Способ получения напряженно-деформированного состояния образца материала для определения его механических характеристик при сжатии

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБРАЗЦА МАТЕРИАЛА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ СЖАТИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Шилько Сергей Викторович Бодрунов Николай Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения напряженно-деформированного состояния образца материала для определения его механических характеристик при сжатии, заключающийся в центрировании и сжатии образца опорными плитами, отличающийся тем, что предварительно задают начальное сжатие образца нагрузкой, не превышающей предела упругости материала образца, а центрирование образца производят путем его сдвига относительно опорных плит в направлениях, перпендикулярных боковой поверхности образца, до достижения максимальной величины сжимающего усилия.(56) Машина для испытания миниатюрных конструктивных элементов // . 1998. -8. - С. 2584. ГОСТ 25.503-97 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие.2063015 1, 1996.4424443 1, 1995. Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при проведении механических испытаний материалов на сжатие. В известных способах определения механических характеристик при сжатии 1-10 образец размещают между двумя плоскопараллельными плитами и производят его сжатие заданной нагрузкой (при определении модуля упругости) либо до наступления пластического течения материала (при определении предела текучести), либо до разрушения образца (при определении предела прочности). Для сжатия образцов на стандартных разрывных машинах с целью обращения движения используют реверсор, как показано на фиг. 1. Погрешность определения указанных механических характеристик обусловлена, в частности, неточной установкой образца относительно оси нагружения. В этом случае, как показано на фиг. 2 а, происходит поворот плит машины или реверсора относительно исходного горизонтального положения (фиг. 2 б). Этот поворот обусловлен упругими деформациями элементов нагружающего устройства и реверсора, а также наличием зазоров в сопряжениях. Как видно из фиг. 2 б, поворот опорных плит приводит к неоднородности напряженнодеформационного состояния образца вследствие несимметричного распределения нагрузки на его торцевую поверхность. Кроме того, перекос вызывает повышенное трение штанг реверсора в каналах плит, приводя к тому, что действующее на образец сжимающее усилие оказывается меньше усилия, развиваемого нагружающим устройством. Это приводит к завышению значений модуля упругости, пределов прочности и текучести при сжатии испытуемых материалов. Для устранения указанной погрешности применяют центрирование образца путем его геометрически точной установки по оси симметрии реверсора 1-8. Недостатком является сложность центрирования образцов с различным поперечным сечением, особенно при испытании малогабаритных образцов и изделий несимметричной формы. Кроме того, геометрическое центрирование вышеуказанную погрешность полностью не устраняет, так как совпадение оси нагружения с осью симметрии не является достаточным условием одноосного нагружения, например, при несимметричной внутренней структуре материала. Согласно способу 9, центрирование образца осуществляют путем его разгрузки и повторной установки, добиваясь отклонения измеренной деформации от среднего значения для партии образцов, не превышающего 20 . Однако точность определения механических характеристик по указанному способу зависит от числа испытаний, влияющего на среднее значение деформации. Это затрудняет использование способа для центрирования единичных образцов и малых партий образцов. Необходимость проведения повторных испытаний снижает производительность способа 9. Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является способ 10, предусматривающий сжатие образца с помощью специальной нагрузочной рамы, устанавливаемой на стандартной испытательной машине. Использование рамы, достаточно жесткой, но подвижной относительно испытательной машины, обеспечивает совпадение оси нагружения с осью симметрии образцов с различным поперечным сечением, включая миниатюрные образцы. 2 6417 1 Недостатком прототипа является использование специальной нагрузочной рамы и трех измерительных систем по определению деформации и усилия сжатия образца, а также изгибных деформаций элементов рамы. Для измерения деформаций сжатия в известном способе использован метод вихревых токов, что не позволяет использовать способ для измерения механических характеристик неферромагнитных материалов, например пластмасс. Использование промежуточного звена в виде нагрузочной рамы ограничивает габаритные размеры образца, что также сужает область использования прототипа. Задачей изобретения является повышение точности определения механических характеристик и расширение области испытаний материалов при сжатии. Указанный технический результат достигается центрированием и сжатием образца опорными плитами, причем задают начальное сжатие образца нагрузкой, не превышающей предела упругости материала образца, а центрирование образца производят путем его сдвига относительно опорных плит в направлениях, перпендикулярных боковой поверхности образца, до достижения максимальной величины сжимающего усилия. Таким образом, по предлагаемому способу добиваются одноосного напряженного состояния образца и эквивалентности усилия, развиваемого нагружающим устройством испытательной машины, и усилия, действующего на образец. Затем прикладывается усилие сжатия до наступления текучести и разрушения образца с последующим определением модуля упругости, пределов текучести и прочности в соответствии с известными способами. На фиг. 2 в показана схема приложения смещения (боковой нагрузки) для центрирования образца согласно предлагаемому способу испытания. Способ был реализован в ИММС НАНБ с использованием серийной испытательной машины для определения механических характеристик полимерных материалов при растяжении-сжатии. Испытывались цилиндрические образцы из полиметилметакрилата(диаметр 23 и высота 78 мм) и эбонита (диаметр 24 и высота 48 мм). Для центрирования образца, согласно предлагаемому способу, регистрировали осевую нагрузку с помощью силоизмерителя испытательной машины при заданной величине осевого перемещения захватов. Дополнительно методом электротензометрии контролировали осевые деформации образца. В табл. 1 приведены результаты измерения усилий и деформаций для различного эксцентриситета образца из полиметилметакрилата относительно оси нагружения, свидетельствующие об изменении фактического усилия, приложенного к образцу, при его различном положении на плите реверсора. Видно, что центрирование образца обеспечивает максимальное значение усилия сжатия среди его возможных положений на опорной плите. Таблица 1 Смещение образца относительно оси нагружения, мм 0 5 10 В табл. 2 приведены результаты измерения фактических усилий по деформациям диаметрально-противоположных сторон образца из эбонита, для различного эксцентриситета оси образца относительно оси нагружения в вертикальной фронтальной плоскости реверсора. 3 6417 1 Таблица 2 Смещение образЗаданное ца относительно усилие,оси нагружения,кгс мм 0 219 3 213 6 215 В соответствии с данными, приведенными в таблицах, предлагаемый способ позволяет получить более однородное напряженно-деформированное состояние образца по сравнению с известным способом 10, так как обеспечивает соответствие заданного усилия нагружающего устройства и нагрузки, действующей на образец, а также однородность напряженного состояния путем устранения перекоса образца. Источники информации 1. ГОСТ 25503-80. Металлы. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. 2. ГОСТ 9550-81. Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе. 3. ГОСТ 4651-82. Пластмассы. Метод испытания на сжатие. 4. ГОСТ 21523.8-87. Древесина модифицированная. Метод определения модуля упругости при сжатии. 5. ГОСТ 265-77. Резина. Методы испытаний на кратковременное статическое сжатие. 6. ГОСТ 28840-90. Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. 7.5893-93. Резина и пластмассы. Оборудование. Испытания на прочность, изгиб и сжатие. 8.604-93. Пластмассы. Определение свойств при сжатии. 9.6784-1982 (Е).-. 10. Машина для испытания миниатюрных конструктивных элементов.// . - 1998. - 89. -8. - С. 2584. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.