Спосіб змінного температурно-силового навантаження зразків

1 Спосіб змінного температурно-силового навантаження зразків, що передбачає прикладання до зразка взаємно незалежних температурного і силового навантажень з компенсацією темпера Винахід стосується способів випробування механічних властивостей сталей та інших металевих матеріалів, а саме способів їх змінного температурно-силового навантаження і може бути використаним при розробленні, виборі та контролі якості матеріалів для виготовлення деталей, які при експлуатації зазнають змінного температурносилового навантаження Відомий спосіб [1] за яким нагрівають жорстко защемлений зразок Напруження в HIM виникають як результат неможливості для зразка вільного розширення та скорочення При цьому циклові нагрівання відповідають цілком визначену м за амплітудою стискуючим напругам, а циклові охолодження - розтягуючим Недоліком відомого способу є неможливість навантаження зразка з довільним комбінуванням амплітуд і частот температурного та силового циклів Відомий також спосіб температурно-силового циклічного навантаження [2] (прототип) , який передбачає нагрівання і автономне механічне навантаження жорстко защемленого зразка та контроль термічних напружень з подаванням до блоку вимірювання деформувань попередньо розрахованого за спеціальною програмою компенсуючого сигналу Недоліком вказаного способу є те, що він дозволяє лише враховувати, а не виключати термічні турної складової деформування, який відрізняється тим, що одночасно випробовують два зразки, один з яких через шарнір з'єднаний з джерелом змінного силового навантаження, а другий - з опорою, температурне навантаження зразків здійснюють синхронно, а механізм компенсації температурного розширення виконаний у вигляді закріпленого посередині рівноплечого важеля, до протилежних КІНЦІВ якого з різних боків за допомогою шарнірів прикріплені другі КІНЦІ зразків 2 Спосіб по п 1, який відрізняється тим, що протилежні від важеля КІНЦІ зразків можуть вільно переміщатись в напрямку, паралельному початковому положенню важеля напруження В результаті цей спосіб також не дозволяє здійснювати навантаження зразка з довільним комбінуванням амплітуд та частот температурного і силового циклів Задачею винаходу є створення такого способу змінного температурно-силового навантаження з автономним прикладанням температурного силового навантаження зразків, який виключає вплив коефіцієнта ЛІНІЙНОГО розширення та дозволяє здійснювати силовий і температурний цикли (в тому числі несиметричні) незалежно один від одного, довільно комбінуючи їх амплітуди та частоти Вказана задача вирішується тим, що в способі змінного температурно-силового навантаження, який передбачає прикладання до зразка взаємонезалежних температурного і силового навантаження з компенсацією температурної складової деформування новим є те, що одночасно випробують два зразки, один з яких через шарнір поєднаний з джерелом змінного силового навантаження, а другий - з опорою, температурне навантаження зразків здійснюють синхронно, механізм компенсації температурного розширення виконаний у вигляді закріпленого посередині рівноплечого важеля до протилежних КІНЦІВ ЯКОГО З різних боків за допомогою шарнірів прикріплені другі КІНЦІ зразків Оскільки кути, на які при розширенні або скороченні під дією нагрівання або охолодження по (О 47164 вертають важіль обидва зразки, рівні між собою, використання пропонованого способу дозволяє зразкам вільно розширятись або скорочуватись під дією температурного навантаження, зберігаючи при цьому жорсткість кріплення для здійснення силового навантаження Задача вирішується також тим, що протилежні від важеля КІНЦІ зразків можуть вільно переміщатись в напрямку, паралельному початковому положенню важеля Схема пропонованого способу змінного температурно-силового навантаження зразків наведена на фіг 1 Зразок 1 поєднаний з активним захватом 2 Другий кінець зразка 1 приєднаний до одного кінця двоплечного важеля 3 До іншого плеча важеля 3 з протилежного боку приєднаний другий зразок 4 Інший кінець зразка 4 через пасивний захват 5 приєднаний до опори 6 До зразків підведені струмопроводи, або ж їх помішують в середину індукторів Температуру зразків визначають за допомогою припаяних до них термопар Охолоджують зразки, наприклад, шляхом їх примусового обдування (Елементи схем нагріванняохолодження та контролю температури на малюнку не наведені) На фіг 2 наведена схема відхилення зразка в результаті його розширення від вихідного стану О - місце кріплення важеля З, OKHR - плече важеля З, А - місце кріплення зразка 4 до захвату 5 (або зразка 1 до захвату 2), АК = L - віддаль між кріпленнями зразка до захвату 5 (або 2) та важеля З, KB - переміщення плеча важеля 3 при збільшенні довжини зразка над/н, Р - кут відхилення зразка від початкового стану На фіг 3 наведена схема кріплення зразка 4 до захвату 5 (зразка 1 до захвату 2), яка дозволяє позбутись перерізуючих напружень Зразок 4 приєднаний до захвату 5 за допомогою підчіпника 7, який обертаючись може вільно переміщатись в прорізу захвату 5 в напрямку паралельному початковому положенню важелл Спосіб змінного температурно-силового навантаження зразків здійснюється таким чином При синхронному нагріванні (охолодженні) обидва зразка 1 і 4 розширюються (скорочуються) на однакову довжину д/т і таким чином повертають важіль З на один і той же кут Отже, незважаючи на жорсткість системи, температурні напруження в зразках не виникають Водночас до зразків 1 і 4 за власною програмою може прикладатись силове навантаження власними амплітудою та частотою При цьому зусилля, прикладене до зразка 1, передається на зразок 4 зі змінного знаку на протилежний При навантаженні зразків відбувається їх розширення, яке повертає важіль навколо своєї осі Поєднаний з важелем кінець зразка при цьому відхиляється від вихідного положення на певний кут р, який в загальному випадку має температурну рт та силову р с складові, так що р = рт + рс Відповідна схема наведена на фіг 2 (для певності викладу обраний розтягуючий цикл) Складові кута р можуть бути визначеними за допомогою фор мули (1) де p.- ВІДПОВІДНО температурна рт, силова lie складова кута р, R - радіус плеча важеля З, L - відстань між кріпленнями зразків до захвату (2 або 5) та важелл З, д/н - температурна д/т (для визначення кута рт) та силова д/с (для визначення кута рс) складові подовження зразка при випробуванні Температурне розширення зразка здійснюється згідно формули д/т = а • Т • /, де а - коефіцієнт 1 ЛІНІЙНОГО розширення, К~ , Т- різниця початкової та кінцевої температур, К, / - початкова довжина зразка Поклавши /= L (суттєве перебільшення, реалізація якого технічно недоцільна ), a L = R та свідомо прийнявши завишенхі для більшості металевих матеріалів значення Т = 2 • 103К, а = 2 • 1 0 5 К 1 , отримуємо (аТ) т а х = 4- 1 0 2 i p t m a x « 8 - 1 0 ч БІЛЬШІ значення Т можливі лише для тугоплавких металів на кштал вольфраму, але вони характеризуються низькими значеннями а Коефіцієнт ЛІНІЙНОГО розширення а більший за 2 • 105К~ характерний лише для легкоплавких матеріалів (наприклад, свинцю) з температурною плавлення менше 10 К В обох цих крайніх випадках аТ менше за прийняте значення (аТ) т а х , а отже наведені зауваження щодо максимального кута відхилення зразку в результаті температурного розширення справедливі і для них Перерізуюча (тангенційна) складова навантаги Р-і, яка виникає на зразку в результаті відхилення його від вихідного стану внаслідок термічного розширення, визначається як Рі = Р • tgPr » 8 - 1 0 4 Р, де Р - прикладене силове навантаження В разі відсутності силової складової, як випливає з суті пропонованого способу, перерізуюча сила, пов'язана з термічним розширенням, тотожна нулеві, а при наявності силової складової, дорівнює настільки малій м частці, що нею можне знехтувати При здійсненні змінного силового навантаження з амплітудою, що не перевищує межі пружності випробуваного матеріалу ДІ с т а х » 5 • 104І_ (згідно з загальноприйнятим визначенням межі пружності як значення навантаження, що відповідає подовженню зразка на 0,05%) При цьому кут р с т а х « 7 • 10 7 При збільшенні довжини плеча важел З R > L вказані складові рТ та рс, а отже і весь кут р стають ще меншими ВІДПОВІДНО зменшується і величина перерізуючої сили, якою в умовах прикладання до металевого зразка довільного температурного циклу та одночасного його навантаження в пружній області змінним силовим навантаженням внаслідок м незначності можна знехтувати Звідки виплаває працездатність пропонованого способу змінного температурно-силового навантаження зразків При змінному силовому навантаженні з максимальною амплітудою більшою за межу пружності випробуваного матеріалу, в зразках відбувається накопичення остаточних деформацій Це приводить до збільшення довжини зразка /, а отже 47164 і кута [3 На певному етапі випробувань може вининакопичення в зразках остаточних деформацій кнути ситуація, коли вказаний кут зросте до знаПропонований спосіб змінного температурночень, що не дозволяють нехтувати перерізаючою силового навантаження зразків був покладений в складовою напружень Схема кріплення зразка 4 в основу конструкції установки термомеханічного захваті 5 (зразка 1 в захваті 2), яка дозволяє поциклювання, яка використовується при розробзбутись перерізаючих напружень, наведена на ленні нових гарячештампових матеріалів підвищефіг З ної СТІЙКОСТІ При відхиленні зразка від початкового стану на Література кут [3 ПІДЧІПНИК 7 під дією сили Р • smp переміщу1 Coffin LF Trans GSME, 1954, vol 76 p 923ється вздовж прорізу доки нове положення зразка 930 не стане паралельним вихідному, а отже перері2 Казанцев А Г , Черных А И «Заводская лазуюча сила знову стає рівною нулеві Таким чином боратория», 1981, № 10, с 71-72 забезпечується працездатність способу в умовах о Фіг.2 S1 Фіг 1 Фіг.З 7 47164 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71