Суждения, обеспечивающие максимальную жесткость силового кон тура. Машины, удовлетворяющие таким требованиям, должны иметь гидравлическую систему контролируемого по параметру перемещения нагружения, малую податливость деталей силового контура и мини мальное количество соединений в цепочке: образец — захват — тра верса — колонны — станина — гидроцилиндр с поршнем — захват — образец. Поэтому машины целевого назначения для испытаний на трещииостойкость выполняются с гидравлическими преобразовате лями, обеспечивающими малые скорости деформирования при жест ком режиме нагружения, рассчитываются на большие предельные нагрузки и малый ход активного захвата. Эти машины имеют неизме няемые габаритные размеры рабочего пространства благодаря жест кой неразъемной фиксации силовых элементов системы замыкания
иснабжены захватами упрощенной конструкции с малым количе ством разъемных соединений (допускается также приваривание образ ца к захвату). С использованием машин повышенной жесткости при статических испытаниях на кратковременную прочность стандартных образцов можно получать полные (равновесные) диаграммы деформи рования и разрушения материалов независимо от уровня их прочности
ипластичности.
6.Машины с гидромеханическим приводом
Машины этого типа используются для проведения испытаний на крат ковременную прочность при статическом нагружении и для иссле дования прочности и деформативности материалов и элементов конст рукции при повторно-статическом знакопостоянном нагружении с
низкой |
частотой. |
Гидро |
|
|
|||
механический |
привод поз |
|
|
||||
воляет |
реализовать в про |
|
|
||||
цессе испытаний мягкий и |
|
|
|||||
жесткий режимы со скорос |
|
|
|||||
тями нагружения и дефор |
Рис. 20. Схема системы |
||||||
мирования |
1—5 • 104 Н/с |
нагружения |
с гидроме |
||||
и |
1 |
10~4 — 5 |
мм/с. |
ханическим |
приводом. |
||
Цепь преобразования элек |
|
|
|||||
трической |
энергии |
пита |
|
|
|||
ния, |
подаваемой из сети к |
|
|
||||
приводному |
|
электродви |
|
|
|||
гателю, |
в |
работу |
дефор |
|
|
||
мирования |
и |
разрушения |
|
|
|||
образца |
состоит из |
четы |
|
|
|||
рех |
звеньев: |
электромеха- |
|
|
|||
ногидравлического |
преоб |
|
|
||||
разователя, |
гидропередачи, |
|
|
||||
гидромеханического |
преоб |
|
|
||||
разователя |
и |
механичес |
|
|
|||
кого |
преобразователя, со |
|
|
||||
общающего |
|
перемещение |
|
|
|||
активному |
захвату образ |
|
|
||||
ца. Так же, как и в машинах с гидравлическим приводом, в ка честве электромехаиогидравлических преобразователей в рассматри ваемых машинах применяются гидронасосы, а к звену гидропереда чи относятся трубопроводы высокого давления с различной арма турой. Однако в данном случае в качестве гидромеханического преобразователя используется не силовой гидроцилиндр, а ги дродвигатель, который преобразует движение сжатой жидкости во вращательное движение, передаваемое к редуктору механического преобразователя.
Схема системы силовозбуждения машин с гидромеханическим приводом показана на рис. 20. Масло из бака 4 подается насосом 5 с электроприводом 3 по напорному трубопроводу 7 с регулятором 6 через фильтр 8 и клапан 2 к гидродвигателю 9, от выходного вала которого через редуктор 10 приводятся во вращение симметричные грузовые винты 11. Система замыкания в этих машинах, как пра вило, однозонная. Силовой контур замыкается через винты 11, подвижную траверсу 15, захваты 12,14, образец 13 и станину. Направ ление вращения винтов может изменяться по команде от блока управ ления 16, управляющего работой гидродвигателя с помощью серво клапана 1. Рассматриваемая система более универсальна по сравне нию с чисто механической. Основное ее преимущество заключается в том, что благодаря использованию гидродвигателя она позволяет про водить испытания как при жестком, так и при мягком нагружении, а управление нагружением осуществлять на гидромеханическом звене.
К ее преимуществу по сравнению с чисто гидравлическими систе мами можно отнести то, что из зоны замыкания силового контура ма шин с гидромеханическим приводом исключены все элементы гидро аппаратуры. Поэтому при проведении испытаний в условиях высоких и низких температур не требуется предусматривать специальных конструктивных мер для защиты гидравлических коммуникаций от тепловых потоков.
И в то же время в связи с наличием в этой системе на последнем звене механического преобразователя она значительно, на четыре порядка, проигрывает чисто гидравлическим системам в реализуемом интервале скоростей деформирования и нагружения.
Система силонагружения с гидромеханическим приводом рас смотренного типа использована в машинах модели 1126, выпускаемых английской фирмой «Инстроп».
Глава Ш . НАГРУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ, ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ И РЕЛАКСАЦИЮ НАПРЯЖЕНИЙ
1. Особенности испытаний при длительном статическом нагружении
Иоаытапия образцов на ползучесть, длительную прочность н релак сацию напряжений проводятся при действии на объект исследования статических постоянных или медленно изменяющихся нагрузок. Ползучестью называется свойство металлов медленно и непрерывно деформироваться в условиях воздействия постоянной нагрузки или напряжения, а длительной прочностью — способность материалов сопротивляться разрушению при таком нагружении [2, 31]. Релак сацией напряжений называется самопроизвольное снижение напря жений в нагруженном твердом теле при постоянной суммарной на чальной деформации и постоянной температуре [31. В процессе релак сации наряду с уменьшением напряжений происходит непрерывное изменение соотношения между упругой и пластической составляющей суммарной деформации; упругая деформация при этом уменьшается, а пластическая — увеличивается. Начальная деформация реали зуется в материале за очень короткий по сравнению с длительностью испытаний промежуток времени, в течение которого внешняя сосредо точенная сила изменяется от нуля до заданного значения, определяю щего начальный уровень релаксирующих в течение длительного вре мени напряжений.
Таким образом, если при исследовании релаксации напряжений в процессе испытаний постоянной поддерживается суммарная дефор мация образца, то при испытаниях на ползучесть и длительную проч ность необходимо обеспечивать постоянство нагрузки или напряже ний. Испытания на релаксацию напряжений проводятся в условиях растяжения, кручения и изгиба, на ползучесть — в условиях растя жения и изгиба и на длительную прочность — практически только при растяжении. Изменение напряжений и деформаций в образце при так называемой чистой релаксации (в = const) и ползучести (Р = const) показано на рис. 21, а. Если учесть, что в процессе релак сации напряжений происходит медленное и непрерывное накопление пластической деформации за счет уменьшения упругой составляющей, то испытания на релаксацию можно рассматривать как частный слу чай испытаний на ползучесть при медленно изменяющихся напряже ниях. Для систем с ограниченной жесткостью кривые изменения на-
пряжений и пластической деформации (штриховые линии) занимают какое-то промежуточное положение по сравнению с граничными кри выми для чистой релаксации и ползучести. Такой характер измене ния напряжений и деформаций чаще всего имеет место в реальных условиях эксплуатации.
Схема испытаний при постоянной силе или постоянной началь ной деформации является идеализированной и используется только при стандартных испытаниях образцов. При эксплуатации реальных конструкций возникающие в элементах усилия могут медленно изме няться во времени. Это связано с тем, что даже при неизменных внеш них нагрузках усилия, возникающие в соединенных каким-то обра
зом деталях, могут перераспределяться, если эти детали и элементы представляют собой систему из упругопластически де формируемых звеньев. Схема такой про стейшей системы, состоящей из двух эле ментов, один из которых может деформи роваться только упруго, а второй и пла стически и упруго, приведена на рис. 21, б [31]. Стержень 1 соединен с пружиной 2,
Рис. 21. Изменение нагрузки, напряжений и деформации при испытаниях на ползучесть и релаксацию (а) и схема закрепления стержня, работающего на релаксацию (б).
жесткость которой равна С. В начальный момент времени стержень продеформирован на величину деформации е0, которой соответству ет напряжение <т0, благодаря удлинению пружины на о0/С. При даль нейшей выдержке суммарное удлинение образца и пружины будет постоянным:
е + -£* = е0 + |
= const. |
(Ш .1) |
В процессе ползучести стержня напряжения в силовой цепочке уменьшаются и происходит релаксация напряжений, причем степень этой релаксации зависит от жесткости упругого элемента. Бели жест кость пружины незначительна, то изменение ее длины за счет изме нения длины стержня при ползучести может вообще не оказывать влияния на напряжение <70. В этом случае условия нагружения и деформирования будут соответствовать испытаниям на ползучесть при а = const (см. рис. 21, а). Если жесткость пружины будет на столько велика, что значения o'С станут пренебрежимо малыми, пружина деформироваться не будет, длина образца останется постоян-, ной, а е = е0 = const. Этот случай соответствует условиям релакса ции (см. рис. 21, а), при которых уменьшение напряжений в процессе релаксации вызывается только перераспределением между пластиче ской 8дли упругой 8у составляющими начальной деформации стержня:
е0 = еу -f- епл = const.
Общий случай, при котором жесткость упругого стержня имеет промежуточное значение между двумя рассмотренными крайними значениями, чаще всего имеет место в реальных условиях. При этом ползучесть материала стержня сопровождается уменьшением напря жений (штриховая линия на рис. 21, а).
Следовательно, ползучесть и релаксацию напряжений в твердый телах можно рассматривать как два явления одинаковой природы, которые проявляются по-разному в зависимости от условий сопря жения деталей в конструкции.
Анализ истории разработки экспериментальных средств для дли тельных статических испытаний показывает, что исследователи всегда стремились изучать эти два явления независимо, чтобы обеспе чить чистоту и простоту эксперимента. Испытательные устройства и установки для таких испытаний выполняются таким образом, чтобы
вкак можно более чистых условиях эксперимента обеспечить полу чение данных о характеристиках релаксационной стойкости, ползу чести и длительной прочности материалов. Этому условию при ползуг чести соответствуют и испытания с применением схем гравитационного или рычажно-гравитационного нагружения образца, обеспечиваю щих постоянство нагрузки в процессе длительных испытаний и иск лючающих возможность релаксации напряжений в материале.
Условиям чистой релаксации соответствуют схемы нагружения,
вкоторых жесткость упругого элемента должна быть бесконечно боль шой по сравнению с жесткостью образца. Реализация таких схем связана с большими техническими трудностями, и поэтому в эксплуа тируемых в настоящее время релаксационных установках достигнуто только некоторое приближение к условиям чистой релаксации.
При испытаниях на релаксацию фиксируют изменение усилия (напряжений) в образце, при испытаниях на ползучесть измеряют его деформацию, а при исследовании длительной прочности опреде ляют время до разрушения при постоянной нагрузке. Характеристи ки ползучести, длительной прочности и релаксационной стойкости материалов в основном определяются при высоких температурах. Конструкция электропечей, принципы нагрева образцов и регули рования их температуры относятся к специальным вопросам экспе римента и поэтому в данном разделе не рассматриваются.
2.Устройства для испытаний на ползучесть
и длительную прочность
Системы силонагружения устройств 1 для длительных статических испытаний отличаются крайней простотой. Это объясняется тем, что испытания на ползучесть и длительную прочпость проводятся глав ным образом при растяжении в условиях линейного напряженного
1 Здесь и далее при описании технических средств для испытаний на ползу честь будем пользоваться термином «устройство» в отличие от других авторов, которые называют их «машины». Это связано с тем, что в цепи их силовозбуждения не происходит преобразование энергии за счет механического движения, тогда как машина — устройство, выполняющее механическое движение для про образования энергии, материалов и информации.
состояния и в процессе этих длительных испытаний необходимо обес печивать постоянство действующей на образец нагрузки. Возбужде ние нагрузок в этих устройствах осуществляется в основном с по мощью непосредственно гравитационных или рычажно-гравитацион ных систем с упругогравитационным замыканием силового контура. Этим способам возбуждения соответствуют схемы нагружения, при веденные на рис. 22. Устройства с непосредственно гравитационным нагружением (рис. 22, а) представляют собой несложные конструк ции, состоящие из двух захватов 1 и 3, образца 2 и подвески с плат формой 4, на которую устанавливаются грузы. Усилие в образце однозначно определяется суммарным вёсом нижнего активного за-
Рис. 22. Схемы спмем нагружения образцов нрн испытаниях на ползучесть и Длительную прочность непосредственно грузами (а), рычагом первого рода (б), Рычагом второго рода (о) и комбинированным рычагом (г).
хвата, подвески с платформой и грузов. Поэтому рассматриваемая схе ма обеспечивает приложение нагрузки с высокой точностью, не иска жаемой трением в опорах и шарнирах, а также изменением длины ры чагов в процессе приработки шарниров и призм (что имеет место в устройствах рычажного типа). Однако неудобства, возникающие при использовании больших грузов, ограничивают область приме нения такой схемы только испытаниями нестандартных образцов не большого диаметра и высокотемпературными испытаниями, при ко торых достигаются высокие скорости ползучести, а нагрузка должна задаваться с высокой точностью.
В большинстве устройств для испытаний на ползучесть и длитель ную прочность в качестве основного элемента в механизме нагруже ния используется неравноплечий грузовой рычаг 5, на свободном конце которого укреплена платформа 4 (рис. 22, б, в). Нагрузка к установленному в захваты 1 и 3 образцу 2 сообщается от одиночного рычага или системы рычагов 5, 6, 7 (рис. 22, а) с помощью размещае мых на платформе грузов. Используются рычажные механизмы с соотношением плеч 1 : 5, 1 : 10, 1 { 20, 1 : 50, 1 : 100, состоящие из рычагов первого (рис. 22, б) и второго (рис. 22, в) рода, а также из двойных рычагов второго рода или тройных комбинированных ры чагов (рис. 22, г). Соотношение плеч от 1 : 50 и более получают на
двойных и тройных рычагах. Так, в выпускаемых отечественной про мышленностью установках АИМА-5 используется система нагруже ния с комбинированным трехплечим рычагом; при такой схеме дости гается усиление нагрузки в силовой цепочке в 100 раз.
Грузовые рычаги устанавливаются на призмах или в специальных подшипниковых опорах. Возникновение в опорах высоких контакт ных напряжений ограничивает возможность получения на рычаж ных устройствах высоких предельных нагрузок. Так, в отечествен ных установках для испытаний на длительную прочность и ползу честь максимальное развиваемое усилие пе превышает 50 кН.
Рис. 23. Схемы систем нагружения образцов при испытаниях на ползучесть н длительную прочность в режиме постоянной нагрузки (а) и постоянных напря жений (б).
Рычаг первого рода всегда устанавливается над образцом на верх ней траверсе станины (рис. 22, б), а рычаг второго рода — в осно вании станины (рис. 22, в). Применение трехплечего комбинирован ного рычажного механизма (рис. 22, г), состоящего из силового ры чага первого рода 5 с соотношением плеч 8 : 1 , промежуточного рычага 6 второго рода с соотношением плеч 5 : 1 и грузового рычага 7 второго рода с соотношением плеч 2,5 : 1, позволяет создать компакт ные и малогабаритные нагружающие устройства.
В комплект установок кроме захватов и рычажного механизму входят вспомогательные механизмы, которые обеспечивают плавное нагружение образца в начале испытаний и поддержание в образце в процессе нагружения постоянного усилия. Принцип их действия рассмотрим на схеме, приведенной на рис. 23, а. К образцу 1 через
нижний захват 2 и рычаг 5 прикладывается нагрузка от платформы с грузами 6. Противовес 3 служит для уравновешивания массы ры чага относительно шарнирной опоры 4. В начале испытаний статиче ское нагружение образца осуществляется с помощью пружинного механизма 8 путем плавного опускания рычага с установленными на платформе грузами. В процессе испытаний образец удлиняется и грувовой рычаг поворачивается относительно опоры. При этом плечо ры чага от опоры до подвески с грузами уменьшается и, следовательно, уменьшается усилие в образце. Для восстановления его значения служит червячно-винтовой механизм горизонтирования рычага, со стоящий из редуктора 11 с электродвигателем 10, червячно-винтовой пары 12 и ходового винта 13, жестко соединенного с верхним захватом образца.
При удлинении образца флажок, укрепленный на конце грузового рычага, замыкает нижний контакт 7 и вызывает с помощью блока реле 9 включение электродвигателя, который через систему механической передачи и цепочку верхний захват — образец — нижний захват возвращает грузовой рычаг в исходное горизонтальное положение. Контакт размыкается и отключает привод горизонтирования рычага. Передаточное отношение механизма горизонтирования устанавли вается таким, чтобы перемещение верхнего захвата с образцом не вы зывало возникновения инерционных нагрузок в силовой цепи при повороте рычага с грузами. Однако и при выполнении этого условия в связи с необходимостью приложения к образцу дополнительной нагрузки для перемещения рычага в горизонтальное положение по стоянство усилия в образце не обеспечивается, что вызывает ускоре ние процесса ползучести и разрушения. Поэтому, если при исследо вании ползучести и длительной прочности на размеры образцов нет ограничений, предпочтительнее использовать схему непосредствен ного нагружения образца грузами. Недостатки, характерные для ры чажно-гравитационных систем, можно обойти за счет использования при длительных испытаниях схемы нагружения с упругим элементом (рис. 21, б). Постоянство нагрузки в образце в этом случае обеспечи вается, как было показано выше, если деформация упругого элемента в начале испытаний задается значительно большей (на два порядка), чем ожидаемая деформация ползучести образца. Устройства с пру жинным способом нагружения получили применение в основном для испытаний малопластичных материалов при невысоких температурах. В таких условиях релаксационная стойкость упругих элементов из специальных пружинных сплавов обеспечивается в течение весьма длительного времени.
Установки промышленного производства для исследования пол зучести и длительной прочности металлов в основном оснащены систе мами нагружения с рычажным механизмом, предназначенным, как было показано, для испытаний в режиме постоянства нагрузки. При *аком режиме нагружения в процессе удлинения образца происходит уменьшение площади его поперечного сечения и увеличение действи тельных напряжений. Следовательно, с помощью стандартных уста новок нельзя реализовать такой режим нагружения, при котором в
течение длительных испытаний напряжения поддерживаются по стоянными. Для этой цели используются специальные устройства индивидуального производства, обеспечивающие изменение нагруз ки пропорционально уменьшению площади поперечного сечения об разца при деформировании. Схема такого устройства, основанного на использовании рычага с переменным плечом, приведена на рис. 23, б [42]. Нагрузка к верхнему захвату образца 1 прикладывается с помощью гибкого элемента 2, наматывающегося на блок 3. На оси 4 блока жестко зафиксирован фигурный рычаг 5, к которому на гиб ком тросике 6 подвешен груз 7. Гибкий элемент одним своим концом закреплен на блоке, а тросик — на рычаге. При повороте рычага в процессе испытаний, вызванном деформированием образца и поворо том блока, на который наматывается лента 2, его плечо уменьшается и уменьшается действующее в образце усилие. Профиль фигурного рычага рассчитывается таким образом, чтобы снижение силы было пропорционально уменьшению сечения образца; при этом обеспечи вается постоянство напряжений в образце.
Координаты профиля обычно определяют из условия постоянства объема образца, которое строго выполняется только в том случае, если коэффициент Пуассона материала близок к 0,5 (для металлов р, = 0,25 -4- 0,35; для неметаллических материалов р =? 0 -4- 0,5, в частности для резины р = 0,5). При выборе размеров радиуса блока и плеча рычага в исходном состоянии необходимо учитывать пластич ность исследуемого материала и требования к точности задания напряжений. Так, для малопластичных и слабодеформируемых ма териалов радиус блока устанавливается равным расчетной длине об разца, а для пластичных — в 2 раза бблыпим. Плечо рычага в исход ном состоянии принимают равным нескольким (2—10) радиусам блока.
Для обеспечения постоянства напряжений в образце могут исполь зоваться и другие схемы нагружения, например схема, показанная на рис. 21, б. В соответствии с этой схемой предварительную дефор мацию упругого элемента 2 необходимо задавать таким образом, что бы ее уменьшение за счет пластического деформирования образца вы зывало снижение нагрузки в силовой цепи, пропорциональное умень шению поперечного сечения образца. Постоянные напряжения в образце при испытаниях на ползучесть можно также обеспечить при использовании установок с рычажным механизмом нагружения (рис. 23, а). В этом случае груз выполняется фигурным, и при поворо те грузового рычага он должен погружаться в жидкость. Профилю груза придается такая форма, чтобы при его погружении в жидкость изменение веса ва счет действия выталкивающей архимедовой силы было пропорционально уменьшению площади поперечного сечения образца при его удлинении.
Очевидно, что конструкция устройств, предназначенных для испы таний на ползучесть при постоянных напряжениях, сложнее, чем у используемых для испытаний при постоянной нагрузке. Поэтому они получили меньшее распространение и в основном применяются при специальных исследованиях металлов, а также при изучении ползу
чести полимерных и других неметаллических материалов, характе ризующихся высокой деформационной способностью.
Следует отметить, что при испытаниях пластичных металлов и сплавов в режиме постоянства напряжений третий участок на кривых ползучести не реализуется, ползучесть на втором участке носит зату хающий характер и не всегда завершается разрушением образца. Поэтому испытания металлических материалов на длительную проч ность при таком режиме нагружения практически не проводятся.
3. Устройства и установки для испытания на релаксацию напряжений
Исследование релаксации напряжений выполняют в условиях растя жения, изгиба и кручения. При этом так же, как и при исследовании ползучести, основными являются испытания на растяжение, которые позволяют получать корректные поддающиеся анализу данные о релаксационной стойкости материалов. Условия линейного напря женного состояния, которые реализуются при растяжении, характер ны для таких распространенных крепежных деталей, как болты и
Рис. 24. Схемы устройств с замкнутым силовым конту ром: с упругим механиче ским (а) и жестким гидрав лическим (б) эвеном.
шпильки, работающих исключительно в условиях релаксации. Для оценки прочности неразъемных соединений необходимо использовать не только результаты испытаний образцов, но и релаксационные ха рактеристики крепежных деталей, определенные в условиях, близ ких к реальным. Учет релаксации напряжений также весьма важен при оценке работоспособности различных пружин, витки которых деформируются при сложном напряженном состоянии. Поэтому на ряду с исследованием на релаксационных установках образцов в практике эксперимента достаточно широко распространены испыта ния на релаксацию напряжений болтов, шпилек, пружин и других деталей в специальных обоймах и приспособлениях.
Для испытаний образцов при растяжении применяются два типа устройств и установок, системы силонагружения которых различа ются по принципу поддержания постоянной деформации. Это устрой ства с замкнутым силовым контуром и установки с системами нагру жения компенсационного типа.
Типичная схема устройства с замкнутым силовым, контуром по казана на рис. 24, а. В жесткой раме 1 закреплен образец 2. В цепи
нагружения образца имеется упругое звено 3, деформация которого соответствует упругой деформации таких элементов силовой цепочки, как тяги, захваты и динамометр. Предварительная деформация сообщается образцу винтовой парой при завинчивании гайки 4. Как следует из соотношения (III.1), условия чистой релаксации в таком устройстве можно получить только в том случае, если жесткость уп ругого звена значительно больше жесткости образца. При этом упру гая деформация элементов системы замыкания должна быть пренеб режимо мала по сравнению с деформацией образца и в процессе
.релаксации напряжений обеспечивается постоянство полной дефор мации образца, а нарастание ее пластической составляющей происхо дит только за счет уменьшения собственно упругой деформации об разца.
Однако с использованием устройств такого типа практически не возможно воспроизвести явление релаксации в чистом виде. Это объясняется тем, что упругое звено нельзя выполнить абсолютно жестким с нулевой податливостью. Наименее жестким элементом в этом звене является динамометр, по изменению деформации чувстви тельного элемента которого определяются напряжения в образце. Приблизиться к условиям чистой релаксации с помощью устройств с замкнутым силовым контуром можно только при включении в их силовую цепь жесткого гидравлического звена. С учетом несжимае мости жидкости податливость нагружающей цепочки в этом случае будет намного меньше податливости образца и в процессе испыта ний получим характеристики релаксационной стойкости материала, близкие к характеристикам чистой релаксации при е = const (см. рис. 21, а).
Схема устройства с жестким гидравлическим звеном представ лена на рис. 24, б [26]. Силовая цепь образца 4 замыкается через мас сивные детали с малой податливостью: основание 1, колонны 2, ри гель 3 и тягу 5, перемещением которой с помощью гайки 10 образцу сообщается начальная деформация. Усилие от колонны к основанию передается через мембрану 7 и жидкостный динамометр 8, рабочий объем которого заполнен жидкостью и вкладышем температурного компенсатора 9. Герметизация динамометра осуществляется с по мощью прижимных фланцев 6. При вращении гайки образец нагру жается осевым усилием, значение которого определяется по показа ниям манометра 11. В процессе испытаний напряжения релаксируют, давление жидкости и показания манометра изменяются. Учитывая показания манометра, можно построить кривые релаксации. В отли чие от динамометров с электрическими параметрическими преобра зователями гидравлические динамометры характеризуются повышен ной жесткостью. Поскольку жесткость упругого звена в замкнутой силовой цепи определяется в основном жесткостью динамометра, то применение жидкостных динамометров при обеспечении малой подат ливости других силовых элементов цепи замыкания позволяет с ис пользованием принципиальной схемы, приведенной на рис. 24, а„ получать истипиые характеристики релаксационной стойкости ме таллов и сплавов.
тензометра или электроконтактного устройства 8. В процессе длитель ных испытаний, которые проводятся на базе до 5000 ч, пружинный элемент может сам релаксировать. Поэтому в некоторых установках нагружение образца производится с помощью подвешиваемого к ры чагу бункера, заполненного жидкостью, дробью или стальными ша риками. Периодическое изменение нагрузки осуществляется путем слива порций воды или выбрасывания дроби и шариков.
Образец периодически то несколько удлиняется, то укорачивается до исходных размеров. Этот процесс схематически сплошной линией показан на рис. 25, б, где штриховой линией показана идеальная кри вая, соответствующая условиям чистой релаксации.
В рассматриваемом случае уменьшение напряжения происхо дит ступенями и фактически вос производится не релаксация, а многоступенчатая ползучесть с убывающими напряжениями. Ве личина ступеней зависит от чувст вительности датчика деформации, инерционности используемой сис темы выработки команд управле ния и исполнительного органа. В современных электрогидравлических машинах с замкнутым конту ром регулирования осуществляет ся практически бесступенчатое уменьшение напряжений в образ це. В установках рычажного ти па достигнута также высокая чув ствительность системы компенса ции; срабатывание механизма раз грузки происходит при удлине нии образца не более чем на 0,01—
0,05 мм/мм, т. е. также имитируются условия испытаний, практичес ки близкие к условиям чистой релаксации. Следовательно, процесс релаксации при испытаниях на компенсационных установках пред ставляет собой последовательность процессов ползучести при сту пенчато убывающих нагрузках; и чем меньше ступень изменения нагрузки, тем больше схема эксперимента приближается к схеме
.чистой релаксации.
Рассмотренное нами оборудование позволяет исследовать релак сацию напряжений в условиях однородного напряженного состояния при растяжении. Испытания на релаксацию проводят также при из гибе и основным методом, который получил наибольшее распростра нение в отечественных лабораториях, является метод кольцевых об разцов Одинга [2, 3]. Суть этого метода заключается в следующем.
Кольцевой образец, выполненный в виде бруса равного сопротив ления изгибу (рис. 26, а), нагружается с помощью клина определен-
нЪй толщины, вставляемого в прорезь шириной 3 мм. Образец с кли ном помещается в нагревательное устройство и выдерживается в нем некоторое время. После заданной выдержки и удаления клина из прорези по увеличению ее ширины определяют релаксированное на пряжение. Преимущество этого метода перед другими заключается в простоте процедуры испытаний и в компактности самого нагружаю щего устройства, которым является непосредственно клин с образцом. Использование метода Одинга для исследования релаксацион ной стойкости материалов исключает применение сложных нагру жающих устройств и установок с замкнутым контуром регулирова ния. Однако его недостатки не менее существенны. Прежде всего, испытания с его использованием можно проводить только при упру гом деформировании материала при напряжениях, составляющих до 0,75 <Jo,2- При этом релаксированное напряжение из-за неоднород ности напряженного состояния определяется с большой погрешно стью. К недостаткам метода следует также отнести необходимость периодического извлечения клина из прорези для выполнения изме рений. Следовательно, материал образца подвергается термоцикли ческому воздействию и определяемые значения характеристик его релаксационной стойкости при таких испытаниях являются недоста точно достоверными.
Последний недостаток метода кольцевых образцов можно устра нить благодаря использованию схемы нагружения, аналогичной применяемой в установках компенсационного типа [23]. Принцип определения релаксирующих напряжений в этом случае основывается на поддержании постоянства ширины прорези расклиненного образца при длительных испытаниях. Кольцевой образец 1 нагружается спе циальным клином с диэлектрической прослойкой 6 (рис. 26, б). В зоне контакта клина и образца возникают опорные реакции, уменьшаю щиеся в процессе релаксации напряжений. Для их измерения и ис пользуется специальный клин, внешние пластины которого 4 и 5 выполнены из металла и соединены проводниками 7 с измерительным блоком 8. Электрическая цепь измерения замыкается через образец, который подвешен на тягах 2. К образцу через тяги прикладывается увеличивающаяся нагрузка, компенсирующая реакцию опор -до тех пор, пока значения нагрузки и реакции не уравняются. Этому момен ту соответствует размыкание электрической цепи в месте контакта об разца и клина. Сигнал о размыкании через измерительный блок 8
иблок управления 9 поступает на исполнительный механизм 3 для уменьшения нагрузки. При релаксации напряжений реакция опор, а значит, и изгибающий момент, в замкнутом кольцевом образце уменьшаются, происходят размыкание цепи и очередная разгрузка образца. Величина ступеней на кривой релаксации зависит от чувст вительности систем измерения и нагружения.
Рассмотренный способ испытаний позволяет выполнять измерения дистанционно, без извлечения образца из нагревательного устройства
ибез нарушения режима испытаний. Однако при этом метод Одинга теряет свое основное преимущество — простоту.