Особенности испытаний механических свойств

при низких температурах

Испытания при низких температурах более сложны, чем такие же испытания при комнатной температуре, так как необходимо захолаживание образцов с помощью холодильных камер и криостатов, использование специальных средств измерения температуры и деформации образцов с помощью специальных хладагентов:

Хладагент	Температуры кипения, К (°С)		Хладагент	Температуры кипения, К (°С)
Аммиак	239,8 К (-36 °С)		Азот	77,3 К (-195,8 °С)
Углекислый газ	194,6 К (-78,5 °С)		Неон	27,1 К (-245,9 °С)
Метан	111,7 К (-161,4 °С)		Водород	20,3 К (-252,7 °С)
Кислород	90,2 К (-193 °С) ^s		Гелий	4,2 К (-268,9 °С)
Аргон	87,3 К (-185,7 °С)

В качестве хладагентов в промышленности наиболее часто применяют:

1) твердую углекислоту (сухой лед) в смеси с денатуратом или этиловым спиртом – при проведении испытаний до 203 К (–70 °С), т.е. до температур климатического холода;

2) жидкий азот в чистом виде или его пары – при испытаниях до 77 К (–196 °С). Эти системы охлаждения сравнительно дешевы и удобны.

3) жидкие водород и гелий – при температурах ниже 77 К (–196 °С).

1. Статические испытания на растяжение

Необходимые температурные условия в образце при испытаниях создаются с помощью криостатов. По конструктивному признаку криостаты для испытаний на растяжение могут быть разделены на две группы:

1) Криостаты с двухсторонним вводом тяг представляют собой двухстенные ванны из латуни или аустенитной стали с войлочной или пенопластовой изоляцией. Их недостаток состоит в том, что выходящие из криостата две силовые тяги являются источником повышенных теплопритоков, приводящих к увеличенному расходу охлаждающей жидкости. Криостаты этого типа обычно применяют при испытаниях до 77 К (–196 °С).

2) Криостат реверсивного типа позволяет уменьшить теплопритоки. Нагрузка на образец создается с помощью опорной трубы, к которой крепится нижний захват образца, и расположенного внутри трубы подвижного штока, связанного с верхним захватом образца. Для усиления теплоизоляции применяют вакуумные рубашки и экраны, охлаждаемые жидким азотом.

2. Динамические испытания

Для проведения испытаний ударной вязкости при низких температурах также применяют копры двух типов:

1) копры, у которых система нагружения вынесена за пределы холодильной камеры (наиболее распространенный тип) – испытания при температуре до 20 К.

Чтобы обеспечить минимальную продолжительность от момента извлечения образца из термокамеры до проведения опыта, а также для поддержания постоянства температуры образца в течение этого времени его обматывают ватой, тонкой бумагой или поролоном. Для испытаний при температуре кипения жидкого водорода образец должен быть помещен в бумажный контейнер, в верхней части которого предусмотрена прорезь для заполнения его жидким хладагентом.

2) специальный пневматический копер, представляющий собой специальную установку с размещением системы нагружения внутри холодильной камеры, что гарантирует постоянство необходимой температуры испытания – для испытаний при 4 К.

После получения вакуума в двух полостях криостата в рубашку (двойные стенки) заливают жидкий азот, а рабочий объем криостата заполняют жидким гелием.

После разрушения образцы попадают в приемный бункер. В конце хода молот тормозится гидроамортизатором и автоматически быстро возвращается в исходное положение. Кассетное устройство позволяет при одной заливке хладагента испытывать 12 стандартных образцов.

Кроме копра, установка содержит пульт управления с регистрирующей аппаратурой, включающей осциллограф для записи диаграммы деформации.

Диаграммы деформаций при испытании каждого образца фотографируются с экрана осциллографа на чувствительную фотопленку. Работа разрушения определяется планиметрированием площади под кривыми деформации образцов. Диаграммы нагрузка – прогиб, полученные фотографированием с экрана осциллографа, позволяют определять работу зарождения и развития трещины.

3. Усталостные испытания

При температуре до 20 К. Нагружение производится по схеме поперечного изгиба консольно укрепленных вращающихся образцов круглого сечения. Нагружение осуществляется с помощью пневматического устройства, внутри которого находится герметичный сильфонный нагружающий узел. Усилие на образец передается от штока через рычаг и подшипник, установленный на хвостовой части образца. Заданное давление нагружения поддерживается автоматически редуцирующими устройствами. Также автоматически осуществляется регистрация и запись деформации образца. Температура образца измеряется термопарами. Количество циклов нагружения регистрируется механическим счетчиком, соединенным приводом с электродвигателем. При разрушении образца электродвигатель отключается.

При испытании строят кривую усталости - график, характеризующий зависимость между максимальными напряжениями цикла и долговечностью серии образцов, испытанных в заданных температурных условиях.

4. Определение вязкости разрушения методом акустической эмиссии

Для оценки ресурса конструкций криогенного назначения важно знать изменение вязкости разрушения материала при охлаждении до температур эксплуатации.

Основной проблемой при определении вязкости разрушения в криогенных условиях является фиксация старта трещины.

Метод акустической эмиссии основан на том, что рост трещины сопровождается ультразвуковыми колебаниями частотой около 1 МГц. Акустический сигнал от развивающейся трещины примерно на порядок превышает сигналы от пластической деформации.

Одновременно с определением суммы импульсов акустической эмиссией производится измерение раскрытия трещины и нагрузки на образец. Полученные кривые позволяют определить критическую нагрузку в момент старта трещины и критический коэффициент интенсивности напряжений.

Дата добавления: 2014-01-11