Машина для испытаний образца из материала с памятью формы

Машина для испытаний образца из материала с памятью формы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области испытаний материалов с памятью формы при циклических тепловых и механических воздействиях, а именно к испытательным машинам, позволяющим воспроизводить на образце циклические нагрев и охлаждение, в диапазоне изменения температуры, вызывающем циклические мартенситные превращения структуры материала при раздельном и совместном воздействии на материал образца осевой нагрузки и нагрузки кручения, и осуществлять при этих воздействиях измерения в образце обратимых, обусловленных циклическими фазовыми превращениями, осевой деформации и деформации кручения.

Особые свойства материалов с памятью формы (Справочное издание "Материалы с памятью формы", под ред. В.А.Лихачева, T.1, 1999) находят эффективное применение в различных отраслях техники. Предполагается, что с целью улучшения аэродинамических характеристик, повышения показателей прочности, долговечности, живучести и весового совершенства авиационных конструкций материалы с памятью формы будут применены в них в качестве элементов "мышечной системы", позволяющей изменять конфигурацию конструкции с точки зрения ее адаптации к режиму полета и осуществлять демпфирование колебаний конструкции и уменьшение приложенных к ней циклических нагрузок. Однако для того, чтобы материалы с памятью формы нашли эффективное применение в авиационных конструкциях, память формы в виде обратимых деформаций должна сохраняться на протяжении всего срока службы авиационной конструкции. Для установления и обеспечения стабильности значений обратимых деформаций необходимы испытания образцов материалов с памятью формы с воспроизведением в них многократного процесса циклического нагрева и охлаждения, соответствующего многократному процессу воспроизведения мартенситного превращения структуры этих материалов при совместном нагружении растяжением (сжатием) и кручением, характерным для условий эксплуатации авиационных конструкций.

Известна машина для испытаний образца материала, содержащая корпус, нагружающий узел, активный и пассивный захваты и измеритель деформации растяжения образца, содержащий гибкую нить, прикрепленную к активному захвату и связанную с барабаном, соединенным с силоизмерителем (Универсальная испытательная машина на 20 тс с пульсатором на 10 тс типа МУП-20. Руководство к машине. Армавир, 1962, 38(6)) Эта машина предназначена для испытаний при воздействии на образец нагрузок растяжения и не позволяет производить испытания при совместном воздействии нагрузок растяжения и кручения (фиг. 4).

Известна машина для испытаний образца материала, содержащая корпус, электрогидравлический нагружающий узел, электрогидравлические активный и пассивный захваты и измеритель деформаций в виде двухконсольного датчика деформаций, устанавливаемого на образце (1. Решения для испытаний аэрокосмических конструкций MTS. MTS system corporation, www.mts.com. 2004. 2. Новые методы оценки сопротивления материалов хрупкому разрушению. Пер. с англ. под ред. акад. Ю.Н.Работнова. М., Мир, 1972 (фиг.1.42 на с.80)). С помощью этой машины можно производить испытания и измерения при раздельном воздействии на образец нагрузок растяжения (сжатия) и кручения. Однако она не позволяет производить испытания при совместном воздействии нагрузок растяжения (сжатия) и кручения. Проектирование и изготовление аналогичных машин или их приобретение связано с большими расходами материальных и денежных ресурсов.

Известна вертикальная машина для испытаний на ползучесть при осевом нагружении совместно с кручением (А.С. №2152019, МПК G 01 N 3/00), содержащая корпус, верхний и нижний держатели и два узла нагружения, один из которых передает осевую нагрузку на образец через верхний держатель, а другой узел, состоящий из грузов, гибких тяг и диска, передает нагрузку кручения на образец через нижний держатель. Для измерения осевой деформации и деформации кручения используются соответственно датчик перемещений верхнего держателя и датчик перемещений эксцентрика, установленного на нижнем держателе. Так как в этой машине не предусмотрен циклический нагрев и охлаждение образца, необходимые в случае испытаний его из материала с памятью формы, и соответственно не предусмотрены необходимые для реализации в этом образце обратимых деформаций на каждом цикле реверсивные перемещения элементов узлов осевого нагружения и нагружения кручением, то технические решения, приведенные в описании этой машины могут быть источником погрешностей при испытаниях. Сложность конструкции машины, наличие большого количества элементов и соединений, а также неучитываемых сил трения скольжения в соединениях могут приводить при реверсивных перемещениях элементов узлов осевого нагружения и нагружения кручением при их совместном воздействии при испытаниях образца из материала с памятью формы в этой машине к несоответствию между приложенным крутящим моментом и измеряемым обратимым углом закручивания и между приложенной осевой нагрузкой и измеряемой обратимой осевой деформацией. При возникновении осевой деформации вследствие воздействия кручения образца из материала с памятью формы (Проблемы прочности №3, Киев, Наукова Думка, 1990, с.117-119) в случае его испытания с помощью данной машины могут иметь место дополнительные погрешности и неоднозначности в результатах испытаний. Недостатком машины является также и то, что осевая деформация и деформация кручения образца измеряются по перемещениям верхнего и нижнего держателя, а не на самом образце. Учитывая изложенное, данная машина не может быть использована для испытаний образцов из материала с памятью формы.

Известна машина для испытаний образца материала с памятью формы, содержащая корпус, нагружающий узел, активный и пассивный держатели и измеритель осевой деформации, содержащий датчик, прикрепленный к образцу и связанный с осциллографом (А.С. №1350576, МПК G 01 N 25/00). Однако эта машина не позволяет производить испытания и измерения при совместном воздействии осевой нагрузки и нагрузки кручения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является машина для испытаний образца из материала с памятью формы, содержащая корпус, устройство для циклического нагрева и охлаждения образца, узел осевого нагружения, активный и пассивный держатели и измеритель деформаций образца (Патент США №5209568, 11 мая 1993, класс 374/49). Машина может быть использована для испытания образца из материала с памятью формы при циклическом нагреве и охлаждении и осевом нагружении образца и получения данных измерения осевых деформаций образца. Однако, вследствие отсутствия в данной машине узла нагружения кручением и измерителя деформаций кручения, эта машина не позволяет воспроизводить совместное воздействие на образец при циклическом нагреве и охлаждении осевой нагрузки и нагрузки кручения и осуществлять при этих воздействиях совместные измерения осевой деформации и деформации кручения

Задачей предлагаемого изобретения является осуществление возможности испытания образца из материала с памятью формы при совместном воздействии на образец циклического нагрева и охлаждения, осевой нагрузки и нагрузки кручения и осуществлять при этих воздействиях совместные измерения осевой деформации и деформации кручения при обеспечении высокой точности воспроизведения этих нагрузок и высокой точности измерения деформаций при таком совместном воздействии.

Для решения этой задачи с помощью предлагаемой машины для испытаний образца из материала с памятью формы, содержащей корпус, устройство для циклического нагрева и охлаждения образца, узел осевого нагружения, активный и пассивный держатели и измеритель деформаций образца, в активный держатель встроен корпус узла нагружения кручением, жестко соединенный с двухплечим рычагом и с головной частью активного держателя и соединенный с хвостовой частью активного держателя с помощью шарового шарнира или с помощью конических подшипников качения, установленных соосно образцу с возможностью регулировки и фиксации их с помощью гаек на хвостовой части активного держателя и крышки корпуса узла нагружения кручением, указанный двухплечий рычаг выполнен в виде шкива и имеет две направляющие для двух тросов, одни концы которых закреплены на рычаге, а к другим концам подвешены грузы, к корпусу машины прикреплены две опоры качения для тросов, каждая из которых выполнена в виде ролика, установленного на подшипниках качения в кронштейне опоры на неподвижной оси перпендикулярно направлению троса, при этом измеритель деформаций выполнен в виде корпуса, прикрепленного к корпусу машины, датчика осевой деформации и деформации кручения, выполненного в виде диска, укрепленного на образце между головной частью активного держателя и устройством для циклического нагрева и охлаждения образца перпендикулярно направлению осевого нагружения и параллельно плоскости кручения, и индикаторов, выполненных в виде двух соприкасающихся шкал - прямоугольной шкалы, установленной на корпусе измерителя параллельно направлению осевого нагружения, и круговой шкалы, нанесенной на диске, в указанном корпусе измерителя деформаций встроен микроскоп с возможностью его перемещения в разных направлениях относительно шкал индикаторов.

На фиг.1 изображена схема предлагаемой машины для испытаний образца с памятью формы.

На фиг.2 показана схема активного держателя со встроенным корпусом узла нагружения кручением образца.

На фиг.3 приведена схема измерителя осевой деформации и деформации кручения образца.

К корпусу или к колоннам 1 машины (фиг.1) прикреплено устройство 2 для циклического нагрева и охлаждения образца 3 и присоединен узел 4 осевого нагружения образца 3. Концы образца 3 закреплены в держателях 5 и 6, один из которых - активный 5 соединен с узлом 4 осевого нагружения, а другой пассивный 6 - с корпусом 1 машины через винтовое соединение, используемое при настройке машины в начале испытаний и для обеспечения жесткой фиксации пассивного держателя 6 в корпусе 1 машины во время испытаний. В активный держатель 5 встроен корпус 7 узла нагружения кручением, жестко соединенный с двухплечим рычагом 8 и с головной частью 5а (фиг.2) активного держателя 5 и соединенным с хвостовой частью 5б активного держателя 5 с помощью шарового шарнира 9 или с помощью конических подшипников качения 10, установленных соосно образцу с возможностью регулировки и фиксации их с помощью гаек 11 и 12 на хвостовой части 5б активного держателя 5 и крышки корпуса 13 узла нагружения кручением. Вследствие применения в корпусе 7 узла нагружения кручением конических подшипников качения 10 передача совместной осевой нагрузки и нагрузки кручения от узла 4 осевого нагружения и двухплечего рычага 8 нагружения кручением через корпус 7 на головную часть 5а активного держателя 5 и на образец 3 осуществляется с минимально возможным значением коэффициента трения качения, обеспечивающим более точное соответствие между приложенным крутящим моментом и измеряемым углом закручивания образца 3 и между приложенной осевой нагрузкой и обратимой осевой деформацией. Двухплечий рычаг 8 выполнен в виде шкива и имеет две направляющие для двух тросов 14, одни концы которых закреплены на рычаге 8, а к другим концам подвешены грузы 15. К корпусу 1 машины прикреплены две опоры качения 16 для тросов 14, каждая из которых выполнена в виде ролика, установленного на подшипниках качения в кронштейне опоры на неподвижной оси перпендикулярно направлению троса 14. Измеритель деформаций выполнен в виде корпуса 17, прикрепленного к корпусу 1 машины, датчика 18 (фиг.3) осевой деформации и деформации кручения, выполненного в виде диска, укрепленного на образце 3 между головной частью 5а активного держателя 5 и устройством 2 для циклического нагрева и охлаждения образца перпендикулярно направлению осевого нагружения и параллельно плоскости кручения, и индикаторов 19 и 20, выполненных в виде двух соприкасающихся шкал - прямоугольной шкалы 19, установленной на корпусе 17 измерителя параллельно направлению осевого нагружения, и круговой шкалы 20, нанесенной на диске. Для достижения высокой точности измерения осевой деформации и деформации кручения образца 3 в корпусе 17 измерителя деформаций встроен микроскоп 21 с возможностью его перемещения в разных направлениях относительно шкал индикаторов 19 и 20.

Испытание соответствующим образом подготовленного образца из материала с памятью формы (Семенов В.Н., Мовчан А.А., Ньюнт Со. Проектирование силовозбудителя крутящего момента из сплава с памятью формы. М., Труды ЦАГИ, Вып. 2664, 2004, с.220-230) с помощью машины заключается в воздействии на образец циклического нагрева и охлаждения, раздельного и совместного осевого нагружения и нагружения кручением и совместного измерения при этих испытаниях осевой деформации и деформации кручения. При нагружении кручением возможно появление осевой деформации образца, а при осевом нагружении возможно появление деформации кручения образца.

При воздействии на образец 3 только осевой нагрузки тросы 14 освобождают от грузов 15, образец 3 устанавливают в устройство 2 для нагрева и охлаждения, закрепляют образец в держателях 5 и 6, производят его нагружение с помощью узла 4 осевого нагружения, подвергают образец циклическому процессу нагрева и охлаждения с помощью устройства 2, измеряют в этом процессе осевую деформацию образца 3 с помощью микроскопа 21 и прямоугольной шкалы 19, используя кромку диска 18 в качестве указателя осевой деформации и измеряют деформацию кручения образца 3 с помощью микроскопа 21 и круговой шкалы 20, используя кромку прямоугольной шкалы 19 в качестве указателя деформации кручения.

При воздействии на образец 3 только нагрузки кручения образец 3 устанавливают в устройство 2 для нагрева и охлаждения, закрепляют образец в держателях 5 и 6, на тросы 14 подвешивают грузы 15 и производят нагружение кручением образца, подвергают образец циклическому процессу нагрева и охлаждения с помощью устройства 2, измеряют в этом процессе осевую деформацию образца 3 с помощью микроскопа 21 и прямоугольной шкалы 19, используя кромку диска 18 в качестве указателя осевой деформации, и измеряют деформацию кручения образца 3 с помощью микроскопа 21 и круговой шкалы 20, используя кромку прямоугольной шкалы 19 в качестве указателя деформации кручения.

При совместном воздействии на образец 3 и осевой нагрузки, и нагрузки кручения образец 3 устанавливают в устройство 2 для нагрева и охлаждения, закрепляют образец в держателях 5 и 6, производят его нагружение с помощью узла 4 осевого нагружения, на тросы 14 подвешивают грузы 15 и производят нагружение кручением образца, подвергают образец циклическому процессу нагрева и охлаждения с помощью устройства 2, измеряют в этом процессе осевую деформацию образца 3 с помощью микроскопа 21 и прямоугольной шкалы 19, используя кромку диска 18 в качестве указателя осевой деформации, и измеряют деформацию кручения образца 3 с помощью микроскопа 21 и круговой шкалы 20, используя кромку прямоугольной шкалы 19 в качестве указателя деформации кручения

Апробация предлагаемого измерителя деформаций с применением встроенного микроскопа показала высокую точность измерения деформаций образца. Иллюстрация оценки точности деформаций (ε, %) в случае применения микроскопа типа МПБ-2 при длине образца 100 мм, находящейся в зоне циклического нагрева и охлаждения, приведена в таблице.

Таблица
ε, %	1	2	3	0,5	0,25	0,2	0,1	0,05
Количество делений	20	40	60	10	5	4	2	1
шкалы микроскопа

Для реализации этой точности необходимо при изготовлении и закреплении диска 18 на образце 3 обеспечить плоскостность диска 18 и его перпендикулярность оси образца 3.

Испытания с помощью предлагаемой машины позволяют изучать закономерности поведения материалов с памятью формы в условиях циклического теплового воздействия и нагружения, имитирующих условия эксплуатации авиационных конструкций, определять экспериментальные данные, характеризующие память формы в виде значений обратимых деформаций материала и устанавливать диапазоны их стабильности в зависимости от количества циклов нагрева и охлаждения при раздельном и совместном воздействии осевого нагружения и нагружения кручением. При испытаниях можно воспроизводить определенные виды совместных воздействий на образец, варьировать условия нагружения, нагревания и охлаждения и регистрировать деформации, напряжения и температуру. Таким образом, в зависимости от того, какие параметры задаются и поведение каких параметров исследуется, может быть экспериментально найдено решение большого числа комбинаторных задач, важных для выявления свойств и поведения материалов с памятью формы.

Применение описанного изобретения позволяет также уменьшить расходы на проведение испытаний материалов с памятью формы, что достигается за счет того, что нет необходимости в приобретении дорогостоящего испытательного и измерительного оборудования.

Машина для испытаний образца из материала с памятью формы, содержащая корпус, устройство для циклического нагрева и охлаждения образца, узел осевого нагружения, активный и пассивный держатели и измеритель деформаций образца, отличающаяся тем, что в активный держатель встроен корпус узла нагружения кручением, жестко соединенный с двухплечим рычагом и с головной частью активного держателя и соединенный с хвостовой частью активного держателя с помощью шарового шарнира или с помощью конических подшипников качения, установленных соосно образцу с возможностью регулировки и фиксации их с помощью гаек на хвостовой части активного держателя и крышки корпуса узла нагружения кручением, указанный двухплечий рычаг выполнен в виде шкива и имеет две направляющие для двух тросов, одни концы которых закреплены на рычаге, а к другим концам подвешены грузы, к корпусу машины прикреплены две опоры качения для тросов, каждая из которых выполнена в виде ролика, установленного на подшипниках качения в кронштейне опоры на неподвижной оси перпендикулярно направлению троса, при этом измеритель деформаций выполнен в виде корпуса, прикрепленного к корпусу машины, датчика осевой деформации и деформации кручения, выполненного в виде диска, укрепленного на образце между головной частью активного держателя и устройством для циклического нагрева и охлаждения образца перпендикулярно направлению осевого нагружения и параллельно плоскости кручения, и индикаторов, выполненных в виде двух соприкасающихся шкал - одной прямоугольной, установленной на корпусе измерителя параллельно направлению осевого нагружения, и второй круговой шкалы, нанесенной на диске, в указанном корпусе измерителя деформаций встроен микроскоп с возможностью его перемещения в разных направлениях относительно шкал индикаторов.