Устройство для испытаний металлов на трехосное сжатие с образцом в форме кольца Российский патент 2024 года по МПК G01N3/02 G01N3/08 

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий.

Наиболее близким по технической сущности, взятым в качестве прототипа к предлагаемому изобретению, является изобретение «Устройство для испытания грунта на трехосное сжатие» (патент СССР № 413423 30.01.1974). Устройство состоит из камеры испытаний, выполненной в виде цилиндрического корпуса с открытыми торцами и внутренней резиновой оболочкой, закрепленной у открытых торцов цилиндрического корпуса зажимными шайбами. Внутренняя герметичная полость камеры испытаний, снабженная клапаном, соединена посредством штуцера и трубопровода гидравлической системы с цилиндром давления, поршнем и манометром.

Недостатками данного изобретения является:

- невозможность испытаний материалов, предел текучести которых выше 100 МПа, например, металлических материалов: конструкционных сталей, алюминиевых и титановых сплавов;

- сложность и дороговизна конструкции, вызванная необходимостью создания гидравлической системы, создающей высокое давление в испытательной камере.

Решаемой задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции, позволяющей создать в материале образца нормальные сжимающие напряжения вдоль каждой из трех осей трехмерной системы координат, при этом обеспечить такую комбинацию их значений, чтобы степень трехосности напряженного состояния была менее , а эквивалентное напряжение достигало величины предела прочности или, как минимум, предела текучести испытываемого материала. При этом необходимо обеспечить прочность конструкции оснастки.

Техническим результатом от использования заявляемого изобретения является:

- обеспечение возможности проведения испытаний металлов при степенях трехосности напряженного состояния менее за счет использования полиуретана в качестве материала вкладыша, передающего боковое давление на образец, а также за счет использования образца кольцевой формы;

- упрощение конструкции за счет отказа от использования гидравлической системы для создания бокового давление на образец, которое в предлагаемом изобретении реализуется с помощью полиуретанового вкладыша

Технический результат достигается тем, что благодаря использованию образца кольцевой формы, уменьшается площадь, определяющая окружные напряжения, что позволяет достигнуть высокого их значения. При этом высокое значение радиальных напряжений достигается за счет использования полиуретана в качестве среды, передающей боковое давление на образец. Возможность создавать высокие значения осевых напряжений обеспечивается за счет того, что матрица и пуансон выполнены из инструментальных сталей.

Усилие поджатия полиуретанового вкладыша обеспечивается затяжкой группового резьбового соединения, при этом измерение силы поджатия осуществляется по деформации пакета тарельчатых пружин.

Сущность предлагаемого изобретения продемонстрирована чертежом, представленном на Фиг 1.

Устройство содержит корпус (1), установленные в его полости матрицу (2), плунжер (3), пунсон (4), кольцо (5), стакан (6), проставка (7), полиуретановый вкладыш (8) и образец (9). В полости стакана (6), представляющего собой кольцо с двумя стенками по краям, установлен пакет тарельчатых пружин (10). В продольные резьбовые отверстия в стенке корпуса (1) установлены шпильки (11). На шпильках (11) установлены гайки (12) с шайбами (13). Матрица (2) соединена с корпусом (1) с помощью винтов с потайной головкой (14). Пуансон (4) соединен с плунжером (3) с помощью винтов с потайной головкой (15). Матрица (2) и пуансон (4) выполнены из инструментальных сталей. Все детали кроме шпилек (11), гаек (12), шайб (13), винтов (14) и (15), представляют собой осесимметричные тела вращения, собранные соосно по посадкам с зазором в полости корпуса (1). В верхней части конструкции плунжера (3) находится цилиндрический хвостовик. В нижней части конструкции корпуса (1) находится фланец.

Устройство работает следующим образом.

Перед испытаниями необходимо выполнить тарировку полиуретанового вкладыша (8) с целью получения коэффициента пересчета усилия поджатия, действующего вдоль продольной оси приспособления в боковое давление, оказываемое на образец. Это необходимо сделать путем использования образца, выполненного из материала, обладающего малым модулем упругости, например, из резины. При поджатии образца по его окружной деформации согласно закону Гука, рассчитываются его напряжения, а по напряжениям, согласно зависимостям теории осесимметричной деформации колец Бицено - боковое давление.

После тарировки вкладыша следует установить испытуемый образец, предварительно поджать его с помощью затяжки гаек (12) по схеме «крест-накрест», минимизируя эксцентриситет сжимающей силы. Контроль значения силы поджатия осуществлять по деформации пакета тарельчатых пружин (10) с учетом рассчитанного коэффициента пересчета вертикальной силы поджатия вдоль продольной оси приспособления в боковое давление. Таким образом в кольцевом образце (9) создаются окружные и радиальные напряжения. Затем необходимо установить пуансон (4), собранный с плунжером (3). Установить устройство на стол испытательной машины на сжатие, закрепить через фланец на корпусе (1), соединить цилиндрический хвостовик на плунжере (3) с ее ползуном. Приложить к верхнему торцу образца (9) вертикальное усилие через плунжер (3) и пуансон (4), осуществляя его сжатие в вертикальном осевом направлении. Таким образом, сжимающие напряжения будут созданы по всем трем осям кольцевого образца (9). Вертикальное усилие создается механизмами вышеупомянутой испытательной машины на сжатие, совместно с которой используется устройство. Подобные испытательные машины, как правило, представляют собой пресс, к ползуну которого через цилиндрический хвостовик присоединяется плунжер (3).

В зависимости от разницы между пределом текучести и пределом прочности материала образца (9), он может либо сминаться, увеличивая площадь поперечного сечения до момента достижения максимальной силы, которую может развить испытательная машина, либо разрушиться.

В случае разрушения образца (9), его следует извлечь из приспособления, измерить его размеры: толщину и высоту сечения, длину средней окружности кольца. Затем найти относительные деформации как соотношения разницы размеров к первоначальному размеру, а после по известным выражениям - интенсивность пластической деформации. Степень упругой деформации рассчитать как соотношение напряжений к известному модулю упругости. Сложить пластическую и упругую деформации - получить деформацию разрушения. Таким образом, при варьировании параметров напряженного состояния образца может быть получена зависимость деформации разрушения от степени трехосности напряженного состояния.

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий. Устройство состоит из корпуса, матрицы, плунжера, пуансона, кольцевого образца, полиуретанового вкладыша, проставки, стакана, пакета тарельчатых пружин, кольца, шпилек, гаек и шайб. Матрица установлена на корпус, а пуансон - на плунжер с помощью винтов. Все детали конструкции, кроме крепежа, собираются соосно, при этом представляют собой осесимметричные тела вращения. Полиуретановый вкладыш и образец устанавливаются в матрицу. Затянутые гайки поджимают полиуретановый вкладыш через кольцо, стакан и проставку, при этом сила поджатия контролируется по деформации пакета тарельчатых пружин, установленного в стакан, имеющий форму кольца с двумя стенками по краям. Пуансон устанавливается в матрицу с упором в торец образца. Матрица и пуансон выполнены из инструментальных сталей. Технический результат: обеспечение возможности испытаний на трехосное сжатие металлов и других материалов с высоким пределом текучести и пределом прочности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для испытаний металлов на трёхосное сжатие с образцом в форме кольца, включающее корпус, имеющий форму стакана, в полости которого установлены соосно по посадкам с зазором, матрица, плунжер, пуансон, полиуретановый вкладыш, кольцевой образец, проставка, стакан и пакет тарельчатых пружин, представляющие собой осесимметричные тела вращения; матрица с корпусом и пуансон с плунжером соединены с помощью винтов; матрица и пуансон выполнены из инструментальных сталей; в нижней части корпуса установлена матрица с полиуретановым вкладышем, образцом и проставкой; стакан, представляющий собой кольцо с двумя стенками по краям установлен с упором в торец проставки, в полости стакана установлен пакет тарельчатых пружин, закрытый кольцом, закрепленным на корпусе с помощью шпилек; пуансон, собранный с плунжером, установлен с упором в верхний торец образца через продольное отверстие в стакане.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плунжер дополнительно снабжен цилиндрическим хвостовиком.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на корпусе выполнен фланец, предназначенный для закрепления на столе испытательной машины

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве винтов, соединяющих матрицу с корпусом и пуансон с плунжером, применены винты с потайной головкой.