Устройство для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов Российский патент 2024 года по МПК G01N3/18 G01N25/72 

Изобретение относится к области технической физики, а именно к устройствам для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов, и может быть использовано для определении упругих характеристик материалов в процессе испытаний при знакопеременных нагрузках.

Проведение испытаний конструкционных керамических и композиционных материалов с учетом условий их применения при рабочей температуре до 1500°С включает изготовление плоского образца в виде пластины с уменьшенным сечением в рабочей зоне.

Одной из важных проблем в устройстве для испытаний, позволяющем провести высокотемпературные испытания, является обеспечение надежной фиксации образца в осевом направлении и измерение полей деформаций, что при известной приложенной знакопеременной нагрузке позволяет получить различные характеристики материала, такие как модуль упругости, модуль сдвига, коэффициенты Пуассона. Сложности возникают при определении модуля сдвига образцов из композиционных материалов, представляющих собой ортотропное, трансверсально-изотропное или анизотропное тело, т.к. измерение полей деформаций требуется проводить одновременно на исследуемом участке образца в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. В настоящее время широко используются бесконтактные методы измерения полей деформаций при помощи лазерных и видео экстензометров. Наибольшую популярность получили оптические системы измерения, основанные на корреляции цифровых изображений DIC (digital image correlation), представляющие собой оптический метод, используемый в техниках отслеживания и идентификации изображения для точных плоских и объемных измерений и/или изменений на изображении. Этот метод используется для измерения полей деформаций, полей перемещений и оптических потоков, которые основаны на корреляции цифровых изображений и позволяют строить поля деформации в рабочей зоне в процессе проведения испытаний.

Известно устройство для испытания плоских образцов, выполненное с возможностью установки устройства в захватах машины для испытания образцов на растяжение - сжатие, содержащее корпус, и крышку с окном, предназначенным для наблюдения и освещения поверхности образца, снабженную стеклом с твердостью не менее сапфирового (RU 87800, 2009 г.). В известном техническом решении крышка обеспечивает плотное прижатие к боковой поверхности края испытуемого образца, что позволяет предотвратить деформации последнего в направлении наблюдения. При этом устройство предназначено для визуализации подповерхностных зон локализации деформации образца материала в процессе испытания на истирание и позволяет визуально оценить кинетику и распределение деформации в поверхностных слоях материала во время испытаний.

Существенным недостатком известного технического решения являются ограниченные функциональные возможности, поскольку известное устройство не обеспечивает возможности высокотемпературных испытаний при знакопеременных нагрузках.

Известно устройство для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов, содержащее захваты типа «ласточкин хвост», предназначенные для крепления образца, и нагреватель (RU 2711557, 2019 г.). В известном техническом решении нагреватель представляет собой промежуточный элемент, выполненный из тугоплавкого проводящего материала, нагреваемого индукционным нагревателем до заданной температуры.

Существенным недостатком известного технического решения являются расчетные оценки условий достижения стационарного режима нагрева, необходимой длительности выдержки и распределения температур в испытуемом образце. При этом функциональные возможности известного технического решения ограничены определением предела прочности материала образцов при растяжении и сложностью применения средств измерения деформаций в процессе испытаний.

Известно устройство для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов, содержащее захваты, предназначенные для крепления образцов, нагреватели, расположенные соосно с захватами и образующие открытую центральную зону, предназначенную для размещения рабочей части испытуемого образца, и средство контроля деформаций, размещенное с возможностью доступа к открытой центральной зоне (RU 2794108, 2023 г.). В известном техническом решении захваты выполнены в виде зажимных губок, причем известное устройство предназначено для определения прочностных и упругих характеристик материала при испытании образцов на растяжение, и не предусматривает проведения испытаний при знакопеременных нагрузках. Кроме того, в известном техническом решении средство контроля деформаций выполнено в виде высокотемпературного контактного экстензометра, который не обеспечивает возможности одновременного измерения деформаций в разных направлениях. Экстензометр характеризуется заданным расстоянием между щупами, которое необходимо гарантировать в процессе испытания, что представляет собой определенные трудности. В результате возникают сложности при проведении испытаний в направлении, перпендикулярном плоскости армирования и при определении коэффициента Пуассона.

Таким образом, существенным недостатком известного технического решения являются ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому техническому решению является устройство для высокотемпературных испытаний плоских образцов, содержащее охлаждаемые захваты с пазами типа «ласточкин хвост», предназначенными для крепления образца, нагреватели, расположенные соосно с захватами и образующими открытую центральную зону, предназначенную для размещения рабочей части испытуемого образца, и оптические средства контроля полей деформаций, размещенные в двух направлениях с возможностью доступа к открытой центральной зоне (Experimental Mechanics «Overview of high - temperature deformasion measurement using digital image corretation», 13.04.2021 г., page 1, 7, fig. 4). В известном техническом решении в процессе высокотемпературных испытаний при температуре выше 800°С испытуемый образец начинает сильно светиться в инфракрасном и видимом диапазоне, что приводит к засвечиванию оптических средств контроля полей деформаций. В результате проведение измерения деформаций становится чрезвычайно сложной задачей. Кроме того, из-за разности плотности воздуха между оптическими средствами контроля и нагретым образцом происходит изменение оптического коэффициента преломления луча, что приводит к смещению картины распределения полей деформаций («эффект миража»). Для решения проблем с плотностью воздуха в известном техническом решении используется воздушная пленка («воздушный нож»), т.е. осуществляется подача охлажденного воздуха между средствами контроля деформаций и образцом.

Существенным недостатком известного технического решения является сложность обеспечения заданного распределения поля температур между испытуемым образцом и оптическими средствами контроля деформаций в процессе испытания плоского образца, закрепленного в захватах испытательной машины.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании устройства для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов, обеспечивающего расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности проведения испытаний при знакопеременных нагрузках с целью определения упругих характеристик материалов.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании устройства для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов, обеспечивающего повышение точности определения полей деформаций при знакопеременных нагрузках в процессе испытания за счет исключения возможности осевого перемещения образца в процессе испытания и возможности изменения оптического коэффициента преломления луча при использовании оптических средств контроля деформаций.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается за счет того, что в устройстве для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов, содержащем охлаждаемые захваты с пазами типа «ласточкин хвост», предназначенными для крепления образца, нагреватели, расположенные соосно с захватами и образующими открытую центральную зону, предназначенную для размещения рабочей части испытуемого образца, и оптические средства контроля полей деформаций, размещенные в двух направлениях с возможностью доступа к открытой центральной зоне, согласно предлагаемому техническому решению, каждое из оптических средств контроля полей деформаций выполнено в виде монокристалла сапфира, предназначенного для контакта с рабочей частью испытуемого образца, корпуса, предназначенного для размещения монокристалла сапфира и выполненного из материала с низкой теплопроводностью, и бесконтактного экстензометра, связанного с корпусом монокристалла сапфира с образованием вакуумной зоны, а устройство снабжено фиксаторами осевого положения испытуемого образца, выполненными в виде напряженных клиновых соединений, каждое из которых представляет собой пару клиньев, расположенных в пазу типа «ласточкин хвост» соответствующего захвата, причем угол наклона клиньев в соединении меньше удвоенного угла трения.

Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающих изобретение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, а именно:

- выполнение каждого из оптических средств контроля полей деформаций в виде монокристалла сапфира, предназначенного для контакта с рабочей частью испытуемого образца, корпуса, предназначенного для размещения монокристалла сапфира и выполненного из материала с низкой теплопроводностью, и бесконтактного экстензометра, связанного с корпусом монокристалла сапфира с образованием вакуумной зоны обеспечивает исключение возможности изменения оптического коэффициента преломления луча при использовании оптических средств контроля деформаций;

- снабжение устройства фиксаторами осевого положения испытуемого образца, выполненными в виде напряженных клиновых соединений, каждое из которых представляет собой пару клиньев, расположенных в пазу типа «ласточкин хвост» соответствующего захвата, с углом наклона клиньев в соединении меньше удвоенного угла трения исключает возможность осевого перемещения образца в процессе испытания при знакопеременных нагрузках.

Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием устройства для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов со ссылкой на иллюстрации, где:

- на фиг. 1 представлена схема устройства;

- на фиг. 2 представлена схема выполнения фиксаторов осевого положения испытуемого образца;

- на фиг. 3 представлен схема выполнения оптического средства контроля полей деформаций испытуемого образца;

- на фиг. 4 представлен схема размещения монокристалла сапфира в корпусе.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - захваты;

2 - нагреватели;

3 - оптические средства контроля полей деформаций;

4 - монокристалл сапфира;

5 - корпус;

6 - бесконтактный экстензометр;

7 - вакуумная зона;

8 - пазы;

9 - клинья;

10 - планки;

11 - плоский образец;

12 - рабочий участок плоского образца.

Устройство для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов содержит охлаждаемые захваты 1, предназначенные для крепления образца и связанные с испытательной машиной (на чертеже не показана). Соосно с захватами 1 расположены нагреватели 2, выполненные, например, в виде тороидальных ламп инфракрасного излучения, образующие открытую центральную зону и оптические средства 3 контроля полей деформаций, размещенные в двух направлениях с возможностью доступа к открытой центральной зоне (см. фиг. 1). Средства 3 контроля полей деформаций размещенных в двух направлениях с возможностью доступа к открытой центральной зоне между нагревателями 2. Каждое средство 3 контроля полей деформаций выполнено в виде соответствующего монокристалла 4 сапфира, расположенного в корпусе 5 (см. фиг. 2), который выполнен из материала с низкой теплопроводностью. Кроме того, каждое средство 3 контроля полей деформаций включает соответствующий бесконтактный экстензометр 6, выполненный, например, в виде соответствующей фотовидеокамеры, связанной с корпусом 5 монокристалла 4 сапфира с образованием вакуумной зоны 7 (см. фиг. 3). В захватах 1 выполнены пазы 8 типа «ласточкин хвост», в которых размещены фиксаторы осевого положения испытуемого образца. Каждый из фиксаторов выполнен в виде напряженного клинового соединения, образованного соответствующей парой клиньев 9. При этом угол наклона клиньев 9 в соединении меньше удвоенного угла трения. Центрирование образца относительно продольной оси пазов 8 осуществляется при помощи планок 10, закрепленных на соответствующих захватах 1 (см. фиг. 4).

Устройство для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов работает следующим образом.

Плоский образец 11, выполненный из керамического или композиционного материала, включающий рабочий участок 12, величина которого составляет 5-10 мм, размещают в пазах 8 захватов 1 испытательной машины. Центрируют образец 11 относительно продольной оси пазов 8 при помощи планок 10, которые закрепляют на захватах 1. Перемещают захваты 1 и создают предварительный натяг, обеспечивающий выбор зазоров между контактирующими поверхностями образца 11 и пазами 8 типа «ласточкин хвост». В зазорах между торцевыми поверхностями образца 11 и пазов 8 размещают соответствующие пары клиньев 9 и перемещают последние относительно друг друга. В результате клинья 9 образуют напряженное клиновое соединение, которое фиксирует положение плоского образца 11 и исключает возможность его перемещения в пазах 8 относительно продольной оси захватов 1 в процессе приложения знакопеременных нагрузок, а выполнение угла наклона клиньев 9 в клиновых соединениях меньше удвоенного угла трения исключает возможность самопроизвольного ослабления контакта между соответствующими парами клиньев 9. Соосно с захватами 1 размещают нагреватели 2, образуя при этом открытую центральную зону, обеспечивающую видимый доступ к рабочему участку 12 плоского образца 11, что позволяет в процессе испытания осуществлять непрерывное определение полей деформаций рабочего участка 12 при помощи оптических средств 3 контроля полей деформаций в двух направлениях. В процессе нагрева фокусируют тепловые лучи нагревателей 2 под определенным углом на рабочем участке 12 плоского образца 11. Определение полей деформаций в процессе приложения к образцу 11 знакопеременных нагрузок выполняется в границах рабочего участка 12 при помощи монокристаллов 4 сапфира и бесконтактных экстензометров 6. Предельная рабочая температура монокристалла 4 сапфира составляет 1800°С, при этом угол преломления в монокристалле 4 сапфира отсутствует, а градиент температур незначителен, т.к. каждый монокристалл 4 сапфира размещен в соответствующем корпусе 5, выполненном из материала с низкой теплопроводностью, что позволяет равномерно распределить поля температур от нагревателей 2 по телу каждого монокристалла 4 сапфира, что предотвращает образование сколов. Непосредственный контакт каждого монокристалла 4 сапфира с рабочим участком 12 плоского образца 11 и вакуумная зона 7 между монокристаллом 4 сапфира и соответствующим бесконтактным экстензометром 6 позволяет избежать влияния разности плотности воздуха между последним и нагретым образцом 11, предотвратить изменение оптического коэффициента преломления луча и возникновение «эффекта миража», что повышает точность определения полей деформаций и упругих характеристик материала образца 11. Устройство позволяет определять упругие характеристики материала в температурном интервале, который установился на рабочей зоне образца, т.е., если температура на рабочем участке 12 образца 11 будет меняться с 1500°С (в центре) до 1200°С (край рабочего участка). Определение изменения полей температур осуществляется при помощи тепловизора (на чертеже не показан), т.е. в процессе одного цикла испытаний возможно определить характеристики упругости материала образца для всех значений температур в данном интервале.

Таким образом, выполнение каждого из оптических средств контроля полей деформаций в виде монокристалла сапфира, предназначенного для контакта с рабочей частью испытуемого образца, корпуса, предназначенного для размещения монокристалла сапфира и выполненного из материала с низкой теплопроводностью, и бесконтактного экстензометра, связанного с корпусом монокристалла сапфира с образованием вакуумной зоны, и снабжение устройства фиксаторами осевого положения испытуемого образца, выполненными в виде напряженных клиновых соединений, каждое из которых представляет собой пару клиньев, расположенных в пазу типа «ласточкин хвост» соответствующего захвата с углом наклона клиньев в соединении меньше удвоенного угла трения обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в реализации его назначения, т.е. в создании устройства для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов, обеспечивающего повышение точности определения полей деформаций при знакопеременных нагрузках в процессе испытания за счет исключения возможности осевого перемещения образца в процессе испытания и возможности изменения оптического коэффициента преломления луча при использовании оптических средств контроля деформаций.

Изобретение относится к области технической физики, а именно к устройствам для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов, и может быть использовано для определения упругих характеристик материалов в процессе испытаний при знакопеременных нагрузках. Устройство содержит охлаждаемые захваты с пазами типа «ласточкин хвост», предназначенными для крепления образца, нагреватели, расположенные соосно с захватами и образующие открытую центральную зону, предназначенную для размещения рабочей части испытуемого образца, и оптические средства контроля полей деформаций, размещенные в двух направлениях с возможностью доступа к открытой центральной зоне. Каждое из оптических средств контроля полей деформаций выполнено в виде монокристалла сапфира, предназначенного для контакта с рабочей частью испытуемого образца, корпуса, предназначенного для размещения монокристалла сапфира и выполненного из материала с низкой теплопроводностью, и бесконтактного экстензометра, связанного с корпусом монокристалла сапфира с образованием вакуумной зоны. Устройство снабжено фиксаторами осевого положения испытуемого образца, выполненными в виде напряженных клиновых соединений, каждое из которых представляет собой пару клиньев, расположенных в пазу типа «ласточкин хвост» соответствующего захвата. Угол наклона клиньев в соединении меньше удвоенного угла трения. Технический результат: повышение точности определения полей деформаций при знакопеременных нагрузках в процессе испытания. 4 ил.

Устройство для высокотемпературных испытаний плоских образцов из керамических и композиционных материалов, содержащее охлаждаемые захваты с пазами типа «ласточкин хвост», предназначенными для крепления образца, нагреватели, расположенные соосно с захватами и образующие открытую центральную зону, предназначенную для размещения рабочей части испытуемого образца, и оптические средства контроля полей деформаций, размещенные в двух направлениях с возможностью доступа к открытой центральной зоне, отличающееся тем, что каждое из оптических средств контроля полей деформаций выполнено в виде монокристалла сапфира, предназначенного для контакта с рабочей частью испытуемого образца, корпуса, предназначенного для размещения монокристалла сапфира и выполненного из материала с низкой теплопроводностью, и бесконтактного экстензометра, связанного с корпусом монокристалла сапфира с образованием вакуумной зоны, а устройство снабжено фиксаторами осевого положения испытуемого образца, выполненными в виде напряженных клиновых соединений, каждое из которых представляет собой пару клиньев, расположенных в пазу типа «ласточкин хвост» соответствующего захвата, причем угол наклона клиньев в соединении меньше удвоенного угла трения.