способ испытаний на релаксацию напряжения при изгибе

Формула изобретения

Способ испытания на релаксацию напряжений при четырехточечном изгибе, заключающийся в том, что помещают образец между двумя наружными и двумя внутренними опорами, прижимают наружные и внутренние опоры к жестким ограничителям изгибающимся образцом, выдерживают образец при заданных условиях испытания, прикладывают компенсирующую силу к внутренним опорам, измеряют значение компенсирующей силы в момент начала перемещения внутренних опор от жесткого ограничителя, определяют напряжение в образце по указанному значению компенсирующей силы, снимают компенсирующую нагрузку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при испытании на релаксацию напряжения металлических образцов при изгибе.

Известен способ испытания на релаксацию напряжения при изгибе, использованный в изобретении (А.С. № 896489, БИ № 1, 1982) для испытания кольцевого образца, в изобретениях (А.С. № 1033916, БИ № 29, 1983 и А.С. № 1235315, БИ № 20, 1986) для испытаний плоского образца и заключающийся в том, что элемент, нагружающий образец, выполняют из двух частей, разделенных электроизолирующей прокладкой, одна часть элемента постоянно связана электрически с образцом, электрический контакт другой части с образцом периодически нарушается путем приложения к образцу усилия, отрывающего его от нагружающего элемента, и релаксирующее напряжение определяют по величине этого усилия в момент нарушения контакта.

Недостатками способа являются нестабильность размеров и деградация электрического сопротивления электроизолирующей прокладки в условиях воздействия нагрузки, температуры, высокопоточного радиоактивного излучения и агрессивной среды испытания. Нестабильность размеров приводит к постепенному изменению напряженного состояния образца и снижению точности результатов испытаний. Потеря электроизолирующих свойств ограничивает предельные параметры и продолжительность испытаний.

Известен способ испытания на релаксацию напряжения при четырехточечном изгибе плоских образцов (Изобретение «Способ испытаний на релаксацию напряжения при изгибе». Патент РФ на изобретение № 2357224, БИ № 15, 2009). В данном способе помещают образец между четырьмя нагружающими опорами, перемещают подвижные опоры поступательно к неподвижным опорам, сохраняя симметричность нагружения, до конечного положения опор, задаваемого жесткими ограничителями перемещения, выдерживают образец при заданных условиях испытания, перемещают подвижные опоры поступательно от неподвижных опор, перемещают с заданной скоростью подвижные опоры поступательно к неподвижным опорам, регистрируют прикладываемое усилие, получают зависимость усилия от перемещения и определяют релаксирующее напряжение по усилию в точке перелома указанной зависимости, причем подвижные - две наружные опоры, а две внутренние опоры неподвижные.

Недостатком данного способа является наличие периодически выполняемой операции частичной разгрузки образца перед измерением зависимости усилия от перемещения подвижных опор в сторону неподвижных опор, ограниченного жесткими ограничителями. Указанная операция возможна только при временном нарушении жесткости соединения элементов устройства с наружными и внутренними опорами. В дальнейшем жесткое соединение должно быть восстановлено техническими средствами для продолжения испытания образца.

Первые измерения релаксирующего напряжения проводятся с погрешностью ±(2-3)%. Последующие измерения с периодическим повторением операции частичной разгрузки образца приводят к постепенному увеличению погрешности в несколько раз из-за износа фиксаторов состояния образца с частичным и полным (рабочим) изгибом.

Другой недостаток данного способа, также связанный с операцией частичной разгрузки образца, состоит в сложности его дистанционной реализации на облученных образцах в защитных камерах.

Технический результат заявляемого решения заключается в повышении достоверности определения релаксационной зависимости для облучаемых образцов по результатам периодических измерений релаксирующего напряжения, упрощении дистанционно выполняемых измерительных операций, увеличении предельных параметров и продолжительности испытаний на релаксацию напряжения при изгибе плоского образца.

Для достижения вышеуказанного технического результата в способе испытаний на релаксацию напряжений при четырехточечном изгибе помещают образец между двумя наружными и двумя внутренними опорами, прижимают наружные и внутренние опоры к жестким ограничителям изгибающимся образцом, выдерживают образец при заданных условиях испытания, прикладывают компенсирующую силу к внутренним опорам, измеряют значение компенсирующей силы в момент начала перемещения внутренних опор от жесткого ограничителя, определяют напряжение в образце по указанному значению компенсирующей силы, снимают компенсирующую нагрузку.

Отсутствие частичного разгружения и выпрямления образца и принудительного возврата его в состояние начального изгиба позволяет проводить измерения с погрешностью ±(2-3)% без ее изменения в процессе испытаний.

Наличие жестких ограничителей позволяет восстанавливать указанное состояние самопроизвольно после снятия компенсирующей силы. Все это упрощает измерительные операции, позволяет выполнять их дистанционно, без прямого контакта с облученным образцом, увеличивает достоверность получаемых результатов, позволяет расширить диапазон параметров облучения.

На прилагаемом чертеже изображена схема, реализующая предлагаемый способ,

где

1 - образец,

2 - наружные опоры,

3 - внутренние опоры,

4, 5 - жесткие ограничители,

6 - система перемещения с датчиками силы и перемещения,

а - расстояние между ближайшими наружной и внутренней опорами,

l - расстояние между внутренними опорами.

Для реализации заявляемого способа помещают образец между двумя наружными и двумя внутренними опорами, прижимают наружные и внутренние опоры к жестким ограничителям изгибающимся образцом, выдерживают образец при заданных условиях испытания, прикладывают компенсирующую силу к внутренним опорам, измеряют значение компенсирующей силы в момент начала перемещения внутренних опор от жесткого ограничителя, определяют напряжение в образце по указанному значению компенсирующей силы, снимают компенсирующую нагрузку.

При симметричном расположении образца (1) между парами опор (2) и (3), прижатым к жестким ограничителям (4) и (5), на каждую из четырех опор воздействует сила Р, равная

где Е - модуль Юнга, h - толщина образца, изгиб концов образца на участках длиной а. По силе Р определяют напряжение во внешних слоях образца на участке длиной l

где b - ширина образца.

В предлагаемом способе напряжение рассчитывается с помощью формулы (2) по результатам измерения силы Р. Для измерения Р к внутренним опорам прикладывается компенсирующая сила Р_к, противодействующая силе 2Р. С момента, когда Р_к становится равной 2Р, внутренние опоры начинают перемещаться, увеличивая заданный прогиб образца. Указанный момент фиксируется датчиком перемещения. Кроме того, при Р_к >2Р резко снижается наклон зависимости Р_к от перемещения. Пока Р_к<2Р перемещение определяется малой упругой податливостью участка нагружающей тяги ниже места закрепления датчика перемещения. Этот участок мал и обладает большой жесткостью. В этом случае указанная зависимость практически вертикальна. При Р_к>2Р показания датчика перемещения существенно возрастают из-за перемещения внутренних опор, что приводит в резкому снижению наклона зависимости Р_к от перемещения и принципиальной возможности измерения Р с погрешностью не более ±(2-3)%.

Для иллюстрации эффективности способа рассмотрим в качестве примера плоский образец из стали с размерами: а=b=10 мм, l=20 мм, h=0,7 мм. Модуль Юнга Е=2·10 ⁴ кг/мм². Положим изгиб концов образца y=h. По формуле (1) определяем Р=3,01 кг. При нижнем стальном участке тяги длиной 10 мм и сечением 50 мм² сила 2Р вызовет ее сокращение на 0,03 мкм. Наклон зависимости Р_к от перемещения равен 10⁵ кг/мм. При Р_к>2Р наклон указанной зависимости в соответствии с формулой (1) равен

поскольку l равно дополнительному изгибу концов образца, y. Отсюда Р_к/ l=8,6 кг/мм, то есть на четыре порядка меньше, чем при Р_к<2Р.

Протяженность второго участка зависимости Р_к от перемещения не должна быть больше предельной, при которой напряжение в образце становится равным пределу текучести _т. По этому критерию в соответствии с формулой (2) предельное увеличение силы Р_к на указанном участке, Р_к, определяется по формуле

Для рассмотренного примера это означает, что при 2Р=6,02 кг и _т=20 кг/мм² предельное значение Р_к равно 3,27 кг.