Пристрій для випробувань зразків конструкційних матеріалів у газоподібних робочих середовищах

1. Пристрій для випробувань зразків конструкційних матеріалів у газоподібних робочих середовищах за високих температур та тисків у складі випробувальної камери з регульованими газовим середовищем і температурою та системою охолодження навантажувального гвинтового механізму, жорстко зв'язаного із ним механізму передачі навантаження на досліджуваний зразок матеріалу, вимірювача навантаження, хвилеводу сигналів акустичної емісії, вимірювача деформації, який відрізняється тим, що випробувальну камеру виготовлено у вигляді автоклава високого тиску та температури, а навантажувальний пристрій механічно з'єднаний з автоклавом з герметичністю ущільнення для тиску до 40 МПа за температури від 0 до 1300 К на досліджуваному зразку. 2. Пристрій для випробувань зразків конструкційних матеріалів у газоподібних робочих середовищах за високих температур та тисків по п. 1, який відрізняється тим, що досліджуваний зразок та U 2 (19) 1 3 нагрівної камери [2]. Недоліком цієї установки є її громіздкість, великі енерговитрати під час експлуатації, відсутність можливості проведення випробувань конструкційних матеріалів три- або чотириточковим згином згідно вимог нормативних документів. Конструкція випробувальної камерианалогу передбачає її використання в газовому середовищі або у вакуумі за температури зразка до 1900°С. Випробування матеріалів за високих тисків заданого газового середовища в такій камері неможливе через відсутність належної герметизації та невідповідність її конструктивних елементів для роботи за високих тисків з використанням агресивних газів за високої температури. Найближчим технічним рішенням до запропонованого пристрою є пристрій для випробування зразків на статичну тріщиностійкість позацентровим розтягом, який сконструйовано із гвинтового навантажувального механізму, виконаного порожнистим. Перший захоплювач жорстко зв'язаний з навантажувальною мутрою, другий, - рухомий, має наскрізні радіальні прорізи для переміщення в них штифта, призначеного для фіксації та навантажування зразка і контактує з пристроєм вимірювання деформації і навантаження. Один із штифтів для фіксування зразка виконаний у вигляді розташованих послідовно вздовж його осі різьбової частини з мутрою, робочої частини, бурту і хвилевідної частини. Пристрій вимірювання деформації виготовлено у вигляді первинного перетворювача акустичної емісії і розташованої на торці хвилевідної частини, а вимірювач навантаження розміщено між мутрою навантажувального механізму і другим захоплювачем через сферичні опори [3]. Недоліком пристрою для випробування зразків на статичну тріщиностійкість при позацентровому розтяганні є те, що він не дає змоги визначити статичну тріщиностійкість матеріалів та кінетику розвитку руйнування у зразках конструкційних матеріалів в умовах дії тиску газоподібного робочого середовища, відмінного від тиску повітря атмосфери, і високих температур, а також не дає змоги здійснювати навантаження зразка три- чи чотириточковим згином. В основу корисної моделі поставлено завдання створення пристрою для випробувань зразків конструкційних матеріалів у газоподібних робочих середовищах шляхом розміщення та дослідження зразка конструкційних матеріалів безпосередньо у заданому газовому середовищі і навантаження його три- або чотириточковим згином, що дозволить забезпечити визначення нижнього порогового значення коефіцієнта інтенсивності напружень, а також дослідити стадії докритичного розвитку тріщини під час довготривалого статичного навантаження, починаючи з моменту субкритичного стрибкоподібного підростання тріщини всередині зразка локально вздовж фронту втомної тріщини під дією агресивного газового середовища за високих температур та тисків. Поставлене завдання вирішують таким чином, що пристрій для випробування зразків конструкційних матеріалів у газоподібних робочих середовищах за високих температур та тиску виготовлено із двох автономних частин пристрою, 45165 4 об'єднаних єдиною метою і з'єднаних між собою герметично, а саме: автоклаву та'навантажувального пристрою. В автоклаві, що є спеціальною камерою, здатною витримувати високі тиски агресивних газів за високих температур, розміщують досліджуваний зразок конструкційного матеріалу. Герметезують автоклав та перехідну частину до навантажувального пристрою, налаштовують навантажувальний пристрій, всю систему промивають інертним газом, після чого створюють в автоклаві робоче газоподібне середовище із заданими параметрами температури та тиску. Індентор навантажувального пристрою служить одночасно хвилеводом пружних хвиль акустичної емісії. Завдяки безпосередньому контактові під час навантаження індентора-хвилеводу із досліджуваним зразком проходить, з одного боку, передавання зусилля навантаження на зразок і опори, а з другого боку - одночасна передача збуджених пружних хвиль акустичної емісії під час утворення у зразку локальної зміни структури матеріалу, які приймають через індентор-хвилевід первинним перетворювачем акустичної емісії. Це дозволяє виявити момент початку та стадії субкритичного розвитку тріщини під дією навантаження та робочого газоподібного середовища. Окрім того, завдяки спеціальній конструкції індентора-хвилеводу, а саме, наявності порожнистого циліндра на протилежному його кінці, який служить тензометричним перетворювачем зусилля навантаження в електричний сигнал (тензометричним динамометром), є змога вимірювати відповідні сигналам акустичної емісії зусилля навантаження. Стрілу прогину зразка визначають під час навантаження тензометричним перетворювачем переміщення або стрілочним індикатором, котрі встановлюють ззовні навантажувального вузла, і які зв'язані із його корпусом та індентором-хвилеводом. У порівнянні з аналогом та прототипом триточковий згин дає можливість точніше встановлювати характеристики досліджуваних конструкційних матеріалів, а використання гвинта як пристрою навантаження, робить зайвим застосування розривної машини важільного типу з верхнім розташуванням важеля. Окрім цього, нагрівна камера виконана у вигляді автоклаву з подвійним ущільненням та герметизацією, що дає змогу проводити дослідження за високих температур до 1300°К та досягнути тиску агресивного газового середовища до 40МПа. Висока чутливість методу акустичної емісії та наявність необхідних засобів для визначення зусилля навантаження та стріли прогину зразка за електричним сигналом забезпечують визначення нижнього порогового значення коефіцієнта інтенсивності напружень як одну із найважливіших характеристик руйнування матеріалів у робочих середовищах, а також стадії докритичного розвитку тріщини під час довготривалого статичного навантаження, момент виникнення та субкритичний ріст локально по фронту в середині зразка втомної тріщини у середовищі, що дасть можливість в кінцевому результаті проводити точні розрахунки надійності деталей та вузлів конструкцій, котрі працюють безпосередньо у контакті із будь-яким газоподібним середовищем. 5 Пристрій випробувань зразків конструкційних матеріалів у газоподібних робочих середовищах виготовлено із двох частин поєднаних в одне ціле, які пов'язані між собою конструктивно і функціонально, а саме: автоклаву та пристрою навантаження. На Фіг.1 схематично показано конструкцію автоклаву 7, а на Фіг.2 навантажувальний пристрій 2. Автоклав 1 пристрою для дослідження зразків конструкційних матеріалів у газоподібному робочому середовищі виготовлено з таких елементів: корпусу 3 із опорами 4 для встановлення на них досліджуваного зразка 5 з виведеною втомною тріщиною 6, кришки 7, мутри 8, ущільнюючого кільця 9, двох або більше затискних прогоничів 10, вузла для відкачування газів і подачі газоподібного середовища 11, термопари 12, електронагрівача 13. В свою чергу, навантажувальний пристрій 2 сконструйовано з: індентора-хвилеводу акустичної емісії 14, який одним кінцем з'єднано із досліджуваним зразком 5, а другий його кінець утворює вузол відбору інформації 15, чашеподібного штоку 16, п'єзоперетворювача акустичної емісії 11, ущільнюючої мутри 18, порожнистого корпусу 79, підшипника 20, навантажувального прогонича 27 з мутрою 22, ущільнення 23, вузла охолодження 24 із каналами протічної води 25, стрілочного індикатора 26, стяжок 27, 28, тензометричного первинного перетворювача переміщень 29, шпонки 30 індентора 14, паза 31 корпусу вузла охолодження 24. Пристрій для дослідження зразків матеріалів у газоподібному робочому середовищі працює таким чином. Досліджуваний зразок 5 з виведеною втомною тріщиною 6 або без неї, в залежності від умов експерименту, розміщують на опори 4 у порожнині корпусу 3 автоклава 7. Після чого в корпусі 3 встановлюють ущільнююче кільце 9, на яке встановлюють кришку 7, під'єднують струмовиводи електронагрівача 13 та термопари 12 до відповідних пристроїв та блоків управління. Мутрою 8 затискають кришку 7, а кінцево ущільнюють, затискаючи її прогоничами 70, відповідно деформуючи ущільнююче кільце 9, досягають забезпечення герметичності з'єднань достатньої для тиску до 40МПа та максимальної температури 1300К. Дальше збирають навантажувальний пристрій 2, приєднуючи його одним кінцем до корпусу З автоклаву 7 за допомогою зварювання чи різьбового з'єднання. Причому під'єднання реалізують так, що інденторхвилевід акустичної емісії 14 одним кінцем щільно прилягає до середини досліджуваного зразка 5 у місці навпроти виведеної втомної тріщини 6 - "відповідно до заданих умов експерименту. З обох кінців індентора-хвилевода встановлюють стяжки 27 та 28, відповідно. Зібрану таким чином установку під'єднують до блоків забезпечення та підтримки необхідних параметрів робочого газоподібного середовища високих температур і тиску, а також до системи охолодження навантажувального пристрою 2. Необхідні параметри середовища створюють таким чином, що попередньо через вузол 11 відкачують повітря та "промивають" порожнину автоклаву 1 інертним газом, наприклад, аргоном, а 45165 6 через контакти електронагрівача 13 підводять струм і нагрівають до заданої температури зразок 5. Завдяки застосуванню двох опор 4 є можливість реалізувати три- або чотириточковий згин зразка 5, а його температуру вимірюють термопарою 12. Для запобігання нагріву навантажувального пристрою 2 по каналах 25 вузла охолодження 24 подають проточду воду. Після цього через вузол 11 подають газоподібне середовище, наприклад водень, створюючи його тиск в порожнині автоклаву 7 від 0 до 40МПа. Завдяки ущільненню 23, яке затискують мутрою 15, досягають необхідної герметизації середовища в автоклаві 1. Досягнувши заданих робочих режимів у автоклаві 7 пристрою, приступають до навантаження зразка 5 і відбору необхідних інформаційних даних таким чином. Передбачене умовами експерименту зусилля навантаження на досліджуваний зразок 5 створюють наватажувальним прогоничем 27, який конструктивно розташований в опорній мутрі 22, зафіксованій у порожнистому корпусі 79. Тензометричним первинним перетворювачем переміщень 29 та стрілочним індикатором 26, який встановлюють на стяжках 27 та 25, вимірюють величину переміщення індентора-хвилевода 14, що відповідає прикладеному зусиллю навантаження. Спочатку це зусилля передають на підшипник 20, який, в свою чергу, передасть його на бурт штока 19 і далі через динамометр 15 на індентор-хвилевід 14, котрий своїм робочим кінцем тисне на досліджуваний зразок 5. Під час переміщення індентора-хвилеводу 14 шпонка 30, рухаючись в пазі 31 корпусу вузла охолодження 24, не допустить його (індентора-хвилеводу 14) обертання навколо своєї осі. Пружні хвилі, що виникають у досліджуваному зразку 5 під час старту тріщини 6 чи її локального субкритичного розвитку проходять через індентор-хвилевід 14 на розташований та закріплений нерухомо в його порожнині п'єзоелектричний перетворювач 77, сигнали від якого зчитують відомим способом. Зусилля навантаження та переміщення індентора-хвилеводу 14 також відомим чином реєструють одночасно із сигналами акустичної емісії. Для цього використовують покази стрілочного Індикатора 26 або електричні сигнали від пружного елемента тензоментричного вимірювача переміщень 29. Таким чином, проводять дослідження зразків матеріалів в заданих умовах газоподібного середовища, наприклад триабо чотириточковим згином і отримують потрібну інформацію для визначення фізико-механічних характеристик конструкційного матеріалу чи його статичної тріщиностійкості. Приклади виконання Для визначення нижнього порогового значення коефіцієнта інтенсивності напружень KISCC конструктивних сталей 40 та 38ХН3МФА у газоподібному водні був виготовлений пристрій із габаритними розмірами 135×535×350мм. Випробування проводилось на зразках розмірами 10×20×160мм триточковим згином. В автоклаві за струму нагріву 90А були створені тиск газоподібного водню 23МПа та температура середовища 650К. Час виходу на задані параметри середовища становив 1,65кс, робочий об'єм газу при цьому 7 був рівним 0,18дм3. За допомогою пристрою було встановлено, що значення KISCC для сталі 40 (стан поставки) та 38ХН3МФА (стан поставки) становлять відповідно 8,9 та 16,7 МПа м , що у першому випадку на 14%, а у другому на 21% нижче від відомих літературних даних. Це значить, що точність визначення KISCC за допомогою запропонованої корисної моделі вища і дозволяє забезпечити, відповідно, вищу надійність експлуатації вузлів та деталей відповідальних конструкцій, які працюють в умовах газоподібного водню високих концентрацій (за згаданих вище тиску та температури). Бо саме за значенням KISCC в таких випадках розраховують силові та інші важливі характеристики під час експлуатації конструкційних матеріалів. Таким чином, пристрій дає змогу точніше визначати старт тріщини та початок її розвитку і, відповідно, збільшити точність розрахунку надійності деталей та вузлів механізмів і машин, що працюють в умовах газоподібного робочого середовища за високих температур та тисків. Пристрій для випробувань зразків конструкційних матеріалів у газоподібному робочому середовищі за високих температур та тисків забезпечить високоефективне використання його в 45165 8 дослідницьких та лабораторних центрах для визначення статичної тріщиностійкості різних електропровідних матеріалів. Зокрема, він забезпечить визначення кінетики розвитку руйнування, нижнього порогового значення коефіцієнта інтенсивності напружень, встановлення стадій докритичного розвитку тріщини під час довготривалого статичного навантаження, починаючи з моменту субкритичного стрибкоподібного підростання тріщини всередині зразка локально по фронту втомної тріщини, визначення характеристик повзучості тощо. Конструкція пристрою проста та надійна і не вимагає додатково високої кваліфікації обслуговуючого персоналу, тому може бути використана в заводських лабораторіях, як для досліджень, так і експрес-випробувань. Список використаної літератури: 1.Авт.св.СРСР№991238. 2. Писаренко Г.С., Руденко В.В., Третьяченко Г.Н., Трощенко В.Т. Прочность материалов при высоких температурах. Изд-во "Наукова думка" К.1966. С.87-95. 3. Авт. св. СРСР №1793319 та пат. України №3410. 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 45165 Підписне 10 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