Способ определения механических характеристик образца материала при сжатии

(51)01 3/08 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦА МАТЕРИАЛА ПРИ СЖАТИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси(72) Авторы Шилько Сергей Викторович Хиженок Вячеслав Федорович Хихлуха Татьяна Николаевна Бодрунов Николай Николаевич Черноус Дмитрий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси(56) КРОХА В.А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации. М. Машиностроение, 1968. - С. 15-19.1185170 , 1985.887999, 1981.832408, 1981.905708, 1982.331278, 1972.4534225, 1985.2398297 1, 1979.(57) Способ определения механических характеристик образца материала при сжатии,включающий размещение цилиндрического образца между опорными плитами пресса и нагружение его давлением рабочей среды, размещенной в пространстве между опорными плитами и торцевыми поверхностями образца, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют вязкопластичный эластомер, уплотнение которого обеспечивают двумя коаксиальными втулками. 8135 1 2006.06.30 Изобретение относится к механике и может быть использовано для определения пределов прочности и текучести, а также модулей упругости хрупких и низкопрочных материалов при сжатии. Для определения вышеуказанных характеристик создают одноосное напряженное состояние образцов с плоскопараллельными торцами путем приложения контактной нагрузки жесткими опорными плитами 1-3. При наличии неплоскостности, волнистости и шероховатости торцевых поверхностей образца распределение контактного давления отличается от равномерного, что приводит к неодноосному напряженному состоянию материала. Неоднородность напряженного состояния также обусловлена трением в контакте образца с опорными плитами. Концентрация давления и трение в контакте приводят к погрешности определения механических характеристик, в особенности, низкопрочных и хрупких материалов типа стекла, керамики,геоматериалов 3. Недостатком способа 4, по которому нагружение осуществляют через прокладки,выполненные из материала образца, является необходимость регулировки бокового сжатия прокладок, что снижает производительность испытаний. Недостатком способа 5, по которому образец нагружают гидравлическим давлением через тонкую мембрану, является низкая прочность мембраны и использование сложного гидравлического оборудования для создания давления. В способе 6 для уменьшения силы трения применяется графитная смазка, а торцам образцов придается коническая форма с углом при вершине конуса, примерно равным углу трения сталь по стали при графитной смазке. Его недостатками являются необходимость дополнительной обработки торцевых поверхностей образцов и изменение коэффициента трения при осадке. Подбор угла конических инденторов в зависимости от меняющихся условий трения является затруднительным, так как требует использования большого набора инденторов. Наиболее близким к заявляемому техническому решению следует считать способ определения предела текучести 7, по которому на торцевых поверхностях образца формируются буртики, а образовавшиеся углубления заполняются смазкой. При нагружении образца происходит пластическая деформация буртиков и смазка выдавливается из углублений, обеспечивая стабильное снижение трения между контактирующими поверхностями. Недостатком прототипа является то, что неплоскостность торцевых поверхностей в виде буртиков не позволяет осуществить гидростатическое давление смазки, как рабочей среды, на всю торцевую поверхность образца. При использовании способа 7 напряженное состояние отличается от одноосного вблизи краев образца. Требуется операция по изготовлению буртиков, что затруднительно для хрупких материалов. При испытании хрупких материалов (стекла, керамики, геоматериалов и т.д.) пластическая деформация буртиков невелика, что снижает эффективность смазки торцевых поверхностей согласно прототипу. Заявляемое изобретение направлено на обеспечение равномерного давления на образец исключение дополнительной обработки стандартных образцов и уменьшение торцевого трения. Указанный результат достигается тем, что согласно способу определения механических характеристик образца материала при сжатии размещают цилиндрический образец между опорными плитами пресса и нагружают его давлением рабочей среды, размещенной в пространстве между опорными плитами и торцевыми поверхностями образца, причем в качестве рабочей среды используют вязкопластичный эластомер, уплотнение которого обеспечивают двумя коаксиальными втулками. На фиг. 1 показана схема испытания образца с использованием уплотнения в виде коаксиальных колец на фиг. 2 показана схема нагружения коаксиальных колец на фиг. 3 2 8135 1 2006.06.30 показаны диаграммы деформирования, соответствующие известному (кривая 1) и заявляемому (кривая 2) способам определения механических характеристик при сжатии. При испытании образца на сжатие происходит взаимное осевое перемещение коаксиальных колец, не препятствующее сближению опорных плит. Усилие, передаваемое внутренним кольцом на поверхность образца, равно сумме силы сопротивления относительному перемещению коаксиальных колец и силы, вызванной давлением эластомера на торцевую поверхность внутреннего кольца(1)увтнб 0 вт ,вб где р - давление на образец со стороны уплотнения вт - площадь торцевой поверхности внутреннего кольца,- касательные напряжения в контакте боковых поверхностей внутреннего и наружного колец нб - площадь контакта внутреннего и наружного колец по вб боковой поверхности р 0 - давление эластомера. Отсюда следует, что нб 0 втувб(2) вт При малом сопротивлении относительному перемещению колец давление торца внутреннего кольца на поверхность образца незначительно отличается от давления эластомера и реализуется нагружение, близкое к равномерному. Пример 1 реализации способа Заявляемый способ был реализован с применением стальных коаксиальных колец(внутренний диаметр и толщина стенки внутреннего кольца 23 мм и 1,5 мм соответственно), собранных по свободной посадке. В качестве рабочей среды использовали вязкопластичный силоксановый эластомер. Испытывался цилиндрический образец из полиметилметакрилата диаметром 23 мм и высотой 78 мм. Соответствие напряженного состояния одноосному проверялось при помощи тензодатчиков сопротивления, наклеенных в окружном направлении на боковой поверхности образца вблизи его середины и торцевой части. Незначительное отличие деформаций, регистрируемых датчиками, свидетельствует о сохранении цилиндричности образца и близком к одноосному напряженном состоянии образца при сжатии. При использовании в качестве уплотнения коаксиальных колец диаметр внутреннего кольца вследствие деформации несколько увеличивается, приводя к уменьшению зазора между поверхностями внутреннего и наружного колец. Тем самым происходит самоуплотнение сопряжения и уменьшение утечки рабочей среды при повышении давления. Однако избыточная податливость внутреннего кольца приводит к возрастанию сопротивления взаимному перемещению колец, вызывая неравномерность давления на образец. Выход определенного количества рабочей среды через зазор между уплотнительными кольцами и образцом способствует снижению трения в контакте уплотнения с образцом. Пример 2 реализации способа Заявляемый способ был использован для испытания на прочность хрупкого материала(гипса) на образцах диаметром 23 мм и высотой 96 мм. Для сравнения на фиг. 3 показаны диаграммы деформирования, соответствующие известному (кривая 1) и заявляемому (кривая 2) способам определения механических характеристик при сжатии. Неравномерность контактного давления вследствие трения и неоднородности контакта по известному способу вызывает неоднократные локальные разрушения вблизи краев образца, колебания нагрузки (на кривой 2 видна серия пиков нагрузки) и погрешность определения пределов прочности и пластичности. Так, найденный по предлагаемому способу предел прочности при сжатии, равный 3,68 МПа, отличается от значения 3,65 МПа, полученного по известному способу. Более заметно отличается деформация при разрушении (по предлагаемому способу она состав 3 8135 1 2006.06.30 ляет 33,33, а по известному способу равна 35,07 ). Важно, что использование предложенного способа значительно повышает стабильность определяемых значений механических характеристик, в особенности, хрупких материалов типа стекла, керамики и геоматериалов. Дополнительное повышение точности определения механических характеристик достигается за счет снижения динамической компоненты усилия, прилагаемого к образцу,благодаря эффективному демпфированию колебаний вязкопластическим эластомером. Таким образом, использование предложенного технического решения обеспечивает повышение точности и эффективности определения механических характеристик материалов при сжатии по сравнению с известными способами. Источники информации 1. ГОСТ 25503-80. Металлы. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. 2. ГОСТ 4651-82. Пластмассы. Метод испытания на сжатие. 3.6784 - 1982 (Е).-. 4. А.с. СССР 1185170,01 3/08. - Опубл. 1984. 5. А.с. СССР 83240801 3/10. - Опубл. 1981. 6. Беленький Д.М., Ищенко А.В., Шамраев Л.Г. Измерение механических свойств стали при упругопластическом деформировании // Заводская лаборатория. - 1999. -8. - С. 52. 7. Кроха В.А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации. - М. Машиностроение, 1968. - С. 15-19 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4