Устройство для испытания на сжатие образцов из листовых и прутковых материалов Российский патент 2024 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к области определения физико-механических свойств материалов и может применяться в различных отраслях промышленности (машиностроение, авиастроение, судостроение и др.) для изучения сопротивляемости металлов и сплавов пластическому деформированию.

Известно устройство для сжатия образца из листового материала (патент №2138034, класс G01N 3/08, опуб. 20.09.1999, бюл. №26), содержащее станину с двумя стойками, установленные на ней направляющую раму, в которой размещен прижимной упор, сменную опору, на которой установлены две жесткие пластины для поддержания образца, и элемент центрирования в виде винта с шариком на его рабочем торце. Прижимной упор выполнен из двух частей и введен клин, установленный с возможностью смещения перпендикулярно оси прижимного упора при вызванном поперечными деформациями перемещении части прижимного упора, соприкасающейся с пластиной для поддержания образца, причем угол клина назначают из условия обеспечения сжатия образца при однородном линейном напряженном состоянии. Недостатком устройства является необходимость проведения поэтапного сжатия образца с заменой поддерживающих пластин и опорных плит соответствующих размеров. Кроме того имеется сложность расчета угла клина а и влияния прижимного упора на сопротивление материала сжатию, что оказывает влияние на сопротивление материала деформированию при одноосном напряженном состоянии.

Известно устройство, принятое за прототип (патент №2445600, класс G01N 3/08, опуб. 20.03.2012, бюл. №8) содержащее станину с двумя стойками, прижимной упор, нагружающую и сменную опорную плиты, клин с углом α в клиновом механизме. Одна стойка выполнена в виде клина с одной рабочей поверхностью и углом α/2, а угол клина α определяют решением системы уравнений.

Недостатком изобретения является трудоемкость поэтапного сжатия образца с заменой на каждом этапе сменной опорной и нагружающей плиты, прижимного упора в виде клина и влияние поддерживающей поперечной нагрузки на сопротивление материала деформированию при одноосном напряженном состоянии.

Задачей предполагаемого изобретения является снижение трудоемкости испытаний и расширение технологических возможностей испытания на сжатие образца из листового и пруткового материала, повышение точности определения сопротивления материала деформированию при одноосном напряженном состоянии.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для испытания на сжатие листовых и прутковых материалов, содержащее станину, пуансон, стойки, прижимной упор, опорную плиту, при этом на стойках, установленных в верхней плите, закреплены копиры с возможностью поворота и фиксации регулировочными винтами, в копирах выполнены пазы, в станине выполнены полости, в которых установлены с возможностью перемещения ползушки с опорными пластинами, на боковой поверхности ползушек закреплены планки с пазами и регулируемыми упорами, упоры выполнены с возможностью контакта с пазами копиров, при этом перемещение ползушек для изотропных материалов определяется углом наклона пазов копиров Q

,

где А - для прутковых материалов соответствует диаметру d₀ прутка, для листовых материалов толщине s₀ плоского образца,

- перемещение пуансона в процессе сжатия образца;

- начальная длина образца,

для образцов из листовых материалов с анизотропией механических свойств начальной шириной b₀ и толщиной s₀, конечной шириной b₁ и толщиной s₁ угол наклона пазов копиров определяется с учетом коэффициента анизотропии R=ln(b₁/b₀)/ln(s₁/s₀) по зависимости

.

На фиг. 1 приведено устройство для сжатия образца из листового материала в исходном положении с установленным образцом.

На фиг. 2 приведено устройство в момент сжатия образца из листового материала.

На фиг. 3 приведено устройство для сжатия образца из пруткового материала в исходном положении с установленным образцом.

На фиг. 4 показан вид сверху на нижнюю часть устройства при сжатии образца из пруткового материала.

На фигурах обозначено:

1 - верхняя плита;

2 - пуансон;

3 - стойка;

4 - винт;

5 - копир;

6 - станина;

7 - ползушка;

8 - опорная пластина;

9 - винт;

10 - планка;

11 - упор;

12 - крышка;

13 - винт;

14 - гайка;

15 - регулировочный винт.

Устройство (фиг. 1) содержит верхнюю плиту 1 с установленными пуансоном 2, стойками 3, в пазах которых закреплены винтами 4 копиры 5. Поворот копиров 5 производится с помощью регулировочных винтов 15. Нижняя часть устройства состоит из станины 6 в пазах которой помещены ползушки 7 с опорными пластинами 8. На боковой поверхности ползушек 7 закреплены винтами 9 планки 10 с пазами, в которых зафиксированы упоры 11 гайками 14. Крышка 12 закреплена на станине 6 винтами 13 и фиксирует положение ползушек 7 с возможностью их перемещения вдоль пазов станины 6. В копирах 5 выполнены пазы, которые ориентированы под углом наклона пазов копиров Q, определяемым расчетным или опытным путем в зависимости от механических свойств листового материала и габаритов образца.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1).

Перед испытанием образцов из листового материала производится настройка устройства. В пазы станины 6 помещаются ползушки 7, в которых установлены опорные пластины 8. Расстояние между опорными пластинами 8 зависит от толщины s₀ испытуемого образца и должно быть не более 3s. Такое же расстояние 3s₀ должно соблюдаться между верхним и нижним торцом образца и опорной пластиной 8. Таким образом, число опорных пластин 8 будет зависеть от толщины s₀ и длины испытуемого образца. Например, при толщине листового материала s₀=3 мм, расстояние между опорными пластинами 8 не более 9 мм, а общая высота образца при использовании 2 пар опорных пластин будет =27 мм. Аналогично при испытании образцов из прутковых материалов расстояние между опорными пластинами 8 зависит от диаметра d₀ испытуемого образца и должно быть не более 3d₀. Для образцов с малой толщиной s₀ или диаметром d₀ число опорных пластин 8 будет больше, чем для более толстых образцов. Между рабочими поверхностями опорных пластин 8 размещается исследуемый образец из листового или пруткового материала. При этом имеется зазор между поверхностями образца и рабочими поверхностями опорных пластин 8 равный 0,1-0,2 мм, что обеспечивает необходимую ориентацию исследуемого образца в устройстве. Ползушки 7 с опорными пластинами 8 закрепляют винтами 9 с планками 10. В процессе сжатия такого образца потеря устойчивости возникает по нормали к фронтальной плоскости образца, поэтому достаточно использовать две ползушки 7 с опорными пластинами, контактирующими с поверхностью листа. При испытании образцов из прутковой заготовки потеря устойчивости может наступать в различных направлениях, поэтому опорные пластины 8 контактируют в двух диаметральных направлениях (фиг. 4). Затем производится настройка копиров 5 под требуемый угол наклона пазов копиров Q с помощью регулировочных винтов 15. Угол наклона пазов копиров Q рассчитывается или определяется опытным путем. Для образцов из листовых материалов угол наклона пазов копиров Q рассчитывают по зависимости Q=arctg((s₁-s₀)/).

Если материал образца имеет изотропию механических свойств, то угол наклона пазов копиров Q для образца из листового материала определяется со стороны толщины образца по зависимости следующим образом: , где . В этом случае используется одна пара копиров. Копиры 5 с заданным углом наклона пазов копиров Q закрепляют винтами 4 в пазах стоек 3. Устанавливают испытуемый образец и крышку 12 закрепляют в станине 6 винтами 13. В крышке 12 выполнено отверстие для входа пуансона 2. Верхнюю часть устройства опускают вниз до упора пуансона 2 в верхний торец образца. В таком положении ориентируют копиры 5 и упоры 11 путем их перемещения по пазам стоек 3 и планок 10, осуществляя вход упоров 11 в пазы копиров 5. Упоры 11 и копиры 5 соответственно закрепляют гайками 14 и винтами 4 в пазах планок 10 и стоек 3.

После настройки устройства проводят испытание на сжатие. Устройство помещают на испытательную машину и производят поэтапное сжатие образца с записью диаграммы «нагрузка-перемещение». Каждый этап определяется величиной хода пуансона , который зависит от размера образца по толщине. В этом случае пуансон 2 произведет сжатие образца до момента соприкосновения с верхней опорной пластиной 8. При этом в процессе сжатия произойдет перемещение ползушек 7 с опорными пластинами 8 со скоростью, равной скорости течения материала образца в направлении увеличения его толщины, в результате чего опорные пластины 8 не окажут влияние на кинематику течения материала образца при сжатии. Если возникнет потеря устойчивости образца, то произойдет его изгиб и боковая поверхность начнет контактировать с поверхностью опорных пластин 8, в результате чего изгиб прекратится и сохранится схема одноосного напряженного состояния. Измеряются конечные размеры образца.

На последующем этапе из ползушек 7 удаляют верхние опорные пластины 8 и проводят сжатие образца при величине хода пуансона 2 с записью графика «нагрузка-перемещение». Измеряются конечные размеры образца. На основании полученных графиков «нагрузка-перемещение», известных конечных размеров образца на этапах испытания определяют напряжения и деформации в любой момент процесса сжатия.

Для образцов с анизотропией механических свойств угол наклона пазов копиров Q зависит от коэффициента анизотропии R листового материала и равен:

,

где R=ln(b₁/b₀)/ln(s₁/s₀) - коэффициент анизотропии материала, равный отношению деформаций по ширине к деформации по толщине поперечного сечения образца из листового материала и определяется опытным путем.

Сжатие будет производиться до момента соприкосновения пуансона 2 с верхней опорной пластиной 8. После чего верхняя опорная пластина 8 снимается из устройства и производится дальнейшее сжатие образца до момента соприкосновения пуансона 2 с последующей опорной пластиной 8. Сжатие образца заканчивается, когда соотношение между высотой и толщиной образца после сжатия приближается к единице.

Аналогично определяется угол наклона пазов копиров Q при испытании образцов из прутковых материалов. В этом случае используется две пары копиров (фиг. 4).

Устройство позволяет снизить трудоемкость испытаний за счет уменьшения этапов нагружения при испытании на сжатие и расширяет технологические возможности испытания не только плоских образцов из листовых материалов, но и прутковых материалов. Устройство может быть использовано как при комнатных, так и при повышенных температурах испытания. Другим преимуществом устройства является отсутствие влияния бокового подпора на схему сжатия испытуемого образца, что увеличивает точность определения сопротивления материала деформированию при одноосном напряженном состоянии.

Изобретение относится к устройствам для испытания на сжатие листовых и прутковых материалов. Сущность: устройство содержит верхнюю плиту (1) с установленными на ней пуансоном (2) и стойками (3). В пазах стоек (3) с помощью винтов (4) закреплены копиры (5). Поворот копиров (5) выполняют с помощью регулировочных винтов (15). Нижняя часть устройства состоит из станины (6), в пазах которой помещены ползушки (7) с опорными пластинами (8). На боковой поверхности ползушек (7) закреплены винтами (9) планки (10) с пазами, в которых с помощью гаек зафиксированы упоры (11). На станине (6) закреплена крышка (12). Крышка (12) фиксирует положение ползушек (7) с возможностью перемещения их вдоль пазов станины (6). В копирах (5) выполнены пазы, угол наклона которых определяют с учетом механических свойств материала и габаритов образца. Технический результат: снижение трудоемкости испытаний, расширение технологических возможностей испытаний, повышение точности определения сопротивления материала деформированию при одноосном напряженном состоянии. 4 ил.

Устройство для испытания на сжатие листовых и прутковых материалов, содержащее станину, пуансон, стойки, прижимной упор, опорную плиту, отличающееся тем, что на стойках, установленных в верхней плите, закреплены копиры с возможностью поворота и фиксации регулировочными винтами, в копирах выполнены пазы, в станине выполнены полости, в которых установлены с возможностью перемещения ползушки с опорными пластинами, на боковой поверхности ползушек закреплены планки с пазами и регулируемыми упорами, упоры выполнены с возможностью контакта с пазами копиров, при этом перемещение ползушек для изотропных материалов определяется углом наклона пазов копиров Q:

,

где А - для прутковых материалов соответствует диаметру d₀ прутка, для листовых материалов толщине s₀ плоского образца,

- перемещение пуансона в процессе сжатия образца;

- начальная длина образца,

для образцов из листовых материалов с анизотропией механических свойств начальной шириной b₀ и толщиной s₀, конечной шириной b₁ и толщиной s₁ угол наклона пазов копиров определяется с учетом коэффициента анизотропии R=ln(b₁/b₀)/ln(s₁/s₀) по зависимости .