CZ24333U1 - Zařízení pro provádění creepových zkoušek - Google Patents

Description

Zařízení pro provádění creepových zkoušek

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro provádění creepových zkoušek kovových materiálů, zejména oceli, prováděných při zvýšené teplotě na miniaturizovaných zkušebních vzorcích.

Dosavadní stav techniky

Pro provádění klasických creepových zkoušek resp. zkoušek na zjištění meze tečení materiálů, jsou zpravidla používány zkušební vzorky v podobě zkušební tyče kruhového průřezu, opatřené pro upnutí do zátěžového mechanismu závitovými hlavami. Samotná zkouška pak spočívá v dlouhodobé expozici této zkušební tyče na vysoké teplotě za současného působení zpravidla tahového napětí. Zkouška je vedena až do přetržení zkušební tyče, přičemž může nebo nemusí být registrován rozvoj deformace v čase.

Pracoviště pro provádění creepových zkoušek obvykle sestávají z vlastního zkušebního zařízení a z pracovního stolu s řídícím a vyhodnocovacím počítačem, dále ze záložního zdroje UPS, měřicích přístrojů a řídícího softwaru. Samotné zkušební zařízení se skládá z nosného rámu, na kte15 rém je instalována pícka, v níž je umístěn zkoušený vzorek. Zatížení vzorku je provedeno sadou závaží, jejichž hmotnost je přenášena na zkoušený vzorek. Skutečné zatížení je měřeno tenzometrickým snímačem a hodnoty zatížení j sou k dispozici v počítači.

Při hodnocení zbytkové životnosti hlavně energetických zařízení je však pro tyto účely nezbytné odebrat dostatečně veliký kus exponovaného materiálu a místo odběru následně opravovat. Proto je snaha zkušební vzorky co nejvíce miniaturizovat a minimalizovat tak zásah do integrity dané součásti s cílem se zcela vyhnout následným opravám, což by představovalo přinejmenším značnou ekonomickou úsporu, spočívající zejména v absenci opravných svarů a následného tepelného zpracování.

Samotné creepové zkoušky malých vzorků přitom představují důležitou a jedinečnou materiálo25 vou zkoušku při hodnocení zbytkové životnosti právě v případech, kdy je materiál exponován v oblasti s převládající creepovou deformací a kdy je tato zkouška pro zpřesnění prováděných odhadů nezbytná a má také největší vypovídací schopnost.

Dosud však nejsou creepové stroje resp. zařízení pro provádění creepových zkoušek malých vzorků sériově nikde vyráběny, výzkumná pracoviště a laboratoře si je vyrábějí adaptací klasic30 kých creepových strojů, což je značně neefektivní a mnohdy i nedostatečné z hlediska nutnosti správného provedení zkoušky a dosažení přesných výsledků.

Do určité míry jsou nevýhody dosavadního stavu techniky odstraněny zařízením pro provádění creepových zkoušek kovových materiálů dle užitného vzoru CZ 22301 Ul, které sestává z nosného rámu s píckou pro ohřev zkušebního vzorku a ze soustavy závaží pro vyvození napěťového zatížení tohoto zkušebního vzorku, přičemž pod soustavou závaží je uspořádán její zvedací mechanismus s poháněcím ústrojím pro přesné nastavení polohy zvedacího mechanismu a umožnění proměnlivé rychlosti zatěžování zkušebního vzorku z klidového stavu na požadované zatížení, a to bez jakýchkoli rázů. Podstata řešení dle tohoto užitného vzoru přitom spočívá v tom, že v nosném rámu je pod píckou upevněn příčník s vedením závěsu tenzometru a s polohovacím trnem pro ustavení zkušebního vzorku ve vnitřním prostoru pícky, přičemž zkušební vzorek je uložen ve zkušebním pouzdru s přímým přenosem zatěžovací síly (F) od soustavy závaží na zkušební vzorek prostřednictvím zatěžovací vidlice, opatřené nad píckou horním táhlem s ramenem snímače pro kontinuální měření deformace, upevněným pomocí držáku v nosném rámu. Zkušební pouzdro sestává z opěrné matice se spodním fixačním šroubem, v němž je shora vytvořena opěrná matrice pro uložení zkušebního vzorku.

V opěrné matici je pak uspořádáno přítlačné pouzdro zkušebního vzorku do této opěrné matrice, přičemž přítlačným pouzdrem shora opěrné matice prochází tlačný tm penetrační kuličky, vtlaCZ 24333 Ul čované zatěžovací vidlicí přes tlačný tm v průběhu zkoušky do materiálu zkušebního vzorku. Pro možnost provádění creepových zkoušek v ochranné atmosféře, obvykle v argonu, je polohovací tm zkušebního pouzdra, jakož i spodní fixační šroub a opěrná matrice ve zkušebním pouzdru, s výhodou opatřen alespoň jedním průchozím kanálem pro přívod ochranné atmosféry do prostoru zkušebního vzorku a tlačný tm alespoň jednou průchozí drážkou pro odvádění ochranné atmosféry z prostoru zkušebního vzorku do prostoru zatěžovací vidlice.

Úkolem nyní předkládaného technického řešení je odstranění určitých nevýhod konstrukce výše uvedeného zařízení dle spisu CZ 22301 Ul a dořešení zejména umístění tenzometrického snímače zatěžovací síly (F), působící na zkušební vzorek, a vnitřního uspořádání zkušebního pouzdra.

Podstata technického řešení

Tento úkol je do značné míry vyřešen zařízením pro provádění creepových zkoušek kovových materiálů, zejména oceli, prováděných při zvýšené teplotě na miniaturizovaných zkušebních vzorcích s možností proměnlivé rychlosti bezrázového zatěžování zkušebních vzorků z klidového stavu na požadované zatížení, které sestává ze soustavy závaží pro vyvození napěťového zatížení zkušebního vzorku s tenzometrickým snímačem pro kontinuální měření zatěžovací síly (F) a z nosného rámu s píckou pro ohřev zkušebního vzorku. V nosném rámu je pod píckou upevněn příčník s polohovacím trnem pro ústavem zkušebního vzorku ve vnitřním prostoru pícky, přičemž zkušební vzorek je uložen ve zkušebním pouzdru s přímým přenosem zatěžovací síly (F) od soustavy závaží na zkušební vzorek prostřednictvím zatěžovací vidlice, opatřené nad píckou horním táhlem s ramenem snímače deformace, upevněným pomoci držáku v nosném rámu. Zkušební pouzdro je tvořeno opěrnou maticí se spodním fixačním šroubem a opěrnou matricí pro uložení zkušebního vzorku, přičemž v opěrné matici je uspořádáno jeho přítlačné pouzdro, kterým shora opěrné matice prochází tlačný tm penetrační kuličky, vtlačované zatěžovací vidlicí přes tlačný tm v průběhu zkoušky do materiálu zkušebního vzorku.

Podstata technického řešení přitom spočívá v tom, že tenzometrický snímač pro kontinuální měření zatěžovací síly (F) je uspořádán mezi spodní částí zátěžové vidlice a soustavou závaží pod příčníkem a polohovacím trnem v ose zkušebního pouzdra, přičemž příčník je k nosnému rámu připevněn pomocí pevných podpěr.

Proti řešení dle výše zmiňovaného užitného vzoru je u zařízení dle předkládaného technického řešení umístěním tenzometrického snímače zatěžovací síly (F) do osy zkušebního pouzdra a změnou upevnění příčníku k nosnému rámu, která na rozdíl od původního zavěšení příčníku na táhlech zcela zamezuje jakémukoli jeho i nepatrnému pohybu, docíleno vyšší přesnosti dosahovaných výsledků měření, a to při zjednodušení jeho konstrukce.

Podstata technického řešení dále spočívá v tom, že polohovací tm a spodní fixační šroub zkušebního pouzdra jsou vůči sobě s výhodou opatřeny vzájemně do sebe zapadajícími kuželovými dosedacími plochami, přičemž na polohovacím tmu je vytvořena vnější kuželová dosedací plocha spodního fixačního šroubu a na spodním fixačním šroubu vnitřní kuželová dosedací plocha polohovacího tmu. Zlepší se tak zejména rozebíratelnost zkušebního pouzdra po provedené zkoušce, neboť nemůže dojít k jinak možnému zanesení těchto dosedacích ploch částečkami materiálu zkušebního vzorku, jako např. drobnými okujemi apod. Vzhledem k tomu, že tyto kuželové dosedací plochy zároveň slouží do jisté míry i k vystředění zkušebního pouzdra na polohovacím tmu, zlepší se i funkčnost celého zařízení dle technického řešení.

Pro umožnění provádění creepových zkoušek v ochranné atmosféře, obvykle v argonu, může být polohovací tm zkušebního pouzdra, jakož i spodní fixační šroub a opěrná matrice ve zkušebním pouzdru, rovněž opatřen alespoň jedním průchozím kanálem pro přívod ochranné atmosféry do prostoru zkušebního vzorku a tlačný tm alespoň jednou průchozí drážkou pro odvádění ochranné atmosféry z prostoru zkušebního vzorku do prostoru zatěžovací vidlice. Samozřejmě však zařízení podle technického řešení umožňuje provádění creepových zkoušek i bez přívodu ochranné atmosféry, tj. na vzduchu, v tomto případě však zejména vzhledem k malé velikosti zkušebních

CZ 24333 Ul vzorků jsou výsledky nevyhnutelně ovlivněny vysokoteplotní oxidaci vzorků během zkoušení. Právě však provádění creepových zkoušek na velmi malých zkušebních vzorcích, například v podobě tenkého kruhového disku o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm, je největší předností zařízení podle tohoto technického řešení. Teplota na zkoušeném vzorku v průběhu zkoušky je snímána samostatným termočlánkem a měřicí ústřednou. Naměřené hodnoty zatížení jsou pak k dispozici v počítači. Optický signalizační sloupek umístěný na rozvaděči řízení upozorňuje obsluhu na stavy stroje a na probíhající zkoušku a akustická signalizace upozorní obsluhu na případné závažné poruchy. Uložení zkušebního vzorku ve zkušebním pouzdru spolu s vysoce teplotně odolným materiálem penetrační kuličky, zhotovené obvykle z keramiky, jejím přesným tvarem a povrchem, daným výrobními tolerancemi, jakož i přímý přenos zatěžovací síly od soustavy závaží na zkušební vzorek prostřednictvím zatěžovací vidlice a tlačného tmu penetrační kuličky na rozdíl od dosud používaných přenosů zatěžovací síly například pomocí různých pákových systémů, zajišťuje výbornou přesnost a opakovatelnost naměřených výsledků a zároveň vysokou životnost celého zařízení.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je dále blíže objasněno pomocí výkresů příkladného provedení zařízení pro provádění creepových zkoušek podle technického řešení, kde znázorňuje:

Obr. 1 - sestavu celého zařízení v nárysu,

Obr. 2 - zkušební pouzdro se zkušebním vzorkem a zatěžovací vidlicí,

Obr. 3 - detail měření deformace zkušebního vzorku.

Příklad provedení technického řešení

Zařízení pro provádění creepových zkoušek kovových materiálů, zejména oceli, prováděných při zvýšené teplotě na miniaturizovaných zkušebních vzorcích a v ochranné atmosféře argonu, sestává v příkladném provedení, zobrazeném na obr. 1 a obr. 2, z nosného rámu i s odporovou píckou 2 pro ohřev zkušebního vzorku 3 a ze soustavy závaží 4 pro vyvození napěťového zatížení tohoto zkušebního vzorku 3. Pod soustavou závaží 4 je uspořádán její zvedací mechanismus 5 s již blíže neoznačenými koncovými spínači jištění polohy a s poháněcím ústrojím 6 pro přesné nastavení polohy zvedacího mechanismu 5 a umožnění proměnlivé rychlosti bezrázového zatěžování zkušebního vzorku 3 z klidového stavu na požadované zatížení, tvořený v tomto případě šroubovým zvedákem a šnekovou převodovkou s elektromotorem a řetězovým kolem. V nosném rámu 1 je pod píckou 2 na pevných podpěrách 27 upevněn příčník 7 opatřený polohovacím trnem 8 pro ustavení zkušebního vzorku 3 ve vnitřním prostoru pícky 2. Nosný rám i je uspořádán na podstavci 29 a je opatřen rozvaděčem 26 a centrálním přívodem 28 argonu.

Jak je patrno z obr. 1 a dále pak z obr. 2, je zkušební vzorek 3 uložen ve zkušebním pouzdru 10 s přímým přenosem zatěžovací síly (F) od soustavy závaží 4 na zkušební vzorek 3 prostřednictvím zatěžovací vidlice 9, opatřené nad píckou 2 horním táhlem 20 s ramenem 23 snímače deformace 24, upevněným pomocí držáku 25 v nosném rámu i. Homí táhlo 20 je se zatěžovací vidlicí 9 spojeno jejím uzavíracím závěsem 22. Mezi spodní částí zátěžové vidlice 9 a soustavou závaží 4 je v ose zkušebního pouzdra 10 pod příčníkem 7 s polohovacím trnem 8 umístěn tenzometrický snímač 19 pro kontinuální měření zatěžovací síly (F).

Jak je pak z obr. 2 dále patrno, sestává zkušební pouzdro 10 z opěrné matice U se spodním fixačním šroubem 12, v němž je shora vytvořena opěrná matrice 13 pro uložení zkušebního vzorku 3, přičemž v opěrné matici ii je uspořádáno jeho přítlačné pouzdro 14. Přítlačným pouzdrem 14 shora opěrné matice ϋ prochází tlačný tm 15 penetrační kuličky 16, vtlačované v průběhu zkoušky zatěžovací vidlicí 9 resp. jejím uzavíracím závěsem 22 přes tlačný tm 15 do materiálu zkušebního vzorku 3. Mezi vnitřním osazením opěrné matice il a horním čelem přítlačného pouzdra 14 je umístěna podložka 2i, určená zejména pro kompenzaci rozdílů v teplotní roztažCZ 24333 Ul nosti mezi přítlačným pouzdrem 14 a opěrnou maticí Π. v zájmu rozebíratelnosti celé sestavy zkušebního pouzdra 10 po provedení zkoušky.

Jak je z obr. 2 rovněž patrno, polohovací tm 8 a spodní fixační šroub 12 zkušebního pouzdra 10 jsou vůči sobě opatřeny vzájemně do sebe zapadajícími kuželovými dosedacími plochami 30, 31. s přičemž na polohovacím tmu 8 je vytvořena vnější kuželová dosedací plocha 30 spodního fixačního šroubu 12 a na spodním fixačním šroubu 12 vnitřní kuželová dosedací plocha 31 polohovacího tmu 8.

Jak je rovněž patrno z obr. 2, je polohovací tm 8 zkušebního pouzdra 10, jakož i spodní fixační šroub 12 a opěrná matrice 13 ve zkušebním pouzdru 10 opatřen průchozími kanály 17 pro přívod io ochranné atmosféry do prostoru zkušebního vzorku 3 a tlačný tm 15 průchozími drážkami 18 pro odvádění ochranné atmosféry z prostoru zkušebního vzorku 3 do prostoru zatěžovací vidlice 9.

Před započetím zkoušky se zkušební vzorek 3 umístí do zkušebního pouzdra 10, které se pak vloží do zatěžovací vidlice 9 a tato se shora uzavře uzavíracím závěsem 22 na horním táhle 20. Celá tato sestava se vsune do pícky 2 a usadí se na polohovací tm 8, umístěný na příčníku 7. Do polohovacího tmu 8 je přiveden ochranný plyn - argon, který je průchozími kanály 17 rozváděn kolem zkušebního vzorku 3, čímž se zabraňuje jeho oxidaci. Ke spodní části zátěžové vidlice 9 se připevní soustava závaží 4, kterými se nastavuje zatížení zkoušky, a tenzometrický snímač 19. Takto sestavený zkušební řetězec je připraven ke zkoušení, které je plně softwarově řízeno. Po ohřevu na zkušební teplotu, která je snímána již blíže nenaznačeným termočlánkem, umístěným v polohovacím tmu 8 co nejblíže zkušebnímu vzorku 3, je stroj automaticky zatížen posuvem zvedacího mechanismu 5, který garantuje dosažení plného zatížení v čase do 1 sekundy a bez rázu. Během zkoušení je softwarově zaznamenávána a ukládána doba zkoušení, velikost zatížení, průtok ochranného plynu, prodloužení a zkušební teplota. Doba zkoušení a prodloužení (deformace) vzorkuje kontinuálně zaznamenávána a zobrazena v grafické podobě.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro provádění creepových zkoušek podle tohoto technického řešení je vedle ocelí vhodné k provádění těchto zkoušek již běžně známými metodami i u ostatních kovů a slitin, přičemž je způsobilé pro použití v systémech jakosti dle ISO 9001:2009.

Claims (2)

1. 30 1. Zařízení pro provádění creepových zkoušek kovových materiálů, zejména oceli, prováděných při zvýšené teplotě na miniaturizovaných zkušebních vzorcích s možností proměnlivé rychlostí bezrázového zatěžování zkušebních vzorků z klidového stavu na požadované zatížení, sestávající ze soustavy závaží (4) pro vyvození napěťového zatížení zkušebního vzorku (3) s tenzometrickým snímačem (19) pro kontinuální měření zatěžovací síly (F) a z nosného rámu (1)

   35 s píckou (2) pro ohřev zkušebního vzorku (3), pod níž je v nosném rámu (1) upevněn příčník (7) s polohovacím trnem (8) pro ústavem zkušebního vzorku (3) ve vnitřním prostoru pícky (2) prostřednictvím zkušebního pouzdra (10) s přímým přenosem zatěžovací síly (F) od soustavy závaží na zkušební vzorek (3) zatěžovací vidlicí (9), opatřenou nad píckou (2) horním táhlem (20) s ramenem (23) snímače deformace (24), upevněným v nosném rámu (1) pomocí držáku (25), pri40 čemž zkušební pouzdro (10) je tvořeno opěrnou maticí (11) se spodním fixačním šroubem (12) a opěrnou matricí (13) pro uložení zkušebního vzorku (3), v níž je nad opěrnou matricí (13) uspořádáno jeho přítlačné pouzdro (14), kterým shora opěmé matice (ll) prochází tlačný tm (15) penetrační kuličky (16), vtlačované zatěžovací vidlicí (9) přes tlačný tm (15) v průběhu zkoušky do materiálu zkušebního vzorku (3), vyznačující se tím, že tenzometrický snímač

   45 (19) pro kontinuální měření zatěžovací síly (F) je uspořádán mezi spodní částí zátěžové vidlice

   CZ 24333 Ul (9) a soustavou závaží (4) pod příčníkem (7) s polohovacím trnem (8) v ose zkušebního pouzdra (10) , přičemž příčník (7) je k nosnému rámu (1) připevněn pomocí pevných podpěr (27).
2. 2. Zařízení pro provádění creepových zkoušek podle nároku 1, vyznačující se tím, že polohovací tm (8) a spodní fixační šroub (12) zkušebního pouzdra (10) jsou vůči sobě opatřeny vzájemně do sebe zapadajícími kuželovými dosedacími plochami (30, 31), přičemž na polohovacím tmu (8) je vytvořena vnější kuželová dosedací plocha (30) spodního fixačního šroubu (12) a na spodním fixačním šroubu (12) vnitřní kuželová dosedací plocha (31) polohovacího tmu (8)·