Спосіб визначення енергетичних та деформаційних характеристик конструкційного матеріалу

Пропонований винахід відноситься до засобів дослідження конструкційних матеріалів на міцність та руйнування, зокрема, до способів визначення деформаційних характеристик та енергетичних характеристик конструкційних матеріалів, зразки яких досліджують у місцях з обмеженим доступом. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб визначення енергетичних та деформаційних характеристик конструкційного матеріалу при обмеженні можливостей безпосереднього вимірювання видовження зразка під час випробування, що включає вісьове навантажування серії зразків матеріалів в дослідницькій установці і реєстрацію діаграм "навантажування-переміщення", за якими визначають енергетичні та деформаційні характеристики досліджуваного матеріалу /Алексюк М.М., Борисенко В.А., Кращенко В.П. Механические испытания материалов при высоких температурах. - Киев: На укова думка, 1980. - 208с./. Описаний спосіб призначений для дослідження зразка в умовах обмеженого доступу до зразка, наприклад, у зонах високих (вище 1500 К) або наднизьких (до 4,2К) температур. При цьому деформування зразка вимірюють по переміщенню винесених із зони дослідження екстензометричних тяг. Недолік описаного способу полягає у недостатній достовірності одержаних даних, оскільки він не враховує деформування елементів установки. У основу пропонованого винаходу поставлено задачу створення такого способу визначення енергетичних та деформаційних характеристик конструкційного матеріалу при обмеженні можливостей безпосереднього вимірювання видовження зразка під час випробування, який би дозволив отримати в умовах обмеженого дослідницького простору коректні дані щодо деформування зразка за рахунок створення умов для визначення і врахування пружного деформування системи силонавантажування дослідницької установки. Поставлена задача вирішується пропонованим способом, який, як і відомий спосіб визначення енергетичних та деформаційних характеристик конструкційного матеріалу при обмеженні можливостей безпосереднього вимірювання видовження зразка під час випробування, включає вісьове навантажування серії зразків матеріалів в дослідницькій установці, що забезпечена системою силонавантажування, і реєстрацію діаграм “навантажування-переміщення”, за якими визначають енергетичні та деформаційні характеристики досліджуваного матеріалу, а, відповідно до винаходу, додатково навантажують установку з "абсолютно жорстким" зразком, визначають значення пружної енергії, накопиченої системою силонавантажування дослідницької установки, і реєструють її пружне видовження, під час навантаження установки з досліджуваним зразком визначають повну енергію, накопичену системою силонавантажування дослідницької установки з досліджуваним зразком, значення видовження зразка визначають з урахуванням пружного видовження системи силонавантажування, а значення енергії, що витрачається на деформування (руйнування) зразка, визначають як різницю між значенням повної енергії і значенням накопиченої системою пружної енергії при однакових рівнях навантаження. "Абсолютно жорсткий" зразок у цій заявці - це зразок, жорсткість якого дорівнює або більша за жорсткість дослідницької установки. Суть винаходу пояснюється за допомогою графічних матеріалів. На фіг.1 - схематично показано визначення енергії, витраченої на деформування досліджуваного зразка. На фіг.2 - показано визначення дійсного значення пружної деформації. Площа під діаграмою OMN (фіг.1) відповідає накопиченій системою навантажування пружній енергії. Площа під діаграмою ОАВС відповідає значенню енергії, витраченої на деформування (руйнування) зразка і пружнє деформування елементів системи силонавантажування зразка. Ці енергії дорівнюють: Dl 2 1 SOMN = Pmax Dl1 ; SOABC = ò PD( Dl) 2 0 Для визначення зазначених енергій спочатку деформують досліджуваний зразок до заданого рівня деформування або до руйнування і реєструють при цьому діаграму деформування. Потім у таких же умовах (температура, швидкість навантажування або деформування, середовище і т.п.) навантажують "абсолютно жорсткий" зразок до рівня навантажування, що дорівнює або перевищує найбільший зареєстрований при деформуванні досліджуваного зразка рівень. При цьому також реєструють діаграму деформування. По отриманим діаграмам обчислюють роботи деформування. Але для "абсолютно жорсткого" зразка роботу обчислюють при навантажуванні, що відповідає найбільшому зареєстрованому при деформуванні досліджуваного зразка рівню. Робота, витрачена саме на деформування (руйнування) досліджуваного зразка Аобр визначається за виразом: Dl 2 1 Aобр . = ò PD( Dl) - Pmax D l1 . 2 0 При визначенні дійсного значення пружної деформації (фіг.2) дії аналогічні, викладеним вище. Навантажують досліджуваний зразок до потрібного рівня навантажування (деформування), реєструють при цьому діаграму деформування, відрізок ОА. Потім - "абсолютно жорсткий" зразок - відрізок ОС. Значення пружної деформації знаходять із виразу: Dl = OB - OO 1 = P1K , де K = tga 1 - tga 2 ; a 1 - кут між лінією пружності діаграми досліджуваного зразка і віссю ординат; a 2 - кут між діаграмою “абсолютно жорсткого” зразка і віссю ординат. Приклад. Серію однакових прямокутних компактних зразків, виготовлених із сталі О3Х20Н16АГ6, кожний товщиною 12,5мм і з крайовою тріщиною, встановлювали у захвата х дослідницької установки УТН-10 (Новиков Н.В., Новогрудский Л.С. Установка для исследования влияния электрического тока на механические характеристики металлов в интервале температур 4,2-300К //Заводская лаборатория. -1979. - №4. - С.374-375 ), розташовували у кріостаті і охолоджували до температури рідкого гелію. Потім досліджували кожний зразок серії у відповідності до вимог ГОСТ25.509-85 на розтяг навантаженнями, напрямок яких був розташований на одній прямій лінії перпендикулярно площині тріщини, до досягнення максимального значення навантаження, реєструючи при цьому діаграму "навантажування-переміщення активної траверси установки". Після цього зразок розвантажували, систему відігрівали, а у захватах закріпляли "абсолютно жорсткий" зразок - геометричне тотожну досліджуваному зразку але без надрізу і без тріщини призму, виготовлену з високомодульного матеріалу - термообробленої сталі 40Х. Призму розміщували у кріостаті і охолоджували до температури рідкого гелію потім навантажували до рівня навантаження досліджуваного зразка, витримуючи при цьому тотожний навантаженню зразка режим. Під час навантаження реєстрували діаграму "навантажування-переміщення активної траверси установки". Під час обчислення характеристик в'язкості руйнування оперували із значенням роботи, обчисленим як різниця площ під діаграмами, зафіксованими при навантажуванні зразка з тріщиною і призми. Визначення тріщиностійкості виконували методом J-інтегралу. Обчислене по діаграмі значення роботи, витраченої на просування тріщини складало 12,5Дж. При цьому було зафіксовано найбільше навантаження 39500 И. Для зазначеного рівня навантаження накопичена елементами силонавантажування установки пружна енергія дорівнювала 2,2Дж, а робота, витрачена на просування тріщини складала 10,3Дж, тобто, лише 82,5% від зареєстрованої.