Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для определения упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при повышенной температуре

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов оптическими средствами измерения путем приложения к ним сжимающих статических нагрузок.

Известно устройство для измерения деформаций (А.С. СССР №958851, МПК³ G01B 11/16, опубл. 15.09.82, Бюл. №34), содержащее основание, установленные на основании лазер, расположенный по ходу его излучения светоделитель, зеркало, образующее эталонное плечо интерферометра, два измерительных штока, подпружиненных в осевом направлении, три зеркала, расположенных в рабочем плече интерферометра, последовательно расположенные коллиматор, диафрагму, фотоприемник и электронную схему обработки, а также два зеркала, установленные на торцах измерительных штоков.

Недостатком известного устройства является низкая точность вследствие использования контактного метода измерения.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для определения упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов (пат. РФ №1744445, МПК⁵ G01B 11/00, опубл. 30.06.92, Бюл. №24), которое содержит основание с неподвижной плитой и подвижную в продольном направлении плиту. Между плитами расположен исследуемый образец прямоугольного сечения с одной зеркально-полированной боковой поверхностью. На основании установлен лазер, расположенные по ходу его излучения светоделитель и зеркало, отраженные лучи от которых образуют эталонные плечи двуплечих интерферометров соответственно поперечных и продольных деформаций. После интерферометров по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно расположены два коллиматора, две диафрагмы, два фотоприемника и электронная схема обработки. При этом рабочее плечо интерферометра продольных деформаций образует зеркало, установленное на подвижной плите, а рабочее плечо интерферометра поперечных деформаций образует зеркально-полированная боковая поверхность исследуемого образца. Устройство может быть также снабжено тремя зеркалами, расположенными по ходу излучения в рабочем плече интерферометра поперечных деформаций. В этом случае луч рабочего плеча направляется под углом относительно нормали к передней зеркальной поверхности исследуемого образца.

Недостатками известного устройства являются недостаточная точность измерений из-за погрешностей, возникающих от просадки неподвижной плиты под воздействием силы нагружения, погрешности, связанной с направлением луча рабочего плеча под углом относительно нормали к передней зеркальной поверхности исследуемого образца, а также невозможность проведения измерений на нагретом образце из-за быстрой потери тепла, связанной с его стоком в плиты пресса и длительностью установки и настройки.

Задачей изобретения является повышение точности измерений упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при высоких температурах.

Поставленная задача решается за счет технических результатов, заключающихся в использовании дифференциальной схемы измерения длины образца, использовании четырехходовой оптической системы интерферометра поперечных деформаций и реализации нагрева образца в его рабочем положении непосредственно до и во время проведения испытания. Это достигается тем, что устройство содержит основание с неподвижной плитой и подвижную плиту. Между плитами расположен исследуемый образец прямоугольного сечения с двумя противоположными зеркально-полированными боковыми поверхностями. На основании установлены лазер, расположенные по ходу его излучения светоделитель и зеркало. Луч, прошедший через светоделитель и отразившийся от зеркала, образует эталонное плечо двуплечего интерферометра продольных деформаций. Луч, отразившийся от светоделителя, направляется поворотным зеркалом в интерферометр поперечных деформаций. После интерферометров, по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно расположены два коллиматора, две диафрагмы, два фотоприемника и электронная схема обработки. С наружных сторон плит установлены электроды, подключенные к источнику постоянного тока, между одной из плит и соответствующим электродом помещен слой полупроводника. Установлена термопара, контактирующая с исследуемым образцом и связанная электрически с электронной схемой обработки. В оптической системе измерения поперечной деформации образца использован четырехходовой интерферометр, включающий поляризованный светоделитель, делящий луч лазера на рабочий и эталонный лучи, четвертьволновую и поляризационную пластины, два ретроотражателя и шесть обводных зеркал для рабочего луча. Причем в рабочем плече интерферометра поперечных деформаций расположены две противоположные зеркально-полированные боковые поверхности исследуемого образца, а в рабочем плече интерферометра продольных деформаций расположены последовательно зеркально-полированная наклонная под углом 45 градусов поверхность неподвижной плиты и зеркально-полированная поверхность подвижной плиты, обращенная к неподвижной плите. Для получения более стабильного прогрева образца между второй плитой и вторым электродом также может быть помещен слой полупроводника.

На фиг. 1 изображена оптико-механическая схема устройства; на фиг. 2 - оптическая схема измерения поперечной деформации исследуемого образца с использованием четырехходового интерферометра; на фиг. 3 - схема компенсации погрешностей, возникающих из-за просадки неподвижной плиты, за счет сохранения величины хода рабочего луча при использовании зеркально-полированной поверхности подвижной плиты, расположенной под углом 45 градусов.

Устройство для определения упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при повышенной температуре содержит основание 1 с неподвижной плитой 2 и подвижную плиту 3. Между плитами 2 и 3 расположен исследуемый образец 4 прямоугольного сечения с двумя противоположными зеркально-полированными боковыми поверхностями 5 и 6. На основании 1 установлены лазер 7, расположенные по ходу его излучения светоделитель 8 и зеркало 9. Луч, прошедший через светоделитель 8 и отразившийся от зеркала 9, образует эталонное плечо двуплечего интерферометра 10 продольных деформаций. Луч, отразившийся от светоделителя 8, направляется поворотным зеркалом 11 в интерферометр 12 поперечных деформаций. После интерферометров 10 и 12 по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно расположены два коллиматора 13 и 14, две диафрагмы 15 и 16, два фотоприемника 17 и 18 и электронная схема обработки 19. С наружных сторон плит 2 и 3 установлены электроды 20 и 21, подключенные к источнику постоянного тока 22. Между одной из плит 2 и соответствующим электродом 21 помещен слой полупроводника 23. Установлена термопара 24, контактирующая с исследуемым образцом 4 и связанная электрически с электронной схемой обработки 19. Четырехходовой интерферометр 12 поперечных деформаций включает поляризованный светоделитель 25, делящий луч лазера 7 на рабочий и эталонный лучи, четвертьволновую пластину 26 и поляризационную пластину 27, два ретроотражателя 28 и 29 и шесть обводных зеркал 30 и 31 для рабочего луча. Причем в рабочем плече интерферометра 12 поперечных деформаций расположены две противоположные зеркально-полированные боковые поверхности 5 и 6 исследуемого образца 4, а в рабочем плече интерферометра 10 продольных деформаций расположены последовательно зеркально-полированная наклонная под углом 45 градусов поверхность 32 неподвижной плиты 2 и зеркально-полированная поверхность 33 подвижной плиты 3, обращенная к неподвижной плите 2. Для получения более стабильного прогрева образца 4 между второй плитой 3 и вторым электродом 20 также может быть помещен слой полупроводника.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 7 делится светоделителем 8 на два пучка, один из которых, прошедший через светоделитель 8 и отразившийся от зеркала 9, образует эталонное плечо двуплечего интерферометра 10 продольных деформаций, а другой, отразившийся от светоделителя 8, направляется поворотным зеркалом 11 в интерферометр 12 поперечных деформаций. Луч, отразившийся от светоделителя интерферометра 10 продольных деформаций, направляется через зеркально-полированную наклонную под углом 45 градусов поверхность 32 неподвижной плиты 2 на зеркально-полированную боковую поверхность 33 подвижной плиты 3, образуя рабочее плечо интерферометра 10 продольных деформаций. Поперечная деформация образца 4 регистрируется с помощью четырехходового интерферометра 12. Поляризованный под углом 45 градусов луч лазера 7 делится поляризованным светоделителем 25 интерферометра 12 на рабочий и эталонный лучи. Рабочий луч, образуемый путем прохождения через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 25, получает горизонтальную поляризацию, а отразившийся от наклонной поверхности эталонный луч - вертикальную поляризацию. Установленная по ходу рабочего луча четвертьволновая пластина 26 меняет поляризацию рабочего луча на круговую с направлением по часовой стрелке. С помощью трех обводных зеркал 30 рабочий луч направляется на зеркально-полированную боковую поверхность 5 исследуемого образца 4. После отражения от зеркально-полированной боковой поверхности 5 рабочий луч обретает противоположное направление круговой поляризации и возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 26, пройдя которую приобретает вертикальную поляризацию. Далее рабочий луч отражается от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 25 без изменения плоскости поляризации и направляется в ретроотражатель 29. После прохождения ретроотражателя 29 и отразившись от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 25 рабочий луч снова проходит через четвертьволновую пластину 26 со сменой вертикальной поляризации на круговую с направлением против часовой стрелки. С помощью трех обводных зеркал 31 рабочий луч направляется на противоположную зеркально-полированную боковую поверхность 6 исследуемого образца 4, отразившись от которой, меняет направление круговой поляризации на противоположное и возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 26. Пройдя сквозь последнюю, рабочий луч приобретает горизонтальную поляризацию, проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 25 и совмещается с эталонным лучом, который направляется туда же ретроотражателем 28. Далее совмещенные эталонный и рабочий лучи проходят через поляризационную пластину 27, на которой плоскости поляризации лучей совмещаются, в результате чего происходит их интерференция. Счет переместившихся интерференционных линий производится с помощью последовательно расположенных после интерферометров 12 и 10 по ходу отраженных лучей рабочих плеч соответственно двух коллиматоров 13 и 14, двух диафрагм 15 и 16, двух фотоприемников 17 и 18 и электронной схемы обработки 19.

Перед испытанием исследуемый образец 4 прямоугольного сечения устанавливают между плитами 2 и 3, соблюдая перпендикулярность его зеркально-полированных боковых поверхностей 5 и 6 направлению лучей рабочего плеча интерферометра 12 поперечных деформаций. Далее задают предварительную нагрузку на образец 4. Пропускают постоянный электрический ток между электродами 20 и 21 через образец 4, плиты 2 и 3 и слой полупроводника 23. При прохождении электрического тока через слой полупроводника 23 выделяется тепло, благодаря которому происходит нагрев плиты 2 и соответственно образца 4. В процессе испытания после нагрева исследуемого образца 4 его деформируют, непрерывно регистрируют температуру образца 4 с помощью термопары 24 и силу нагружения P и ведут счет чисел n и m интерференционных линий с помощью фотоприемников 17 и 18, а результаты измерений записывают и обрабатывают с помощью электронной схемы обработки 19, в качестве которой может быть использована ПЭВМ. По изменению интерференционных картин определяют деформации материала, а модуль упругости E и коэффициент Пуассона μ определяют по формулам:

где Р - сила нагружения;

n и m - числа считанных интерференционных линий соответственно в интерферометрах продольной и поперечной деформаций;

а - толщина образца между его зеркально-полированными боковыми поверхностями;

l и b - длина и ширина образца соответственно;

λ - длина волны источника когерентного монохроматического излучения.

Для получения более стабильного прогрева образца 4 между второй плитой 3 и вторым электродом 20 также помещают слой полупроводника.

Направление луча рабочего плеча двуплечего интерферометра 10 продольных деформаций на зеркально-полированную поверхность 33 подвижной плиты 3 через предварительно-изготовленную на неподвижной плите 2 под углом 45 градусов зеркально-полированную поверхность 32 позволяет реализовать дифференциальную схему измерения длины образца 4 и, таким образом, автоматически компенсировать погрешности Δl, возникающие из-за просадки неподвижной плиты 2, за счет увеличения хода луча рабочего плеча. Кроме того, использование четырехходового интерферометра для измерения поперечной деформации позволяет устранить погрешность, которая возникает в случае направления луча рабочего плеча под углом относительно нормали к передней зеркальной поверхности исследуемого образца.

Таким образом, описанное устройство, благодаря использованию дифференциальной схемы измерения длины образца, использованию четырехходового интерферометра для измерения поперечной деформации и реализации нагрева образца в его рабочем положении непосредственно перед проведением испытания, позволяет реализовать определение упругих постоянных материала малопластичных металлов и сплавов при высоких температурах с высокой точностью.