RU2661745C2 - Способ определения механических характеристик материалов при криогенных температурах - Google Patents
Способ определения механических характеристик материалов при криогенных температурах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2661745C2 RU2661745C2 RU2016120374A RU2016120374A RU2661745C2 RU 2661745 C2 RU2661745 C2 RU 2661745C2 RU 2016120374 A RU2016120374 A RU 2016120374A RU 2016120374 A RU2016120374 A RU 2016120374A RU 2661745 C2 RU2661745 C2 RU 2661745C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- materials
- sample
- mechanical characteristics
- cryogenic temperatures
- cryothermos
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000011161 development Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 10
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 10
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 claims description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 9
- 239000002826 coolant Substances 0.000 abstract 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 13
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002990 reinforced plastic Substances 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000004794 expanded polystyrene Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 239000012925 reference material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
- G01N3/18—Performing tests at high or low temperatures
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике, в частности к способам испытания конструкционных материалов на прочность в широком диапазоне низких температур. На практике предлагаемое изобретение может быть использовано для определения механических характеристик при стендовых испытаниях на разрыв образцов материалов при криогенных температурах. Способ позволяет наблюдать и фиксировать процесс разрушения и развития трещин в материалах образцов, захолаженных с помощью специальных хладагентов (сжиженных газов). Существующие способы стендовых акустико-эмиссионных измерений при криогенных температурах требуют наличия специализированного дорогостоящего оборудования, состоящего в основном из универсальной растягивающей машины и криостата (криокамеры) сложной конструкции. При этом возникают сложности в проведении эксперимента в лабораторных условиях, не оборудованных специальной техникой. Предлагаемый способ определения механических характеристик материалов при криогенных температурах осуществляется с помощью дополнительного оборудования - специального устройства, получившего название «встроенный криотермос», который собирается непосредственно на образце для эксперимента. Особая конструкция встроенного криотермоса и порядок проведения эксперимента позволяют поддерживать постоянное значение температур в месте расположения предполагаемого разрыва образца (концентратора образца), соответствующее температуре хладагента. 1 табл., 4 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике, в частности к способам испытания конструкционных материалов на прочность в широком диапазоне низких температур. На практике предлагаемое изобретение может быть использовано для определения механических характеристик при стендовых испытаниях на разрыв образцов материалов при криогенных температурах. Способ позволяет наблюдать и фиксировать процесс разрушения и развития трещин в материалах образцов, захолаженных с помощью специальных хладагентов (табл. 1). При испытании на растяжение определяют предел прочности (σв), предел текучести (σт), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ) и др. характеристики изучаемого материала [1, 2].
Современное развитие криогенной техники неотъемлемо связано с разработкой и внедрением материалов, пригодных для работы в условиях низких температур, способных обеспечивать необходимую прочность в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью, обладать малой чувствительностью к концентрации напряжений и низкой склонностью к хрупкому разрушению. Учитывая технологию изготовления изделий, работающих при низких температурах, такие материалы должны обладать хорошей свариваемостью. Важной характеристикой материалов является их высокая коррозионная стойкость [9].
Следовательно, изучение механических характеристик материалов и способов их определения в свете развития криогенной техники и технологии конструкционных материалов является актуальной темой научного исследования.
Методы испытаний на растяжение, сжатие и изгиб металлических и неметаллических материалов регламентированы рядом отечественных и зарубежных ГОСТов, нормалей и справочных пособий, например: ГОСТ 22706-77 «Металлы. Методы испытания на растяжение при температурах от минус 100 до минус 263°C»; ГОСТ 11150-80 «Методы испытания на растяжение при пониженных температурах»; ГОСТ 25.506-85 «Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении»; ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение»; «Методы статических испытаний армированных пластиков» / Справочное пособие, Рига: Зинатне, 1972 г.; Тернопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. - М.: Химия, 1981; и др.
Аналогами предлагаемого способа являются способы с оборудованными стендами, включающими в свой состав разрывную универсальную испытательную машину, криостат (криокамеру), сосуд Дьюара [4-8].
Основными недостатками данных способов проведения стендовых испытаний являются:
- необходимость применения разработанных или промышленных криостатов сложной конструкции;
- необходимость заполнения всего пространства криостата жидким хладагентом, охлаждающим как образцы, так и захваты, что требует большого количества хладагента, и снижает экономичность испытаний, а при больших размерах образцов охлаждение до температуры 20 K становится практически невозможным из-за теплопритока через нагружающие захваты.
Известен способ определения модуля упругости материалов при криогенных и повышенных температурах (Способ определения модуля упругости материала. А.с. N 954850, кл. 01 N 3108, СССР, 1982 г.). Сущность способа заключается в том, что наклеивают на образцы из исследуемого и эталонного материалов тензорезисторы одной партии, соединяют образцы последовательно шарнирно, нагревают и нагружают совместно, измеряют изменение номинального электрического сопротивления тензорезисторов и рассчитывают модуль упругости.
Недостатком приведенного способа является ограничение температурного диапазона рабочим диапазоном термостойких тензорезисторов от -100 до +300°C.
Прототипом предлагаемого способа является способ определения механических характеристик материалов, представленный в [3], заключающийся в размещении образца исследуемого материала в криостатах с двухсторонним вводом силовых элементов, либо в криостатах реверсивного типа, т.е. с реверсивным вводом тяг.
Недостатками способа прототипа являются:
а) сложность конструкции;
б) необходимость применения дорогостоящего промышленного оборудования;
в) невозможность проведения эксперимента в лабораторных условиях, необорудованных промышленной криокамерой.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены стенд и встроенный криотермос для реализации предлагаемого способа определения механических характеристик материалов при криогенных температурах. Универсальная испытательная машина обязательно должна быть оборудована диаграммным аппаратом. Встроенный криотермос собирается непосредственно на образце для испытаний. Все места соединения цилиндров с крышками цилиндров и с образцом герметично соединяются при помощью клея (холодной сварки). Исключение составляет соединение цилиндра криостата с крышкой цилиндра в месте расположения предполагаемого разрыва (концентратора) образца.
С целью охлаждения вся конструкция постепенно помещается в сосуд Дьюара, где внутренние полости цилиндров заполняются жидким хладагентом через специальные отверстия, сделанные в их стенках. После охлаждения (не менее 30 мин) вся конструкция устанавливается в зажимы универсальной растягивающей машины. Данная конструкция криотермоса предполагает наличие трех отдельных камер (2-х концевых и 1-ой в центре). Концевые камеры гасят тепловой поток идущий от зажимов универсальной испытательной машины, центральная - поддерживает значение температур в месте расположения предполагаемого разрыва (концентратора) образца соответствующее температуре хладагента (фиг. 2). Производится разрыв образца, с регистрацией диаграммы растяжения на диаграммном аппарате, при этом температура в месте расположения предполагаемого разрыва (концентратора) образца соответствует температуре хладагента, что подтверждается тепловыми расчетами выполненными в универсальной программной системе конечно-элементного анализа ANSYS и представленными на фиг. 3.
Исходные данные для расчета в программе ANSYS:
- теплопроводность образца - 237 Вт/(м⋅К);
- теплопроводность материала криотермоса - 2,76 Вт/(м⋅К);
- температура наружных стенок криотермоса - 25°C;
- температура внутри криотермоса заполненного жидким азотом - минус 195,8°C;
- размеры встроенного криотермоса: толщина стенок - 25 мм, диаметр наружный - 100 мм, толщина крышек между секциями - 11 мм (эскиз криотермоса представлен на рис. 1);
- материал образца для испытаний - сплав АМц.
Допущения, принятые при расчете:
- в качестве материала образца выбран алюминий;
- материал криотермоса - вместо пенополистирола смоделированы характеристики воздуха для простоты расчета;
- моделировалась ситуация, в которой объем жидкого азота не уменьшается в результате выкипания и температура стенок полостей с жидким азотом равна температуре кипения жидкого азота (пристеночное кипение не оказывает влияния на теплопроводность);
- температура наружных стенок криотермоса равна 25°C и постоянна;
- в начальный момент времени температура всей расчетной области - минус 195,8°C;
- давление при проведении эксперимента - 1 атм.
Результаты расчета
При условии нахождения жидкого азота в полостях криотермоса температура пластины в центре будет не выше температуры кипения азота, что составляет -195,8°C. Идущий с зажимов универсальной испытательной машины к концам пластины тепловой поток поглощается на участках верхней и нижней полостей с жидким азотом и к центру пластины не распространяется.
Среднее время полного испарения жидкого азота с открытой секцией криотермоса, установленное в результате эксперимента, составляет 5 мин. Время, затрачиваемое на замер механических характеристик при разрыве одного образца (от установки охлажденного образца в зажимы УММ-5 и до непосредственно его разрыва) составляет не более 3 минут.
Таким образом, конструкция криотермоса выполнят свои функции по сохранению заданной температуры в центре пластины на время проведения эксперимента.
Наладочные и настроечные работы аппаратуры производятся на предварительном этапе, что обеспечивает быстроту проведения эксперимента и объективность полученных результатов.
Габаритные характеристики встроенного криотермоса ограничиваются длинной образца и внутренним диаметром горловины сосуда Дьюара.
Сущность изобретения заключается в обеспечении совокупности существенных признаков, которые находятся в причинно-следственной связи и обеспечивают достижение заявляемого результата: определение механических характеристик материала при температуре в месте расположения предполагаемого разрыва (концентратора) образца соответствующего температуре хладагента. Для достижения этого результата в качестве дополнительного оборудования разработано специальное устройство, получившее название «встроенный криотермос», выполненное из термопластичного полимера - полистирола.
Существенными признаками изобретения являются:
a) поддержание заданных параметров температур в месте расположения предполагаемого разрыва (концентратора) образца в материале соответствующего температуре хладагента при проведении эксперимента;
b) возможность регистрации диаграммы растяжения (определения механических характеристик) при исследовании зарождения и развития трещин в образцах при заданных параметрах криогенных температур;
c) возможность проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях и на установках не оборудованных промышленными криокамерами.
В качестве примера на фиг. 4 представлены диаграммы растяжения и таблица результатов испытаний на разрыв образцов из сплава АМц, полученных на универсальной испытательной машине УММ-5.
Таким образом, предлагаемый способ может найти широкое применение в научно-исследовательских институтах, учебных заведениях и специализированных организациях по изучению свойств материалов при криогенной температуре, так как отличается простотой реализации, невысокой стоимостью, доступностью и возможностью определения механических характеристик материалов с целью дальнейшего исследования зарождения и развития трещин в образцах материалов при криогенных температурах.
Литература
1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. - 544 с.
2. Козловский А.Э., Бойцова В.В. Механические свойства материалов. Методы испытаний: Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Иваново: Иван. гос. хим. технол. ун-т, 2007. - 60 с.
3. Методы исследований и испытаний материалов. http://expertmeet.org/topic/17387-методы-исследований-и-испытаний-материалов/.
4. Патент РФ 2169355 / Ильин Ю.С. Способ определения модуля упругости металлических материалов при криогенных и повышенных температурах и устройство для его осуществления. http://www.flndpatent.ru/patent/216/2169355.html.
5. Патент СССР №669260 к авт. свид. №186179. Криостат к испытательным машинам / Чернецкий В.К., Ильичев В.Я., Абушенков И.Д.; Заявлено 12.12.77; Опубликован: 25.06.79.
6. Патент СССР №684390. Устройство для исследования пластических свойств твердых материалов при криогенных температурах / Гиндин И.А., Лернер А.Ф., Рябоконь А.Р., Стародубов Я.Д.; Заявлено 09.08.74; Опубликован: 05.09.79.
7. Патент СССР №314107 Устройство для определения механических свойств материалов при низких температурах / Дунич Е.А., Дунич О.Е.; Заявлено 06.10.1969.; Опубликовано 12.11.1971.
8. Патент СССР №309278 Устройство для механических испытаний образцов при низких температурах / Алексюк М.М., Новиков Н.В.; Заявлено 02.08.1969.; Опубликовано 09.07.1971.
9. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике. Справочник. - Ленинград: «Машиностроение», 1982. - 311 с.
Claims (1)
- Способ испытания материалов на разрыв для определения механических характеристик при криогенных температурах, заключающийся в том, что на образце с концентратором собирается криотермос, состоящий из трех отдельных камер - 2-х концевых, которые гасят тепловой поток, идущий от зажимов испытательной машины, и 1-й центральной, которая поддерживает значение температур, соответствующее температуре хладагента, в месте расположения концентратора образца, конструкция образец - криотермос постепенно помещается в сосуд Дьюара, где внутренние полости цилиндров криотермоса заполняются жидким хладагентом через отверстия, сделанные в их стенках, после охлаждения вся конструкция устанавливается в зажимы растягивающей машины, производится разрыв образца с регистрацией диаграммы растяжения, по которой определяются механические характеристики при исследовании зарождения и развития трещин в образцах при заданных параметрах криогенных температур.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016120374A RU2661745C2 (ru) | 2016-05-25 | 2016-05-25 | Способ определения механических характеристик материалов при криогенных температурах |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016120374A RU2661745C2 (ru) | 2016-05-25 | 2016-05-25 | Способ определения механических характеристик материалов при криогенных температурах |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016120374A RU2016120374A (ru) | 2017-11-28 |
| RU2016120374A3 RU2016120374A3 (ru) | 2018-03-20 |
| RU2661745C2 true RU2661745C2 (ru) | 2018-07-19 |
Family
ID=60581086
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016120374A RU2661745C2 (ru) | 2016-05-25 | 2016-05-25 | Способ определения механических характеристик материалов при криогенных температурах |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2661745C2 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2305217C1 (ru) * | 2006-05-29 | 2007-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского | Криогенный трубопровод |
| JP2010236930A (ja) * | 2009-03-30 | 2010-10-21 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 脆性き裂伝播停止特性評価方法 |
| RU2488790C1 (ru) * | 2012-01-19 | 2013-07-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") | Способ контрольных испытаний криогенной емкости |
| RU2507497C1 (ru) * | 2012-07-13 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова" (ФГБУ "ПИЯФ") | Устройство для нагружения и испытания образцов в канале ядерного реактора |
-
2016
- 2016-05-25 RU RU2016120374A patent/RU2661745C2/ru active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2305217C1 (ru) * | 2006-05-29 | 2007-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского | Криогенный трубопровод |
| JP2010236930A (ja) * | 2009-03-30 | 2010-10-21 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 脆性き裂伝播停止特性評価方法 |
| RU2488790C1 (ru) * | 2012-01-19 | 2013-07-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") | Способ контрольных испытаний криогенной емкости |
| RU2507497C1 (ru) * | 2012-07-13 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова" (ФГБУ "ПИЯФ") | Устройство для нагружения и испытания образцов в канале ядерного реактора |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016120374A (ru) | 2017-11-28 |
| RU2016120374A3 (ru) | 2018-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Rapid determination of fatigue life based on temperature evolution | |
| Meneghetti et al. | A two-parameter, heat energy-based approach to analyse the mean stress influence on axial fatigue behaviour of plain steel specimens | |
| CN103926146B (zh) | 一种小试样恒载荷应力腐蚀测试装置及其测试方法 | |
| Xu et al. | A novel method in dynamic shear testing of bulk materials using the traditional SHPB technique | |
| Teng et al. | A unified fatigue life calculation based on intrinsic thermal dissipation and microplasticity evolution | |
| Salimi et al. | Metal fatigue assessment based on temperature evolution and thermodynamic entropy generation | |
| Sarzosa et al. | A numerical investigation of constraint effects in circumferentially cracked pipes and fracture specimens including ductile tearing | |
| CN102706750A (zh) | 一种高温高压恒载荷应力腐蚀实验方法及装置 | |
| Lage et al. | A damage parameter for HCF and VHCF based on hysteretic damping | |
| Van der Voort et al. | An experimental study on the temperature dependence of CO2 explosive evaporation | |
| Amiri et al. | Nondestructive estimation of remaining fatigue life: thermography technique | |
| Jirandehi et al. | On the determination of cyclic plastic strain energy with the provision for microplasticity | |
| Džugan et al. | Determination of local tensile and fatigue properties with the use of sub-sized specimens | |
| RU2661745C2 (ru) | Способ определения механических характеристик материалов при криогенных температурах | |
| CN205192868U (zh) | 一种用于中子衍射的原位温度加载装置 | |
| Esmaeili et al. | Investigation of T-stress and tensile strength effect on crack tip conditions and crack initiation angle in off-axis laminate composite | |
| Filippini | Notched fatigue strength of single crystals at high temperature | |
| US20220196530A1 (en) | Precision High-Temperature Hydrogen Attack Apparatus | |
| RU2587637C1 (ru) | Способ стендовых акустико-эмиссионных измерений на образцах материалов при криогенных температурах | |
| Berkovic et al. | Measuring and modeling of low temperature Hopkinson tests | |
| Dubey et al. | Yield surface identification of CP-Ti and its evolution reflecting pre-deformation under complex loading | |
| CN208254923U (zh) | 液氮冷冻模具以及软质生物组织力学测试装置 | |
| JP2011169683A (ja) | 材料強度特性評価方法及び材料試験装置 | |
| JPH11271180A (ja) | 応力緩和測定方法及びその装置 | |
| Chen et al. | A damage coupled elasto-plastic constitutive model of marine high-strength steels under low cycle fatigue loadings |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180730 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210408 |