СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ МАТЕРИАЛА Российский патент 2018 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к оптическим способам измерения деформаций в области исследования механических свойств материалов, в частности инструментальных сталей и твердых сплавов, путем приложения сжимающих статических нагрузок.

Известен способ исследования механических свойств материалов сжатием (ГОСТ 25.503-97. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. Минск, 1998), в котором образец предварительно нагружают между плитами пресса, устанавливают на образец тензометры, нагружают ступенчато-возрастающей нагрузкой, измеряют силы нагружения, а также контактным методом продольные и поперечные деформации образца.

Недостатком известного способа является его низкая точность из-за использования контактного метода измерения с помощью тензометров, а также сложность обработки результатов измерений для определения упругих постоянных.

Наиболее близким к предлагаемому является способ исследования деформации материала (пат. РФ №2023252, МПК 5 G01N 3/00, G01B 11/16, опубл. 15.11.1994, Бюл. №21), который выбран в качестве прототипа. Известный способ заключается в том, что полируют одну из граней исследуемого образца и поверхность подвижной плиты пресса, обращенную к неподвижной плите. Устанавливают и деформируют образец между подвижной и неподвижной плитами пресса. Освещают зеркально-полированные поверхности образца и подвижной плиты пучками когерентного монохроматического излучения. Формируют интерференционные картины посредством двуплечих интерферометров, в рабочих плечах которых располагают соответственно зеркально-полированную поверхность образца и зеркально-полированную поверхность подвижной плиты. В процессе испытания измеряют силу нагружения. По изменению интерференционных картин определяют деформации материала, а модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ определяют по формулам:

где P - сила нагружения;

n и m - числа считанных интерференционных линий соответственно на продольном и поперечном интерферометрах;

a - толщина образца в направлении, перпендикулярном полированной грани;

l и b - длина и ширина образца соответственно;

λ - длина волны источника когерентного монохроматического излучения.

Недостатками этого способа являются невозможность проведения измерений на нагретом образце из-за быстрой потери тепла, связанной с его стоком в плиты пресса и длительностью установки и настройки, а также недостаточная точность измерений из-за погрешностей, возникающих от просадки неподвижной плиты под воздействием силы нагружения и большой разности температур образца и плит пресса.

Задачей изобретения является повышение точности измерений упругих постоянных материала при высоких температурах.

Поставленная задача решается за счет получения следующих технических результатов. Нагрев образца производится в его рабочем положении непосредственно перед проведением испытания и с поддержанием температуры нагрева в процессе испытания. Изменение длины образца регистрируется путем измерения расстояния между плитами пресса.

Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Полируют одну из боковых граней исследуемого образца и поверхность подвижной плиты пресса, обращенную к неподвижной плите. Устанавливают и деформируют образец между плитами пресса. Освещают зеркально-полированные поверхности образца и подвижной плиты пучками когерентного монохроматического излучения. Формируют интерференционные картины посредством двуплечих интерферометров, в рабочих плечах которых располагают соответственно зеркально-полированную поверхность образца и зеркально-полированную поверхность подвижной плиты, причем луч рабочего плеча продольного интерферометра направляют на зеркально-полированную поверхность подвижной плиты через предварительно-изготовленную на неподвижной плите под углом 45 градусов зеркальную полированную поверхность. С наружных сторон плит пресса располагают электроды, между одной из плит и соответствующим электродом вводят слой полупроводника, нагревают образец путем пропускания постоянного электрического тока между электродами через образец, плиты и слой полупроводника. В процессе испытания непрерывно регистрируют температуру образца с помощью термопары, силу нагружения и по изменению интерференционных картин деформации материала, по которым определяют модуль упругости E и коэффициент Пуассона μ. Для получения более стабильного прогрева образца слой полупроводника также вводят между второй плитой и вторым электродом.

На фиг. 1 изображена оптико-механическая схема, поясняющая реализацию описываемого способа, на фиг. 2 - схема компенсации погрешностей, возникающих из-за просадки неподвижной плиты, за счет увеличения хода рабочего луча при использовании зеркально-полированной поверхности подвижной плиты под углом 45 градусов.

Способ осуществляется следующим образом.

Полируют поверхность 1 одной из боковых граней исследуемого образца 2 и поверхность 3 подвижной плиты 4 пресса, обращенную к неподвижной плите 5. С наружных сторон плит 4 и 5 пресса располагают электроды 6 и 7. Между одной из плит 5 и соответствующим электродом 7 вводят слой полупроводника 8. Устанавливают образец 2 между подвижной 4 и неподвижной 5 плитами пресса. Освещают зеркально-полированные поверхности 1 и 3 образца 2 и подвижной плиты 4 пучками когерентного монохроматического излучения лазера 9. Формируют интерференционные картины посредством двуплечих интерферометров 10 и 11, в рабочих плечах которых располагают соответственно зеркально-полированную поверхность 1 образца 2 и зеркально-полированную поверхность 3 подвижной плиты 4. Причем луч рабочего плеча продольного интерферометра 11 направляют на зеркально-полированную поверхность 3 подвижной плиты 4 через предварительно изготовленную на неподвижной плите 5 под углом 45 градусов зеркальную полированную поверхность 12, что позволяет автоматически компенсировать погрешности Δ1, возникающие из-за просадки неподвижной плиты 5, за счет увеличения хода луча рабочего плеча. Далее задают предварительную нагрузку на образец 2. Пропускают постоянный электрический ток между электродами 6 и 7 через образец 2, плиты 4 и 5 и слой полупроводника 8. При прохождении электрического тока через слой полупроводника 8 выделяется тепло, благодаря которому происходит нагрев плиты 5 и соответственно образца 2. В процессе испытания деформируют образец 2, непрерывно регистрируют температуру образца 2 с помощью термопары 13 и силу нагружения Р и ведут счет чисел n и m интерференционных линий с помощью фотоприемников 14 и 15, а результаты измерений записывают и обрабатывают на ПЭВМ 16. По изменению интерференционных картин определяют деформации материала, а модуль упругости E и коэффициент Пуассона μ определяют по формулам:

Для получения более стабильного прогрева образца слой полупроводника также вводят между второй плитой 4 и вторым электродом 6.

Пример осуществления способа. Взят образец из твердого сплава марки Т15К6 с размерами: толщина а и ширина b равны 6⋅10^-3 м, длина l=12⋅10^-3 м. Длина волны источника когерентного монохроматического излучения (лазер ЛГ-75) λ=0,6328⋅10^-6 м. Плиты пресса выполнены из твердого сплава марки ВК8. В качестве полупроводника использован порошок дисульфида молибдена, нанесенный ровным слоем толщиной 0,06⋅10^-3 м на медный электрод со стороны неподвижной плиты. При пропускании постоянного электрического тока в 75 А напряжение между электродами составило 1,2 В, а температура образца, измеряемая тарированной хромель-алюмелевой термопарой, составила 511 К. В результате нагружения образца силой P=60 кН при полученной температуре значения считанных интерференционных линий составили в продольном интерферометре n=151, в поперечном интерферометре m=9. После подстановки экспериментальных данных в приведенные формулы получены значения модуля упругости E=418,6 ГПа и коэффициента Пуассона μ=0,238.

Таким образом, описанный способ исследования деформации материала благодаря реализации нагрева образца в его рабочем положении непосредственно перед проведением испытания и поддержания температуры нагрева в процессе испытания, а также непрерывной регистрации изменения длины образца путем измерения расстояния между плитами пресса позволяет реализовать исследование упругих постоянных материала при высоких температурах с высокой точностью.

Изобретение относится к оптическим способам измерения деформаций в области исследования механических свойств материалов, в частности инструментальных сталей и твердых сплавов, путем приложения сжимающих статических нагрузок. В способе исследования деформаций материала полируют одну из боковых граней исследуемого образца и поверхность подвижной плиты пресса, обращенную к неподвижной плите. С наружных сторон плит пресса располагают электроды. Между одной из плит и соответствующим электродом вводят слой полупроводника. Устанавливают образец между плитами пресса. Освещают пучками когерентного монохроматического излучения лазера зеркально-полированные поверхности образца и подвижной плиты, располагаемые в рабочих плечах двуплечих интерферометров, с помощью которых формируют интерференционные картины. Причем для регистрации изменения длины образца путем измерения расстояния между плитами пресса луч рабочего плеча продольного интерферометра направляют на зеркально-полированную поверхность подвижной плиты через зеркальную полированную поверхность, предварительно изготовленную на неподвижной плите под углом 45 градусов. Задают предварительную нагрузку на образец. Пропускают постоянный электрический ток между электродами, при прохождении которого через слой полупроводника выделяется тепло, благодаря которому происходит нагрев образца. В процессе испытания деформируют образец, непрерывно измеряют температуру образца, силу нагружения P и ведут счет чисел интерференционных линий с помощью фотоприемников, а результаты измерений записывают и обрабатывают на ПЭВМ. По изменению интерференционных картин определяют деформации материала, а по ним модуль упругости E и коэффициент Пуассона. Технический результат - повышение точности измерений упругих постоянных материала при высоких температурах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ исследования деформации материала, по которому полируют одну из боковых граней исследуемого образца и поверхность подвижной плиты пресса, обращенную к неподвижной плите, деформируют образец между плитами пресса, освещают зеркально-полированные поверхности образца и подвижной плиты пучками когерентного монохроматического излучения, формируют интерференционные картины посредством двуплечих интерферометров, в рабочих плечах которых располагают соответственно зеркально-полированную поверхность образца и зеркально-полированную поверхность подвижной плиты, в процессе испытания регистрируют силу нагружения и по изменению интерференционных картин определяют деформации материала, по которым определяют модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ, отличающийся тем, что с наружных сторон плит пресса располагают электроды, между одной из плит и соответствующим электродом вводят слой полупроводника, нагревают образец путем пропускания постоянного электрического тока между электродами через образец, плиты и слой полупроводника, непрерывно измеряют температуру образца с помощью термопары, а луч рабочего плеча продольного интерферометра направляют на зеркально-полированную поверхность подвижной плиты через предварительно изготовленную на неподвижной плите под углом 45 градусов зеркальную полированную поверхность.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между второй плитой и вторым электродом также вводят слой полупроводника.