Способ ударно-прочностных испытаний материала и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N3/30 G01N33/44 

Изобретение относится к легкой промышленности и может быть использовано дя оценки физико-механических свойств упруго-эластичных материалов, в частности для оценки упруго-деформирующих свойств кожи, картона и др.

Известен способ ударно-прочностных испытаний материала, при котором к образцу прикладывают нагрузку и регистрируют частоту колебаний образца с последующей оценкой его физико-механических свойств,

В таком способе к образцу материала, например кожи, прикладывают синусоидальную нагрузку и регистрируют резонансную частоту колебаний образца и полуширину резонансной кривой амплитудно-частотной характеристики с последующей оценкой механических свойств.

Испытания образца в таком способе осуществляют или в статическом или в квазистатическом режимах, не дающих возможности получить достоверные данные о физико-механических свойствах кожи при ее ударном нагружении в широком диапазоне скоростей, тогда как на практике такой вид нагружения имеет место в ряде технологических процессов.

vi

GJ О СЛ О О

Известен способ ударно-прочностных испытаний материала, заключающийся в том, что к поверхности образца испытываемого материала прикладывают ударно-импульсную нагрузку посредством стержня-волновода, регистрируют один из параметров взаимодействия его с образцом и по его величине судят о прочнностных свойствах материала.

Известное устройство для ударно-прочностных испытаний материала содержит установленные вертикально и расположенные соосно металлические стержень-наковальню и стержень-волновод, имеющие одинаковые размеры, и датчик параметров взаимодействия стержня-волновода с образцом, установленный на поверхности стержня-волновода и электрически соединенный с блоком преобразования сигналов и определения величины деформации образца.

Недостаток известных способа и устройства заключается в том, что в них не обеспечивается возможность получения достоверных результатов испытаний низкоплотных материалов на разных стадиях их деформации.

Это обусловлено тем, что известные решения применяются в основном для оценки механических свойств материалов с высокой акустической жесткостью (металлов, жестких полимеров и т.п.), так как предполагают применение ударных нафу- зок большой амплитуды, но малой длительности, что в случае испытания низкоплотных материалов (кожи, картона и т.д.) приведет к их неизбежному разрушению, что не позволит осуществлять оценку прочностных свойств материала на разных стадиях его деформации.

Уменьшение в известном способе ударных нагрузок в соответствии с прочностными характеристиками низкоплотных испытуемых материалов снижает достоверность информации о происходящей в материале деформации, так как амплитуда его сигнала будет недостаточна для ее регистрации, а длительность сигнала будет мала для точной оценки величины деформации.

Целью изобретения является повышение достоверности результатов испытаний низкоплотных материалов на разных стадиях их деформации.

Цель достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что к поверхности образца испытываемого материала прикладывают ударно-импульсную нагрузку посредством стержня-волновода, регистрируют один из параметров взаимодействия его с образцом и по его величине судят о прочностных свойствах материала, согласно предполагаемому изобретению, ударно- импульсную нагрузку к поверхности образца прикладывают путем свободного падения стержня-волновода с заданной

высоты, в качестве параметра взаимодействия его с образцом регистрируют ускорение стержня-волновода, возникающее после приложения нагрузки через интервал времени, не меньший времени взаимодействия

стержня-волновода с образцом и равный времени пробега одной упругой волны отраженной от рабочего торца стержня-волновода.

Поставленная цель достигается также

тем, что в устройстве, содержащем установленные вертикально и расположенные соосно металлические стержень-наковальню и стержень-волновод, имеющие одинаковые размеры, и датчик параметров взаимодействия стержня-волновода с образцом, уста- новленныйнаповерхности

стержня-волновода и электрически соединенный с блоком преобразования сигналов и определения величины деформации образца, согласно изобретению, датчик параметра взаимодействия стержня-волновода с образцом установлен на нерабочем торце стержня-волновода, при этом, в качестве датчика параметра использован датчик ускорения стержня-волновода.

На чертеже изображено устройство, общий вид.

Устройство содержит установленные в вертикальной направляющей 1 и расположенные соосно металлические стержень - наковальню 2 и стержень-волновод 3, имеющие одинаковую длину и поперечные размеры.

На поверхности стержня-волновода 3

на его рабочем торце установлен датчик 4, например пьезоакселерометр ускорения стержня-волновода при его взаимодействии с образцом. Датчик 4 электрически соединен с блоком 5 преобразования сигнала,

и определения величины деформации образца например электронным осциллографом.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец материала б, например, кожи располагают на торце стержня-наковальни 2 и воздействуют на него свободно падающим с заданной высоты Н стержнем-волноводом 3 в течение заданного времени воздействия (tg) за один ударный импульс. Датчиком 4 регистрируют сигналы, соответствующие возникающему после приложения нагрузки ускорению я(т) нерабочего торца стержня-волновода

Эти сигналы, зарегистрированные в каждый из текущих моментов времени t в выбранном временном интервале At, преобразуют в блоке 5 и записывают в виде осциллограммы.

По величинам этих сигналов судят о деформационных процессах материала и о его прочностных свойствах.

Регистрацию сигналов ускорения осуществляют через интервал времени At.

Величину интервала Д t выбирают не меньшем времени (tg) его взаимодействия с образцом и равным времени пробега одной упругой волны, отраженной от рабочего торца стержня-волновода.

Математически это условие выражается следующим соотношением:

(1)

где Со - скорость распространения упругой волны в стержне-волноводе;

ho - начальная толщина образца;

е - заданная относительная деформация образца;

V0- скорость свободного падения рабочего торца стержня-волновода в момент начала взаимодействия с поверхностью образца.

Выражение (I) получают путем решения уравнений:

S пробега - Со tnp,(2)

S пробега (3)

где S пробега - путь пробега одной упругой волны, отраженной от рабочего торца стержня-волновода до его нерабочего торца;

tnp - время пробега одной упругой волны, отраженной от рабочего торца стержня- волновода до его нерабочего торца.

При этом выбор величины пути S пробега одной упругой волны осуществляют путем экспериментального подбора длины L стержня-волновода. Задачей такого подбора является выбор такой длины L, которая соответствует пути S пробега одной упругой волны за время, не меньшее времени tg воздействия стержня-волновода на образец.

Время tg воздействия на образец задают заранее исходя из условий эксперимента, вида материала и т.д.

При оценке прочностных свойств материала по величине ускорения a(t) нерабочего торца стержня-волновода исходят из того, что ускорение a(t) и относительная деформация образца связаны между собой следующим соотношением:

Ј(t)V0t-.rodt.roa(t)-dt

h vV

где V0 - скорость свободного падения стержня-волновода в момент удара о поверхность образца; м/с

t - текущее время деформации; 5a(t) - ускорение нерабочего торца стержня-волновода в текущий момент времени t, зарегистрированное датчиком;

ho - начальная толщина образца.

Значения a(t) м/с2 в текущий момент 0 времени вычисляют по величинам ординат У отклонения луча осцилограмм с помощью составленных заранее татировочных таблиц.

Пример осуществления способа. 5 Исследуемый материал - кожа хромовая с начальной толщиной h0 1,6 мм.

Для проведения эксперимента были выбраны стержень-волновод и стержень-нако- вальня со следующими габаритами: 0 диаметр Д 200 мм; длина L 1,5 м.

Материал стержней - сталь ЗОХГСА, для которого Со 5000 м/с - скорость распростКГ С

ранения упругой волны; /оь 800т

5M

плотность материала стержня.

Эксперименты производились при параметрах, аналогичных экспериментам, результаты которых отражены в таблице

Q При этом регистрировали сигналы в текущие моменты времени t с временные шагом t 0.5 10 в заданном интервале времени Д t 3,0

Предлагаемый способ и устройство

5 обеспечивают возможность регистрации сигнала ударного импульса малой амплитуды и большой длительности при применении небольших ударных нагрузок.

Этим достигается достоверность реп зультатов и испытаний низкоплотных материалов на разных стадиях их деформаций. Формула изобретений 1. Способ ударно-прочностных испытаний материалов, заключающийся в том, что

5 к поверхности образца испытываемого материала прикладывают ударно-импульсную нагрузку посредством стержня-волновода, регистрируют один из параметров взаимодействия его с образцом и по его величине

Q определяют прочностные свойства материала, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности результатов испытаний низкоплотных материалов на разных стадиях их деформации.

5 ударно-импульсную нагрузку к поверхности образца прикладывают путем свободного падения стержня-волновода с заданной высоты, параметр взаимодействия его с образцом регистрируют после взаимодействия с образцом через интервал времени, не меньший времени взаимодействия стержня-волновода с образцом и равный времени пробега одной упругой волны, отраженной от рабочего торца стержня-волновода, при этом в качестве параметра взаимодействия стержня-волновода с образцом используют ускорение нерабочего торца стержня-волновода.

2. Устройство для ударно-прочностных испытаний материала, содержащее установленные вертикально и расположенные соосно металлические стержень-наковальню и стержень-волновод, имеющие одина0

ковые размеры, и датчик параметра взаимодействия стержня-вол но во да с образцом, установленный на поверхности стержня- волновода и электрически соединенный с блоком преобразования сигналов и определения величины деформации образца, о т- личающееся тем, что датчик параметра взаимодействия стержня-волновода с образцом установлен на нерабочем торце стержня-волновода, при этом в качестве датчика параметра использован датчик ускорения.

Использование: при оценке физико-механических свойств упруго-эластичных материалов, в частности упругих деформаций кожи, картона и т.п. при ударных воздействиях. Сущность изобретения: образец исследуемого материала размещают на торце стержня-наковальни, сбрасывают на него с заданной высоты стержень-волновод тех же размеров, что и наковальня, и регистрируют ускорение стержня-волновода, возникающее после приложения нагрузки через интервал времени, не меньший времени взаимодействия стержня-волновода с образцом и равный времени пробега одной упругой волны, отраженной от рабочего торца стержня-волновода. По ускорению определяют упругую деформацию образца. В устройстве для реализации способа датчик ускорения стержня волновода установлен на его нерабочем, торце и электрически соединен с блоком преобразования сигналов и определения величины деформации образца. Изобретение позволяет регистрировать сигнал ударного импульса малой амплитуды и большой длительности при применении небольших ударных нагрузок, не вызывающих разрушения образца. 2 с.п. ф-лы. 1 ил., 1 табл. on С

Н - высота свободного падения стержня-волновода, м У - ордината отклонения луча осциллограммы, м.

t

JL „kJ

-6

D

-,

-2

}