Способ одноосного циклического испытания материала

Способ одноосного циклического испытания материала

Реферат

Изобретение относится к способам испытания материалов.

Известен способ, по которому рассматривается циклическое растяжение с нарастающей деформацией образцов сначала по одной оси, потом по второй оси (см. Dargazany R., Itskov M. A network evolution model for the anisotropic Mullins effect in carbon black filled rubbers // International Journal of Solids and Structures. Elsevier, 2009. V.46. P.2967-2977. - http://www.elsever.com/locate/ijsolstr)

Известен способ, в котором рассматривается циклическое одноосное растяжение с нарастающей деформацией, причем при каждом уровне деформации образец циклируется многократно (см. Diani J., Brieu M., Gilormini P. Observation and modeling of the anisotropic visco-hyperelastick behavior of a rubberlike material // International Journal of Solids and Structures. Elsevier, 2006. V.43. P.3044-3056. - http://www.elsever.com/locate/ijsolstr)

Известен способ, где образец циклируется по сложному циклу: с уменьшающейся амплитудой деформации по сравнению с предыдущим нагружением и с увеличивающейся амплитудой разгрузки (см. Netzker С. Husnu D., Kaliske M. An andochronic plasticity formulation for filled rubber // International Journal of Solids and Structures. Elsevier, 2010. V.47. P.2371-2379. - http://www.elsever.com/locate/ijsolstr)

Вышеописанные способы имеют общий недостаток, а именно недостаточность информации при испытаниях одного образца.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому решению является способ циклического испытания, описанный в [Rickaby S.R., Scott N.H. A cyclic stress softening model for the Mullins effect // International Journal of Solids and Structures. Elsevier, 2013. V.50. P.111-120. - www.elsever.com/locate/ijsolstr], когда образец многократно растягивается до заданной деформации, а потом сжимается до начального положения с постоянной скоростью.

На Рис.3 прототипа представлен циклически нагруженный и разгруженный резиновый образец, который предварительно растягивался от P₀ до P₁ в точку P₁, где деформация λ=λ_max, которая достигается за время t. Релаксация напряжений происходит за время t₁, потом следует разгрузка от P₁ до P₀ до начальной нагрузки P₀, когда напряжение становится равным нулю и момент времени t₂. Потом еще раз растягиваем до деформации λ=λ_max. После этого опять снимаем нагрузку для второго цикла деформирования до начальной нагрузки P₀, которое наступает в момент времени t₂*. Этот процесс снижения предыдущего напряжения при одной и той же деформации продолжается и при разгрузке во время второго цикла (Продолжается процесс размягчения материала при последующих циклах при одинаковых деформациях). Уменьшение напряжения возможно и при дальнейших циклах нагружения-разгрузки, т.е. t₁*-t₁ и t₂-t₁* могут быть неравным.

Недостатком способа-прототипа является небольшое количество получаемой информации о свойствах материала - определяются максимальные усилия при каждом цикле растяжения, время растяжения до заданной деформации на каждом цикле и время сжатия до достижения нулевой нагрузки. Определяется степень размягчения материала при каждом цикле растяжения и остаточные деформации при разгрузке на каждом цикле растяжения-сжатия.

Задачей создания изобретения является получение большей информации о свойствах материала при испытании одного образца, получения новых данных. Таким образом, исключается разброс получаемых данных из-за погрешности изготовления и захвата разных образцов и экономится материал и время испытания.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ одноосного циклического испытания материала, включающий одноосное циклическое растяжение-сжатие с постоянной заданной скоростью, до заданной деформации, и отличительных существенных признаков, таких как образец сначала растягивают до максимальной заданной деформации, выдерживают при этой деформации заданное время, сжимают до исходного состояния, выдерживают заданное время, затем циклически деформируют с выдержкой по времени на каждой ступени деформации при растяжении и сжатии, при этом деформация на каждом цикле растяжения задается меньшей, чем на предыдущем цикле, а деформация на каждом цикле разгрузки задается большей, чем на предыдущем цикле. Согласно п.2 формулы изобретения образец на каждом цикле растягивают с разной скоростью деформирования. Отличительные особенности предлагаемого способа - остановка и выдержка по времени на каждом этапе деформации (это позволяет снять временную характеристику материала) и построение равновесной кривой; также растяжение на каждом цикле с разной скоростью.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - получение большей информации о свойствах материала при испытании одного образца, а также получение новой информации - построение равновесной кривой растяжения, диссипативных потерь, размягчения материала после каждого цикла растяжения-сжатия и кривых релаксации, и кривых восстановления структуры материала при разных деформациях.

Изобретение иллюстрируется примером и рисунком. Способ осуществляется в следующей последовательности, а именно путем первоначального деформирования образца до заданной максимальной деформации испытания образца, выдержки по времени при этой деформации для осуществления процесса релаксации напряжений, разгрузки образца с той же скоростью до исходного состояния, выдержки по времени для восстановления внутренней структуры материала, вторичного растяжения образца до той же максимальной деформации и выдержки по времени для релаксации напряжений, сжатия образца до деформации, соответствующей не нулевому напряжению и выдержки по времени при этой деформации, в третьем цикле растяжения-сжатия деформация растяжения задается меньше максимальной деформации на 2-м цикле, выдержка по времени и разгрузка до деформации, большей, чем была на втором цикле, и снова выдержка по времени для восстановления структуры материала.

Дальнейшее циклирование происходит до деформации, каждый раз меньшей, чем на предыдущем цикле, разгрузкой до деформации, большей чем на предыдущем цикле. При каждом заданном уровне деформации образец подвергается выдержке по времени. Количество циклов не устанавливается - чем их больше, чем больше точек для построения равновесной кривой получаем.

На чертеже приведен график циклического испытания и указаны точки равновесной кривой. Под равновесной кривой понимается кривая очень медленного растяжения образца, когда в нем реализованы все вязкоупругие процессы и связанная с ними релаксация напряжений отсутствует. Так, при деформировании эластомерного композита длинные полимерные молекулы скользят по поверхности углеродного наполнителя при растяжении материала. При снятии нагрузки молекулы возвращаются в исходное состояние, но процесс этот идет значительно медленнее, чем при растяжении, зависит от адгезии полимерных волокон с поверхностью углерода и от подвижности молекул, т.е. от температуры образца. Этим объясняется наличие вязкоупругости в резинах, наполненных сажей.

Величина вязкоупругости зависит от полимера и степени наполнения его углеродом. У ненаполненного эластомера вязкоупругость отсутствует, чем выше наполнение, тем вязкоупругость выше.

Для построения точек равновесной кривой нужно взять точки восстановленной структуры материала после его выдержки по времени при разгрузке на каждом цикле и точки окончания релаксации напряжений после выдержки по времени при растяжении образца. Первая точка равновесной кривой на оси абсцисс берется в месте ее пересечения с графиком разгрузки на первом цикле испытаний.

На этом графике также виден гистерезис материала (диссипативные потери) при растяжении-сжатии на каждом цикле деформирования-сжатия.

На чертеже построены графики циклического нагружения, где видно размягчение материала при каждом цикле деформирования - кривая нагружения при каждом последующем цикле располагается ниже предыдущего нагружения.

Все графики строятся на компьютере, используют файл данных проведенного испытания, в котором присутствуют колонки: текущее время, приложенная сила, перемещение.

С целью исследовать свойства материала при разных скоростях на каждом цикле нагружения прикладывается разная скорость деформирования.

Пример для циклического испытания материала по предложенной программе:

1. Удлинение до 100%, и ждать 20 мин. Скорость 100%/мин.

2. Возврат на стартовое положение и ждать 20 мин. Скорость 100%/мин.

3. Удлинение до 100% и ждать 10 мин. Скорость 100%/мин.

4. Разгрузка до 15% и ждать 10 мин. Скорость 50%/мин.

5. Удлинение до 90% и ждать 10 мин. Скорость 50%/мин.

6. Разгрузка до 22% и ждать 10 мин. Скорость 20%/мин.

7. Удлинение до 80% и ждать 10 мин. Скорость 20%/мин.

8. Разгрузка до 35% и ждать 10 мин. Скорость 5%/мин.

9. Удлинение до 70% и ждать 10 мин. Скорость 5%/мин.

10. Возврат на стартовое положение. Скорость 5%/мин.

Таким образом, согласно изобретению получают равновесную кривую растяжения, диссипативных потерь, размягчения материала после каждого цикла растяжения-сжатия и кривых релаксации и кривых восстановления структуры материала при разных деформациях, а также определяют зависимость механического поведения материала от скорости деформации.

1. Способ одноосного циклического испытания материала, включающий одноосное циклическое растяжение-сжатие с заданной скоростью до заданной деформации, отличающийся тем, что образец сначала растягивают до максимальной заданной деформации, выдерживают при этой деформации заданное время, сжимают до исходного ненагруженного состояния, выдерживают заданное время, затем циклически деформируют с выдержкой по времени на каждой ступени деформации при растяжении и сжатии, при этом деформация на каждом цикле растяжения задается меньшей, чем на предыдущем цикле, а деформация на каждом цикле разгрузки задается большей, чем на предыдущем цикле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образец на каждом цикле растягивают с разной скоростью деформирования.