CS210979B1

CS210979B1 - Equipment for testing mechanical properties of material

Info

Publication number: CS210979B1
Application number: CS901779A
Authority: CS
Inventors: Jaroslav Hron; Jiri Hron
Original assignee: Jaroslav Hron; Jiri Hron
Priority date: 1979-12-19
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1982-01-29

Abstract

Vynález se týká oboru ochrana proti korozi a řeší způsob provádění zkoušek mechanických vlastnosti materiálu s požadovanou velikostí síly, posunutí a jejich časového průběhu; předmětem vynálezu je i zařízení k provádění uvedeného způsobu. Podstatou vynálezu je použití nejméně jednoho teplotně dilatujícího prvku v zatěžovacím systému k vyvození požadované síly a posunutí a jejich časového průběhu na vzorku. Teplotní změny dilatujícího prvku je možno realizovat kombinací ohřevu odporovým elektrickým topením a nucenou cirkulací tekutiny, které jsou ve styku s povrchem dilatujícího prvku; v závislosti na časovém průběhu teploty dilatujícího prvku je možno dosáhnout časově proměnného průběhu různých způsobů namáhání. Vynález je možno využít i při mechanických zkouškách stárnutí materiálu., radiačního zkřehnutí, nízkocyklové únavy, tečení a jejich kombinací - ve všech oborech strojírenství.The invention relates to the field of corrosion protection and solves a method of performing tests of the mechanical properties of a material with a required force, displacement and their time course; the subject of the invention is also a device for performing the said method. The essence of the invention is the use of at least one thermally dilating element in a loading system to derive the required force and displacement and their time course on the sample. Temperature changes of the dilating element can be realized by a combination of heating by resistance electric heating and forced circulation of a fluid that is in contact with the surface of the dilating element; depending on the time course of the temperature of the dilating element, it is possible to achieve a time-varying course of various stress modes. The invention can also be used in mechanical tests of material aging, radiation embrittlement, low-cycle fatigue, creep and their combinations - in all fields of mechanical engineering.

Description

Vynález se týká zařízení pro zkoušení mechanických vlastností materiálu, při němž se na zkoušený vzorek působí silou, resp. vyvozuje jeho posunutí.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a device for testing the mechanical properties of a material in which the test sample is subjected to a force or a force. derives its displacement.

Dosud jsou pro zkoušky statických mechanických vlastností materiálu užívány většinou pákové zatěžovací mechanismy. Těmito mechanismy je síla vyvozené závažím převedena soustavou pák na zkoušený vzorek, přičemž zvětšení síly na zkoušeném vzorku způsobuje i jeho menší posunutí - deformaci, při srovnání s tíhou závaží a jeho posunutím.Until now, mostly lever load mechanisms have been used for testing the static mechanical properties of a material. Through these mechanisms, the force exerted by the weight is converted by a system of levers into the test specimen, and an increase in the force on the test specimen also causes less displacement - deformation, when compared to the weight of the weight and displacement.

Teoreticky možné, i když v praxi málo používané, je i obrácené uspořádání zatěžovacího mechanismu, tj. zvětšení posunutí na zkoušeném vzorku doprovázené menší silou, při srovnání s posunutím závaží a jeho tíhou. Při požadavku dosáhnout velkých zvětšení sil a posunutí, tj. velkých převodových poměrů, je nutno tyto mechanismy volit poměrně robustní a rozměrné.Theoretically possible, although little used in practice, is also the reverse arrangement of the loading mechanism, ie increasing the displacement on the test sample accompanied by less force compared to the displacement of the weight and its weight. If large increases in forces and displacements, i.e. large gear ratios, are required, these mechanisms must be chosen to be relatively robust and bulky.

Časově proměnné mechanické vlastnosti materiálu jsou v současné době většinou zjištovány na zatěžovacich - trhacích strojích s mechanickým nebo hydraulickým vyvozením síly a posunutí pro mechanické namáhání zkoušeného vzorku. Tato zařízení jsou poměrně složité a nákladná a protože jsou vyráběna jako universální, v mnoha případech jsou využívány všechny jejich možnosti.The time-varying mechanical properties of the material are currently mostly detected on load-blasting machines with mechanical or hydraulic application of force and displacement for mechanical loading of the test sample. These devices are quite complex and expensive and because they are made as universal, in many cases all their possibilities are utilized.

Uvedené nedostatky se do značné míry odstraňují zařízením pro zkoušení mechanických vlastností materiálu, obsahujícím zatěžovací systém zkoušeného vzorku podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že zatěžovací systém obsahuje alespoň jeden teplotně dilatující prvek, kolem něhož je umístěna topné spirála, připojená ke zdroji elektrického proudu. U výhodného provedení vynálezu je osa teplotně dilatujíoího prvku totožné s osou vedenou zatěžovací tyčí. Zatěžovací systém může obsahovat dva teplotně dilatující prvky, umístěné po stranách prostoru pro zkoušený vzorek, paralelně s osou zatěžovací tyče. Je výhodné, je-li alespoň ječen teplotně dilatující prvek připojen na řízený zdroj elektrického proudu a opatřen dutinami připojenými k regulovanému přívodu a odvodu chladicího prostředí v závislosti na požadovaném režimu zatěžování.These drawbacks are largely eliminated by a material testing device comprising a load system of a test sample according to the invention, characterized in that the load system comprises at least one temperature dilatation element around which a heating coil connected to a power source is placed. . In a preferred embodiment of the invention, the axis of the temperature dilatation element is identical to the axis guided by the load bar. The loading system may comprise two temperature dilatation elements located on the sides of the test sample chamber parallel to the axis of the loading bar. It is preferable that at least the temperature dilatation element is connected to a controlled power supply and provided with cavities connected to the controlled supply and exhaust of the cooling medium, depending on the desired load mode.

Při teplotních změnách dilatujících prvků dochází v důsledku vedení tepla i k teplotním dilatacím, mechanickému namáhání a deformacím ostatních částí zatěžovacího mechanismu. Proto teplota dilatujíoího prvku a její změna, kterými mé být docíleno požadované namáhání zkoušeného vzorku, je řízena zpětnou vazbou velikostí a časovým průběhem požadovaných veličin celého děje, které jsou snímány přímo na zkoušeném vzorku. Při použití vyššího stupně regulační a řídicí techniky je možno tímto způsobem docílit na zkoušeném vzorku i velmi složitých způsobů namáhání s deterministickým i stochastickým průběhem, jehož maximální frekvence je dána časovou konstantou systému, která je určena tepelnou setrvačností systému - tepelnou vodivostí a teplotní roztažností jednotlivých prvků a jejich vzájemným poměrem.In the case of temperature changes of the expansion elements, thermal dilatations, mechanical stresses and deformations of other parts of the loading mechanism occur as a result of heat conduction. Therefore, the temperature of the dilatation element and its change by which the desired stress of the test sample is to be achieved is controlled by the feedback of the magnitude and time course of the desired quantities of the whole process, which are read directly on the test sample. When using a higher degree of regulation and control technology, it is possible to achieve very complicated stresses with deterministic and stochastic course on the sample under test. The maximum frequency is given by the system time constant, which is determined by thermal inertia and their ratio.

Teplotně dilatující prvky jsou tepelně izolovány od ostatních částí zatěžovacího systému, přenášejícího vyvozenou sílu a posunutí na zkoušený vzorek. Teplotní změny dilatujícího prvku je možno realizovat kombinací ohřevu odporovým elektrickým topením a nucenou cirkulací tekutiny chlazené nebo ohřívané, které jsou ve styku s povrchem dilatujícího prvku, a v závislosti na časovém průběhu teploty dilatujících prvků je možno dosáhnout časově proměnného průběhu různých způsobů namáhání zkoušených vzorků - tah, tlak, ohyb, krůt.The thermal dilatation elements are thermally insulated from other parts of the load-carrying system transmitting the applied force and displacement to the test sample. Temperature changes of the dilating element can be realized by a combination of heating by resistance electric heating and forced circulation of liquid cooled or heated, which are in contact with the surface of the dilating element and depending on the time course of temperature thrust, pressure, bend, turkey.

Uspořádání celého zatěžovacího systému je možno volit podle požadovaného účinku na zkoušený vzorek. Pro požadované malé posunutí a velké síly na zkoušeném vzorku je možno volit krátké teplotně dilatační prvky bez dodatečných převodů v zatěžovacím mechanismu. Pro docílení velkých posunutí a malých sil na zkoušeném vzorku je třeba použít rozměrnějších dilatujících prvků a je proto výhodnější volit tento prvek s kratší délkou a požadované posunutí docílit dodatečným převodem pákovým mechanismem, kterým dojde ke zvětšení posunutí a snížení síly na zkoušeném vzorku.The design of the entire loading system may be selected according to the desired effect on the test sample. For the required low displacement and high forces on the test sample, short temperature expansion elements can be selected without additional gearing in the load mechanism. In order to achieve large displacements and small forces on the test sample, larger dilatation elements are required and it is therefore preferable to select this element with a shorter length and to achieve the desired displacement by additional gearing to increase displacement and reduce force on the test sample.

Vynález je dále blíže osvětlen na popisu příkladů jeho konkrétního provedení pomocí při210979 pojených výkresů, kde obr. 1 znázorňuje řez zařízením s dvěma teplotně dilatujícími prvky a obr. 2 řez zařízením s jedním teplotně dilatujícím prvkem.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention is illustrated in greater detail below by way of example with reference to the drawings, in which Fig. 1 shows a cross-section of a device having two temperature dilators and Fig.

V zatěžoveoím systému na obr. 1 je použito dvou teplotně dilatujících prvků,! ve tvaru trubek ohřívaných na vnějším povrchu elektrickým odporovým topným tělesem 2 a s vnitřním povrchem chlazeným nucené cirkulující tekutinou. Oba dilatujíoí prvky J. jsou uchyceny jedním koncem v tuhém příčníku 17 pomocí matic 2 ^a tepelně izolovány od příčníku 17 keramickými pouzdry 2 a podložkami 4. Druhým koncem jsou dilatující prvky 4 stejným způsobem uchyceny v nosné desce 6 zatěžovacího systému, které je současně dnem pro skleněnou nédobu 14 s agresivní zkušební kapalinou. V nosné desce 6 je déle upraveno ukotvení 16 pro demontovatelný třmen 10 pro uchycení zkoušeného vzorku 48. Horním víkem 13 nádoby prochází dolní část zatěžovací tyče 2 zkoušeného vzořku 18 skládající se ze dvou dílů. Mezi obě části zatěžovaoí tyče 2, které je uchycena pomocí dvou matic 2 ^v příčníku 42, je vložena tenzometrická měřicí jednotka 11.In the load system of FIG. 1, two temperature dilators are used. in the form of tubes heated on the outer surface by the electric resistance heater 2 and with the inner surface cooled by the forced circulating fluid. Both dilatation elements 1 are fastened by one end in the rigid crossbar 17 by means of nuts 2 ^and thermally insulated from the crossbar 17 by ceramic bushings 2 and washers 4. At the other end, the dilatation elements 4 are fixed in the same way in the load plate 6 of the loading system. a glass container 14 with an aggressive test liquid. In the support plate 6, anchoring 16 for a removable yoke 10 for holding the test sample 48 is provided for a longer time. Tensometric measuring unit 11 is inserted between the two parts of the load bar 2, which is fastened by means of two nuts 2 ^{in the} crossbar 42.

Při ohřevu dilatujících prvků 4 ^ve tvaru trubek dochází k jejioh prodlužování a prostřednictvím příčníku 42 ^a zatěžovací tyče 2 k vyvození tahového pnutí na zkoušeném vzorku 18. Ochlazováni dilatujících prvků 4 vyvolá naopak tlakové pnuti na zkoušeném vzorku 18. Matice 2> 2> upevňující dilatující prvky 4 ^a zatěžovací tyč 2 v příčníku 17 na nosné desce 6, slouží k vymezení počátečních vůlí v zatěžovacím systému a k nastavení počáteční hodnoty mechanického namáhání a posunutí předepnutím. Tímto způsobem je možno volit např. různé typy cyklického zatěžování - střídavé, míjivé a pulsující.When heating dilating elements 4 ^{in the} form of pipes occurs via jejioh lengthening and cross member 42 ^and two loading rods to draw the tensile stress on the sample cooling 18th dilating element 4 causes contrast compressive stress on the sample matrix on the 18th 2>2> dilated fastening elements 4 ^{and the} load bar 2 in the crossbeam 17 on the support plate 6 serve to limit the initial play in the load system and to set the initial value of the mechanical stress and biasing. In this way it is possible to choose, for example, various types of cyclic loading - alternating, passing and pulsating.

Ohřev a ochlazování dilatujících prvků 4 mohou být řízeny hodnotou snímané síly tenzometrickou jednotkou 44· Na základě rozdílu údajů tenzometrů g je možno vyloučit různým ohřevem dilatujících prvků 4 přídavné ohybové namáhání zkoušeného vzorku 18. vzniklé např. rozdílným prodloužením či zkracováním těchto dilatujících prvků 4· Dané uspořádání umožňuje volit řídící veličinu celého děje zatěžování, kterou může být např. časový průběh zatěžovací síly, rozevření trhliny, rychlost růstu trhliny na zkoušeném vzorku 18 apod.The heating and cooling of the dilatation elements 4 can be controlled by the value of the sensed force by the strain gauge unit 44 · Due to the difference of the strain gauges g it is possible to avoid additional bending stresses of the test sample the arrangement allows to select the control quantity of the whole loading process, which can be eg the time course of the loading force, the crack opening, the crack growth rate on the tested sample 18, etc.

Jiné konkrétní uspořádání zatěžovacího systému dle navrhovaného 'principu je uvedeno na obr. 2. V tomto provedení je mechanické namáhání zkoušeného vzorku 18 vyvozeno jedním teplotně dilatujícím prvkem 4 umístěným v příčníku 17 zatěžovacího systému tak, že osa dilatujíoího prvku 4 js totožné s osou zatěžovací tyče 2· Celá zatěžovací jednotka válcového tvaru je kompaktní a pevně uložena do příčníku 42· Teplotně dilatující prvek 4 3θ pevně uchycen k příčníku 17 maticemi 2 ^a 2 ^a současně od něj tepelně izolován keramickým pouzdrem 2, keramickou podložkou 4 ^a těsněním 42.Another particular arrangement of the loading system according to the proposed principle is shown in Figure 2. In this embodiment, the mechanical stress of the test sample 18 is due to one temperature dilatation element 4 located in the crossbar 17 of the loading system so that the axis of the dilatation element 4 is identical to the axis of the loading bar. 2 · The whole cylindrical load unit is compact and firmly mounted in the crossbar 42 · The temperature dilatation element 4 3θ is firmly attached to the crossbar 17 by nuts 2 ^and 2 ^and at the same time thermally insulated therefrom by the ceramic sleeve 2, ceramic washer 4 ^and gasket 42.

Pří ohřevu dilatujícího prvku 4 topným elektrickým odporovým elementem 2 dochází k jeho prodlužování a prostřednictvím matic 2 ^a 4 ^a zatěžovací tyče 2 ^s třmenem 10 k vyvození tlakového namáhání na vzorku 18. Při ochlazováni dilatujíoího prvku 4 tekutinou rozvedenou systémem otvorů v tělese zatěžovací jednotky dochází ke zkracování dilatujíoího prvku 4 ^a k vyvozeni tahové síly na zkoušeném vzorku 18. Vymezení počátečních vůlí v zatěžovacím systému po montáži a nastavení předpětí na zkoušeném vzorku 18 se provédí maticemi 2, li 42.· Průběh síly na zkoušeném vzorku 18 je snímán tenzometrickou jednotkou 11 s tenzometry 8. Řešení celého procesu zatěžování v tomto konstrukčním uspořádání je obdobné řízení v systému dle obr. 1 .The heating of the dilatation element 4 by the electric resistive element 2 is prolonged and by means of nuts 2 ^and 4 ^{and a} load bar 2 ^{with a} yoke 10 a pressure stress is exerted on the sample 18. When the dilatation element 4 cools shortening the dilatation element 4 ^and exerting a tensile force on the test specimen 18. The determination of the initial clearance in the loading system after installation and setting the preload on the test specimen 18 is performed by nuts 2, 42. 42. The course of force on the test specimen 18 is sensed by the strain gauge 11 s strain gauge 8. The solution of the whole loading process in this construction is similar to the control in the system according to Fig. 1.

Zatěžovací jednotka na obr. 2 představuje pouze komplikovanější uchycení vzorků v příčníku 42 zatěžovacího systému z obr. 1. Proto zatěžovacích systémů podle obr. 1 a 2 lze použít v jednom zatěžovacím přípravku současně a vyvození požadovaného průběhu namáhání docilovat buá každým samostatně nebo oběma společně.The load unit of FIG. 2 is only a more complicated sample mount in the crossbar 42 of the load system of FIG. 1. Therefore, the load systems of FIGS. 1 and 2 can be used simultaneously in one load jig, and each of them together or both.

Uvedený princip vyvození sily a posunutí teplotně dilatujícím prvkem může být déle využit i při mechanických zkouškách statické únavy - stárnutí materiálu, radiačního zkřehnutí, nizkocyklové únavy, tečení a jejich kombinacích. Při jiném konstrukčním řešení celého zatě3 210979 žovacího systému lze tímto způsobem vyvodit na vzorku i další typy namáhání - ohyb, krůt, smyk apod.The principle of force exertion and displacement by the temperature dilatation element can be used for mechanical tests of static fatigue - material aging, radiation embrittlement, low-cycle fatigue, creep and their combinations. In another constructional solution of the whole cutting system load, other types of stresses - bending, turkeys, shear, etc. - can be deduced in this way.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

An apparatus for testing the mechanical properties of a material comprising a test sample loading system, characterized in that the loading system comprises at least one temperature-dilating beer (1), around which a heating coil (2) is connected connected to a power source.

Device according to claim 1, characterized in that the axis of the temperature dilatation element (1) is identical to the axis guided by the load bar (9).

Device according to claim 1, characterized in that the loading system comprises two temperature-expansion beers (1) located on the sides of the test sample chamber (18) parallel to the axis of the loading bar (9).

Device according to Claims 1 to 3, characterized in that at least one temperature dilatation element (1) is connected to a controlled power supply and has cavities connected to the regulated supply and exhaust of the cooling medium depending on the desired load mode.