Способ определения упругих свойств конструкционного материала

ОПИС К ПАТЕНТУ 1(омитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(76) Янышев Павел Климентьевич(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХСВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА(57) Изобретение относится к испытанию конструкционных материалов, например к определению достоверных механических свойств в упругой областидеформирования. При этом учитывают как внешниесиловые и температурные воздействия, так и внутренние, вызванные упругими внутренними напряже 19) ИС (11) 2002236 С 1 51) 5 О ниями При воздеиствии внешнеи нагрузки, вызывающей растяжение тела, и наличий в нем внутренних напряжений (ВН) сжатия связь напряжение - деформация описывается уравнением: о=(с+Ье )Е+Ье Е +Ье хЕ, где с, Е - отноВ 1 В 2 В 2 1 Р тРсительная деформация и модуль упругости тела без ВН; Ье - приращение относительной дефор -Втмации, вызванное неперераспределяющимися ВН от внешней нагрузки; Ье, Ье - приращение отВ 2 тр, носительной деформации, вызванное перераспределяющимися ВН и температурой. 1 табл, 4 ил.Изобретение относится к испытаниям металлов, сплавов и др. конструкционных материалов, в частности к определению достоверных механических свойств в упругой области деформирования,При этом учитывают как внешнее воздействие, например. силовое и температурное, так и внутреннее, вызванное упругим внутренним напряжением (ВН), Пластические релаксируемые ЯН в настоящее время не используются,Известен способ определения упругих свойств КМ Ц, состоящий в том, что измеряют характерные точки на деформационной характеристике (ДХ - диаграмме растяжения сжатия, кручения, изгиба).При этом предел пропорциональности, упругости и текучести оценивают как приближенные условные напряжения.Известен способ определения упругих свойств КМ (2), состоящий в том, что изготовляют образец иэ контролируемого материала, измеряют его деформации при различных нагрузках и записывают ДХ.Основным недостатком его является то, что не известна истинная причина нелинейности ДХ в упругой области деформирования.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения упругих свойств КМ (31.Недостатком его является ограниченная точность, обусловленная большим рассеиванием параметров .из-за наличия в контролируемом теле дефектов структуры, вызывающих обраэова. 1 ие В Н,В качестве прототипа использован способ (4). Сущность его состоит в том, что удаляют измененный поверхкостный слой с образца и стабилизацией пластические ВН. Недостатком его является отсутствие сравнителького анализа параметров определенных материалов и количественной связи между напояжекием и составля 1 ощими деформаций.Мель изобретения - повышение точности и уменьшение трудоемкости испытанияЭто достигается тем, что используют заготовки материала, полученные при различных скоростях кристаллизации, после стабилизации свойств отбирают для изготовления образцы заготовки, имеющиеодикаковый температурный коэффициент электросопротивления, нагружение осуществляют после температурных воздействий в упругой области деформирования, в каче- став параметра перехода от упругости к упругопластичности принимают минимальное напряжение линейного деформирования.определяют величину и знак внутренних напряжений, совмещая деформациокные характеристики различных образов, определяют значение Ьеь постоянной составляющей и значение Ьйа переменной составляющей деформации, вызванной упругими внутренними напряжениями овн, а сами значения величины суммарных напряжений, т.е. от внешней и внутренней нагрузок определяют из соотношений 5 10 СТ (Е+ ЬЕЬ)Е + ЬЕЬ 2 ЕЬ 2+ ЬЕтр Етр при растяжении материала и наличии в немупругих внутренних напряжений сжатия(фиг.1),О ( Я - ЙЫ)Е - ЬЕЬ 2 ЕЬ 2+ Ьятр Етр 20 при растяжении материала и наличии в немупругих внутренних напряжений растяжения (фиг.2),0 = -(Я + Ьеь т) Е + Ьйа Еь 2 + Ьетр Етр 25 при сжатии материала и наличии в нем упругих внутренних напряжений сжатия(фиг.З),ЗО Р=-(Е- ЬЯЫ)Е - Ьйа ЕЬ 2+ ЬРтр Етр при сжатии материала и наличии в нем упругих внутренних напряжений растяжения(фиг,4),З 5 где.Е = Еы - модуль упругости материала вкотором отсутствуют внутренние напряжения, т,е. упругая составляющая ЬЪ характеризует неперераспределяющиеся отвнешнего воздействия внутренние напря 40, ния.Еь 2 - модуль упругости материала свнутренними напряжениями, т.е. упругаясоставляющая Ьйа характеризует перераспределяющиеся внутренние напряже 45 ния,Етр - модуль упругости материала привоздействии температуры, т,е. температурных капряжений.В уравнениях использованы темпера 50 турные деформации Ьатр при положительном перемещении температуры. В случаеотрицательного приращения температурыперед членом Йтр Етр изменится знак,На фиг.1-4 изображены ДХ эталона55 (0-1), т.е. образца из контролируемого материала, в котором отсутствуют ВН и ДХ изупругого контролируемого материала приналичии в нем ВН и внешней нагрузки.разного знака.2002236 Оау = -(Дтр+Дгс),Температура +200 С Компатная темпе атура ЬГВ 2 Екгс/мм Е Евг Бог Ет Етр 2,08 0,0029 2,02 0,0033 0,0004 1,94 0,035 0,0002 Для получения эталона в образце удаляют измененный поверхностный слой и пластические ВН, а исходный материал отбирают поконстанте, например по температурному коэффициенту электросопротивления. Для металлов ая =4,2 10 /К=сопзт,Образцы из контролируемого материала стабилизируют, т.е. удаляют в них пластические ВН, При этом образцы материалапредставляют линейные системы на кото 10рые распространяется принцип суперпозиции.Для осуществления способа берут эталон и образец из контролируемого материала,15Измеряют величину и знак ВН в контролируемом материале известным способом,например, из, уравнения где о, - упругие и пластические ВЕ в контролируемом материале; отр, огс - пределытекучести контролируемого материала соответственно при растяжении и сжатии.Записывают ДХ эталона и контролируемого материала и совмещают по величине изнаку ВН в контролируемом материале иуглу наклона к оси Абсцисс ДХ материала сДХ эталона,Разделяют ДХ материала на неперераспределяющуюся (1-2) и перераспределяющуюся (2-3) составляющие от внешнейнагрузки, т.е, проводят из точки О, прямуюпараллельно ДХ эталона (О - 1),Записывают ДХ материала при воздействии температуры в упругой области деформирования и совмещают ее по углунаклона с ДХ 1,2,3,40Определяют составляющие деформаций, вызванные различным силовым воздействием, составляют уравнения, которыеопределяют количественную связь междунапряжением и деформацией реальногоконструкционного материала (металла),Примечания. й:Вг=евг-Г . Ь;тр=-астр-ввг Формула и зоб рете и и яСПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, по которому стабилизируют свойства заготовки материала выдержкой под нагревом при полном выравнивании темСпособ распространяется на упругую область деформирования твердого тела при отсутствии пластических релаксируемых ВН в материале. Таким образом предел пропорциональности, предел упругости и предел текучести равны между собой,П р и м е р, Использована сталь 40 Х 13 ГОСТ 5632 - 72. В нескольких заготовках из различных плавок после отжига их при Т = 550 С, 1 = 160 мин и Чоул130 с/ч до Т=400 С измерены температурные коэфициенты электросопротивления. По ая = 4,2 10 /К = сопэ 1 отобрана заготовка под эталон, Определены величина и знак внутренних напряжений Овн в заготовке из контролируемого материала,Изготовлены два образца М 17 К по ГОСТ 1497 - 73 один из эталонного, а другой из контролируемого материала при чистовой обработке Ч = 46 м/мин, 1 = 0,12 мм/с, Я = 0,09 мм/оборот, Резец из сплава Т 15 К 6, без охлаждения,Оба образца стабилизированы отжигом приТ=530 С,г -- 120 минприЧохл130 с/ч до Т = 400 С и подвергнуты контролю по линейности зависимости частоты собственных колебаний образца от температуры при выравнивании ее по всему объему, Контроль осуществляют по прекращению приращения частоты,Измерены относительные деформации и модули обоих образцов при растяжении о-= 60 кгс/мм в нормальных условиях, а для контролируемого материала также при воздействии температуры Т = 200 С,Результаты сведены в таблице.(56) 1, Золотаревский В,С. Механические свойства металлов. М: Металлургия, 1983.2. Дж, Ф, Белл, Э кс пери ментал ьн ые основы механики деформируемых тел. 1.М; Наука.3, Кочнева.Л.Ф. Внутреннее трение в твердых телах при колебаниях. М: Наука, 1979.4., Авторское свидетельство М 1249384, кл. 6 01 М 3/08, 1984,пературы по объему и до прекращения изменения частоты собственных колебаний .при полном снятии неупругих внутреннихнапряжений, стабилизируют линейность . характеристики частота собственных колебаний - температура выдержки, изготовля 2002236ют образцы материала резанием в чистовом режиме, соответствующем взаимной компенсации дефектов структуры поверхности от силового и теплового воздействий процесса резания нагружают образцы ступенчато статической нагрузкой до достижения унругопластического состояния, регистрируют при нагружении деформационную характеристику в координатах напряжение-деформация и по ней определяют искомый параметр, отличающийся тем, что, с целью повышения точности испытания, используют заготовки материала, изготовленные при различных скоростях кристаллизации, после стабилизации свойств отбирают для изготовления заготовки образцы, имеющие одинаковый температурный коэффициент электросопротивления, нагружение осуществляют после температурных воздействий, в качестве параметра перехода от упругости к упругопластичности принимают минимальное напряжение линейного деформирования, совмещая деформа ционные характеристики различных образцов, определяют характер внутренних напряжений, значение ЬеВ 1 постоянной составляющей и значение ЬяВ 2 переменной составляющей деформации е, вызванной упругими внутренними напряжениями о, а сами значения величины д определяют С+ Ь 8 трЕтр.при растяжении материала и наличии внем упругих внутренних напряжений сжатия,о = (г - ЛеВ 1)Е - ЬеВ 2 ЕВ 2 ++ ЬвтрЕтр10 при растяжении материала и наличии внем упругих внутренних напряжений растяжения,тт = - (е + ЬВВ 1)Е МВ 2 ЕВ 2 +5+ ЬЯтрЕтрпри сжатии материала и наличии в нем упругих внутренних напряжений сжатия,а = - (Я + Ьев 1)Е - ЬеВ 2 ЕВ 2 ++ Ьетр Епр.при сжатии материала и нали 20 чии в нем упругих внутренних напряженийрастяжения,где Е - модуль упругости материала при упругой составляющей ЛеВ 1 от неперераспределяющихся от внешнего воздействия25 внутренних напряжений;ЕВ 2 - модуль упругости материала при упругой составляющей ЛеВ 2 от перераспределяющихся внутренних напряжений;Э 0 Етр - модуль упругости материала при деформации Ьгтр температурных напряжений.2002236 Составитель П, ЯнышевТехред М,Моргентал Корректор М, Тк Редактор Л ая Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 аказ 317 арина, 101 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород