Способ испытаний хрупких материалов на термопрочность и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01N3/60 

(5) СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ТЕРМОПРОЧНОСТЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к испытательной, технике и может быть использовано для испытаний хрупких материа лов на термопрочность. Известен способ испытаний хрупких материалов на термостойкость, заключающийся в том, что испытуемый образец нагревают до заданной температуры и охлаждают путем его погружения в хладагент tlJ. Недостаток этого способа - низкая точность испытаний. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ испытаний хрупких материалов на термопрочность, заключающийся в том, что образец в виде диска со слоем теплоизоляции на его торцовых поверхностя нагревают до температуры Т и создают в нем градиент температур, вызывающи разрушение образца. Способ реализуется с помощью устройства для испытаний хрупких материалов на термопрочность, содержащего захваты для крепления образца, два слоя теплоизоляции, размещенные между соответствующими захватами и торцовыми поверхностями образца, и нагреватель t2}. Недостатком известных способа и устройства является невозможность обеспечения испытаний при различных скоростях термонагружения. Цель изобретения - обеспечение испытаний при различных скоростях термонагружения. Указанная цель достигается тем, что градиент температур создают путем постепенного удаления теплоизоляции с обоих торцов образца в радиальном нёправлении от центра с постоянной скоростью, определяют время д с от начала удаления теплоизоляции до разрушения образца и ширину кольцевой зоны теплоизоляции в момент разрушения, строят тарировочную зависимость градиента температур от ширины кольцевой зоны .теплоизоляции и температуры Т испытаний,. по которой определяют разрушающие, напряжения . и рассчитывают критерий R, характеризующий.л-ермопрочность материала и ско рость ж-термонагружения по формулам 0. W. R.5Л dLR R ЗПГ где /С коэффициент Пуанссона материала;d - коэффициент линейного термического расширения материала; Е - модуль упругости материала. Для осуществления предлагаемого способа в устройстве для испытаний хрупких материалов на термопрочность каждый слой теплоизоляции выполнен в виде свернутой по спирали Архимеда нити, один конец которой закреплен на соответствующем, захвате, а устройство снабжено двумя установленными с возможностью вращения вокруг своей оси коническими барабанами, на которых закреплены другие концы нитей. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - то же, вид сверху. Устройство содержит нижний и верхний захваты 1 и 2, служащие для крепления испытуемого образца 3 выполненного в виде диска и установленного внутри нагревателя k, выполненного, например, в виде индуктора. Между соответствующими захватами 1 и 2 и торцовыми поверхностями образца 3 размещены два слоя 5 и 6 теплоизоляции, каждый из которых выполнен в виде све нутой по спирали Архимеда нити. Один конец каждой нити слоев 5 и 6 теплоизоляции закреплен на соответствующем захвате 1 или 2, а другой, проходя че рез соответствующую направляющую трубу 7 или 8, закреплен на соответствующем коническом барабане 9 или 10, которые установлены на валу 11 с возможностью вращения вокруг своей оси. Конусность барабанов выбрана из условия обеспечения постоянной скорости удаления нитей. Вал 11 соединен с приводом его вращения (не показан). Способ осуществляют следующим образом. На нижнем захвате 1 размещают слой 5 теплоизоляции, центральный конец нити которой выводят через направляющую трубу 8 и закрепляют на барабане 9, а другой конец закрепляют на периферии захвата 1. Размещают на слое 5 теплоизоляции испытуемый образец 3, на его свободную торцовую поверхность укладывают аналогичным образом второй слой 6 теплоизоляции, который прижимают верхним захватом, выводят центральный конец нити слоя 6 теплоизоляции через направляющую трубу 7 и закрепляют его на барабане 10. Подготовленный таким образом к испытаниям образец 3 размещают в нагревателе k таким образом, чтобы нагрев происходил по образующей образца 3- Включают нагреватель , l после нагрева образца 3 до заданной температуры Т включают привод вращения барабанов 9 и 10, на которые наматываются нити слоев 5 и 6 теплоизоляции, в результате чего с обоих торцов образца 3 происходит постепенное удаление слоев 5 и 6 теплоизоляции в радиальном направлении от центра с постоянной скоростью, величину которой выбирают из условия обеспечения заданной скорости термонагружения. По мере удаления слоев 5 и 6 теплоизоляции происходит увеличен ние площади излучающей поверхности в центральной части образца 3, что приводит к появлению растягивающих термических напряжений, которые при определенном градиенте температур, зёвисящем от скорости удаления слоев 5 и 6 теплоизоляции, приводят к разрушению образца 3- В момент разрушения образца 3 привод вращения вала 11 выключают, определяют время от начала удаления слоев 5 и 6 теплоизоляции до разрушения образца 3 и измеряют ширину кольцевой зоны оставшейся теплоизоляции. По тарировочной зависимости градиент температурширина кольцевой зоны теплоизоляции определяют критерий R, характеризующий величину термопрочности при заданной температуре испытаний и скорости термонагружения. Тарировочную зависимость градиента температур от ширины кольцевой зоны оставшихся слоев 5 и 6 теплоизоляции получают предварительно перед испытаниями экспериментальным путем, измеряя температуру в центре и на контуре образца 3 при нескольких фиксированных значениях ширины кольцевой зоны теплоизоляции для каждого уровня температуры Т. Затем, используя известные аналитические зависимости разрушающих напряжений от градиента температур,.определяют величину разрушающих напряжении бразР используя которые рассчитываю критерий R, характеризующий величину термопрочности по формуле п 6pgiP(1-/) OLE где и, - коэффициент Пуанссона материала;о, коэффициент линейного термического расширения матери ала; Е - модуль упругости, материала. Поскольку при постоянной скорости удаления теплоизоляции напряжения в испытуемом образце 3 РЭС1УТ линейно СО временем и Скорость -5j термонагр то величину этой ск жения постоянна, рости определяют, используя рассчита ное значение критерия R термопрочнос ти по следующей формуле dR R .7 .5 uTr- - где ЛС - промежуток времени от намала удаления теплоизоляции до разрушения образца. IJO Величину скорости термонагружения изменяют путем изменения скорости вращения конических барабанов 9 и 10 для намотки нитей, слоев 5 и теплоизоляции. Для определения темпе .ратурной зависимости критерия R термопрочности от различных скоростей Д термонагружения проводят серию экспериментов при одной и той же тем пературе испытаний для нескольких скоростей- термонагружения. Указанную серию экспериментов затем пов .торяют для других заданных уровней температур испытаний. Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют определять зависимость термопрочности хруп ких материалов от температуры и различных скоростей термонагружения, что достигается за счет удаления с образца теплоизоляции с заданной .ско ростью. Формула изобретения 1. Способ испытаний хрупких материалов на термопрочность, заключающийся в том, что образец в виде диска со слоем теплоизоляции на его тор цовых поверхностях нагревают до температуры Т и создают в нем градиент 9 66 температур, вызывающий разрушение об разца, отличающийся тем, что, с целью обеспечение испытаний при различных скоростях термонагружения, градиент температур создают путем постепенного удаления теплоизоляции с обоих торцов образца в радиальном направлении от центра с постоянной скоростью, определяют время д.с от начала удаления теплоизоляции до разрушения образца и ширину кольцевой зоны теплоизоляции в момент разрушения j строят тарировомную.-зависимость градиента температур от ширины кольцевой зоны теплоизоляции и температуры Т испытаний, по которой определяют разрушающие напряжения . и рассчитывают критерий R, характеризующий . термопрочность материала, и скорость термонагружения по формулам db dR R dt: где iCt - коэффициент Пуанссона материала;oL - коэффициент линейного термического расширения материала ; Е - модуль упругости материала. 2. Устройство для испытаний хрупких материалов на термопрочность, содержащее захваты для крепления образца, два слоя теплоизоляции, размещенные между соответствующими захватами и торцовыми поверхностями образца, и нагреватель, отличающееся тем, что каждый слой теплоизоляции выполнен в виде свернутой по спирали Архимеда нити, один конец которой закреплен на соответствующем захвате} а устройство снабжено двумя установленными с возможностью вращения вокруг своей оси коническими барабанами, на которых закреплены другие, концы нитей. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Борздыка А. М. Методы горячих механических испытаний металлов. М., Металлургиздат, 1962, с. 359.-360, рис. 293. 2.Трапезников Д. А,,Урсик В. А., Кочетов Д, В. и др. Изучение условий разрушения графитов в тепловых потоках. - Проблемы прочности, 1971, № 12, с. 68-71 (прототип).