Установка для виміру внутрішнього тертя в області інфранизьких частот

1. Установка для виміру внутрішнього тертя в області інфранизьких частот, що включає - зворотний крутильний маятник, виконаний у вигляді горизонтального інерційного стрижня з тягарцями, розташованого на вертикальному подовжуючому стрижні, до якого затискачами закріплено досліджуваний зразок, причому подовжуючий стрижень з'єднано з противагою для зменшення осьового навантаження зразка; - систему збудження вільних та вимушених крутильних коливань у вигляді постійного магніту, закріпленого на указаному подовжуючому стрижні і розміщеного в однорідному полі котушок Гемгольца; U 2 (19) 1 3 13122 4 Для реєстрації коливань використовують систему того ж, як показує аналіз літературних даних, джерело світла-дзеркало-приймач. Джерело світ[I.Gutierrez-Urrutia, M.L.No, E.Carreno-Morelli, ла та приймач поміщають поза камерою, а дзерB.Guisolan, R.Schaller, J.San Juan, High perfomance кало - усередині камери на вертикальному стрижof very low frequency forced pendulum, Mater. Sci. ні, який передає зразку крутильні коливання. Engineering (A), V.370, is. 1-2, 435-439 (2004); Падаючий та віддзеркалений світловий промінь S.Etienne, J.V.Cavaille, J.Perez, Automatic system проходять через скляне віконце у стінці вакуумної for analysis of micromechanical properties, камери. Rev.Sci.Instrum.,V.53, No.8, 1261-1266 (1982)] при Електромагніти збуджуються імпульсами використанні метода вимушених коливань зменструму, що подаються синхронно з рухом світлової шується динамичний діапазон крутильних дефорплями по шкалі [А.Новик, Б.Берри, Релаксационмацій у зразку (5 10-6–5 10-5). ные явления в кристаллах. М.: Атомиздат, 1974.Під час дослідження широкого кола матеріалів 472с.] чи активній поверхні детектора від джерела (від полімерів до надміцної кераміки) необхідно світла, який відбивається від дзеркала. Така сисмати як мінімум дві автоматизовані установки, які тема збудження знижує точність установлення працюють на різних принципах - використанні візаданої амплітуди деформації, що спостерігаєтьльно загасаючих та вимушених коливань. На цей ся, наприклад, під час виміру амплітудної залежчас вже існують одиничні установки, які можуть ності ВТ. працювати в широкому діапазоні температур (Т), Відносна амплітуда деформації крутіння досчастот (f) і амплітуд деформації ( ). Це досягаєтьліджуємого зразка є визначається за формулою ся поєднанням в одній установці обох режимів [Л.Т.Тимощук, Механические испытания металлов дослідження, що є доцільним як з точки зору зручи сплавов. М.: Металлургия]: ності проведення експерименту, так і з точки зору економії коштів. r (1) Відома низка винаходів, що відносяться до l установок ВТ, які захищені [авторськими свідотцтде - кут закручування зразка; r - радіус попевами СРСР та патентами інши Г.М.Бартенев; речного перерізу зразка; l -робоча довжина зразка. Г.М.Синицына. Крутильный маятник, опубл. Величина ВТ визначається за формулою: 07.11.82. Б.№41; А.С. SU 972329 МКИ G01N11/16 1 Am 1 Q ln (2) В.А.Гришечкин, В.Г.Шаталов, В.К.Алтухов, n Am n Л.А.Квачева. Крутильный маятник, опубл. де Аm и Аm+n - початкова і кінцева амплітуди, 30.11.92. Б.№41; А.С. SU 1041914 МКИ G01N11/16 які обрані для відліку числа коливань. В.С.Постников, М.М.Поцелуев, Ю.К.Шлык, На сьогодні в фізичному матеріалознавстві усВ.И.Ковалевский. Устройство для измерения внутпішно використовується і інший метод виміру ВТ реннего трения в области инфранизких частот, метод вимушених коливань, який легко реалізуопубл. 15.09.83. Б. N34, А.С. SU 1041914A МКИ ється у зворотньому крутильному маятнику G01N11/16; United States Patent 4,231,259, [J.Woigard, Y.Sarrazin, H.Chaumet, Apparatus for G01N29/00, Alagu P. Thimvengadam, Ambrose A. measuring of internal friction as function of frequency Hochrein. Jr.; Method and apparatus for -5 between 10 and 10Hz, Rev.Sci.Instrum. ,V.48, No. nondestructive evaluation utilizing the internal friction 10, 1322-1325 (1977)]. Цей метод базується на damping (IFD) technique, November 4, 1980; United вимірі різниці фаз між синусоїдальним напруженStates Patent 4,794,798, G01N3/00, Ken-ichi ням, що прикладається до зразка, і деформацією, Matsushita; Taira Okamoto, Masahiko Shimada, -1 яку це напруження визиває (Q =tg ). Для збуHisao Takeuchi, Device for measuring Young's дження в досліджуваному зразку вимушених круmodulus and internal friction of specimen, January 3, тильных коливань в подовжувальній штанзі (торсі1989; United States Patent 4,852,406, G01N27/80, оні) монтується невеликий сталий магніт, що Oliver Chrithian, Charles Brun; et al. Method and розміщується в однородному полі пари котушок apparatus for determining the coefficient of internal Гемгольця, на які подаєьтся синусоїдальна напруfriction of steel or the like, August 1, 1989; United га в діапазоні частот 0,0001-10Гц. Напрям магнітStates Patent 4,868,498 , GO1D5/20, Jean-Pierre ного поля постійного магніту встановлюють перпеLusinchi; Jean-Michel Moreau; Electronic angular ндикулярно до напряму магнітного поля, що measurement device September 19, 1989]. Але вони створюється котушками. Змінюючи частоту у шине повністю вирішують задачі створення баготорокому діапазоні, можна отримати той же самий функціональної установки для дослідження широспектр ВТ, що й у режимі вільно загасаючих коликого класу матеріалів. вань, але при більш низькій фіксованій температуВідомі установки, які можуть працювати як у рі (Т), тобто практично не змінюючи структурного режимі вільно загасаючих, так і вимушених колистану зразка. Цей метод дозволяє вимірювати вань. Вони дають можливість проводити дослівеличиниу ВТ (Q-1) до 0,1 і більше, що, як мінімум, дження ВТ та модуля зсуву при різних зовнішніх на порядок вище ніж при використанні крутильного діях на одному зразку та знижують імовірність домаятника у режимі вільно загасаючих коливань. даткових механічних дій на зразок, що виникають Однак ж, у зв'язку з технічними проблемами випід час його монтажу. Однак, деякі з цих установок значення зсуву фаз між напруженням і деформаспроектовані для дослідження вузького кола матецією метод вимушених коливань дозволяє виміряріалів, наприклад, металевих стекол -4 ти ВТ з розрізненням 10 , в той час як при [Ю.В.Фурсова, В.А.Хоник. Вимір інфранизькочасвикористанні метода вільно загасаючих коливань тотного внутрішнього тертя в металевому склі // Q-1 можна вимірювати з розрізненням до 10-6. До Изв. РАН. Сер.физ. 1998. т.62. №7.с.1288], а інші 5 13122 6 [Патент США, №4003247, Кл. G01N3/32, 1978] маунив-та, 1980, с.]. Це знижує вдвічі діапазон реаліють відносно високу нижню робочую частоту (до зуемих амплітуд деформацій. 10-2Гц), що не дозволяє досліджувати релаксаційні г) прохождения падаючим і відзеркаленним процеси, наприклад, еластомерів, де необхідні світловим промінем через скляне віконце вакуумбільш низькі робочі частоти. Вузли коливальної ної камери. При цьому мають місце втрати інтенсистеми маятника, які використовуються у патенті, сивності світлового потоку, які обумовлені відбитвідрізняються особливою складністю та й важкі до тям від поверхні скла и поглинанням у склі, а реалізації. Тому дуже актуальним завданням є також зміщення проміня без зміни його напряму. створення порівняно недорогої, надійної багатоВсе це ускладнює настройку системи перед виміфункціональної установки ВТ. рами. Найбільш близьким аналогом-прототипом коСпільними з прототипом ознаками технічного рисної моделі за призначенням та збігом низки рішення, що заявляється, є: технічних ознак є апарат для виміру ВТ в діапазоні - зворотний крутильний маятник, який включає інфранизьких частот, розроблений М.Веллером, горизонтальний інерційний стрижень з тягарцями, одним з провідних фахівців інституту Дослідження вертикальный подовжувальний стрижень, закріпметалів ім. Макса Планка (Штутгарт, Німеччина) лений в затискачах зразок, противагу; [M.Weller. Characterization of High Purity bcc Metals - система збудження вільно загасаючих та виby Mechanical Spectroscopy. Journal de physique iv. мушених крутильних коливань, що включає сталий Colloque C7, supplement au Journal de Physique III, магнит, який закріплено на подовжувальному Volume 5, novembre 1995]. стрижні і розміщено в однородному полі пари коАпарат, який працює в режимі вільно загасаютушок Гемгольця; чих та вимушених коливань, містить: - система реєстрації коливань, що включає - зворотний крутильний маятник, що включає джерело світла, оптичний детектор; горизонтальний інерційний стрижень з тягарцями, - система нагріву та охолодження зразка, що вертикальний подовжувальний стрижень, закріпвключає нагрівальну піч і кріостат; лений в затискачах зразок, противагу; - система вакуумування, що включає вакуумну - систему збудження вільно загасаючих та викамеру і вакуумні насоси. мушених крутильних коливань, що включає сталий При переході від одного режиму роботи (вільмагніт, який закріплено на подовжувальному стрино загасаючих коливань) до іншого (вимушених жні і розміщено в однородному полі пари котушок коливань) і, навпаки, горизонтальний інерційний Гемгольця; стрижень видаляється чи приєднується до зворот- систему реєстрації коливань, що включає ного крутильного маятника. джерело світла, дзеркало, яке закріплено на подоВ основу корисної моделі поставлено задачу вжувальному стрижні, оптичний детектор; удосконалення установки ВТ, згідно з якою за ра- систему нагріву та охолодження зразка, що хунок особливостей виконання системи збудження включає нагрівальну піч і кріостат; в досліджуваному зразку крутильних коливань з - систему вакуумування, що включає вакуумну наперед заданою амплітудою деформації в режимі камеру і вакуумні насоси. вільно загасаючих коливань та модифікації систеДо недоліків прототипу слід віднести таке: ми виміру деформації зразка за рахунок застосуа) малий діапазон відносних деформацій зразвання більш чутливого датчика і спеціального рока. Це обумовлено тим, що збудження крутильних зміщення джерела світла безпосередньо коливань в зразці при обох режимах роботи здійсусередині вакуумної камери забезпечується піднюється однією електромагнітною системою (ставищення точності вимірів в широкому температурлий магніт - котушка Гемгольця), яка не може заному і частотному інтервалі з одночасним розшибезпечити велику амплітуду деформації, ренням динамічного діапазону вимірів, що необхідну для вивчення амплітудної залежності забезпечує установці багатофункціональність для ВТ. В прототипі ВТ вимірюється тільки як функція виявлення механізмів деформації та релаксації в температури. Як детектор світлового потоку викорізних матеріалах (металах, кераміці, полімерах ристовується діод Шотки, який має малу робочу тощо). поверхню. Задачу, що поставлено, вирішують за рахунок б) низька точність виміру ВТ, яка обумовлена того, що в установці для виміру внутрішнього терфоновою підсвіткою реєструючого діода та часотя в області інфранизьких частот, яка включає вою нестабільністю світлового потоку, що випро- зворотний крутильний маятник, виконаний у мінюється галогеновою лампою, тому що вимір вигляді горизонтального інерційного стрижня з температурної залежності ВТ може продовжуватягарцями, розташованого на вертикальному потись декілька годин (10-12), а при дослідженні редовжуючому стрижні , до якого затискачами закрілаксаційних процесів ця величина може бути сутплено досліджуваний зразок, причому подовжуютєво більшою. чий стрижень з'єднано з противагою для в) використання оптичної системи: джерело зменшення осьового навантаження зразка; світла - дзеркало -приймач. При повороті дзеркала - систему збудження вільних та вимушених з початкового положення на кут