Устройство для испытания на растяжение образца из хрупкого материала на стержне Гопкинсона-Кольского Российский патент 2023 года по МПК G01N3/04 G01N3/30 

Изобретение предназначено для изучения деформационного поведения хрупких материалов при растяжении в условиях динамического нагружения при скоростях деформации 10²-10⁴ с^-1.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому техническому решению является устройство для испытаний образца материала на стержне Гопкинсона-Кольского, содержащее входной и выходной стержни, расположенные с двух сторон от образца (патент RU №2773418 опубл. 03.06.2022).

Для изучения деформационного поведения хрупких материалов при растяжении при динамическом нагружении возникает проблема закрепления (фиксации) образцов из хрупких материалов (горных пород, керамик и др.), так как нарезание резьбы в образцах из хрупких материалов представляет значительные технические трудности и поэтому испытание образцов хрупких материала на растяжение на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского не производится. Недостатком известного устройства является низкая надёжность закрепления образца из хрупкого материала (из керамики или горных пород) и невозможность испытаний на растяжение на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского.

Технической задачей предлагаемого решения является: повышение надёжности крепления образца, сохранность поверхности образца в месте контакта с захватом установки, создание возможности испытаний хрупких материалов на растяжение на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для испытания на растяжение образца из хрупкого материала на стержне Гопкинсона-Кольского, содержащее узлы крепления образца с двух сторон к стержням, причём каждый узел крепления содержит переходник и прижимную гайку, при этом переходник одним концом связан резьбовым соединением со стержнем, а другим концом с прижимной гайкой, а гайка выполнена из двух равных симметричных частей, скреплённых болтовым соединением, а место контакта гайки с образцом выполнено соответствующим профилю головки образца.

Отличительной особенностью предлагаемого решения является то, что каждый узел крепления содержит переходник и прижимную гайку, при этом переходник одним концом связан резьбовым соединением со стержнем, а другим концом с прижимной гайкой, а гайка выполнена из двух равных симметричных частей, скреплённых болтовым соединением, а место контакта гайки с образцом выполнено соответствующим профилю головки образца.

Сущность изобретения поясняется чертежами где на фиг. 1 изображена схема экспериментальной установки разрезного стержня Гопкинсона-Кольского, на фиг. 2 узел крепления образца к стержню со стороны выходного стержня, на фиг. 3 вид по стрелке А на фиг. 2, на фиг. 4 узел крепления образца к стержню со стороны входного стержня.

Устройство для испытания на растяжение образца 1 из хрупкого материала на стержне Гопкинсона-Кольского, содержит насос 2, камеру высокого давления 3, ствол 4, фотодатчики 5, ударник 6, входной стержень 7, тензорезисторы 8, 9, выходной стержень 10, раму 11, демпфер 12, частотомер 13, 14, 15, 16 - усилители 14, 15, 16, плату сбора данных 17, компьютер 18.

Каждый узел крепления образца 1 содержит переходник 19 и прижимную гайку 20. Переходник 19 одним концом связан резьбовым соединением со стержнем 7 или 10, а другим концом с прижимной гайкой 20. Гайка 20 выполнена из двух равных симметричных частей, скреплённых болтовым соединением 21. Место контакта 22 гайки 20 с образцом 1 выполнено соответствующим профилю головки 23 образца. Узел крепления содержит обойму 24, окружающую образец 1 и имеющую возможность контакта с входным 7 и выходным 10 стержнями. Место контакта образца 1 с прижимной гайкой 20 заполнено маслом вязкостью не менее 200 Па⋅с., например, ЦИАТИМ-201. Заполнение маслом предназначено для более равномерного распределения давления по поверхности контакта прижимной гайки с поверхностью образца, для того, чтобы избежать концентраций напряжений на поверхности контакта.

Для исследования поведения материалов в диапазоне скоростей деформаций 10²-10⁴ с^-1 использовался разрезной стержень Гопкинсона-Кольского, который широко применяется для изучения свойств материалов при сжатии, растяжении, сдвиге, изгибе и т.д.

Схематически установка разрезного стержня Гопкинсона-Кольского показана на Фиг. 1. Установка позволяет проводить динамические испытания широкого спектра материалов на растяжение (образцы из пластичных материалов с резьбой), сжатие и сдвиг. Установка собрана на раме 11, на которой располагаются основные части. В камеру высокого давления 3 с помощью насоса 2 нагнетается воздух до требуемого давления. После открывания клапана сжатый воздух разгоняет ударник 6 по стволу 4. Для измерения скорости ударника на конце ствола установлена система измерения скорости. Сигнал с фотодатчиков 5 поступает на вход схемы усиления 14, а затем на вход частотомера 13.

Устройство для испытаний при растяжении состоит из двух длинных стержней входного 7 (нагружающего) и выходного 10 (опорного) с достаточно высоким пределом их текучести и образца 1, расположенного между их торцами. При соударении продольный импульс сжатия прилагается к левому концу входного стержня 7 и возбуждает в нем упругую одномерную волну сжатии. Этот исходный импульс свободно проходит через обойму 24 (обойма выполнена разъемной из двух равных симметричных частей, скреплённых болтовым соединением 25, для удобства сборки), и образец 1, не вызывая деформации последнего (основная часть волны распространяется через обойму, имеющую высокий предел текучести), в выходной стержень 10 и, достигнув свободного торца этого стержня, отражается волной растяжения. Этот импульс растяжения является исходной падающей волной для растяжения образца 1. Импульс растяжения, достигнув образца, частично проходит через него во входной стержень 7, частично отражается назад в выходной стержень 10. Образец 1 при этом претерпевает неупругую деформацию, а обойма 24 не испытывает растяжения, так как она не скреплена со стержнями.

Такое устройство крепления образца обеспечивает повышение надёжности крепления образца, сохранность поверхности образца в месте контакта с захватом установки, создание возможности испытаний хрупких материалов на растяжение на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского в диапазоне скоростей деформаций 10²-10⁴ с^-1.

Изобретение предназначено для изучения деформационного поведения хрупких материалов при растяжении в условиях динамического нагружения при скоростях деформации 10²-10⁴ с^-1. Устройство содержит узлы крепления образца с двух сторон к стержням Гопкинсона-Кольского. Каждый узел крепления содержит переходник и прижимную гайку. Переходник одним концом связан резьбовым соединением со стержнем, а другим концом с прижимной гайкой. Гайка выполнена из двух равных симметричных частей, скрепленных болтовым соединением. Место контакта гайки с образцом выполнено соответствующим профилю головки образца. Технический результат: повышение надёжности крепления образца, сохранность поверхности образца в месте контакта с захватом установки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для испытания на растяжение образца из хрупкого материала на стержне Гопкинсона-Кольского, содержащее узлы крепления образца с двух сторон к стержням, отличающееся тем, что каждый узел кепления содержит переходник и прижимную гайку, при этом переходник одним концом связан резьбовым соединением со стержнем, а другим концом с прижимной гайкой, а гайка выполнена из двух равных симметричных частей, скреплённых болтовым соединением, а место контакта гайки с образцом выполнено соответствующим профилю головки образца.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что место контакта образца с прижимной гайкой заполнено маслом вязкостью не менее 200 Па⋅с.