Устройство для испытания на прочность образца материала Советский патент 1992 года по МПК G01N3/18 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для исследования механических свойств материалов в широком интервале скоростей деформирования вплоть до 10 .

Известно устройство для испытания металлических образцов на прочность, содержащее термокамеру и размещенный в ней (нагружатель) силовозбудитель, выполненный из металла с коэффициентом термиче- ского расширения, отличным от коэффициента термического расширения образца. Нагружение образца осуществляется за счет нагрева силовозбудителя, жестко связанного с образцом 1.

Известно также устройство для определения прочности твердых материалов, содержащее жестко связанные образец и силовозбудитель, выполненные в виде труб различного диаметра и нагреваемые одно- временно. Необходимым условием реализации указанного устройства является различие коэффициентов теплового расширения образца и деформирующего элемента (силовозбудителя) 2.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для испытания на прочность образца материала, содержащее подвижную и неподвиж- ную траверсы, закрепленные на соответствующих траверсах активный и пассивный захваты для образца, установленный последовательно с образцом динамометр,датчикдеформации, расположенный между захватами. Концент- рично захватам установлен силовозбудитель, представляющий собой полый цилиндр с нагревателем на его внешней поверхности, выполненным в виде спирали. Торцы цилиндра жестко закреплены на платформах и коаксиально цилиндру внутри последнего установлен тепловой экран, выполненный в виде второго полого цилиндра с циркулирующим хладагентом. На внешних поверхностях платформ выполнены кольцевые проточки, предназначенные для циркуляции хладагента.

Данное устройство позволяет получать все механические характеристики при испытании материалов в условиях активного нагружения 3.

Основным недостатком такого устройства является малый рабочий ход захватов, вследствие чего невозможно получить полную деформационную кривую для материа- лов, имеющих большое абсолютное удлинение до разрыва (образцы из полимерных материалов или материалов с повышенной пластичностью, образцы нестандартной длины). Кроме того, расположение образца внутри теплового силовозбудителя и наличие теплового экрана с циркулирующим хладагентом значительно усложняет конструкцию устройства.

Целью изобретения является расширение номенклатуры испытываемых образцов путем обеспечения испытаний образцов с большой величиной деформации.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для испытания на прочность образца материала, содержащем подвижную и неподвижную траверсы, закрепленные на соответствующих траверсах активный и пассивный захваты для образца, охватывающий активный захват цилиндрический силовозбудитель с нагревателем, размещенным на его наружной боковой поверхности, силовозбудитель выполнен в виде набора установленных коаксиально с возможностью осевого перемещения один относительно другого стаканов и цилиндров, установленных в полости каждого стакана и выполненных из материала с коэффициентом термического расширения, большим коэффициента термического расширения соответствующего стакана, дно каждого стакана имеет центральное отверстие, диаметр которого не меньше наружного диаметра последующего стакана, а торец выполнен с отбортовкой, ширина которой не превышает толщины стенки предыдущего цилиндра, цилиндр каждого предыдущего стакана установлен с возможностью взаимодействия с отбортовкой последующего стакана, а активный захват выполнен с отбортовкой, идентичной отбортовке стаканов.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема устройства после его нагрева до заданной температуры.

Устройство содержит силовозбудитель, состоящий из набора установленных коаксиально с возможностью осевого перемещения друг относительно друга цилиндров

1и стаканов 2. Цилиндры 1 установлены в полости каждого стакана 2 и выполнены из материала с коэффициентом термического расширения,большим коэффициента термического расширения соответствующего стакана. Дно каждого стакана 2 имеет центральное отверстие, диаметр которого не меньше наружного диаметра последующего стакана, а торец стакана 2 выполнен с отбортовкой, ширина которой не превышает толщины стенки предыдущего цилиндра 1. Цилиндр 1 каждого предыдущего стакана

2установлен с возможностью взаимодействия с отбортовкой последующего стакана 2. На верхней подвижной траверсе 3 жестко

закреплен внешний цилиндр 1 силовозбу- дителя. Остальные цилиндры и стаканы вложены поочередно и опираются друг на друга. На наименьший по диаметру цилиндр

Iопирается активный захват 4 с отбортов- кой, идентичной отбортовке стаканов 2, проходящий через отверстие в верхней подвижной траверсе 3. Пассивный захват 4 закреплен на нижней неподвижной траверсе 3, а стойки 5 жестко соединяют верхнюю и нижнюю траверсы 3. Между активным и пассивным захватами 4 закреплен образец 6 и динамометр 7 и установлен измеритель 8 деформации параллельно образцу и динамометру. Непосредственно на внешней поверхности цилиндра 1 силовозбудителя расположен нагреватель 9, который имеет тепловой контакт с силовозбудителем. Для регулирования температуры силовозбудителя служит блок 10 управления, соединенный с нагревателем 9. При необходимости работы устройства в области высоких температур предусмотрено охлаждение активного захвата и стоек (не показано).

Устройство работает следующим образом.

Образец 6 закрепляют в захватах 4 последовательно с динамометром 7 и нагревают силовозбудитель при помощи нагревателя 9, регулируя температуру при помощи блока 10 управления нагревателя. При увеличении температуры на величину AT цилиндр силовозбудителя 1, имеющий длину И, вследствие термического расширения удлинится на величину Ah спН AT, где «1 - коэффициент термического расширения материала, из которого изготовлен цилиндр 1. Поскольку на цилиндр 1 опирается бортиком стакан 2, то он поднимет своим внутренним бортиком следующую пару цилиндров на величину AI (И« 1 - г «)АТ, где СС2 - коэффициет термического расширения материала, из которого изготовлен цилиндр 2 ( «2 a-i), - его длина. Таким образом, благодаря последовательному зацеплению всех цилиндров, способных свободно перемещаться один относительно другого, общее удлинение силовозбудителя будет равно (фиг. 2)

AL N(li«i - (20:2) AT

или AL x. N1 (on - az ) AT, поскольку

I1Ј l2 - I. Если для соответствующей пары материалов справедливо соотношение GM , то получаем перемещение активного захвата в предлагаемом устройстве в N раз больше, чем в известном устройстве,

что и позволяет существенно расширить класс испытуемых материалов.

В общем случае при наличии градиента температур по радиусу силовозбудителя пе- ремещение подвижного захвата определяется как сумма отдельных перемещений каждой пары силовозбудителя

(ai -оь)-Ј АТ|.

Предусмотренная в устройстве обратная связь между измерителем 8 деформации (перемещения) и нагревателем 9 позволяет осуществлять деформирование испытуемого образца с заданной постоянной скоростью либо осуществлять программируемое нагружение.

При помощи динамометра 7 и измерителя 8 деформации определяется величина деформации г и напряжения образца а и строится деформационная кривая, по которой определяют все механические характеристики образца 6.

Пример. Проводят расчет для устройства, силовозбудитель которого составляет из 20 пар цилиндров длиною 1000 мм, выполненных из платинита (сплав Н40) и монель-металла (НМЖМц 28-2, 5-1,5).

Н40 НМЖМц Коэффициент теплового расширения а х 106 от 300 до 670 К 5,5 14

Предел упругости Оу, МПа 200 400 Толщина цилиндра, мм4 2

При этом минимальный диаметр силовозбудителя 40 мм, максимальный диаметр силовозбудителя 280 мм.

Максимально развиваемое усилие определяется пределом упругости материала, из которого изготовлен цилиндр наименьшего сечения. В данном случае Рмакс S мин Оу 100 мПа (10 тс). Максимальная тепловая

деформация силовозбудителя, а следовательно, и рабочий ход подвижного захвата Д| 60ммпри AT 350 К, что для набора всех длин образцов при испытаниях на растяжение от 20 до 300 мм дает относительную

деформацию от 300 до 20%.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет по сравнению с известные значительно увеличить величину рабочего хода подвижного захвата, а следовательно,

расширить класс испытуемых материалов. Формула изобретения Устройство для испытания на прочность образца материала, содержащее подвижную и неподвижную траверсы, закрепленные на соответствующих траверсах

активный и пассивный захваты для образца, охватывающий активный захват цилиндрический силовозбудитель с нагревателем, размещенным на его наружной боковой поверхности, отличающееся тем, что, с целью расширения номенклатуры испытуемых образцов путем обеспечения испыта- ний образцов с большой величиной деформации, силовозбудитель выполнен в виде набора установленных коаксиально с возможностью осевого перемещения друг относительно друга стаканов и цилиндров, установленных в полости каждого стакана и выполненных из материала с коэф0

фициентом термического расширения, большим коэффициента термического расширения соответствующего стакана, дно каждого стакана имеет центральное отверстие, диаметр которого не меньше наружного диаметра последующего стакана, а торец выполнен с отбортовкой, ширина которой не превышает толщины стенки предыдущего цилиндра, цилиндр каждого предыдущего стакана установлен с возможностью взаимодействия с отбортовкой последующего стакана, а активный захват выполнен с отбортовкой, идентичной отбортовке стаканов,

Изобретение относится к испытательной технике. Цель изобретения - расширение номенклатуры испытываемых образцов путем обеспечения испытаний образцов с большой величиной деформаций. Устройство содержит силовозбудитель для нагруже- ния образца, выполненный в виде цилиндров 1 из материала с большим коэффициентом термического расширения и стаканов 2 с отбортовками, нагреватель 9 и захваты 4. Цилиндры и стаканы установлены коаксиальное возможностью осевого перемещения стаканов один относительно другого. После установки образца 6 в захваты 4 нагревают силовозбудитель. Цилиндры силовозбудителя удлиняются больше, чем соответствующие стаканы. Поскольку стаканы 2 опираются отбортдвкой на цилиндры 1, они поднимают следующую пару стакан-цилиндр. В результате общее удлинение захвата 4 больше в п раз, где п - количество пар стакан-цилиндр. 2 ил. Ё