Способ прочностных испытаний пластических материалов и зонд для его осуществления

(22)27.09.8 (46) 07,02.9 (71), Научн ий институт ения МГТУ й, М.М. Арао-исследовательск ого машиностро ауманаиляев, М.Ю, Сотск колов и А,М, Ручко емы прочности, 1е свидетельств специм.(57) стн Суц чес ник соп дей вне осится к исслед йств материал ения исследов и средствам о прочностных х ованиови аний, впреде- арактезобретение отн ям прочностных св средствам осуществ частности к способа лени 1 динамических ристе к матер измеения хара материалов прон иалов по результа ктеристик сопротивл иканию в них зонда. соб, позволяющий по определенным усил оценку динамическог ериала 1. там ения Иэвестен сп пери 1 ентально внедрения дать прот вления матэксиям соконечника 2,ПОСОБ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЪТА-. ПЛАСТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ спользование; исследование прочно- свойств пластических материалов. сть: в исследуемый материал динамивнедряют зонд с коническим наконеч, имеющим по длине несколько енных участков, и измеряют усилия, вующие на каждый участок, Зонд яют неоднократно, с одинаковыми ус, 1793321 А ловиями внедрения. При каждом внедрении измеряют усилие, действующее только на один участок наконечника, а все измерениия производят с помощью одного силоизмерительного преобразователя, Для осуществления способа используют зонд, имеющий цилиндрический корпус, связанный с корпусом наконечник, поверхность которого образована сопряженными коническими поверхностями, и пьезоэлектрические средства для измерения усилий,включающие один силоизмерительйый преобразователь, установленный в корпусе зонда, Наконечник выполнен по длине составным с разъемами по границам сопряжения конических поверхностей, а одна иэ . частей наконечника установлена с воэможностью осевого перемещения относительно других частей, прикрепленных к корпусу, и связана с измерительным преобразователем через силопередающий элемент. Измерение усилий, действующих на участки наконечника, одним силоизмерителем повышает точность исследований. 2 с,п,ф-лы, 2 з.п.ф-л ы, 3 ил. Чувствительность материала к скорости пластической деформации проявляется и регистрируется в зависймости сопротивления внедрению недеформируемого индентора от скорости,Известен также способ определения предела прочности на сдвиг пластических материалов при динамическом нагружении, заключающийся в том, что цилиндрический зонд с коническим наконечником разгоняют, внедряют его в исследуемый материал и измеряют усилие сдвига на поверхности на 1793321Этот способ и реализующая его установка приняты за прототип как содеркащиенаибольшее число совпадающих существенных признаков. Недостатком способаявляется то, что при его применении изме-.рение производится измерительным преобразователем, размещенным наограниченном участке поверхности наконечника,Наиболее близким к предлагаемому является измерительный зонд в установкедляопределения предела прочности на сдвигпластических материалов при динамическом нагружении, содержащий установленные в отверстиях, выполненных в егополиконическом наконечнике, пьезоэлектрические преобразователи, обеспечивающие измерение величины касательнойсоставляющей силы сопротивления материала движению зонда (преобразователи силы сдвига) и нормального давления 2,К недостаткам известных способа и устройства 2, кроме уже указанных, следуетотнести также то, что величины, измеряемые на ограниченном участке поверхностипри динамическом нагружении, отражаютзначения этой величины, возникающие принагружении в локальном сечении материала, расположенном вдоль траектории движения в материале чувствительного участкаповерхности и необязательно совпадающиесо значениями изменяемой величины, возникающими в сечениях материала, расположенных на уровне чувствительного участкаконцентрично нагружающей поверхностизонда. Кроме того, конструктивные особенности установки преобразователей в наконечнике зонда не позволяют располагать ихвдоль всей образующей поверхности наконечника, вблизи вершины и основания наконечйика, а особенности установкипреобразователя в разных частях наконеч ника будут неизбежно отражаться на коэффициенте преобразования и диапазонелинейности его значений, даже в случаеобеспечения возмокности установки в разных опытах одного и того же преобразователя. Это снижает возможности известногоустройства при его применении для определения распределений измеряемой величины в объеме исследуемого материала вопределенный момент времени.Цель изобретения - повышение точности измерений в испытаниях,В предлагаемом способе прочностныхиспытаний пластических материалов придинамическом нагружении, включающемвнедрение зонда с измерительными преобразователями в исследуемый материал с заданной скоростью, измерение силовых параметров воздействия материала на чувствительный участок поверхности заостренного наконечника зонда и установление по результатам измерений прочностных характеристик материала, во время внедрения в исследуемый материал обеспечивают механическую передачу силового воздействия на измерительный преобразователь с любого напередзаданного замкнутого осесим 10метричного чувствительного участка на поверхности наконечника, измерение производят одним преобразователем с разных участков в различных опытах, обеспечивая идентичность начальных условий встречизонда и исследуемого материала в повторных опытах, а прочностные характеристики материала устанавливают по значениям измеряемого силового параметра в исследуемом материале, Поставленная цель20 дОстигается также тем, что в зонде для прочностнь 1 х испытаний пластических материалов при динамическом нагружении, состоящем из корпуса с заостренным наконечником и с измерительным преобразова 25 телем усилий, воздействующих начувствительный участок поверхности наконечника зонда со стороны исследуемого ма териала, и средства связи измерительногопреобразователя с измерйтельной аппара турой, корпус выполнен составным, содержит силоиэмерительный преобразователь в одной из частей, причем силоизмерительный преобразователь кинематически связан со второй частью зонда, выполненной с35чувствительным участком в виде пояса на боковой поверхности наконечника и размещенной в объеме зонда с возможностью перемещения относительно него,Зонд может быть выполнен с площадью40пояса на боковой поверхности наконечника, составляющей целую часть от всей площади боковой поверхности зонда, и при этом распределение давлений в объеме исследуемого материала будет адекватно распределению амплитуд электрическихсигналов, регистрируемых измерительным преобразователем от различных поясов, выполненных с одинаковой площадью на боковой поверхности.50С целью обеспечения надежности использования в качестве чувствительного элемента измерительного преобразователя пьезокерамических дисков кинематическая связь в зонде выполнена в виде центрального хвостовика, скрепленного со второй частью зонда.На фиг. 1 показан в разрезе зонд в процессе внедрения в исследуемый пластический материал; на фиг. 2 - осциллограмма изменения давлений, регистрируемая в ис1793321 Прзован отверс чувстви ловной ставля поверх л исполь 30 ммиПлощадь еской гошине со- лощади) (1) 5 еобразования извателя давления ц хЦ иент пр еобраз нию; скиед расчет де Кц - коэффиц мертельного пр (В/Ла 1 по напряже(С 1) - динамич емом материале в ления в исследуймомент времепытаниях; на фиг, 3- зонд с конструктивными эл ментами, обеспечивающими надежность при использовании в силоизмерительном преобразователе пьезокерамических дисков е анестее нуестеительното элемента, 5Способ реализован в зонде для прочностных испытаний в составе измерительно-реги трирующей установки для динамического на ружения исследуемых материалов с компле сом регистрирующей аппаратуры. 10Зонд для прочностных испытаний пластических материалов при динамическом на ружении состоит из корпуса с заостренны наконечником 1, в котором размещен эл мент 2 с осесимметричной боковой по ве хностью А, являющейся частью поверх- но ти наконечника (А + Б + В, фиг. 1). В ко пусе размещен силоизмерительный преоб азователь 3, кинематически связанный с эл ментом 2 зонда, а электрически - с ис поьзованием проводной связи 4 с измеритегьной аппаратурой 5,Зонд работает следующим образом. Пр внедрении наконечника 1 зонда с зада ной скоростью в исследуемый пластиче ск й материал 6, возникающие в материале да ления р(1), характеризующие прочност ые характеристики материалов при дина ическом нагружении, воздействуют на по ерхность А элемента 2 зонда. Результи ру щая сила посредством кинематической свяри в виде силопередающего элемента 7 передается перемещающимся относительно орпуса 1 элементом 2 на силоизмерительный преобразователь 3, который 35 ген рирует электрический сигнал Ц 1), пропо циональный этой силе, и, следовательно, при известности площади поверхности А- ропорциональный давлениям в материале интегрированным в заданном сечении 40 мат риала 6 по конической поверхности А в зад н.;ый момент времени, считая от моме та касания исследуемого материала 6 нак нечником 1 зонда. Непрерывно регистрир емые в процессе внедрения зонда в 45 мат риал значения действующих в матери але давлений передаются по проводной свяи 4 на измерительную аппаратуру 5, где фиксируются в виде осциллограммы "напря 3 кение-времян (фиг. 2), которая пересчи тыв ется в зависимость "давление-время". Пер счет производится с использованием выр жения ни сь осредненные по сечению материала в плоскости поверхности АПа).Выполнение элементов 2 в зонде с одинаковой площадью поверхности А для всего набора элементов, перекрывающего всю поверхность наконечника, позволяет определять распределение давлений непосредственно по значениям регистрируемых электрических сигналов на осциллограммах, что приводит к облегчению анализа результатов.Вариант практического исполнения зонда,.содержащего в качестве чувствительВного элемента силоизмерительного преобразователя пьезокерамический диск, показан на фиг. 3. Корпус зонда 1 выполнен из трех основных осесимметричных деталей, две из которых скрепленымежду собой винтами 8 и представляют собой сменный наконечник, сопрягаемый с третью частью корпуса по поверхности 9, В объеме сменного наконечника размещен с .возможностью перемещения относительно него осесимметричный элемент 2, выполненный с чувствительным участком в виде пояса на боковой поверхности наконечника и с направляющим элементом 10. В третьей части корпуса выполнено отверстие 11, в торцовой; части которого размещен пьезоэлектрический силоизмерительньй преобразователь 3. К преобразователю прикреплены провода связи 4, выведенные через отверстие 12 в корпусе к измерительной аппаратуре 5.Кинематическая связь силоизмерительного преобразователя с элементом 2 выполнена в виде направляющего элемента 10, размещенного в отверстии 11, и обеспечивает многоразовость и однообразие условий передачи усилий на измерительный преобразователь от сменных наконечников с различным расположением элемента 2 в объеме наконечника. Отверстие 11 для направляющего элемента 10 выполненного соосно в двух скрепленных ви тами 8 частях корпуса 1 (сменного наконечника). Направляющий элемент может быть скрепленным с элементам 2 зонда или образованным на элементе 2 (выполненным заодно с элементом 2), как на фиг. 3. Выполнение направля-ющего элемента заодно с элементом 2 упрощает процесс изготовления и сборки зонда. и проведении испытаний бы онд с диаметром корпуса ием 11 диаметром 6 мм,тельного участка на кони части с углоМ 60 при вер да от 0,2 до 0,33 ости головной части зонда10 15 20 25 30 Чувствительный элемент выполнялся из пьезокерамики ЦТС, Исследуемый пластический материал с плотностью 1,47 Тlмз разгонялся на вертикальном копре, В приведенных условиях и с масштабной емкостью порядка 60000 Пф на экране осциллографа типа С 8-13 регистрировались осциллограммы изменения давлений с амплитудой сигнала 0 до 2,0 В (см. репродукцию осциллограммы на фиг. 2). Контейнер с исследуемым материалом принудительно тормозился с помощью упругих демиферов после того как зонд внедрялся в материал на глубину Егч, превышающую высоту головной части зонда (см, фиг. 1). В данной измерительной схеме постоянная времени разряда входной цепи превышает 31 мс. Поскольку время внедрения на высоту головной части (см. фиг. 2) составляет для условий измерений 34 мс, а время, через которое нагрузка на зонд принудйтельно снимается, составляет величину около 10 мс, то при любой форме импульса давления суммарная погрешность измерений давления в испытаниях не превышает 10 О.Вариант исполнения зонда составным, с набором наконечников и чувствительным элементом измерительного преобразователя в виде пьезокерамического диска обеспечил, кроме того, возможность использования в серии опытов одного и того же измерительного преобразователя, что приводит к снижению погрешности измерения давлений и особенно при измерении распределения давлений. При этом выполнение кинематической связи в виде направляющего элемента 10 обеспечивает однообразие и симметричность при смещении элемента 2 относительно скрепленных винтами 8 частей корпуса 1 зонда, а также многоразовость и однообразие воздействия на преобразователь при использовании зонда в серии опытов. В совокупности это обеспечивает надежность и точность при использовании для измерений давленияпьезокерамических дисков. Выполнение площади чувствительного участка на боковой поверхности наконечника одинаковой для всего набора наконечников в серии опытов исключает необходимость пересчета результатов измерения с использованием вь 1 ражения 1 и обеспечивает условия для анализа распределения давлений непосредственно по амплитуде электрического сигнала регистрируемого на осциллограмме, а это, в свою очередь, приводит к снижению трудоемкости анализа и повышает наглядность результатов.35 Формула изобретения 1. Способ прочностных испытаний пластических материалов при динамическом нечником, имеющим по длине несколько сопряженных участков, и измеряют усилия, действующие на каждый участок, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, зонд внедряют в исследуемый материал неоднократно с одинаковыми условиями внедрения, при каждом внедрении измеряют усилие, действующее на один участок наконечника, а все измерения произво 50 дят с помощью одного силоизмерительногопреобразователя. 2. Зонд для прочностных испытаний пластических материалов при динамическом нагружении, содержащий илиндриче 55 ский корпус, связанный с корпусом наконечник, поверхность которого образована сопряженными коническими поверхнагружении, по которому в исследуемый материал внедряют зонд с коническим наконостями, пьезоэлектрические средства для измерения усилий, действующих на поверхность наконечника, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, средства для измерения усилий включают один силоизмерительный преобразователь, установленный в корпусе зонда, наконечник выполнен по длине составным с разъемами по границам сопряжения конических поверхностей, а одна из частей наконечника установлена с возможностью осевого перемещения относительно других частей, прикрепленных к корпусу, и связана с измерительным преобразователем через силопередающий элемент,3. Зонд по п,2, отл и ч а ю щ и й с я тем, что площадь конической поверхности части наконечника, соединенной с измерительным преобразователем, кратна площади боковой поверхности наконечника зонда.4.3 ондпоп.2,отличающийся тем, что в корпусе выполнено направляющее отверстие для силопередающего элемента,1793321 КО Редактор Б.Федот Корректор Н.Слободяни Тираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 3 499 ВНИИ Составител Техред М,М М.Сотскгентал