Установка для вимірювання структурно-механічних властивостей сплаву

Установка для вимірювання структурномеханічних властивостей сплаву, що містить плавильну піч з тиглем, рифлену пластину з штоком, який встановлений в направляючу втулку з теплопровідного матеріалу, що не змочується розплавом сплаву, урівноважену систему навантаження та реєструючий вертикальне переміщення рифленої пластини прилад, яка відрізняється тим, що по усій площині рифленої пластини в шаховому порядку виконано прохідні отвори, відношення діаметру кожного з яких до товщини вказаної пластини складає 0,5-0,8. UA (21) a200805130 (22) 21.04.2008 (24) 10.07.2009 (46) 10.07.2009, Бюл.№ 13, 2009 р. (72) НАЙДЕК ВОЛОДИМИР ЛЕОНТІЙОВИЧ, НАРІВСЬКИЙ АНАТОЛІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, БОРИСОВ ГЕОРГІЙ ПАВЛОВИЧ, БІЛЕНЬКИЙ ДАВИД МИРОНОВИЧ, ШЕНЕВИДЬКО ЛЕОНІД КОСТЯНТИНОВИЧ, ПІОНТКОВСЬКА НАТАЛЯ СЕРГІЇВНА, ДУКА ВІТАЛІЙ МИХАЙЛОВИЧ, НЕДУЖИЙ АРТЕМ МИКОЛАЙОВИЧ (73) ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) SU, 604 616, A, 30.04.1978 EP, 0 397 235, A2, 14.11.1990 AT, 413 243, B, 15.12.2005 WO, 90/08309, A1, 26.07.1990 JP, 4-016740, A, 21.01.1992 JP, 2000-275093, A, 06.10.2000 C2 2 (19) 1 3 часі проводиться індуктивним датчиком і потенціометром УПП-09 або осцилографом. Недоліками цієї установки є те, що на поверхні розплаву утворюється кірка з підвищеним вмістом оксидів (особливо для сплавів, що мають велике споріднення до кисню, наприклад, алюмінієвих), які впливають на структурно-механічні властивості сплавів. При витягуванні рифленої пластини із сплаву ця кірка деформується, що призводить до похибки вимірювань. При витягуванні пластини з розплаву на шток діють сили поверхневого натягнення, які із зміною температури і вмісту оксидів у верхніх шарах металу також змінюються, що утрудняє врахування їх впливу на вимірювання. При навантаженні одного важеля коромисла вагів останнє повертається на деякий кут, який у міру витягування рифленої пластини із сплаву збільшується, а шток рифленої пластини відхиляється від вертикального положення. Це приводить до розкладання сили, що витягає пластину, на дві складові і до помилки вимірювань. Найбільш близьким (прототипом) до запропонованого винаходу щодо технічної суті та досягнутого результату є установка для вимірювання структурно-механічних властивостей ливарних сплавів (А. с. №604616 (СРСР). МПК2 B22D 1/02.БИ.- 1978.- №16), що включає плавильну піч з рифленим тиглем, рифлену пластину з штоком, індуктивний датчик деформацій і реєструючий прилад 3 метою підвищення точності вимірювання на вертикально-рухомій рамі встановлений електромагнітний фіксатор, виконаний з можливістю утримування урівноважених противаг і співвісно сполучених між собою сердечника індуктивного датчика деформацій, платформи навантаження і штока рифленої пластини, який вставлений в направляючу втулку з теплопровідного матеріалу, що не змочується розплавом. Для точного визначення початку деформації в установці електромагнітний фіксатор і реєструючий прилад сполучені паралельно. Принцип роботи установки оснований не на витягуванні рифленої пластинки із сплаву, а на її навантаженні. Основним недоліком цієї установки, як і раніш розглянутих аналогів, є те, що при визначенні граничних напружень зсуву в сплаві рахують, що зрушення відбувається по всій площині рифленої пластинки. Граничне напруження зсуву у сплаві при цьому визначають за рівнянням: де F - навантаження, кг; q - прискорення сили ваги, см/с ; S - площа рифленої пластинки, см2. Однак в реальних умовах зсув сплаву відбувається тільки по тій площині пластинки, де вона добре з'єднується з ним. По іншій площині сплав ковзає по поверхні пластинки. При найменшій деформації сплаву на площі однієї нарізки в пластинці наступна нарізка переміщується по частково порушеній або орієнтованій у напряму витягування пластини структурі сплаву. В результаті цього на відомих установках отримують занижені величини граничного напруження зсуву у сплавах при різних температурах. Крім цього, для проведення досліджень сплаву треба мати декілька пластин з однаковою кількістю горизонтальних нарізок і постійни 87414 4 ми їх розмірами, що складно додержати при виготовленні пластин. Задача запропонованого винаходу є підвищення точності вимірювання реологічних властивостей сплаву та спрощення конструкції установки. Поставлена задача досягається тим, що у запропонованій установці для вимірювання структурно-механічних властивостей сплавів, що включає плавильну піч з тиглем, рифлену пластину з штоком, який вставлений в направляючу втулку з теплопровідного матеріалу, що не змочується розплавом урівноважену систему навантаження та реєструючий вертикальне переміщення рифленої пластини прилад, згідно з винаходом, по всій площині пластини в шаховому порядку виконано прохідні отвори, відношення діаметру кожного з яких до товщини пластини складає 0,5-0,8. В запропонованій установці при переміщенні пластини зсув металу в рідко-твердому стані відбувається тільки по поверхні отворів, загальна площа яких відома, що значно підвищує точність вимірювання структурно-механічних властивостей сплаву. При відношенні діаметру отвору до товщини пластини більше, ніж 0,8 в процесі переміщення пластини під вантажем сплав буде зсуватись по поверхні отвору, а також деформуватися в середині кожного з отворів, що зменшує точність вимірювання. У випадку відношення діаметру отвору до товщини пластини менше, ніж 0,5 зменшується чутливість установки до величини напруження зсуву в сплаві. Запропонована установка зображена на фігурі. Вона містить раму 1, на якій змонтовані плавильна піч 2 і колона 3. На колоні встановлені плита 4 з направляючою втулкою 5 і фіксатор 6, який утримує в стаціонарному положенні урівноважені противагою 7 і співвісно сполучені між собою платформу навантаження 8 циліндричною основою 9 і пластину 10 з отворами та її штоком 11. Основа 9 переміщується по внутрішній поверхні втулки 5. На плиті 4 встановлено індикатор 12, яким вимірюють величину вертикального переміщення пластини у сплаві. Шток 11 пластини 10 розташований у втулці 13 з теплопровідного матеріалу, що не змочується розплавом (для алюмінієвих сплавів з графіту). Втулка 13 одним кінцем закріплена в центрі теплоізоляційної кришки теплоізоляції плавильної печі, а другий її кінець занурений на 3-5мм в сплав. Шток пластини з отворами притирається до внутрішнього діаметра так, щоб в зазор між ним і втулкою не проникав розплав і сили тертя, що виникають при переміщенні штока, були мінімальними. Перед роботою на установці шток 11 з пластиною 10 вставляють в направляючу втулку 5, закріплену в кришці плавильної печі 7. Потім шток, що має різьблення на верхньому кінці, угвинчують в основу 9 платформи навантаження 8. В тигель плавильної печі завантажують досліджуваний сплав і розплавляють його. Після розплавлення металу урівноважену систему опускають до занурення пластини з отворами і направляючої втулки в сплав на задану глибину. Фіксатор 6 утримує 5 87414 вимірювальну систему в заданому положенні. Після опускання та фіксації системи на платформу 8 встановлюють відомий вантаж, а індикатор 12 - в початкове положення. При досягненні сплавом заданої температури, яка підтримується зміною потужності, що підводиться до плавильної печі опору, включають цифрову камеру, яка реєструє показання індикатора, і звільняють систему від фіксації. Платформа 9 разом з її основою 8 та пластиною 10 під дією вантажу переміщуються вниз. Пластина при цьому занурюється в метал до тих пір, поки сума напружень зсуву, що виникають в сплаві при його деформації по загальній площі отворів не досягає величини сили, яка діє на пластину. При припиненні занурення пластини знімають з платформи навантаження і проводять фотознімання показань індикатора після розвантаження. Потім пластину з отворами та штоком, а також платформу навантаження встановлюють в початкове положення. Після цього цикл роботи повторюється. Проводячи комп'ютерну обробку фотоматеріалів, будують деформаційні криві, по яких визначають такі характеристики, як модулі швидкої і повільної пластичної деформації, та розраховують значення напружень зсуву в сплаві. Запропонована установка для вимірювання структурно-механічних властивостей сплавів дозволяє реєструвати кінетику деформації металу в рідкотвердому стані при різних температурах з точністю до ± 1мк. Крім того, запропонована конструкція дозволяє усунути такі явища, як наморожування металу на шток рифленої пластинки при його зануренні, вплив сил поверхневого натягнення і оксидів у верхніх шарах металу і значно підвищити точність вимірювання реологічних властивостей сплавів. Реалізація запропонованої установки була здійснена на алюмінієвому сплаві АІ + 4,5% Si, який твердіє в інтервалі температур 642-577°С. Сплав плавили і термостатували при визначеній температурі у печі опору з графітовим тиглем. Після розплавлення в сплав занурювали в першому випадку пластину розміром 15x25мм і товщиною 3мм з отворами 2мм, в другому - пластину з таки 6 ми же розмірами, але з горизонтальною нарізкою на її поверхні (рифлену пластину). Після опускання усієї вимірювальної системи на визначену глибину сплаву її фіксували в цьому положенні. На платформу ставили навантаження масою 50г і встановлювали індикатор в початкове положення. При досягненні сплавом температури 580°С включали цифрову камеру «CANON 1XUS50» і звільнювали систему від фіксації. Пластина при цьому занурювалась в метал з визначеною швидкістю до рівняння напружень зсуву в сплаві з величиною сили, яка діє на неї. Після припинення занурення пластини знімали навантаження з неї. За допомогою цифрової камери фіксували показання індикатору при навантаженні пластини і після розвантаження. Після цього розраховували значення напружень сплаву (див. табл.), а також обробляли фотоматеріали на комп'ютері. По деформаційних кривих, отриманих за допомогою комп'ютера, визначали модулі швидкої і повільної пластичної деформації сплаву, які вимірювали пластинами з отворами або з горизонтальною нарізкою. Модулі пружної G1 і пластичної G2 деформацій зсуву при цьому складають: " при вимірюванні рифленою пластиною G1 = 14,2·10-5 н/м2, G2 - 11,6·10-5 н/м2; пластиною з отворами G1 = 16,8×10-5 н/м2, G2= 12,5×10-5 н/м2. Наведені результати свідчать про те, що за допомогою пластини з отворами можливо отримувати більш стабільні результати вимірювань структурно-механічних характеристик сплавів, ніж з використанням рифленої пластини. Отже, запропонована установка на відміну від прототипу та інших аналогів дає змогу одержати новий технічний ефект, виражений у підвищенні до 20% точності вимірювання структурно-механічних властивостей сплавів в інтервалі температур кристалізації. Таблиця Значення граничного напруження зсуву (Рк) в алюмінієвому сплаві, які вимірювані різними способами. Спосіб вимірювання Сплав Температура, °С Прототип (Авт. св. СРСР №604616 Запропонованою установкою Al+4,05%Si Результати 3-х виміСереднє значення, рювань, Рк×10-5, н/м2 -5 2 Рк×10 , н/м 580 1,88; 1,66; 2,00 1,85 2,07; 2,02; 2,06 2,05 7 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 87414 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601