Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2465551

(19)

RU

(11)

2465551

(13)

C1

(51) МПК G01B9/021 (2006.01)

G01N3/20 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 17.10.2012 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011115635/28, 20.04.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

20.04.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 20.04.2011

(45) Опубликовано: 27.10.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: SU 1619018 A1, 07.01.1991. SU 1116307 A1, 30.09.1984. RU 2186361 C2, 27.07.2002. US 7773230 B2, 10.08.2010.

Адрес для переписки:

456770, Челябинская обл., г. Снежинск, ул. Васильева, 5-18, ООО "Криптон"

(72) Автор(ы):

Гапонов Владимир Егорович (RU),

Гуревич Вадим Семенович (KZ),

Исаев Анри Мулдабекович (KZ)

(73) Патентообладатель(и):

Общество с ограниченной ответственностью "Криптон" (ООО "Криптон") (RU)

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УПРУГИХ КОНСТАНТ МАТЕРИАЛОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области определения механических свойств материалов путем приложения заданных нагрузок. Сущность: нагружают образец, установленный в захватах, расчетной нагрузкой. Записывают цифровую голограмму образца без нагрузки. Прикладывают заданное нагружающее усилие и записывают голограмму образца в нагруженном состоянии. Рассчитывают цифровую голографическую интерферограмму образца. Измеряют нормальные перемещения поверхности образца при изгибе и определяют значение модуля упругости и модуля сдвига. Указанную последовательность действий осуществляют повторно, используя разные значения нагружающего усилия, и на основе полученных значений вычисляют среднее значение модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона. Технический результат: повышение точности измерения упругих констант материалов с одновременным сокращением временных затрат на подготовку и проведение измерений, а также на обработку результатов. 4 ил., 8 табл.

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем приложения заданных нагрузок, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга (ниже модуль упругости), модуля сдвига и коэффициента Пуассона. Измерения проводят при нагружении образцов на изгиб.

Известен способ определения модуля упругости [Авторское свидетельство СССР 954850, кл. G01N 3/08, 1982], основанный на том, что нагружают растяжением образец материала, имеющий площадь F сечения, с установленным на нем датчиком деформации, измеряют сигнал R с датчика, соответствующий изменению напряжения в рабочем сечении. Используют образец эталонного материала, имеющий площадь F Э сечения и модуль упругости E Э с установленным на нем датчиком деформации, который размещают последовательно с образцом исследуемого материала и нагружают одновременно с ним, измеряют сигнал R Э с датчика, установленного на образце эталонного материала, и рассчитывают модуль упругости Е материала.

Недостатками указанного способа определения модуля упругости являются: необходимость использования эталонного материала, сложность реализации и недостаточная во многих практических случаях точность определения искомых величин.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности измерения упругих констант материалов (модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона) с одновременным сокращением временных затрат на подготовку и проведение измерений, а также на обработку результатов.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения упругих констант материалов путем нагружения расчетной нагрузкой образца, установленного в захватах, согласно изобретению записывают голограмму образца без нагрузки, прикладывают заданное нагружающее усилие и записывают голограмму образца в нагруженном состоянии, рассчитывают цифровую интерферограмму образца, по полученной интерферограмме измеряют нормальные перемещения поверхности образца при изгибе и определяют значение модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона материала образца, причем указанную последовательность действий осуществляют повторно, используя разные значения нагружающего усилия, и на основе полученных значений вычисляют среднее значение упругих констант.

На фиг.1 представлена схема нагружения образца при измерении модуля упругости.

На фиг.2 представлена интерферограмма (а) и соответствующее поле нормальных перемещений (б) при плече приложения нагрузки L k =9 мм при измерении модуля упругости.

На фиг.3 представлен вид конечного результата измерения модуля упругости материала образца.

На фиг.4а) приведена голографическая интерферограмма образца, закрепленного в трех точках и нагруженного силой Р, а на фиг.4б) представлен график функции нормальных перемещений в зависимости от координат W=f(x,y) при заданном Р при измерении модуля сдвига.

Способ реализуется следующим образом.

1. Измерение модуля упругости

Измерения проводились на консольно закрепленной балке прямоугольного сечения (далее - образец) с размерами 100×15×2 мм, выполненной из сплава АМц при нагружении чистым изгибом.

Порядок проведения измерений

1. С помощью цифрового голографического интерферометра регистрируется цифровая голограмма образца без нагрузки и запоминается в виде отдельного файла в компьютере.

2. Задается нагружающее усилие Р (нагрузка 1 грамм) при значении L k , равном 9 мм (фиг.1).

3. С помощью цифрового голографического интерферометра регистрируется цифровая голограмма образца в нагруженном состоянии и запоминается в виде отдельного файла в компьютере.

4. Рассчитывается голографическая интерферограмма образца и измеряется его упругая линия при изгибе.

5. Производится аппроксимация измеренной упругой линий образца параболой и определяется значение коэффициента А в аппроксимирующей формуле:

,

где А - коэффициент, определенный при аппроксимации упругой линии балки параболой.

6. Рассчитывается значение модуля упругости:

,

где

b - ширина образца

h - толщина образца

Р - величина нагружающего усилия

L k - плечо приложения нагружающей силы

Вид представления конечного результата измерений показан на фиг.3.

7. Производятся повторные действия по п.п.1 6. Количество повторных измерений составляет n=10.

8. Из 10 измерений определяются среднее значение модуля упругости (формула 1.1), среднее квадратическое отклонение измеренных результатов (формула 1.2) и коэффициент вариации (формула 1.3).

В таблице 1 приведены результаты соответствующих измерений.

Таблица 1

Номер измерения i

Измеренное значение (кгс/мм 2 )

1

6869,164

2

6983,828

3

7017,671

4

6717,334

5

7217,848

6

7304,779

7

6927,579

8

7111,637

9

7188,368

10

6859,686

Среднее измеренное значение , рассчитанное по формуле 1.1:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S, определенное по формуле (1.2), составляет;

S 9 =184,68 кгс/мм 2 .

Коэффициент вариации , определенный по формуле (1.3), составляет:

9 =2,63.

9. Задается нагружающее усилие Р (нагрузка 1 грамм) при значении L k , равном 24 мм. Последовательно выполняются действия по пп.1 8.

В таблице 2 приведены результаты соответствующих измерений.

Таблица 2

Номер измерения i

Измеренное значение (кгс/мм 2 )

1

6717,674

2

6828,177

3

6844,832

4

6764,451

5

7071,464

6

7018,641

7

7164,135

8

6830,893

9

7189,871

10

7079,068

Среднее измеренное значение :

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S составляет:

S 24 =172,54 кгс/мм 2 .

Коэффициент вариации составляет:

24 =2,48.

10. Задается нагружающее усилие Р (нагрузка 1 грамм) при значении L k , равном 49 мм. Последовательно выполняются действия по пп.1 8.

В таблице 3 приведены результаты соответствующих измерений.

Таблица 3

Номер измерения i

Измеренное значение (кгс/мм 2 )

1

6847,665

2

6879,573

3

7019,286

4

7041,327

5

7031,607

6

6907,694

7

7094,436

8

6788,970

9

7055,255

10

6993,248

Среднее измеренное значение :

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S составляет:

S 49 =102,03 кгс/мм 2

Коэффициент вариации составляет:

49 =1,46

11. Производится статистическая обработка результатов измерений. Вычисляются значения: - среднее значение модуля упругости, S - среднее квадратическое (стандартное) отклонение модуля упругости, - коэффициент вариации.

Полный объем выборки измеренных значений Е при трех плечах приложения нагрузки (L 9 , L 24 , L 49 ) составляет 30 измерений.

В этом случае значение модуля упругости сплава АМц:

=6979 кгс/мм 2

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S E составляет:

S E =153,1 кгс/мм 2

Коэффициент вариации E равен:

E =2,19.

В таблице 4 представлены величины и характеристики рассеяния при определении модуля упругости сплава АМц известным способом при помощи испытательной машины Instron 1185 и заявляемым способом при помощи цифрового голографического интерферометра, а также справочное значение .

Таблица 4

Справочное значение

Instron 1185

Заявляемый способ

Модуль упругости

7087 кгс/мм 2

6689 кгс/мм 2

6979 кгс/мм 2

Среднее квадратическое отклонение S E

202,8 кгс/мм 2

153,1 кгс/мм 2

Коэффициент вариации E

3,03

2,19

Из приведенных данных следует, что измерение модуля упругости заявляемым способом обеспечивает повышение достоверности и точности измерений при минимальных требованиях к подготовке образца и использовании простейшего устройства для крепления и нагружения образца.

При этом параметры рассеяния результатов измерений (среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации) при голографическом методе измерения существенно ниже, чем при использовании испытательной машины Instron 1185.

2. Измерение модуля сдвига

В качестве образца использовалась прямоугольная пластина с размерами 110×108×2,8 (мм), выполненная из материала АМц и установленная на трех опорах, к свободному углу которой прикладывалась поперечная нагружающая сила.

1. С помощью цифрового голографического интерферометра регистрируется цифровая голограмма образца без нагрузки и запоминается в компьютере в виде отдельного файла.

2. Задается нагружающее усилие Р (нагрузка 2 грамма).

3. С помощью цифрового голографического интерферометра регистрируется цифровая голограмма образца в нагруженном состоянии и запоминается в компьютере в виде отдельного файла.

4. Рассчитывается голографическая интерферограмма образца и производятся измерения нормального перемещения W при нагрузке Р 2 в 10 различных точках поверхности пластины с координатами х и y.

5. Определяют значение модуля сдвига в 10-ти точках с координатами х и y:

где:

Р - приложенная нагрузка;

h - толщина пластины;

W - нормальное перемещение в точке с координатами х и y,

х и y - координат точки поверхности образца, в которой проводится измерение.

6. Рассчитывают среднее значение модуля сдвига из 10 измерений, среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации.

Результаты измерений модуля сдвига G при нагрузке Р 2 =2 грамма.

Таблица 5

Номер измерения

X, мм

Y, мм

W, мкм

G, кгс/мм 2

1

108,22

106,27

1,1386

2760,49

2

91,37

88,94

0,79996

2776,34

3

78,41

77,76

0,60097

2772,77

4

71,60

69,17

0,48721

2778,14

5

53,78

52,81

0,29032

2673,62

6

51,03

47,14

0,25112

2631,88

7

80,68

52,97

0,42515

2747,22

8

91,21

61,24

0,55729

2739,28

9

61,56

97,04

0,9612

2738,77

10

74,36

74,03

0,54534

2758,79

Среднее значение измеренного модуля сдвига равно:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S 2 составляет:

S 2 =47,98 кгс/мм 2

Коэффициент вариации 2 равен:

2 =1,75

6. Задается нагружающее усилие Р 4 (нагрузка 4 грамма).

7. Последовательно выполняются действия по п.п.1 6.

Результаты измерений модуля сдвига G при нагрузке Р 4 =4 грамма.

Таблица 6

Номер измерения

X, мм

Y, мм

W, мкм

G, кгс/мм 2

1

93,47

92,82

1,7685

2681,50

2

84,89

82,62

1,4287

2683,30

3

71,77

70,15

1,0328

2664,55

4

56,21

60,10

0,7076

2609,58

5

92,83

90,56

1,7051

2694,91

6

89,26

57,83

1,0401

2712,72

7

76,79

31,75

0,4998

2666,38

8

53,14

89,42

0,9819

2645,20

9

29,65

80,35

0,4790

2718,60

10

103,19

100,93

2,1135

2693,55

Среднее значение измеренного модуля сдвига равно:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S 4 составляет:

S 4 =32,46 кгс/мм 2

Коэффициент вариации 4 равен:

4 =1,21.

8. Задается нагружающее усилие Р 6 (нагрузка 6 граммов).

9. Последовательно выполняются действия по п.п.1 6.

Результаты измерений модуля сдвига G при нагрузке Р 6 =6 грамм.

Таблица 7

Номер измерения

X, мм

Y, мм

W, мкм

G, кгс/мм 2

1

92,66

92,66

2,6114

2696,03

2

79,87

100,12

2,4328

2695,33

3

99,31

66,74

2,0294

2678,09

4

83,11

79,06

1,9919

2704,93

5

58,81

100,28

1,809

2673,25

6

49,41

95,74

1,4639

2649,78

7

63,50

67,88

1,3055

2707,40

8

64,48

61,40

1,204

2686,38

9

63,99

37,1

0,71975

2704,69

10

43,58

74,52

1,0008

2660,88

Среднее значение измеренного модуля сдвига равно:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S 4 составляет:

S 6 =19,78 кгс/мм 2

Коэффициент вариации 6 равен:

6 =0,74

10. Осуществляется статистическая обработка результатов измерений. Определяют значения: - среднее значение модуля упругости, S G - среднее квадратическое (стандартное) отклонение модуля сдвига, G - коэффициент вариации.

Определение средней величины модуля сдвига сплава АМц для полной выборки измеренных значений G.

Полный объем выборки измеренных значений G i при трех величинах приложенной нагрузки (Р 2 , P 4 , Р 6 ) составляет 30 измерений.

В этом случае среднее значение модуля сдвига сплава АМц:

Среднее квадратическое (стандартное) отклонение S G составляет:

S G =43,66 кгс/мм 2 .

Коэффициент вариации G равен:

G =1,62.

3. Определение коэффициента Пуассона

По измеренным значениям модуля упругости и модуля сдвига рассчитывается коэффициент Пуассона материала

Подставляя и рассчитывается модуль Пуассона, =0,30.

В таблице 8 приведены справочные значения измеряемых параметров и проведено их сравнение с экспериментальными данными.

Таблица 8

Параметр

Справочное значение (кгс/мм 2 )

Среднее измеренное значение (кгс/мм 2 )

Относительное отклонение

Модуль сдвига, G

2691

2700

0,3%

Модуль упругости, Е

7085

6979

1,5%

Коэффициент Пуассона,

0,3

0,30

-

На основании полученных результатов измерений можно сделать следующие основные выводы.

Предложенный способ позволяет:

1) измерить основные упругие константы изотропных материалов (модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона),

2) обеспечить высокую точность и достоверность измерений, снизить трудоемкость и проводить измерения как в промышленных, так и в лабораторных условиях,

3) снизить требования к точности изготовления образцов для испытаний (использовать образцы простейшей формы),

4) проводить измерения при использовании простейших устройств для крепления и нагружения образцов,

5) проводить измерения модулей упругости и модуля сдвига также и для ортотропных материалов.

Таким образом, заявляемый способ позволят оперативно проводить высокоточный экспресс-анализ свойств конструкционных материалов, что имеет особую значимость при производстве высоконагруженных и ответственных деталей, узлов и конструкций.

Формула изобретения

Способ измерения упругих констант материалов путем нагружения образца, установленного в захватах, расчетной нагрузкой, отличающийся тем, что записывают цифровую голограмму образца без нагрузки, прикладывают заданное нагружающее усилие и записывают голограмму образца в нагруженном состоянии, рассчитывают цифровую голографическую интерферограмму образца, измеряют нормальные перемещения поверхности образца при изгибе и определяют значение модуля упругости и модуля сдвига, причем указанную последовательность действий осуществляют повторно, используя разные значения нагружающего усилия, и на основе полученных значений вычисляют среднее значение модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона.

РИСУНКИ