Устройство для низкотемпературных механических испытаний образцов материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N3/18 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройст вам для низкотемпературных механичес ких испытаний образцов материалов, и может быть использовано для высоко точного определения таких механических свойств, как предел прочности, предел текучести, предел упругости и др. Цель изобретения - повьшение точности испытаний путем обеспечения высокоточного определения усилия, приложенного к образцу. На чертеже изображено устройство для низкотемпературных механических испытаний образцов материалов, Устройство содержит криостат I, размещенные в нем опорную трубу 2, соосную опорной трубе 2 тягу 3, верх ний конец которой выведен из криоста ла 1 для присоединения к нагружающе-му механизму (не показан), пассивный 4 и активньй 5 захваты для крепления образца 6. В опорной трубе 2 соосно тяге 3 установлен сверхпроводящий коаксиальный резонатор 7 с коаксиальными линиями 8 и 9 связи, предназначенными для введения в резонатор 7 высокочастотных колебаний и связанными с системами возбуждения и регистрации резонансных колебаний ( не показаны). Система регистрации должна содержать высокостабильный , перестраиваемый СВЧ генератор, осцил лограф и индикатор амплитуды СВЧ сигнала. Центральный проводник 10 резонатора 7 проходит через центральные отверстия, выполненные в торцовых стенках резонатора 7, и соединен своим верхним концом с тягой 3, а нижним - с активным захватом 5 Пассивный захват 4 соединен с опорной трубой 2. Для расширения диапазона измеряемых усилий центральный проводник 10 резонатора 7 выполнен из материала с высоким пределом упругости, например из стали, а на поверхность проводника 10 электролитически нанесен тонкий слой свинца или ниобия. Резонатор 7 выполнен из меди (латуни) с электролитически нанесенным слоем свинца, либо из ниобия. Для сохранения высоких эталонных качеств резонатора 7 и предотвращения изменения его добротности со временем, устройство может быть снабжено вакуумньм стаканом 11, закрепленным на опорной трубе 2 и охватывающим нижнюю часть опорной трубы 2 с резонатором 7. Добротность резонатора 7 составляет 10 - 10® при температуре 4,2 К и растет с понижением температуры до 10 . Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец 6 устанавливают в захватах 4 и 5. Пассивный захват 4 жестко соединяют с опорной трубой 2, а активный захват 5 - с нижним концом центрального проводника 10 резонатора 7. Последний устанавливают в опорной трубе 2, проводя центральньш проводник 10 через отверстия в его торцовых стенках. Верхний конец центрального проводника 10 соединяют с тягой 3. На нижнюю часть опорной трубы 2 с размещенными в ней резонатором 7 и захватами 4 и 5 с исследуемым образцом 6 надевают вакуумный стакан 11. Собранные таким образом элементы помещают в криостат 1, при этом верхний конец тяги 3 и коаксиальные линии 8 и 9 связи вьшодят из криостата для соединения с нагружающим механизмом и системой возбуждения и регистрации резонансных колебаний соответственно. После предварительной откачки до 10 мм рт.ст. ( Па) криостата 1 в него заливают жидкий азот и жидкий гелий. При температуре жид кого гелия резонатор 7 находится в сверхпроводящем состоянии. С помощью системы возбуждения в резонаторе 7 возбуждают электромагнитные колебания типа HOJJ с длиной волны 3 см. Резонанская частота f коаксиального резонатора при возбуждении колебаний этого типа связана с его геометрическими размерами соотногаением: f II vT /п 2гЦ-а-) n-h-)J 0 где с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (С 2,997925, 10 м/с); 3,1416; о - диаметр центрального проводника 10, м; h- высота рабочей полости резонатора 7, м; об- корень трансцендентного уравнения, описывающего распределение электромагнитных колебаний в полости резонатора 7, зависящий от соотношения внутреннего диаметра резонатора 7 и диаметра О центрального проводника 10 Из формулы (l) следует связь меж ду диаметром и центрального проводника 10 и резонансной частотой f « f U-r-Hf)) При включении нагружающего механизма усилие передается последовательно тяге 3, центральному проводнику 10 резонатора 7 и, наконец, исследуемому образцу 6, Это усилие вызьгеает упругую деформацию централ ного проводника 10, проявляющуюся, в частности, в уменьшении его диаметра d. Вследствие уменьшения диаметра а центрального проводника резонатора 7 изменяется его резонансная частота f, что фиксируется системой регистрации резонансных колебаний. Измеряя резонансную частоту f резонатора 7, определяют диаметр а, центрального проводника 10 (по формуле (2)) и определяют деформацию , центрального проводника 10 в нап равлении, перпендикулярном его оси - ОО-Р а ,.A(if-( СЗ) а„-Р а . 06 и м / zt С- а- - -ао- аДи1 П т;а;е а - исходное значение диаметра центрального проводника 10 В упругой области деформация 6 вдоль оси цилиндрического стержня (центрального проводника 10 связан с поперечной деформацией Е по известному закону через коэффициент Пуассона 9 ..1лГ- г/1Г./2Л1М и / pUnibi U/J J Величина действующей на центральный проводник 10 силы, растягива-1щей его, по закону Гука равна Р E-S-E,(5) где Е модуль упругости материала центрального проводника 10; площадь поперечного сечения центрального проводника 10, м . Определив по резонансной частоте f величину упругой деформации центрального проводника 10 и воспользовавшись соотношениями (4) и (З), определяют величину усилия Р, вызвавшего эту деформацию На практике для быстрого определения усилия по резонансной частоте f предварительно строят градуировочную кривую центрального проводника 10 с заданными do , h, S, Е и /Ц. Относительная погрешность измерения деформации центрального проводника 10 определяется точностью измерения резонансной частоты ja. Af . к ---, де К 1. В диапазоне нагрузок 0-200 кГ отосительная погрешность определения силия составляет 10 -10 , С пониением температуры вследствие увелиения добротности резонатора 7 точость измерения усилия возоастает.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ, содержащее криостат, размещенные в нем пассивный и активный захваты для крепления образца и вьгееденную из криостата тягу для приложения нагрузки к образцу, отличающееся тем, что, с целью повьщгения точности испытаний путем обеспечения высокоточного определения усилия, приложенного к образцу, оно снабжено установленным в криостате соосно с тягой сверхпроводящим коаксиальным резонатором с центральными отверстиями в его торцовых стенках, а центральный проводник резонатора проходит через эти отверстия и соединен своим верхним концом с тягой, а нижним - с активным захватом. (Л со 00 ел о