Спосіб визначення фізико-механічних характеристик матеріалів

Реферат: Спосіб визначення фізико-механічних характеристик матеріалів полягає у тому, що досліджуваний зразок матеріалу нагрівають (охолоджують) з одночасною реєстрацією виниклих деформацій в залежності від зміни температури, за виміряними значеннями деформацій обчислюють контактній тиски, а далі за наперед відомими математичними залежностями визначають коефіцієнт лінійного температурного розширення, модуль пружності і коефіцієнт Пуассона матеріалу. Зразки досліджуваного матеріалу виготовляють у формі сполучних деталей, напружено-деформований стан в яких і в реальних конструкціях описувались би одними і тими ж рівняннями, в кількості, необхідній для того, щоб складені рівняння були лінійно незалежні. З'єднують з іншими пробними матеріалами, характеристики яких добре вивчені і відрізняються від відповідних характеристик досліджуваного матеріалу. Потім поміщають у термокамеру, проводять східчасту зміну температури і визначають шукані характеристики після кожної зміни температури. UA 95044 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРІАЛІВ UA 95044 U UA 95044 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області досліджень фізико-механічних властивостей матеріалів, зокрема нових матеріалів з недостатньо вивченими властивостями, фізикомеханічні характеристики яких мають значний розкид, наприклад полімерних та композитних матеріалів. Відомий спосіб [1] визначення теплофізичних і фізико-механічних характеристик ізотропних еластомерних матеріалів, який може бути використаний для визначення коефіцієнта лінійного температурного розширення, коефіцієнта Пуассона і модуля пружності ізотропного еластомерного матеріалу, в якому за один цикл для визначення вказаних характеристик зразок поміщають у термостатичну комірку з діаметром, більшим за діаметр зразку, і вимірюють відносну зміну його висоти в залежності від зміни температури. Далі після досягнення боковою поверхнею зразка бокових стінок термостатичної комірки вимірюють відносну зміну висоти зразка в залежності від зміни температури і т.д. Після заповнення всього об'єму комірки фіксують зміну тиску у ній в залежності від зміни температури, після чого розраховують коефіцієнт лінійного температурного розширення, коефіцієнт Пуассона і модуль пружності матеріалу зразка. Недоліком способу є те, що визначені значення фізико-механічних характеристик для зразку і реальної конструкції можуть суттєво різнитись, а для полімерних композитних матеріалів, які існують лише у вигляді певної конструкції, спосіб взагалі не може бути застосований. Крім того, вказаним способом визначення фізико-механічних характеристик не можливо провести при від'ємних експлуатаційних температурах. Задачею корисної моделі є підвищення точності одночасного визначення фізико-механічних характеристик (коефіцієнта лінійного температурного розширення, коефіцієнта Пуассона і модуля пружності) матеріалів, а також їх визначення при від'ємних температурах, коли інші методи не можуть бути застосовані. Поставлена задача вирішується тим, що досліджуваний зразок матеріалу нагрівають (охолоджують) з одночасною реєстрацією виниклих деформацій в залежності від зміни температури, за виміряними значеннями деформацій обчислюють контактній тиски, а далі за наперед відомими математичними залежностями визначають коефіцієнт лінійного температурного розширення, модуль пружності і коефіцієнт Пуассона матеріалу. Значення параметрів, які ідентифікуються, вважають у розрахунковій моделі невідомими. Значення же тих параметрів пробних конструкцій, які добре відомі або можуть бути виміряні достатньо точно експериментальними способами в реальних умовах функціонування виробів, а також характеристики пробних матеріалів і геометричні розміри конструкцій пропонується підставляти в ту ж модель в якості вхідної інформації. Зразки досліджуваного матеріалу виготовляють у формі сполучних деталей, напруженодеформований стан в яких і в реальних конструкціях описувались би одними і тими ж рівняннями, з'єднують з іншими пробними матеріалами, характеристики яких добре вивчені і відрізняються від відповідних характеристик досліджуваного матеріалу. Виготовляючи певну кількість пробних зразків із значеннями фізико-механічних характеристик, які задаються таким чином, щоб вимірювальні величини деформації відрізнялись і рівняння не були тотожними, на базі прийнятої розрахункової моделі записують таку кількість лінійно-незалежних рівнянь відносно ідентифікованих параметрів, яка необхідна для їх визначення. Далі зразки поміщають у термокамеру, проводять східчасту зміну температури і визначають шукані характеристики після кожної зміни температури. Приклад виконання. Для визначення при різних від'ємних температурах коефіцієнта лінійного температурного розширення (КЛТР), модуля пружності і коефіцієнта Пуассона компаунда, що герметизує і оточує керамічний циліндричний резистор в конструкції герметизований електронний елемент - герметик, було виготовлено двошарові циліндричні конструкції "пробний матеріал - компаунд" (на кресленні зображено схему пристосування для визначення фізико-механічних характеристик компаунда, де: 1 - порожнистий мідний циліндр, 2 – порожнистий стальний циліндр, 3 – компаунд, 4 – опорна пластина), вибираючи як пробний матеріал мідь або сталь. В цих конструкціях на границі розділу матеріалів при перепаді температури виникав контактний тиск. За умови відомих радіальних розмірів конструкцій за визначеними експериментально значеннями деформацій знайшли величину контактного тиску, значення якого підставили у розрахункову модель в якості вхідної інформації. Для визначення коефіцієнта лінійного температурного розширення (КЛТР), модуля пружності і коефіцієнта Пуассона компаунда було виготовлено три зразки з різними наборами значень всієї сукупності первинних факторів і виміряні відповідні їм значення контактних тисків, а далі розв'язана система трьох лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР) відносно невідомих 1 1, 2, 2 . UA 95044 U PiBi Pi 2 де 2 B 2 2 1 2 t 2 2 R3 / R3 Ei R2 , 2 CiDi Pi C 2 1i 1 t , i 1,2,3 , (2) / E1 , D 2 R1 / R 2 2 E 1 2 2 / E1 , 1 1 2 2 / E2 , / E2 , P - контактний тиск між виробом і герметиком, 5 2 R1 , 1, 2 - КЛТР матеріалу виробу і компаунда, відповідно; E1 , E2 - їх модулі пружності, 1 , 2 - їх коефіцієнти Пуассона, R1 , R2 , R3 внутрішній і зовнішній радіуси виробу та зовнішній радіус компаунда відповідно, а індекси коефіцієнтів Bi , Ci , Di , Ei , і контактного тиску Pi відповідають номеру вектора параметрів xi 10 1i , 1i ,E1i ,R1i ,R2i ,R3i і-го пробного зразка (і=1,2,3). Коефіцієнти 1, 1, E1 вважаються відомими. Результати визначення фізико-механічних характеристик компаунда в діапазоні -60 °C…20 °C представлені в таблиці. Таблиця Значення фізико-механічних характеристик компаунду Температурний діапазон -20 °C…-30 °C -30 °C…-40 °C -40 °C…-50 °C -50 °C…-60 °C 15 20 Модуль 2 Н/мм ·104 Юнга Е, Коефіцієнт 1,24 1,21 1,21 1,20 0,29 0,31 0,32 0,33 Пуассона, КЛТР 6 , 1/град.·1044,99 43,03 42,61 42,07 Визначивши фізико-механічні характеристики компаунда, аналогічно можна визначити фізико-механічні характеристики кераміки резисторів. Переваги способу. Запропонований спосіб дозволяє одночасно ідентифікувати коефіцієнт лінійного температурного розширення (КЛТР), модуль пружності і коефіцієнт Пуассона матеріалу, підвищити точність визначення фізико-механічних характеристик матеріалів із мало вивченими властивостями, а також визначати ці характеристики при від'ємних температурах, при яких інші способи не можуть бути застосовані. Джерело інформації: [1] Патент 1390527 А1 SU G01N3/08, 25/00. Г.М. Шишков, В.М. Виноградов, В.Н. Мімрин. Способ определения теплофизических и физико-механических характеристик изотропных эластомерных материалов. Бюл. № 13, 1986 г. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 1. Спосіб визначення фізико-механічних характеристик матеріалів, який полягає у тому, що досліджуваний зразок матеріалу нагрівають (охолоджують) з одночасною реєстрацією виниклих деформацій в залежності від зміни температури, за виміряними значеннями деформацій обчислюють контактній тиски, а далі за наперед відомими математичними залежностями визначають коефіцієнт лінійного температурного розширення, модуль пружності і коефіцієнт Пуассона матеріалу, який відрізняється тим, що зразки досліджуваного матеріалу виготовляють у формі сполучних деталей, напружено-деформований стан в яких і в реальних конструкціях описувались би одними і тими ж рівняннями, в кількості, необхідній для того, щоб складені рівняння були лінійно незалежні, з'єднують з іншими пробними матеріалами, характеристики яких добре вивчені і відрізняються від відповідних характеристик досліджуваного матеріалу, а потім поміщають у термокамеру, проводять східчасту зміну температури і визначають шукані характеристики після кожної зміни температури. 2. Спосіб визначення фізико-механічних характеристик матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що вимірювання проводять багатократно, а у математичній залежності враховують середнє значення результатів вимірювань. 2 UA 95044 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3