СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРЕДЕЛА ЛИНЕЙНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ Российский патент 2015 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к испытательной технике, к методам определения механических свойств материалов. Изобретение может использоваться при испытании образцов из вязко-упругих материалов, других полимерных материалов, а также при испытаниях тонкой проволоки или образцов в виде тонкостенных колец.

Чтобы охарактеризовать рассматриваемую проблему, приведем некоторые данные, указанные в книге «Механика полимеров» (см. раздел «Линейная теория вязкоупругости», стр.117 в книге: Огибалов П.М., Ломакин В.А., Кишкин Б.П. Механика полимеров. Изд-во Московского университета. 1975, 528 с), а также комментарии к этим данным.

Характерными особенностями жестких полимеров являются малая деформируемость и сильное влияние времени деформирования на их поведение. Эти особенности являются определяющими при математической формулировке задачи о расчете на прочность и деформируемость изделий из жестких полимеров. // Этот вопрос является актуальным не только для жестких полимеров, но и для полимеров другой жесткости.//

Пусть ε_ij - тензор малых деформаций, отнесенный к декартовой ортогональной системе координат X_i, σ_ij - соответствующий тензор напряжений. Тогда соотношения

, _,

где F_ij - функционалы по времени от деформаций и температуры T, замыкают систему уравнений механики сплошной среды и проблема построения теории деформирования тех или иных жестких полимеров сводится к конкретизации функционалов F_ij.

В некоторой области состояний материала, вблизи исходного состояния (т.е. ненапряженного и недеформированного состояния) для жестких полимеров имеет место линейность их механических свойств, т.е. функционалы F_ij удовлетворяют условиям:

//Строго говоря, в общем случае, для проверки выполнения соотношений (1) и (2) требуется бесконечное число экспериментов.//

Рассмотрим простой случай - растяжение одноосных образцов, обозначим σ₁₁ - осевое напряжение, ε₁₁ - осевая деформация образца.

Соотношение (2) означает следующее. Пусть есть два одинаковых образца. Если у первого образца деформация меняется во времени по закону ε₁₁₍₁₎(τ), а у второго образца по закону ε₁₁₍₂₎(τ)=a×ε₁₁₍₁₎(τ), то между величинами напряжений в первом образце σ₁₁₍₁₎(τ), и во втором образце σ₁₁₍₂₎(τ) должно выполняться соотношение

причем это соотношение должно выполняться для каждого момента времени. // Таким образом, в данном случае, способ оценки пределов линейности может заключаться в следующем. Берется два идентичных образца, один образец деформируется по закону ε₁₁₍₁₎(τ), а второй образец по закону

ε₁₁₍₂₎(τ)=a×ε₁₁₍₁₎(τ),

в процессе деформации замеряют приложенное усилие и вычисляют напряжения в этих образцах (проводится непрерывная запись величины усилия или для дискретных моментов времени) и проводится проверка выполнения условия (3). Если при малых деформациях соотношение (3) выполнялось достаточно точно, а при увеличении деформации с какого-то момента различия между правой и левой частями соотношения (3) начинают заметно возрастать, то можно считать, что мы превысили предел линейности. За оценку предела линейности (по деформациям) можно принять то значение деформации, при котором разность

|σ₁₁₍₂₎(τ)-a×σ₁₁₍₁₎(τ)|

станет заметной, например, превысит 5% или 10% от |σ₁₁₍₂₎(τ)|.

Соотношение (1) (при его использовании совместно с соотношением (2)) означает следующее. Пусть есть три одинаковых образца. Если у первого образца деформация меняется во времени по закону ε₁₁₍₁₎(τ), у второго образца по закону ε₁₁₍₂₎(τ), а у третьего образца по закону

ε₁₁₍₃₎(τ)=a×ε₁₁₍₁₎(τ)+b×ε₁₁₍₂₎(τ),

то между величинами напряжений в первом образце σ₁₁₍₁₎(τ), во втором образце σ₁₁₍₂₎(τ) и в третьем образце σ₁₁₍₃₎(τ) должно выполняться соотношение

причем это соотношение должно выполняться для каждого момента времени.

Таким образом, в данном случае, способ оценки пределов линейности может заключаться в следующем. Берется три идентичных образца, один образец деформируется по закону ε₁₁₍₁₎(τ), второй образец - по закону ε₁₁₍₂₎(τ), а третий образец - по закону

ε₁₁₍₃₎(τ)=a×ε₁₁₍₁₎(τ)+b×ε₁₁₍₂₎(τ),

в процессе деформации замеряются усилия и вычисляют напряжения в этих трех образцах (проводится непрерывная запись величин усилия или для дискретных моментов времени) и проводится проверка выполнения условия (4). Если при малых деформациях соотношение (4) выполнялось достаточно точно, а при увеличении деформации с какого-то момента различия между правой и левой частями соотношения (4) начинают заметно возрастать, то можно считать, что мы превысили предел линейности. За оценку предела линейности (по деформациям) можно принять то значение деформации, при котором разность

|σ₁₁₍₃₎(τ)-[a×σ₁₁₍₁₎(τ)+b×σ₁₁₍₂₎(τ)]|.

станет заметной, например, превысит 5% или 10% от |σ₁₁₍₃₎(τ)|.

Известен способ определения усилия текучести при испытании проволочного образца на растяжение (см. описание изобретения к А.с. СССР SU 1779975 A1, G01N 3/08, Б.и. №45, 1992 г.), заключающийся в следующем. Образец проволоки (например, длиной 900 мм) закрепляют в захватах разрывной (испытательной) машины, рабочую часть образца посредством контактов включают в качестве плеч в схему уравновешенного моста Уитстона с источником питания и нуль-индикатором. Суть изобретения заключается в том, что в качестве критерия начальной пластической деформации принято изменение электрического сопротивления в локальной зоне рабочей части образца, вызванное пластическим течением, по сравнению с упруго-напряженной остальной зоной рабочей части образца.

Локальное изменение электросопротивления улавливается путем включения рабочей части образца в роли четырех плеч в схему уравновешенного моста Уитсона, а усилие локальной текучести определяется в момент разбалансировки моста по нуль-индикатору.

В описании к А.с. СССР SU 1779975 A1 приведен следующий пример. Образец наклепанной стальной проволоки толщиной 1,05 мм и длиной 900 мм установлен в разрывную машину FPZ-10. На рабочую часть образца установлены пять зажимов типа «крокодил». Зажимы присоединены к источнику питания на 0,5 А и к самопишущему вольтметру Н399 на предел 5 мВ по схеме моста Уитсона, причем участки образца между зажимами представляют собой плечи моста. Дано предварительное нагружение образца, перемещением среднего зажима вдоль образца нуль-индикатор приведен к нулю. Нагружение продолжили. Испытание вели с записью диаграммы растяжения. Разбалансировка моста произошла в момент, предшествующий явному излому кривой, записанной на диаграмме. Таким образом, способ обеспечивает выявление максимально допустимого нагружения изделия из материала образца с повышенной точностью и достоверностью. Дополнительно к этому, способ позволяет упростить испытания за счет исключения операции разгружения образца и обмера длины рабочей части для определения остаточного удлинения. Способ пригоден для испытания проволоки, холоднокатаной и сплющенной ленты, в том числе элетротехнического назначения.

Совпадающими признаками данного способа и заявляемого способа являются следующие. Рабочая часть исследуемого материала разделена на участки, каждый из которых может рассматриваться как самостоятельный образец. В результате при испытаниях нагружается одновременно несколько объектов испытания, причем одинаковым усилием в каждый момент времени (рассматриваются квазистатические процессы нагружения, когда можно пренебречь инерционными силами).

Недостатками этого способа являются следующие. Этот способ применим только для токопроводящих материалов.

Известен способ оценки предела линейности механических свойств (см. стр.366, строки 15-20 (пункт 2)) в статье: Огибалов П.М., Тюнеева И.М. Область линейности механических свойств армированных пластиков. Стр.366-370 в журнале: Механика полимеров, 1969, №2), заключающийся в следующем. «Если с двумя одинаковыми телами за время t проведены два опыта деформации двумя различными системами сил, то в третьем опыте с таким же телом за такое же время t при условии, что действует система сил, равных сумме соответствующих сил первого и второго опытов, перемещения в каждый момент времени будут равны сумме соответствующих перемещений в первых двух опытах.»

Совпадающими признаками этого известного способа и заявляемого способа являются следующие. Нагружают более чем один объект испытания, причем различными системами сил, и сравнивают перемещения в каждый момент времени.

Недостатки этого известного способа заключаются в следующем. На практике сложно реализовать синхронно во времени нагружение (время отсчитывается от начала процесса), при котором действует система сил, равных сумме соответствующих сил первого и второго опытов (для каждого момента времени).

Известен способ оценки области линейности механических свойств (см. стр.366, строки 13-15 (пункт 1)) в статье: Огибалов П.М., Тюнеева И.М.

Область линейности механических свойств армированных пластиков. Стр.366-370 в журнале: Механика полимеров, 1969, №2), заключающийся в следующем (этот способ принят в качестве прототипа). В указанной статье в пункте 1) (см. стр.366, строки 13-15) сказано следующее. «Если в любых двух опытах в одинаковые (от начала процесса) моменты времени силы различаются множителем n, то и перемещения будут различаться тем же множителем n.»

Из сказанного выше следует следующее.

Образец №1 нагружают силой P₁(t), при этом напряжение, вызванное этой нагрузкой, будет σ₁(t), а соответствующая деформация будет ε₁(t) и перемещение U₁(t).

Образец №2 нагружают силой P₂(t)=n×P₁(t), при этом напряжение, вызванное этой нагрузкой, будет σ₂(t)=n×σ₁(t), а соответствующая деформация будет ε₂(t)=n_*×ε₁(t) и перемещение U₂(t)=n_*×U₁(t).

В области линейности механических свойств перемещения будут различаться тем же множителем, т.е. n_*=n. // Естественно, что экспериментальные данные могут иметь какой-то разброс. Поэтому следует определять некоторое предельное значение напряжения (или деформации), когда при дальнейшем увеличении напряжения разница между значениями n_* и n начинает возрастать. Можно выделить характерные значения напряжения (или деформации), когда эта разница превысит, например, 5% или 10%.

Совпадающими признаками этого известного способа и заявляемого способа являются следующие. Нагружают два объекта испытания; в одинаковые (от начала процесса) моменты времени приложенные к образцам силы различаются множителем n. Сравнивают значения перемещений, - в области линейности перемещения будут различаться тем же множителем n.

Недостатки этого известного способа заключаются в следующем. На практике сложно реализовать два режима нагружения, при которых силы различаются множителем n для каждого одинакового (от начала процесса) момента времени.

Задача изобретения заключается в том, чтобы обеспечить режим нагружения двух объектов испытаний, при котором нагрузки различаются множителем n для каждого одинакового (от начала процесса) момента времени.

Задача решается тем, что одновременно испытываются нагрузкой одной и той же величины два объекта испытаний, имеющих разное сечение и разную длину; причем длина объекта испытаний прямо пропорциональна его площади поперечного сечения. В частности, один объект испытаний может представлять собой образец длиной L_o, сечением S_o, а другой объект испытания представляет собой два рядом расположенных образца, каждый из которых имеет сечение S_o, а длину 2L_o. Эти объекты испытания одноименными концами с помощью гибких элементов (но жестких на растяжение) закреплены на жесткой неподвижной станине. А другими одноименными концами эти объекты испытания с помощью гибких элементов (но жестких на растяжение) крепятся к подвижной жесткой, но легкой траверсе. Причем расстояние между точками крепления объектов испытания к жесткой станине и между точками крепления объектов испытания к легкой траверсе одинаково. Посередине между точками крепления образцов к легкой подвижной траверсе предусмотрена зона приложения нагрузки. При приложении нагрузки траверса без трения может отклоняться от первоначального горизонтального положения.

Сущность изобретения заключается в том, что обеспечивается одновременное нагружение двух объектов испытаний и при этом в любой момент времени (от начала нагружения) сохраняется неизменным соотношение между величинами нагрузок, действующими на образцы.

Технический результат изобретения заключается в том, что облегчается процедура поддержания пропорциональности нагрузок, действующих на два разных образца для каждого момента времени, отсчитываемого от начала процесса.

Предполагается, что инерционные силы малы, при этом динамические нагрузки не рассматриваются.

Практика показала, что, например, для закрепления образцов в виде кусков резиновой трубки велониппеля, кусков «рыболовного» кембрика (трубки из эластомерного материала) и т.п. вполне подходят зажимы типа «крокодил». Эти зажимы позволяют надежно закрепить концевую часть образца и при растяжении образца не происходит «проскальзывания» (в рабочей части образца остается практически тот же участок исследуемого (растягиваемого) материала).

Например, испытывалась резиновая трубка велониппеля. Длина рабочей части одного образца составляла 70 мм, длина рабочей части другого образца составляла 140 мм (наружный диаметр резиновой трубки 3,4 мм, внутренний диаметр 2,4 мм).

На фиг.1 показана схема крепления и нагружения образцов, а также схема замера перемещений. //Размеры образцов: «ширина» (диаметр), длина на фиг.1 показаны условно.//

На фиг.1 обозначено.

1 - образец, имеющий в рабочей части площадь сечения S_o, а длину L_o.

2 и 3 - представляют собой второй объект испытаний, например, 2 и 3 одинаковые образцы, площадь сечения каждого из них S_o, а длина 2×L_o, в итоге этот объект испытаний имеет площадь сечения 2×S_o, а длину 2×L_o.

4 и 5 - жесткие элементы, к которым с помощью гибких (но жестких на растяжение) элементов 11, 12, 13, 14 крепятся образцы 2 и 3.

6 - подвижная жесткая легкая траверса (далее используется наименование: «траверса 6»), служащая для нагружения испытуемых образцов 1, 2 и 3; 6 - это начальное положение траверсы 6.

7 - положение траверсы 6 после приложения нагрузки P (в случае отклонений от линейности поведения материала при его растяжении).

8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 - гибкие (но жесткие на растяжение) элементы (например, куски гибкого, тонкого троса или жесткой на растяжение нити).

16 и 17 - зоны крепления гибких элементов, соответственно 10 и 9, к жесткой неподвижной станине.

18 и 19 - зоны крепления гибких элементов, соответственно 15 и 8, к траверсе 6.

20 - точка приложения нагрузки P к траверсе 6.

21 и 22 - шкалы с делениями, по которым замеряются величины смещения траверсы 6 при приложении нагрузки P.

23 и 24 - точки, в которые перемещаются соответственно точки 15 и 19 после приложения нагрузки P (в случае отклонений от линейности поведения материала при его растяжении).

Для обеспечения условия, что на образец 1 в любой момент времени действует та же сила, что и на систему образцов 2 и 3, необходимо, чтобы точки 18, 19, 20 лежали на одной прямой (см. фиг.1).

Для удобства при обработке результатов испытаний следует соблюдать симметрию в расположении деталей. В частности, в начальном положении (нагрузка P равна малому начальному значению, траверса 6 расположена горизонтально) расстояние между точками 16 и 17 должно равняться расстоянию между точками 18 и 19. Расстояние между точками 18 и 20 должно равняться расстоянию между точками 20 и 19. Траверса 6 должна располагаться горизонтально (удобно, чтобы верхняя граница траверсы 6 была прямолинейной и показания шкал 21 и 22, указывающие положение верхней границы траверсы 6 в начальный момент, были бы одинаковыми). Точка 20 должна быть одинаково удалена от левой границы шкалы 21 и от правой границы шкалы 22. Нагрузка P действует вдоль вертикальной прямой. Для удобства в зонах точек 16 и 17 следует предусмотреть устройства, позволяющие регулировать длину рабочей части гибких элементов 9 и 10 (эти устройства для регулировки длины на фиг.1 не показаны). При необходимости в зоне крепления элемента 8 к траверсе 6 (см. точку 19) могут крепиться дополнительные грузы для компенсации веса детали 5 и дополнительного веса образцов 2 и 3 (эти дополнительные грузы на фиг.1 не показаны).

Для удобства шкалы 21 и 22 должны быть идентично закреплены, при этом, когда траверса 6 расположена горизонтально (на систему действует малая начальная нагрузка, направленная вертикально вниз), показания шкал 21 и 22 должны быть одинаковыми.

Испытания с целью получения оценки предела линейности механических свойств материалов при деформировании проводят следующим образом. Выбирают длину рабочей части образца 1 (например, длина рабочей части образца в виде резиновой трубки велониппеля была 70 мм, плюс два раза по 10 мм для закрепления образца, итого длина заготовки 90 мм). Образцы 2 и 3 имели длину рабочей части, вдвое большую (длина заготовки была 160 мм). Оказалось (экспериментально проверено), что образцы в виде резиновой трубки велониппеля хорошо закрепляются зажимами типа «крокодил». Поэтому к концам гибких элементов 8, 9, 11, 12, 13, 14 крепятся зажимы типа «крокодил» (на фиг.1 эти зажимы не показаны). С помощью зажимов типа «крокодил» крепятся образцы 1, 2, 3, при этом длина рабочей части образцов 2 и 3 вдвое больше длины рабочей части образца 1. С помощью регулировочных устройств, размещенных, например, в зонах точек 16 и 17 (на фиг.1 они не показаны), регулируется длина гибких элементов 10 и 9 так, чтобы траверса 6 располагалась примерно горизонтально. Затем прикладывается малая начальная нагрузка и проводится более точная регулировка так, чтобы траверса 6 располагалась горизонтально (при этом показания шкалы 21 и шкалы 22 должны совпадать, или почти совпадать). Поэтапно увеличивают нагрузку P и фиксируют показания шкал 21 и 22, указывающие координаты концевых частей траверсы 6.

Сила, растягивающая образец 1, и сила, растягивающая систему одинаковых образцов 2 и 3, равны между собой. Но образцы 2 и 3 вдвое длинней, а на каждый из них приходится нагрузка, вдвое меньшая. В итоге, если материал деформируется в линейной области, то перемещения в обоих случаях должны быть одинаковыми, а, значит, траверса 6 при возрастании нагрузки будет перемещаться поступательно, оставаясь в горизонтальном положении. Фактически обычно не наблюдается четкой границы между областями линейного и нелинейного деформирования, поэтому следует получить оценки, когда отклонения (например, по деформациям) от линейности характеризуются величиной 5% или 10%.

X₁ X₂, Y₁, Y₂ - показания шкал 22 и 21, характеризующие положение траверсы 6 при приложении нагрузки P (см. фиг.1).

X₁ - показания шкалы 22, характеризующие положение концевой части траверсы 6 в начальный момент (когда нагрузка равна малому начальному значению).

X₂ - показания шкалы 22, характеризующие положение концевой части траверсы 6 при приложении нагрузки Р.

Y₁ - показания шкалы 21, характеризующие положение концевой части траверсы 6 в начальный момент (когда нагрузка равна малому начальному значению).

Y₂ - показания шкалы 21, характеризующие положение концевой части траверсы 6 при приложении нагрузки Р.

Z₁ - среднее значение показаний шкалы 22 и шкалы 21, характеризующее положение траверсы 6 в начальный момент (это значение равно координате верхней границы траверсы 6 в зоне расположения точки 20, когда нагрузка равна малому начальному значению).

Z₂ - среднее значение показаний шкалы 22 и шкалы 21, характеризующее положение траверсы 6 при приложении нагрузки P (это значение равно координате верхней границы траверсы 6 в зоне расположения точки 20, когда нагрузка равна P).

Рассматриваем малые отклонения от линейности (угол φ мал, см. фиг.1). В этом случае для расчетов можно использовать представленные ниже соотношения.

Итак, при малой начальной нагрузке зафиксированы значения X₁ и Y₁ (в идеальном случае эти значения должны совпадать, но фактически может быть некоторое различие между этими величинами, поэтому в расчетных формулах используются эти два значения). Затем приложена нагрузка P и зафиксированы значения X₂ и Y₂. Расчеты проводятся по следующим формулам (здесь L_o - начальная длина более короткого образца, предполагается, что точки 16 и 17 лежат на одной горизонтальной прямой):

ε₁ - деформация образца 1;

2×ε₂ - удвоенная деформация образца 2 (и образца 3); //на практике возможны случаи, когда ε₁<2×ε₂, в этом случае величина Δ₂ считается отрицательной//.

Здесь а (или а) - расстояние между точками 16 и 17, равное расстоянию между точками 18 и 19; b - расстояние (измеряемое по горизонтали) соответственно между левой кромкой шкалы 21 и правой кромкой шкалы 22 (см. фиг.1). //При больших значениях угла φ (см. фиг.1) будут более сложные соотношения для расчета деформаций.//

Под словами «точка 16, 17, 18, 19, 20, 23, 24» следует понимать центр отверстия малого диаметра, в которое вставлена ось или продета достаточно жесткая на растяжение «нить» или другой элемент, причем эти элементы не мешают свободному повороту траверсы 6 (трение мало; силы, передаваемые на испытуемые образцы, направлены соответственно вдоль элементов 10, 9, 15, 8 (предполагается, что приложена сила P и элементы 10, 9, 15, 8 и 11, 12, 13, 14 «натянуты»)).

С использованием данного способа можно испытывать также металлические образцы в виде тонких колец. В этом случае образец 1 представляет собой кольцо, к которому вдоль диаметра приложена растягивающая сила. А образцы 2 и 3 представляют собой «цепочки» из двух последовательно соединенных таких же кольцевых образцов.

//При испытании податливых материалов или податливых образцов в виде колец элементы 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и зоны их крепления (см., например точки 16, 17, 18, 19) не испытывают больших нагрузок. Если образцы 1, 2, 3 достаточно жесткие и для их растяжения требуются значительные усилия, то и остальные детали, включая зажимы для крепления образца, должны быть рассчитаны на высокие нагрузки.//

Следует заметить, что при испытании одноосных образцов нелинейность может быть обусловлена не только нелинейностью свойств материала, но и тем, что при растяжении меняется площадь сечения образца. Резиноподобные материалы относятся к классу так называемых малосжимаемых материалов. У этих материалов модули Е и G на несколько порядков меньше модуля объемного сжатия К, при этом часто принимается, что при деформировании объем материала не изменяется.

Пусть деформированный образец имеет длину L₁ (недеформированный образец имеет длину L_1,0):

L₁=_L1,0×(1+ε)

и соответственно площадь поперечного сечения S₁ (недеформированный образец имеет площадь поперечного сечения S_1,0). Из условия сохранения объема получим:

Аналогично для второго образца получаем

Так как у нас один из объектов испытаний представляет собой два рядом расположенных образца, каждый из которых имеет то же сечение, но вдвое длинней, чем другой объект испытаний, для получения приближенных оценок примем, что соотношение между деформациями объектов испытаний характеризуется соотношением: ε₂=0,5×ε. В этом случае получаем, что

Таким образом, при малых деформациях ε (ε - осевая деформация короткого образца) относительная разность площадей сечения растянутых образцов из двух разных объектов испытания (нагружаемых одновременно) будет составлять примерно 0,5×ε.

Нагрузка P равномерно распределяется между объектами испытаний: усилие P/2 растягивает правую ветвь рассматриваемой системы (т.е. образец 1); усилие P/2 растягивает левую ветвь (т.е. образцы 2 и 3). При испытании эластичных или мягких материалов, а также тонкой проволоки надо учитывать вес захватных приспособлений и вес самих образцов 1, 2, 3. Захватные приспособления, используемые для крепления образцов, на правой ветви и левой ветви должны иметь примерно одинаковый вес. Желательно уравновешивать правую и левую ветви системы. Это замечание относится к случаю, когда рассматриваемая система располагается вертикально и нагрузка P направлена вертикально вниз. Рассматриваемая система может располагаться в горизонтальной плоскости, при этом поверхность, по которой перемещаются («скользят») образцы 1, 2, 3, траверса 6 и другие детали, должна быть гладкой, чтобы не возникало заметных сил трения.

Т.к. у объекта испытаний № II (образцы 2 и 3) площадь сечения вдвое больше, чем площадь сечения у объекта испытаний № I (образец 1), то при одинаковой нагрузке P/2 в образцах 2 и 3 будут вдвое меньшие напряжения, чем в образце 1, это означает что, при деформировании в пределах линейности, деформация образцов 2 и 3 будет вдвое меньше, чем деформация образца 1. Но, т.к. образцы 2 и 3 вдвое длиннее образца 1, то удлинение образцов 2 и 3 будет таким же, как у образца 1, поэтому траверса 6 должна перемещаться поступательно, т.е. при возрастании нагрузки P оставаться в горизонтальном положении.

Если нагрузка P достигнет такой величины, что будет превышен предел линейности механических свойств материала, то образец 1 будет растягиваться сильней, чем образец 2 (и образец 3), поэтому траверса 6 начнет отклоняться от горизонтального положения.

Способ реализуется следующим образом. Для обеспечения условия пропорциональности деформаций двух объектов испытаний для любого момента времени, отсчитываемого с момента нагружения объекта испытаний, с помощью гибких элементов составляют цепочку образцов, состоящую из двух объектов испытаний. Причем объекты испытаний имеют разную длину и разную площадь сечения. Причем площадь сечения объектов испытания прямо пропорциональна длине, например один объект испытаний может представлять собой образец, площадь сечения которого S_o, длина L_o. При этом другой объект испытаний представляет собой два рядом расположенных образца, нагружаемых одновременно, каждый из этих двух образцов имеет площадь сечения S_o, длину 2×L_o, в итоге этот объект испытаний имеет площадь сечения 2×S_o, а длину 2×L_o. О том, что превышен предел линейности судят по величине отклонения от горизонтали траверсы 6, с помощью которой нагрузка передается на испытуемые образцы.

Объекты испытания закрепляют в захватах испытательной установки, проводят нагружение двух объектов испытания, замеряют приложенное усилие, определяют деформацию объекта испытаний и следят за величиной угла поворота траверсы 6, с помощью которой нагрузка передается на испытуемые образцы.

Для вязко-упругих материалов удобно предварительно наметить план изменения нагрузки во времени, например, изменять во времени нагрузку по закону, имитирующему ожидаемый процесс нагружения материала в элементе конструкции.

Малая начальная нагрузка может составлять, например, около 5% от максимального значения нагрузки.

Если система располагается вертикально, то в качестве начальной нагрузки, возможно, достаточным будет вес траверсы 6.

Если система располагается горизонтально, то должна быть предусмотрена плоская горизонтальная гладкая поверхность, по которой свободно (без трения или с незначительными силами трения) могли бы перемещаться детали 1, 2, 3, 4, 5, 6, их соединяющие гибкие элементы и зажимы типа «крокодил» для крепления образцов. При малой начальной нагрузке четырехугольник, характеризуемый точками 16, 17, 19, 18, должен быть прямоугольником. Сила P прикладывается вдоль прямой, параллельной левой границы шкалы 21 и правой границы шкалы 22. При этом, под словами «горизонтальное положение траверсы 6» следует понимать положение траверсы 6, при котором верхняя граница траверсы 6 расположена по нормали к левой границе шкалы 21 и к правой границе шкалы 22.

Для удобства в описании изобретения подробно рассмотрен случай, когда второй объект испытаний представляет собой два рядом расположенных образца того же сечения, что и первый образец (первый объект испытаний), но имеющий вдвое большую длину рабочей части образца. Но второй объект испытаний может представлять собой, например, три рядом расположенных образца, нагружаемых одновременно равными нагрузками, но эти образцы имеют втрое большую длину рабочей части. В общем случае одновременно нагружаются одинаковыми силами объекты испытания, имеющие разное сечение и разную длину, причем длина рабочей части второго объекта испытаний пропорциональна площади его сечения.

В частности, при испытаниях были получены следующие результаты. Испытывалась резиновая трубка велониппеля, наружный диаметр 3,4 мм; внутренний диаметр 2,4 мм, площадь сечения 4,555 мм², длина рабочей части короткого образца 70 мм, длинного образца 140 мм. Результаты испытаний показаны в таблице 1.

Таблица 1 Результаты испытаний. Величина Числовое значение Нагрузка, H ≈0 2,3 2,7 4,0 Напряжение, МПа 0 0,252 0,296 0,439 Координата Y₂, мм 35,5 40,0 41,3 43,3 Координата X₂, мм 35,5 41,2 43,0 46,5 Расчетная величина Z₂, мм   40,6 42,15 44,9 Расчетная величина Δ₂, мм   0,507 0,718 1,35 Деформация ε₁ %   8,01 10,53 15,36 Деформация: 2×ε₂, %   7,42 8,47 11,50 [ε₁-(2×ε₂)]/ε×100, %   7,4 19,6 25,1

В таблице 1 указаны следующие величины. Нагрузка - это приложенное к системе усилие; при выдержках при постоянной деформации значение нагрузки заметно уменьшается, в таблице 1 приведены максимальные зафиксированные в опыте значения нагрузок. Т.к. имеется две (одинаково нагруженных) «ветви» образцов, то на образец 1 приходится вдвое меньшая нагрузка, чем указана в таблице 1. Напряжение - это напряжение в образце 1, вычисленное путем деления силы, приходящейся на образец 1, на значение начальной площади сечения (4,555 мм²). Координаты Y₂ и X₂ - это экспериментально замеренные значения, характеризующие положение траверсы 6. При «нулевой» нагрузке координаты Y₂ и X₂ совпадают с координатами Y₁, и X₁ (фиг.1). Величины Z₁ Z₂, Δ₂, ε₁, 2×ε₂ вычисляются по формулам (5)-(9).

Из таблицы 1 следует, что при деформации ε₁=8,01% разность замеренных деформаций для образца 1 ε₁ и удвоенной деформации 2×ε₂ второго образца составляет примерно 7,4%; если ε₁=10,53%, то эта разность достигает 19,6%. Значит, если за предел линейности взять условия, когда рассматриваемая разность будет равна 10%, то в этом случае предел линейности (по деформации) будет расположен в области: 8<ε₁<10,5%.

В таблице 1 приведены данные о величинах деформаций. Но, считая, что материал образцов деформируется равномерно, можно считать, что величины перемещений пропорциональны соответствующим деформациям.

Изобретение относится к испытательной технике, к методам определения механических свойств материалов. Сущность: испытывают одновременно два объекта испытаний, причем на каждый объект действует нагрузка одной и той же величины. Разные объекты имеют разную длину и площадь сечения. Площадь сечения объекта прямо пропорциональна его длине. Один объект представляет собой образец, площадь сечения которого S_o, длина L_o, а другой объект представляет собой два рядом расположенных образца, нагружаемых одновременно одинаковыми силами. Каждый из этих двух образцов имеет площадь сечения S_o, длину 2×L_o. Два объекта испытаний одноименными концами с помощью гибких, но жестких на растяжение элементов закрепляют на жесткой неподвижной станине, а другими одноименными концами с помощью гибких, но жестких на растяжение элементов крепят к легкой подвижной жесткой траверсе. Расстояние между точками крепления соответствующих гибких элементов к жесткой станине и между точками крепления соответствующих гибких элементов к легкой подвижной жесткой траверсе одинаково. Посередине между точками крепления соответствующих гибких элементов к этой подвижной траверсе расположена точка приложения внешней нагрузки. О том, что при нагружении достигнут предел линейности механических свойств материалов судят по величине угла поворота легкой подвижной траверсы, с помощью которой передают нагрузку на объекты испытаний. Технический результат: облегчение процедуры поддержания пропорциональности нагрузок, действующих на два разных образца для каждого момента времени, отсчитываемого от начала процесса. 1 табл. 1 ил.

Способ оценки предела линейности механических свойств материалов при деформировании, заключающийся в том, что проводят нагружение двух объектов испытания, причем при испытании второго объекта испытаний нагрузка в одинаковые (от начала процесса) моменты времени отличается в n раз от нагрузки, приложенной к первому объекту испытания, определяют перемещения и сопоставляют между собой результаты, полученные при испытаниях этих двух объектов испытаний, отличающийся тем, что для обеспечения условия пропорциональности нагрузок двух объектов испытаний для любого момента времени, отсчитываемого от начала процесса нагружения, испытывают одновременно два объекта испытаний, причем на каждый объект испытаний действует нагрузка одной и той же величины, причем разные объекты испытаний имеют разную длину и площадь сечения, при этом площадь сечения объекта испытания прямо пропорциональна его длине, в том числе один объект испытаний может представлять собой образец, площадь сечения которого S_o, длина L_o, при этом другой объект испытаний представляет собой два рядом расположенных образца, нагружаемых одновременно одинаковыми силами, каждый из этих двух образцов имеет площадь сечения S_o, длину 2×L_o, эти два объекта испытаний одноименными концами с помощью гибких, но жестких на растяжение элементов закрепляют на жесткой неподвижной станине, а другими одноименными концами с помощью гибких, но жестких на растяжение элементов крепят к легкой подвижной жесткой траверсе, причем расстояние между точками крепления соответствующих гибких элементов к жесткой станине и между точками крепления соответствующих гибких элементов к легкой подвижной жесткой траверсе примерно одинаково, при этом посередине между точками крепления соответствующих гибких элементов к этой подвижной траверсе расположена точка приложения внешней нагрузки, причем точки крепления соответствующих гибких элементов к этой подвижной траверсе и точка приложения внешней нагрузки к этой подвижной траверсе лежат на одной прямой, при этом длины гибких элементов регулируют так, чтобы в начальный момент (при малой начальной нагрузке) эта подвижная траверса располагалась горизонтально, т.е. нормально к прямым, проведенным через соответствующие точки крепления гибких элементов к неподвижной жесткой станине и к этой подвижной траверсе, при этом внешняя нагрузка направлена вдоль прямой, параллельной указанным выше прямым, а о том, что при нагружении достигнут предел линейности механических свойств материалов судят по величине угла поворота легкой подвижной траверсы, с помощью которой передают нагрузку на объекты испытаний (точнее, с учетом этого угла поворота вычисляют деформации объектов испытания для сравнения их между собой).