Автоматические промышленные средства испытания для определения динамической прочности материалов

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  НЕФТИ и ГАЗА

имени И.М.ГУБКИНА

 

 

 

 

Кафедра «Автоматизации технологических процессов»

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

на тему: «Автоматические  промышленные средства испытания для  определения динамической прочности  материалов»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка группы

                                                       Проверила: Салащенко В.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва

2011

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Ударная вязкость (ударная или динамическая прочность) — свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам. Испытания производят на приборах — копрах. Характеристикой этого свойства является работа, затраченная на разрушение стандартного образца (Дж), отнесенная к единице его объема (м³) или площади (м²).

При стандартных испытаниях, например, испытаниях на растяжение и  изгиб, материал поглощает энергию  медленно. Реально материалы очень часто быстро поглощают энергию приложенного усилия, например, усилия от падающих предметов, ударов, столкновений, падений и т.д. Целью испытаний на прочность при ударе является имитация таких условий.

Для исследования свойств  определенных образцов при заданных ударных напряжениях и для оценки хрупкости или ударной вязкости образцов применяются методы Изода и Шарпи. Результаты испытаний по этим методам не должны использоваться как источник данных для проектных расчетов компонентов. Информация о типовых свойствах материала может быть получена посредством испытания разных типов испытуемых образцов, приготовленных в различных условиях, с изменением радиуса надреза и температуры испытаний.

Испытания по обоим методам  проводятся на ударном маятниковом  копре. Образец зажимают в тисках, а маятниковый копер с закаленной стальной ударной поверхностью определенного радиуса отпускают с заданной высоты, что вызывает срез образца от резкой нагрузки. Остаточная энергия маятникого копра поднимает его вверх. Разность высоты падения и высоты возврата определяет энергию, затраченную на разрушение испытуемого образца. Эти испытания могут проводиться при комнатной температуре либо при пониженных температурах для определения хладноломкости. Испытуемые образцы могут быть разными по типу и размерам надрезов.

Результаты испытаний  на удар падающим грузом, например, по методу Гарднера или изогнутой плитой, зависят от геометрии падающего  груза и опоры. Их можно использовать только для определения относительного ранжирования материалов. Результаты испытаний на удар не могут считаться абсолютными, кроме случаев, когда геометрия испытательного оборудования и образца соответствуют требованиям конечного применения. Можно ожидать, что относительное ранжирование материалов по двум методом испытаний будет совпадать, если характер разрушения и скорости удара одинаковы.

Обычно оценивается  работа до разрушения или разрыва  испытываемого образца при ударной  нагрузке, отнесённой к площади его  сечения в месте приложения нагрузки. Выражается в Дж/м² или в кДж/м².

 

 

 

Классификация методов измерения, анализ влияния  факторов на измерение

 

Для оценки свойств материала  при динамических нагрузках недостаточно механических характеристик, определяемых при статических испытаниях. При  больших скоростях нагружения, например, при ударе, увеличивается опасность хрупкого разрушения. Эта опасность особенно возрастает при наличии в детали различного рода надрезов – отверстия, галтели, канавки и пр., которые вызывают концентрацию напряжений – неравномерное распределение напряжений. Надрез позволяет сосредоточить всю деформацию, поглощающую удар в одном месте. Кроме того, наличие надреза ставит материал в более тяжелые условия работы, т.к. надрез значительно ослабляет сечение и вызывает повышение напряжении от изгиба - вблизи дна надреза эти напряжения резко возрастают из-за концентраций напряжений.

В настоящее время  применяют испытания на ударный  изгиб образцов с концентраторами. Образцы устанавливают на двух опорах и подвергаются воздействию ударной  нагрузки падающего маятника. Разрушение происходит в плоскости надреза и его размеры влияют на склонность материала к хрупкому разрушению. Испытания на ударный изгиб регламентированы ГОСТ 9454-78, который предусматривает использование 20 типов образцов, различающихся как собственными размерами, так и размерами концентраторов при трех видах надрезов.

Работа удара. Работу удара обозначают буквами (KU, KV или KT) и цифрами. Первая буква – обозначает символ работы удара, вторая – вид концентратора. Последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Например,       KV^-40 50/2/2 – работа удара, определенная на образце с концентратором вида V при температуре минус 40⁰С. Если испытания проводятся при комнатной температуре, то ее в обозначении не проставляют.

Принципиальная схема  маятникового копра. Копер состоит из чугунной станины в виде массивной плиты 2 с двумя вертикальными колонами 3. В верхней части колонн на горизонтальной оси подвешен укрепленный в шарикоподшипниках маятник с грузом в виде стального плоского диска с вырезом 5, в котором закреплен стальной закаленный нож, служащий бойком при испытании. Внизу на уровне вертикально висящего маятника к колоннам станины прикреплены две стальные закаленные опоры 10, на которые помещают испытываемый образец 11. Под опорами между колоннами проходит тормозной ремень 12, который, прижимаясь к маятнику, качающемуся после удара, вызывает его торможение. Тормозной ремень приводится в действие или вручную специальной рукояткой 1 или автоматически.

 

 

Маятниковый копер МК-15 и МК-30

 

Перед испытанием маятник  поднимают на исходную высоту и удерживают его в этом положении защелкой 6. При испытании образец освобождается  от защелки 6, падая, ударяет образец, разрушает его и взлетает на некоторый угол, которым и определяется работа, затраченная на разрушение образца. Определение угла взлета маятника производится следующим образом. Стрелка 8, насаженная на оси маятника, свободно, но с некоторым трением в момент удара упирается в упор 7 у нулевого деления шкалы 9. При взлете маятника стрелка остается неподвижной, а при обратном движении маятника, двигаясь, вследствие трения, вместе с маятником, показывает угол взлета маятника в градусах.

В копре на оси маятника жестко закреплен поводок 9. При прямом и обратном движении маятника поводок увлекает за собой соответственно одну или другую стрелку шкалы 10 и оставляет их в положении, фиксирующем работу (энергию) маятника до и после удара.

Максимальная энергия маятника должна быть такой, чтобы значение работы удара составляло не менее 10% от максимально энергии удара применяемого маятника. Скорость движения маятника в момент удара, погрешность градуировки, требования к термостатам, обеспечивающим равномерное охлаждение или нагрев образца, и термометры для измерения температуры контрольных образцов также регламентированы в ГОСТе.

Инклинометры — датчики  угла наклона — применяются в  различных системах управления, в  которых движущийся объект изменяет свое угловое положение относительно линии горизонта (стрелы машин и механизмов, манипуляторы и пр.). Обеспечивают угловое разрешение 0,01° в температурном диапазоне от –40 до +105 °C. В нижней части резервуара, частично наполненного электропроводящей жидкостью, размещены электроды, располагаемые параллельно к оси наклона датчика. При подаче переменного напряжения на оба электрода генерируется распределенное электромагнитное поле. Снижение уровня жидкости, возникающее при наклоне датчика, вызывает «стягивание» (редуцирование) такого поля. Это, в свою очередь, вызывает пропорциональное уровню жидкости изменение электрического сопротивления электролита с постоянной электропроводностью. Благодаря дифференциальному принципу измерений с двумя парами электродов на выходе датчика обеспечивается знакозависимый сигнал, пропорциональный углу наклона (рис).

 

Принципиальная схема  инклинометра

 

Работа, затраченная маятником  на удар, в зависимости от угла наклона: , где R – длина маятника (расстояние от центра тяжести маятника до его оси вращения).

Маятниковые копры бывают ручного действия и автоматические.

Копер ручного действия оснащен системой с аналоговой шкалой, градуированной в джоулях. Подъем маятника на пусковое устройство и запуск осуществляются вручную. Копер комплектуется сменными опорами для установки образцов и шаблонами для их центрирования. Комплектность поставки по видам испытаний и по набору типоразмеров маятников определяются заказчиком.

Маятниковый копер предназначен для измерения энергии разрушения образцов при их испытаниях. Маятниковый копер используется для испытания металлов и их свойств. Механические испытания, проводимые с помощью копра, позволяют исследовать механические свойства материалов. Маятниковый копер применяется для исследования механических свойств металлов и сплавов при ударном изгибе при отрицательных температурах. Принцип действия копра основан на измерении количества энергии, затраченной на разрушение образца единичным ударным нагружением. Маятниковый копер с компьютерным управлением серии JB-W обеспечивает расчет результата с помощью установок компьютерной программы и вывод численного значения на монитор ПК. Маятниковый копер серии JB для испытания металлов по методу Шарпи спроектирован и изготовлен в соответствии со стандартами ISO148-2-1998, ASTM-E23-98 и GB/T 3808-22-002. Маятниковый копер серии XJU используется для испытаний по методу Изода неметаллических материалов. Копер XJU применяется для проведения исследований по определению сопротивления ударному воздействию таких материалов как высокопрочный пластик, керамика, закаленное стекло и т.д. Данный маятниковый копер предназначен для использования в научно-исследовательских институтах, лабораториях.

Существующие методы измерения отличаются по:

- способу закрепления  образца на испытательном стенде;

- способу приложения  нагрузки - падающая гиря, маятник,  молот;

- наличию или отсутствию  надреза в месте приложения  удара.

 

Маятниковый копер JBW150

 

 

Маятниковые копры серии JBW предназначены для измерения энергии разрушения образцов при испытаниях на двухопорный ударный изгиб и применяются в лабораторной практике для исследования механических свойств металлов и сплавов в различных отраслях промышленности.

Принцип действия копра  основан на измерении количества энергии, затраченной на разрушение образца единичным ударным нагружением. Количество энергии определяется как разность между значениями потенциальной энергии маятника копра до удара, и после разрушения образца.  
         В зависимости от модификации копра на маятник могут устанавливаться съмные молоты, входящие в комплект поставки, что обеспечивает получение номинальной потенциальной энергии маятников, например, на копре JBW-300 в 150 и 300 Дж.

Копер с компьютерным управлением JBW оснащен устройством измерения сигнала с оптико-электрическим преобразователем, который обеспечивает расчет результата с помощью установок компьютерной программы и вывод  численного значения на монитор ПК, с возможностью его дальнейшего сохранения и печати. Копер может управляться как с пульта  управления, так и при помощи компьютерной программы копры JBW. 

Основные технические  характеристики 

Энергия удара	150Дж
Угол подъема	150 0°
Скорость удара	5,2 м/с
Расстояние между опорами образца	40мм
Радиус закругления опор	1,0мм - 1,5мм
Радиус закругления ножа маятника	2,0мм – 2,5мм
Угол ножа маятника	30°
Габаритные размеры копра, мм: - высота - ширина - длина	2124 600 1340
Масса копра, кг, не более	450
Напряжение питания, В	3 фазы, 380 В, 50 Гц или 220 В 60 Гц

Неразрушающие методы и приборы

 

Методы неразрушающего контроля основываются на наблюдении, регистрации и анализе результатов  взаимодействия физических полей (излучений) или веществ с объектом контроля, причем характер этого взаимодействия зависит от химического состава, строения, состояния структуры контролируемого объекта и т.п.

Все методы неразрушающего контроля являются косвенными методами. Настройка, калибровка должны осуществляться по контрольным образцам, имитирующим измеряемый физический параметр. Метода, который бы мог обнаружить самые разнообразные по характеру дефекты, нет. Каждый отдельно взятый метод НК решает ограниченный круг задач технического контроля.

Выбор оптимального метода неразрушающего контроля следует осуществлять исходя из его: реальных особенностей; физических основ; степени разработки; области применения; чувствительности; разрешающей способности; технических условий отбраковки; технических характеристик аппаратуры.

Измерительная система  средств неразрушающего контроля должна быть скомплектована из прибора, преобразователя и контрольного образца. Раскомплектовка измерительной системы недопустима и ведёт к изменению метрологических характеристик. Важной характеристикой любых методов неразрушающего контроля является их чувствительность. Чувствительность - выявление наименьшего по размерам дефекта; зависит от особенностей метода неразрушающего контроля, условий проведения контроля, материала изделий. Удовлетворительная чувствительность для выявления одних дефектов может быть совершенно непригодной для выявления дефектов другого характера. Чувствительность методов неразрушающего контроля к выявлению одного и того же по характеру дефекта различна. При определении предельно допустимой погрешности выбранного метода неразрушающего контроля следует обязательно учитывать дополнительные погрешности, возникающие от влияющих факторов: