Пристосування до машини для випробувань матеріалів на міцність при осьових навантаженнях плоских зразків

Пропонована корисна модель відноситься до засобів випробування конструкційних матеріалів на міцність, зокрема, до конструкцій пристосувань до машин для випробувань матеріалів на міцність при осьових навантаженнях плоских зразків. Відома установка для двовісного розтягу хрестовидних зразків, які включають дві системи навантажування, розташовані перпендикулярно одна до одної [Shiratori Е. and Ikegami K.- Bulletіn of the Tokyo Institute of Technology. - 1967, N82]. Недоліком згаданої установки є громіздкість, необхідність використання в ній системи синхронізації навантажування, а окрім сказаного, значні труднощі, що виникають при реалізації динамічних випробувань та випробувань за кріогенних температур. Відоме пристосування для двовісного розтягу хрестовидних зразків, у якому розтяг зразку здійснюється за допомогою трьох реверсорів: базового реверсора, що перетворює за допомогою ричажної системи односпрямоване стискальне навантажування пресу у дві стискальні взаємно-перпендикулярні складові, та двох реверсорів - вкладинників, котрі послуговують для закріплення хрестовидного зразку та перетворення стискальних навантажувань від плит базового реверсора у розтягувальні, що прикладаються до сторін хреста [Горб М.Л., Островский А.А. Приспособление для двухосного растяжения крестовидных образцов// Пробл. прочности. - 1970. - №6. - С.97-99]. Недоліком цього пристосування є складність і багатоелементність системи навантажування, яка включає разом з пресом чотири елементи і велику кількість шарнірних з'єднань. Все це призводить до зниження точності та достовірності результатів випробувань через наявність чисельних люфтів та великих сумарних пружних деформацій силового ланцюгу. Через малу жорсткість пристосування його недоліком є і неможливість динамічного навантажування. Крім того, таке пристосування не дозволяє проводити випробування за кріогенних температур у середовищі певного холодоагенту. Найбільш близьким по технічній суті до пропонованого є пристосування до машини для випробувань матеріалів на міцність при осьових навантаженнях плоских зразків, яке складається із засобів для взаємодії з поверхнями плоского зразка і з циліндричними опорами плит машини [Зиновьев М.В., Ильичев В.Я., Рыков В.А., Савва С.П. Методика испытаний образцов при двухосном напряженном состоянии в условиях низких температур// Проблемы прочности. - 1972. - №5. - С.123-125]. У описаному пристрої розтяг зразку здійснюється за допомогою реверсивної ричажної системи, котра являє собою два шарнірні взаємно-перпендикулярні паралелограми, що перетворюють односпрямоване стискальне навантажування у двовісний розтяг сторін хреста. Хоча цей пристрій простіший за попередній, він містить не менше шістнадцяти шарнірних з'єднань, і йому, хоч і в меншій мірі, притаманні ті ж самі недоліки, що стосуються точності результатів випробувань та обмежень щодо реалізації динамічного навантажування. Крім того, недоліком пристосування є неможливість нерівновісного навантажування зразку. Недоліком згаданого пристосування є і суттєва нерівномірність напруженого стану, що виникає у зразках за рахунок значних крайових ефектів [Писаренко Г. С., Лебедев А. А. Де формирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. - К.: На ук. думка, 1976. - 425с.]. Для їх усунення у гілках хреста потрібно робити довгі вузькі нерівномірно розташовані щілини, які значно ускладнюють конструкцію та виготовлення самого зразка. Суттєвим недоліком є обмеження по класу матеріалів - можуть випробуватись лише зміцнювальні матеріали, зокрема такі, що не мають площини текучості. Крім того, недоліком є і те, що при їх використанні можуть досягатися лише відносно малі пружно-пластичні деформації у малій робочій площині зразка. У основу пропонованої корисної моделі поставлено задачу створення такого пристосування до машини для випробувань матеріалів на міцність при вісьових навантаженнях плоских зразків, яке б дозволило суттєво знизити нерівномірність напруженого стану, шля хом створення умов для зменшення виникнення крайових ефектів. Поставлена задача вирішується у пропонованому пристосуванні, яке, як і відоме пристосування до машини для випробувань матеріалів на міцність при вісьових навантаженнях плоских зразків, складається із засобів для взаємодії з поверхнями плоского зразка і з циліндричними опорами плит машини, а, відповідно до пропозиції, засоби для взаємодії з поверхнями плоского зразка виконані у вигляді двох однакових паралельних кілець, кожне з яких виготовлене з набору однакових кільцевих секторів, і призначене для закріплення на поверхні плоского зразка, а також двох однакових тарільчастих пружин, більший торець кожної з яких призначений для взаємодії з внутрішньою циліндричною поверхнею одного з кілець, а менший торець тарільчастої пружини призначений для взаємодії з однією з циліндричних опор плит машини для випробувань матеріалів на міцність при вісьових навантаженнях плоских зразків. Особливістю пристосування є і те, що кожна тарільчаста пружина має радіальний надріз. Особливістю пристосування є і те, що кожна тарільчаста пружина має суцільні радіальні розрізи, а кільцеві сегменти пружини шарнірно закріплені на жорсткому кільці. Особливістю пристосування є і те, що внутрішня торцьова поверхня кожної тарільчастої пружини має форму еліпсу. Суть корисної моделі пояснюється графічними матеріалами. На фіг.1 - схематично показано пропоноване пристосування. На фіг.2 - схематично показано тарільчасту пружину з радіальним надрізом. На фіг.3 - схематично показано тарільчасту пружину з радіальними розрізами, кільцеві сегменти якої шарнірно закріплені на жорсткому кільці. На фіг.4 - схематично показаний процес навантажування плоского зразка (нижня частина пристосування умовно не показана). Пристосування до машини для випробувань матеріалів на міцність при осьових навантаженнях плоских зразків 1, складається із двох однакових паралельних кілець 2, кожне з яких виготовлене з набору однакових кільцевих секторів, і призначене для закріплення на поверхні плоского зразка 1, а також двох однакових тарільчастих пружин 3. Більший торець кожної тарільчастої пружини 3 призначений для взаємодії з внутрішньою циліндричною поверхнею одного з кілець 2, а менший торець тарільчастої пружини 3 призначений для взаємодії з однією з циліндричних опор плит 4 і 5 машини для випробувань матеріалів на міцність при осьових навантаженнях плоских зразків. Кожна тарільчаста пружина 3 може мати радіальний надріз (фіг.2), або суцільні радіальні розрізи (фіг.3), а кільцеві сегменти пружини шарнірно закріплені на жорсткому кільці 2. Внутрішня торцева поверхня кожної тарільчастої пружини 3 може мати форму еліпсу. Розглянемо роботу пропонованого пристрою на конкретному прикладі. Випробовують листовий зразок 1 (фіг.2) на короткочасний статичний двовісний розтяг з побудовою діаграм деформування s = f (e ), де s - головне напруження, e - головна деформація. Для цього може бути використаним пристрій, у якому тарільчасті пружини 3 (фіг.2) мають ряд рівномірно розташованих радіальних надрізів, або пристрій, у якому шарнірне кільце (фіг.4) розташовано біля внутрішнього краю сегментів пружини 3. Випробувальна машина мусить бути обладнаною засобами вимірювання осьового навантаження Р та осьового взаємного переміщення плит 4 та 5 (тут та ділі - фіг.1) Dl.Головні деформації зразку e1 та e2 вимірюються за допомогою тензометрів опору, котрі наклеєні у взаємно перпендикулярних напрямах на робочій частині зразку. Деформівний стан зразку можна оцінювати також і іншими методами, зокрема, методом координатних мереж, що наносяться у центральній частині поверхні зразка. В цьому випадку у верхній плиті 4 встановлюється освітлювальна лампа, а деформації визначаються візуально за допомогою мікроскопу (не показаний). Зображення сітки на нього надходить через оптичну систему, яка розташована на осьовому та радіальному каналах - отворах у верхній плиті 4, у місці з'єднання яких під кутом 45° до осей каналів встановлене дзеркало (не показано). У процесі навантажування записується машинна діаграма P=¦(Dl) а також діаграма e=¦(Dl), де e - одна з головних деформацій, що дорівнюють одна одній. Якщо довжина надрізів на тарільчастих пружинах 3 використовують пристосування за п.4 формули наближається до розміру А (фіг.4), а їх число достатньо велике (не менше 16), або якщо напружений стан сегментів пружини буде близьким до одновісного стиску. Головні напруження у робочій частині зразку дорівнюють: s = P / Ddtga (1) де D - діаметр зразку по колу, утвореному вн утрішньою поверхнею упорних кілець 2, d - товщина зразку. Залежність , що має вид: tg a = (H - D l)A 1 - (H - D l) 2 / A 2 , (2 ) отримуємо у графічному вигляді розрахунковим методом. На основі залежностей від DІ для Р, e та за допомогою (1) та (2) будується діаграма деформування s=¦(e), котра характеризує опір матеріалу деформуванню в умовах плоского напруженого стану, та за котрою можна визначити характеристики міцності та пластичності, а також теорію міцності, котрій відповідає даний матеріал. Описане випробування можна здійснити на установках-пресах, або розривних машинах, обладнаних реверсивним механізмом. Наприклад, можна використовувати установку У МН-10, виконану на базі машини гідравлічного типу ZD-10 [6. Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Де формирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. - К.: Наук. думка, 1976. - 425с.]. В цьому випадку пристрій з зразком встановлюється між нижньою плитою 5 (фіг.1), що опирається на рухому траверсу, котра рухається вгору, та опорним масивним стрижнем (верхня плита 4), з'єднаним з верхньою нерухомою траверсою. При цьому нижня плита контактує з рухомою траверсою через сферичну опору. Іншим прикладом використання запропонованого пристрою є випробування на повзучість при заданій температурі. Навантажування створюється вантажем масою m, котрий встановлюється на верхню плиту 4. Навантаження становить Р= mg, де g - прискорення сили тяжіння. Величина DІ періодично визначається вимірюванням відстані між верхньою та нижньою плитами, головне напруження визначається за формулами (1) та (2), а де формований стан зразку оцінюється, наприклад, одним з описаних вище способів. Оскільки випробування на повзучість потребує сталості напруження, у процесі його проведення необхідно періодично зменшувати масу вантажу у відповідності з умовою mg/tga=const, тобто маса мусить зменшуватись пропорційно зниженню tga у процесі накопичення деформації. Зменшувати масу можна, наприклад, зливом води з резервуару, що є частиною вантажу. По результатам випробувань будується діаграма e=¦(t) для даної величини s, де t - час. Вона характеризує опір матеріалу повзучості в умовах плоского напруженого стану. За допомогою таких випробувань можна також перевіряти або формулювати критерії повзучості, або тривалої міцності за складного напруженого стану, що включають температурно-часові фактори [5. Писаренко Г. С., Лебедев А. А. Де формирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. - К.: Наук. думка, 1976. - 425с.]. Наведені приклади ілюструють широкі можливості запропонованого пристрою. Можна показати, що за його допомогою в умовах складного напруженого стану досить просто можуть проводитись випробування матеріалів на динамічний розтяг, утому та тріщиностійкість за статичного, динамічного або циклічного навантажування. Щоб оцінити можливості пристрою по величині найбільшої пластичної деформації зразку, котра може бути досягнена за допомогою пристрою, розглянемо фіг.4. У процесі деформування зразку кут a зменшується, і при e» emax a=0, С=0. Деформація наближується до величини: e max = A(1 - cos a 0 ) / R, де R=D/2, a 0 - початкова величина кута нахилу тарільчастої пружини. Таким чином, значення emax може регулюватись трьома параметрами - радіусом зразку R, шириною пружини А та початковим кутом нахилу пружини a 0. Наприклад, при досить помірних величинах цих параметрів, R=30мм, А=20мм, a 0=30° маємо emax=8,6%*, що значно перевищує максимальні деформації, які досягаються при рівномірному двовісному розтязі переважної більшості конструкційних матеріалів, зокрема - сталей та сплавів [5]. При цьому незначне зменшення emax відбувається за рахунок пружної деформації пружини, але розрахунок показує, що нею можна знехтува ти. Більш суттєвим зменшення emax стає у випадку, коли у пружині виникають пластичні деформації, що характерно для пружин, які не мають надрізів або розрізів. Література: 1. Козлов В.А., Ахременко В.Л. Исследование сложнонапряженного состояния на плоских образцах// Термопластичность материалов и конструктивных элементов. - Вып.4. - К.: Наук. думка, 1967. - С. 65-70. 2. Shiratori E. and Ikegami K. - Bulletin of the Tokyo Institute of Technology. - 1967,N 82. 3. Горб М.Л., Островский А.А. Приспособление для двухосного растяжения крестовидных образцов// Пробл. прочности. - 1970. - №6. - С. 97-99. 4. Зиновьев М.В., Ильичев В.Я., Рыков В.А., Савва С.П. Методика испытаний образцов при двухосном напряженном состоянии в условиях низких температур// Там же. - 1972. - №5. - С. 123-125. 5. Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. - К.: На ук. думка, 1976. - 425с. 6. Стрижало В.А., Новогрудский Л.С., Воробьев Е.В. Прочность сплавов криогенной техники при электромагнитных воздействиях. - К.: Наук. думка, 1990. - 180с.