устройство для испытания на сжатие металлов и сплавов

Формула изобретения

Устройство для испытания на сжатие металлов и сплавов, содержащее корпус с наковальней, размещенный в нем с возможностью осевого перемещения ступенчатый цилиндрический пуансон, при этом в корпусе выполнена ступенчатая цилиндрическая проточка, нижний торец которой образует дополнительную наковальню, верхний торец пуансона размещен в проточке корпуса с возможностью осевого перемещения, отличающееся тем, что верхний торец пуансона совместно с цилиндрической проточкой образует две сообщающиеся между собой камеры, заполненные текучей средой и герметизируемые бойком в процессе нагружения, нижний ступенчатый торец пуансона оперт на верхние торцы испытуемых на сжатие образцов, а нижний свободный торец пуансона связан со свободно осаживаемым дополнительным цилиндрическим образцом, при этом в корпусе устройства выполнены дополнительные проточки для выхода воздуха из полости, образуемой нижним свободным торцом пуансона и дополнительной наковальней корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к прочностным испытаниям, а именно к устройствам для определения прочности и пластичности металлов и сплавов в условиях объемного напряженного состояния при динамическом нагружении.

Известно приспособление для испытаний на сжатие /1/, содержащее корпус, пуансон с гайкой, основание и деформирующие плиты, между которыми располагают испытуемый на сжатие цилиндрический образец. Для направления осевого движения пуансона его устанавливают во втулке с сепаратором (блок с шариковыми направляющими), а деформирующее усилие передают на пуансон через накладку.

Недостатком данного устройства является то, что при испытаниях на сжатие оно не обеспечивает подпора боковой поверхности осаживаемого образца и не позволяет моделировать различные условия его объемного напряженного состояния. Кроме того, рекомендуемой методикой проведения испытаний на данном устройстве ограничивается скорость относительной деформации испытуемого образца до 0,001 с^-1, а испытательная машина должна быть оснащена преобразователями силы (на базе тензометров) и перемещений с самопишущим прибором.

Изобретение направлено на повышение точности измерений прочностных и пластических свойств металлов и сплавов, деформируемых при динамических нагрузках в условиях объемного напряженного состояния, а также на упрощение процесса регистрации результатов испытаний.

Это достигается тем, что в корпусе выполнена ступенчатая цилиндрическая проточка, нижний торец которой образует дополнительную наковальню, верхний торец ступенчатого цилиндрического пуансона установлен в проточке корпуса с возможностью осевого перемещения и совместно с цилиндрической проточкой образует две сообщающиеся между собой камеры, заполненные текучей средой и герметизируемые бойком в процессе нагружения, а нижний торец ступенчатого пуансона связан со свободно осаживаемым цилиндрическим образцом.

На чертеже представлена конструктивная схема устройства.

Устройство содержит корпус 1, в котором с возможностью осевого перемещения установлен ступенчатый пуансон 2. Между ступенчатым торцом пуансона и кольцевой проточкой в корпусе, выполняющей роль наковальни, располагают испытуемые на сжатие цилиндрические образцы 3, а между свободным нижним торцом пуансона 2 и нижней наковальней корпуса 1 - дополнительный осаживаемый цилиндрический образец 4, изготовленный из материала, имеющего при конкретных температурно-скоростных условиях нагружения линейную зависимость между удельной энергией деформирования и остаточной логарифмической степенью деформации (например, из меди Ml или стали 45). Верхний и ступенчатый торцы пуансона 2 образуют с корпусом 1 герметизируемую в процессе нагружения испытуемых образцов 3 камеру 5, предварительно заполняемую текучей средой (водой, минеральным маслом и т.п.). Для исключения утечек жидкости из камеры 5 боковая поверхность пуансона 2 снабжена эластичным уплотнением 6, а для выхода воздуха из полости, образуемой свободным нижним торцем пуансона 2 и нижней наковальней корпуса 1, в корпусе выполнены проточки 7. Полная герметизация камеры 5 достигается в процессе нагружения осаживаемых образцов 3 введением в осевое отверстие корпуса 1 торца бойка 8, которому с помощью индивидуального привода (например, порохового копра, высокоскоростного молота и т.п.) сообщают заданную начальную скорость перемещения. Для снижения влияния сил контактного трения на напряженное состояние испытуемых на сжатие образцов 3 на их торцах в соответствии с известными требованиями /1/ выполняют проточки 9, которые заполняют густой смазкой (например, парафином и т.п.).

Устройство работает следующим образом.

Испытуемые на сжатие цилиндрические образцы 3 с торцевыми проточками 9, заполненными густой смазкой, после предварительного измерения их геометрических размеров (h_ОИ, D_ОИ) устанавливают на кольцевую наковальню в корпусе 1. Пуансон 2 его нижним ступенчатым торцом опирают на верхние торцы испытуемых на сжатие образцов 3, а нижним свободным торцом - на дополнительный свободно осаживаемый цилиндрический образец 4 с предварительно измеренными геометрическими размерами (h_{O КР}, D_{О КР}), который устанавливают на нижнюю наковальню корпуса 1. Камеру 5, образуемую верхним и ступенчатым торцами пуансона 2 с корпусом 1, заполняют текучей средой. При помощи индивидуального привода (не показан) разгоняют боек 8 до заданной начальной скорости, регистрируют ее, вводят нижний торец бойка во взаимодействие со свободной поверхностью текучей среды, заполняющей камеру 5, и регистрируют величину рабочего хода (L) бойка 8. По мере внедрения бойка 8 в текучую среду, заполняющую камеру 5, цилиндрическая боковая поверхность бойка 8 герметизирует камеру 5, давление в ней за счет сжатия текучей среды повышается и передается на торцы ступенчатого пуансона 2 и боковые поверхности испытуемых на сжатие образцов 3. Под действием давления текучей среды в камере 5 пуансон 2 перемещается в осевом направлении и пластически деформирует как испытуемые на сжатие образцы 3, так и дополнительный свободно осаживаемый образец 4. По окончании процесса нагружения испытуемые на сжатие и свободно осаживаемый образцы 3 и 4 извлекают из корпуса 1, измеряют их последеформационные геометрические размеры (h_И, h_КР,) и по формулам вычисляют:

а) при пластическом деформировании без разрушения испытуемого на сжатие образца - интенсивность напряжений

б) при пластическом деформировании с разрушением испытуемого на сжатие образца временное сопротивление разрушению

где - радиальное напряжение в испытуемом образце;

р_о, р - начальное и конечное давление в текучей среде, заполняющей герметизируемую камеру в корпусе;

- коэффициент сжимаемости текучей среды;

S_Б, S_П - площади нижних торцев бойка и пуансона соответственно;

W_Ж - начальный объем текучей среды, заполняющей герметизируемую камеру в корпусе;

- осевое напряжение в испытуемом образце;

n - количество одновременно испытуемых на сжатие образцов;

V_И, V_КР - начальные объемы испытуемого и дополнительно осаживаемого цилиндрических образцов соответственно;

_КР - величина контактного напряжения при скоростном пластическом деформировании крешера (дополнительного свободно осаживаемого цилиндрического образца), которая для конкретных температурно-скоростных условий нагружения может приниматься постоянной /2/.

Далее цикл работы устройства повторяют.

Положительный эффект разработанного устройства для испытания на сжатие металлов и сплавов состоит в следующем:

1) силовое воздействие текучей среды в герметизируемой камере на боковые поверхности испытуемых на сжатие цилиндрических образцов обеспечивает их объемное напряженное состояние и позволяет исследовать прочностные и пластические характеристики металлов и сплавов в зависимости от конкретных условий их деформирования;

2) наличие дополнительного свободно осаживаемого цилиндрического образца, препятствующего осевому движению пуансона, позволяет за счет изменения его начального диаметра (а также используемого материала) варьировать величинами давлений в текучей среде, заполняющей герметизируемую камеру, и тем самым обеспечивать различные соотношения радиальных и осевых напряжений в процессе испытаний;

3) регистрация начальной скорости подлета бойка, величины его рабочего хода, исходных и последеформационных геометрических размеров испытуемых на сжатие и дополнительного свободно осаживаемого цилиндрического образцов дают возможность расчетным способом устанавливать прочностные и пластические характеристики металлов и сплавов без использования сложных и дорогостоящих преобразователей силы (на базе тензометров) и перемещений с самопишущими приборами.

Источники информации

1. ГОСТ 25.503-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. М.: Изд-во стандартов, 1981, 55 с.

2. Чечета И.А., Сай В.А. Уточнение ряда технологических параметров высокоскоростной обработки металлов давлением на основании элементов теории упругопластического удара. - Воронеж: ВПИ, 1981, 44 с.