки) экспериментальная зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на частицу с аналитической зависимостью перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на упругий шар, сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы его диаметра. Технический результат: возможность определения модуля упругости для шарообразных микро- и наночастиц. 4 ил.

Формула изобретения RU 2 296 972 C1

Способ определения модуля упругости Юнга материалов путем приложения сжимающих нагрузок, отличающийся тем, что проводят экспериментальные сжатия шарообразной микро или наночастицы разной сосредоточенной силой, вычисляют перемещения в точке действия силы на частицу; строят зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на частицу; для справочных значений модуля упругости и коэффициента Пуассона исследуемого материала сравнивают экспериментальную зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке ее действия на частицу с аналитической зависимостью перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на упругий шар, сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы диаметра и направленными параллельно, при этом радиус упругого шара равен радиусу частицы, прикладываемые расчетные силы к упругому шару равны прикладываемой силе к частице; изменяя модуль упругости, находят такое его значение, при котором совпадают (из расчета минимальной среднеквадратичной ошибки) экспериментальная зависимость перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на частицу с аналитической зависимостью перемещений от величины прикладываемой силы в точке действия силы на упругий шар, сжимаемый сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы его диаметра.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2007 года RU2296972C1

Способ определения модуля упругости материала 1980
  • Пономарев Сергей Васильевич
  • Федоренко Владимир Дмитриевич
SU957054A1
Способ определения модуля упругости материала 1990
  • Ерасов Владимир Сергеевич
  • Пацак Михаил Михайлович
  • Загребалов Александр Александрович
SU1758475A1
Способ определения модуля упругости материала 1980
  • Ивасышин Генрих Степанович
SU905714A1
JP 53129089, 10.11.1978.

RU 2 296 972 C1

Авторы

Вахрушев Александр Васильевич

Липанов Алексей Матвеевич

Шушков Андрей Александрович

Даты

2007-04-10Публикация

2005-07-29Подача