Результат интеллектуальной деятельности: Установка для испытания образцов на усталость

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к установкам для испытания на усталость.

Известные методы испытаний образцов материалов наиболее полно изложены в фундаментальных монографиях (см. Школьник Л.М. Скорость роста трещин и живучесть металла. - М.: Металлургия, 1973. - 216 с.; Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, 1978. - 304 с.).

Применение того или иного метода определяется целью исследования образцов. Для усталостных испытаний обеспечивают различные виды нагружения образца, затем изучают его свойства, например положение и размеры микротрещин. Количество циклов нагружения образца определяет его полный ресурс работы.

Определяющим при испытании образцов на усталость является механизм развития микротрещин для различных материалов. Однако известные установки для испытаний материалов на усталость не позволяют наблюдать развитие микротрещин в процессе испытаний без демонтажа образца. Их отличительной особенностью является наличие сложных кинематических цепей, что приводит к снижению долговечности установок. Механизм накопления усталостного повреждения очень сложен. Например, фактор повышения частоты циклового нагружения. Пластическая деформация запаздывает относительно прилагаемого нагружения. Чем больше продолжительность действия максимальных напряжений, тем интенсивнее идут процессы упрочнения. Например, при испытаниях с частотой 40 цикл/мин максимальную твердость металл приобретает уже к 40 нагружениям, тогда как при 2400 цикл/мин на это требуется нагружений в 100 раз больше, т.е. 4000 циклов. При этом в первом случае степень упрочнения сплава в 1,5 раза больше, чем во втором, при одинаковых условиях максимальных напряжений цикла (см. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, 1978, с. 113). Неоднозначно определение количества циклов нагружения при одном и том же значении прироста твердости из-за влияния наклепа, что приводит к неопределенности усталостного повреждения образцов на усталость. Это также характерно при испытании образцов при консольном изгибе с вращением, где прогибы образцов неоднозначно определяют количество циклов нагружения из-за влияния наклепа.

Известна установка для усталостных испытаний образцов материалов (см. Установка для усталостных испытаний образцов материалов: пат. на изобретение 2051359 Рос. Федерации: МПК G01N 3/32/ Лодус Е.В. - №5003492/28; заявл. 26.09.1991; опубл. 27.12.1995.), содержащая корпус, размещенные в нем взаимно перпендикулярно две рейки, взаимодействующее с ними зубчатое колесо, механизм возвратно-поступательного перемещения, взаимодействующий с концом одной из реек, пассивный захват для образца, закрепленный на торце второй рейки, и активный захват с инерционным грузом, предназначенным для соединения с образцом, она снабжена дополнительной рейкой, установленной параллельно второй рейке, дополнительным зубчатым колесом, взаимодействующим с основным зубчатым колесом и дополнительной рейкой, и дополнительным активным захватом с инерционным грузом, предназначенным для соединения с дополнительным образцом и основным инерционным грузом.

Установка позволяет проводить испытания на усталость двух образцов.

Образцы материала закрепляются на пассивных захватах принадлежащим концам двух реек, а активные захваты соединены с инерционными грузами. Эти две рейки сопряжены с двухзвенником, за счет которого пассивные захваты получают встречное движение. Осевое перемещение реек обеспечивается от привода через механизм возвратно-поступательного движения, дополнительную рейку и два сопрягаемых зубчатых колеса.

Однако данная установка не позволяет получать информацию о текущем состоянии образцов материалов, а механический тип нагружения сопряжен с его повышенным износом, что влияет на режим испытания.

Известна установка для испытания образцов материала на усталость (см. Установка для испытания образцов материалов на усталость: пат. на изобретение 2029281 Рос. Федерации: МПК G01N 3/32/ заявитель и патентообладатель Власов В.П. - №5040478/28; заявл. 29.04.1992; опубл. 20.02.1995), содержащая основание, соосные захваты образца, нагружающее приспособление, выполненное в виде установленного на основании кривошипно-ползушного механизма, шатуна регулируемой длины, связанного с ползуном кривошипно-ползушного механизма, установленного на основании направляющего цилиндра, в котором размещен ползун, и размещенной в направляющем цилиндре силовой пружины, одним концом контактирующей с ползуном, а другим связанной с одним из захватов, и связанный с кривошипно-ползушным механизмом привод, снабжена расположенным в направляющем цилиндре поршнем, один торец которого закреплен на захвате, а другой контактирует с силовой пружиной, и двумя дополнительными нагружающими приспособлениями, каждый из которых выполнен в виде связанного с приводом кривошипно-ползушного механизма с закрепленной на основании направляющей ползуна, связанного с последним шатуна регулируемой длины, закрепленных на основании блоков с охватывающей их гибкой тягой, один конец которой связан с ползуном, силовой пружиной, связанной с другим концом гибкой тяги, и связанного с пружиной рычага, конец которого закреплен на захвате, на котором закреплен поршень, кривошипы механизмов нагружающих приспособлений установлены соосно друг с другом, рычаги расположены по разные стороны от захватов, а другой захват закреплен на основании и обеспечивает одновременно деформации растяжения-сжатия и кручения образца.

Образец материала закрепляется в пассивном захвате на основании установки и в активном захвате, установленном на двухплечем рычаге. Одна кинематическая цепь от привода через кривошипно-шатунный механизм и ползун с пружиной создает осевую нагрузку на образец, две другие кинематические цепи, в которых имеются дополнительные гибкие тяги перекинутые через блоки, обеспечивают пару сил на концах рычага с активным захватом, создавая деформацию кручения образца.

Этой установке свойственны те же недостатки, что и предыдущей: отсутствие информации о текущем состоянии образцов материалов; сложность конструкции; влияние на режим испытания зазоров и износа в кинематических цепях устройства нагружения.

Известна установка для испытания материалов на усталость (см. Установка для испытания материалов на усталость: пат. на изобретение 2373512 Рос. Федерации: МПК G01N 3/32/ Лодус Е.В., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)» (RU) - №2008138480/28; заявл. 26.09.2008; опубл. 20.11.2009), содержащая основание, размещенные на нем в ряд три диска, средний из которых предназначен для размещения на нем кольцевого образца и установлен на основании, обкладку в виде гибкого элемента, предназначенную для контактирования с наружной поверхностью образца и охватывающую два крайних диска, приводы вращения дисков и платформу с приводом перемещения, отличающаяся тем, что два крайних диска установлены на платформе, на основании установлен сосуд для поверхностно-активного вещества, а платформа выполнена с обеспечением частичного погружения крайних дисков в сосуд.

Установка предназначена для испытания кольцевых образцов в условиях взаимодействия с поверхностно-активным веществом.

Устройство нагружения этой установки содержит приводы двух дисков, связанных гибким элементом, который взаимодействует с поверхностью кольцевого образца, установленного на основании, приводя его во вращение. Диски установлены на платформе, которая имеет свой привод с эксцентриком. Качающаяся платформа обеспечивает взаимодействие гибкого элемента с поверхностно-активным веществом, налитым в сосуд под дисками.

Данное устройство нагружения также достаточно сложно, содержит три привода. Информация о результатах испытания может быть получена только после анализа образца. Рассматриваемая установка имеет узкий диапазон по типоразмерам образцов - только кольцевые образцы.

Наиболее близкой по технической сущности из известных является установка для испытания образцов на усталость (см. Установка для испытания образцов на усталость: авт. свид. 1755110 СССР: МПК G01N 3/38/ Иванов Г.П., Елгаев Н.А., Уткин А.В., заявитель Владимирский политехнический институт - №4692360/28; заявл. 22.05.1989; опубл. 15.08.1992, бюл. №30), которая содержит основание, пассивный захват образца, установленный на основании, активный захват образца, одним концом связанный с активным захватом и установленный соосно ему рычаг, электромагнитный возбудитель колебаний и измерительное устройство, фиксатор, предназначенный для периодического соединения рычага с основанием, захваты установлены с возможностью фиксированного поворота вокруг своей оси, связь рычага с активным захватом выполнена в виде разъемного соединения, а возбудитель колебаний и измерительное устройство выполнены в виде двух П-образных магнитных систем, закрепленных на другом конце рычага симметрично относительно друг другу относительно его оси и двух катушек, закрепленных на основании, каждая из которых предназначена для взаимодействия с соответствующей П-образной магнитной системой.

Таким образом, данное устройство и все известные установки для усталостных испытаний не позволяют устранить влияние наклепа на изменение жесткости образца в процессе усталостного нагружения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение достоверности результатов испытаний путем устранения влияния наклепа при испытании образцов на усталость.

Поставленная цель достигается тем, что установка для испытания образцов на усталость, содержащая основание, пассивный захват образца, установленный на основании, активный захват образца, одним концом связанный с активным захватом и установленный соосно с ним рычаг, электромагнитный возбудитель колебаний и измерительное устройство, фиксатор, выполненный с возможностью периодического соединения рычага с основанием, захваты установлены с возможностью фиксированного поворота вокруг своей оси, связь рычага с активным захватом выполнена в виде разъемного соединения, а возбудитель колебаний и измерительное устройство выполнены в виде двух П-образных магнитных систем, закрепленных на другом конце рычага одна симметрично другой относительно его оси и двух катушек, закрепленных на основании, каждая из которых выполнена с возможностью взаимодействия с соответствующей П-образной магнитной системой, снабжена устройством индукционного нагрева, катушка которого расположена по периметру испытуемого образца и закреплена на основании.

Пример реализации предлагаемого устройства показан на чертеже конструктивной схемы установки для испытания образцов на усталость.

Устройство содержит основание 1, пассивный захват 2 образца 3, установленный на основании, активный захват 4 образца, одним концом связанный с активным захватом и установленный соосно ему рычаг 5, электромагнитный возбудитель колебаний 8 и измерительное устройство 9, фиксатор 12, предназначенный для периодического соединения рычага с основанием, захваты установлены с возможностью фиксированного поворота вокруг своей оси, связь рычага с активным захватом выполнена в виде разъемного соединения, а возбудитель колебаний и измерительное устройство выполнены в виде двух П-образных магнитных систем 7 и 10, закрепленных на другом конце рычага симметрично относительно друг другу относительно его оси, двух катушек 6 и 11, закрепленных на основании, каждая из которых предназначена для взаимодействия с соответствующей П-образной магнитной системой, полку 13, поворотный стол 16, устройство индукционного нагрева 15, катушка 14 которого расположена по периметру испытуемого образца и закреплена на основании.

Работа установки для испытания образцов на усталость осуществляется следующим образом.

Испытуемый образец 3 закрепляют одним концом в пассивный захват 2, а другим концом в активный захват 4, установленный на рычаге 5, производится фиксация рычага фиксатором 12, расположенным на полке 13, при этом поворотный стол 16 установлен в нулевое положение, освобождают рычаг из фиксатора и производят включение возбудителя колебаний 8. В результате взаимодействия тока, протекающего по катушке 6, и магнитного поля П-образной односвязной магнитной системы 7 образец совершает заданное количество изгибных колебаний. Производится включение устройства индукционного нагрева 15 с катушкой 14 и снимается наклеп. Нагрев осуществляется выше температуры рекристаллизационного отжига (Т_рек)_. Температура нагрева зависит от вида материала и определяется по формуле Т_рек=α×T_плав., где α - коэффициент, зависящий от вида материала, а Т_плав. - температура плавления в градусах Кельвина. Потом производится оценка усталостного повреждения в различных продольных плоскостях образца, начиная с положения нагружения образца, затем фиксируется рычаг фиксатором и образец освобождается из активного захвата. Осуществляется поворот образца с помощью поворотного стола на определенный угол, после чего производится фиксация верхнего конца испытуемого образца, освобождение рычага и оценка усталостного повреждения по информации о процессе колебаний, которая поступает с катушки 11 на измерительное устройство 9. Затем процесс повторяется до тех пор, пока не будет произведена оценка повреждения образца в различных продольных плоскостях. После установки образца в начальное положение осуществляется следующее циклическое нагружение и последующая оценка анизотропии усталостного повреждения.

Предлагаемая установка позволяет устранить влияние наклепа на измерение усталостного повреждения материала.