Установка для определения механических напряжений в образце конструкционного материала

УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБРАЗЦЕ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Серебренников Владимир Леонидович, Демченко Игорь Иванович, Мигунов Виталий Иванович, Серебренников Андрей Владимирович (RU) Пономарева Л.В. (RU) В изобретении предлагается установка для определения механических напряжений в конструкционных материалах. Сущность заключается в том, что установка для определения механических напряжений в образце конструкционного материала содержит корпус, заполненный иммерсионной жидкостью, акустическое фокусирующее устройство в виде пары акустических двояковогнутых линз, взаимодействующее с ультразвуковым преобразователем, и блок приема информации с регистрирующими датчиками, при этом внутри корпуса на противоположной стороне от блока приема информации расположен элемент крепления в виде пресса для исследуемого образца с возможностью создания в нем механических напряжений, а в торце исследуемого образца установлен ультразвуковой преобразователь с возможностью пропускания ультразвуковых колебаний вдоль исследуемого образца, на котором установлен сферический элемент, в направлении фокусирующего устройства, сверху на корпусе установлена съемная крышка, на которой с внутренней стороны расположены регулируемые акустические линзы,при этом блок приема информации снабжен конусом, закрепленным на крышке корпуса, с возможностью перемещения и регулирования расстояния между регистрирующими датчиками. Технический результат: обеспечение возможности определения механических напряжений с более высокой точностью, а также упрощение конструкции.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU) Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения напряженного состояния различных материалов, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации. Известно устройство для ультразвукового контроля, содержащее привод, кинематически связанный между собой корпус и обойму, ультразвуковой искатель, выполненный с функцией излучения и приема,установленный на обойме, с возможностью расположения его излучающей части в контактной жидкости,причем оно дополнительно снабжено подъемником, гибкой трубкой, ванной и емкостью для хранения контактной жидкости, при этом полости ванны и емкости соединены между собой гибкой трубкой, а емкость установлена на подъемнике с возможностью перемещения в два крайних положения, одно из которых расположено ниже уровня дна ванны, а другое положение - выше уровня дна ванны. Корпус устройства снабжен присоединительными элементами для закрепления его на контролируемом изделии, а привод вращения закреплен на обойме. Корпус соединен с ванной, а привод вращения обоймы закреплен на корпусе [патент РФ 2253110, МПК G01N 29/04, 2003 г.]. Применение известного устройства для ультразвукового контроля изделий характеризуется сложностью конструкции и невысокой точностью определения внутренних напряжений, необходимых при экспериментальных исследованиях. Наиболее близким к предполагаемому изобретению является устройство для ультразвуковой диагностики внутренних структур объекта, содержащее корпус, заполненный жидкостью, акустическое фокусирующее устройство, например линзу, преобразователь ультразвуковой энергии, к которому подключен блок возбуждения и блок приема и обработки информации, причем акустическое фокусирующее устройство и преобразователь вмонтированы в корпус и расположены на установленном расстоянии по отношению друг к другу, причем оно снабжено системой угловой ориентации ультразвукового луча относительно оси акустического фокусирующего устройства, устанавливаемого неподвижно относительно контролируемого объекта [патент СССР 860717, МПК G01N 29/04, 1981 г.]. Применение известного устройства также сложно в эксплуатации и обладает невысокой точностью определения внутренних напряжений, необходимых при экспериментальных исследованиях. Задачей предлагаемого экспериментального устройства является простота конструкции и определение с более высокой точностью механических напряжений в конструкционном материале. Достигается это тем, что установка для определения механических напряжений в образце конструкционного материала, содержащая корпус с крышкой, заполненный иммерсионной жидкостью, внутри которого последовательно расположены элемент крепления в виде пресса для создания в исследуемом образце механических напряжений, акустическое фокусирующее устройство в виде пары акустических двояковогнутых линз, расположенных на общей главной акустической оси и закрепленных на внутренней стороне крышки с возможностью независимого перемещения вдоль указанной оси, и блок приема информации с акустического фокусирующего устройства, выполненный с возможностью регулирования положения по высоте и снабженный регистрирующими датчиками и конусом, закрепленным на крышке корпуса с возможностью вертикального перемещения для регулирования расстояния между регистрирующими датчиками в поперечном направлении корпуса, а также установка содержит ультразвуковой преобразователь, прикрепляемый к исследуемому образцу, располагаемому на главной акустической оси,и генерирующий в нем импульсы ультразвуковых колебаний вдоль оси приложения механического напряжения, и сферический элемент, устанавливаемый на исследуемый образец со стороны акустического фокусирующего устройства с возможностью перемещения вдоль исследуемого образца и пропускания ультразвуковых колебаний в направлении акустического фокусирующего устройства, причем ось приложения механического напряжения к исследуемому образцу перпендикулярна общей главной акустической оси. Регистрирующие датчики блока приема информации, в частности пьезоэлектрические датчики,подпружинены со стороны боковых поверхностей блока. Между регистрирующими датчиками блока приема информации расположена конусная выемка для взаимодействия с конусом. Одна вогнутая сторона каждой линзы выполнена гладкой, а другая - рифленой, причем линзы обращены друг к другу рифлеными сторонами. Выполнение различных внутренних и наружных поверхностей линз (гладких снаружи и рифленых внутри) обеспечивает устранение искажения оптической системой астигматизма. Наличие двух регулируемых акустических двояковогнутых линз позволяет повысить точность определения механических напряжений в исследуемом конструкционном материале. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен внешний вид установки по определению механических напряжений в конструкционных материалах; на фиг. 2 - вид сбоку на установку; на фиг. 3 - крышка установки с размещенными на ней акустическими двояковогнутыми линзами и двумя регистрирующими пьезоэлектрическими датчиками; на фиг. 4 - блок приема информации, разрез А-А фиг. 2. Установка для определения механических напряжений в конструкционном материале содержит корпус 1 с иммерсионной жидкостью. В корпусе находится элемент крепления в виде пресса 2 для создания сжимающих и растягивающих усилий на исследуемом конструкционном материале 3, расположенном в горизонтальной плоскости. На торцовой поверхности исследуемого конструкционного материала установлен ультразвуковой преобразователь 4 с возможностью пропускания ультразвуковых колебаний вдоль исследуемого конструкционного материала, а также сферический элемент 5, изготовленный из материала исследуемого конструкционного материала. Сферический элемент обращен полусферой к акустическим двояковогнутым линзам 6 и 7 с возможностью перемещения его вдоль исследуемого конструкционного материала и пропускания ультразвуковых колебаний в направлении акустических двояковогнутых линз. Центры этих линз расположены на одной общей главной акустической оси 8. Акустические двояковогнутые линзы 6 и 7 с одной стороны имеют гладкую поверхность, а с другой стороны рифленую и расположены рифленой поверхностью друг к другу, а гладкой поверхностью обращены наружу. Линзы 6 и 7 закреплены на крышке 9 установки с возможностью перемещения вдоль общей главной акустический оси посредством регулировочных винтов 10, 11, втулок 12, 13 и ручек управления 14 и 15, доступ к которым обеспечивается через окно 16. С другой стороны линз относительно исследуемого конструкционного материала, также на крышке, установлен блок приема информации, включающий регистрирующие пьезоэлектрические датчики 17 и 18. Перемещение обоих датчиков 17 и 18 вдоль общей главной акустической оси линз 8 обеспечивается тягой 19 с ручкой управления 20. Перемещение обоих датчиков 17 и 18 вверх или вниз осуществляется тягами 21 и 22 с ручками соответственно 23 и 24. Для перемещения датчиков 17 и 18 относительно друг друга в поперечном, относительно общей главной акустической оси линз, горизонтальном направлении предусмотрена ручка 25 с тягой 26, снабженной на конце конусом 27, сжимающим пружины 28 и 29. Для слива иммерсионной жидкости в нижней части корпуса имеется сливное отверстие 30, закрываемое пробкой. Установка для определения механических напряжений в конструкционных материалах работает следующим образом. В корпус 1 наливают иммерсионную жидкость таким образом, чтобы при закрывании крышки 9 скрылись акустические двояковогнутые линзы 6 и 7. Помещают исследуемый конструкционный материал 3 в элемент крепления - пресс 2 и создают либо растягивающие, либо сжимающие напряжения. К торцу исследуемого конструкционного материала присоединяют ультразвуковой преобразователь 4 таким образом, чтобы пропускать ультразвуковые колебания вдоль исследуемого конструкционного материала 3. На исследуемый конструкционный материал со стороны акустических двояковогнутых линз устанавливают сферический элемент 5 с возможностью перемещения его вдоль исследуемого конструкционного материала и пропускания ультразвуковых колебаний в направлении акустических двояковогнутых линз. Закрывают крышку 9 с установленными акустическими двояковогнутыми линзами 6 и 7 на ее внутренней поверхности. Необходимо, чтобы центры этих линз находились на одной общей главной акустической оси 8. Причем акустические двояковогнутые линзы расположены рифленой поверхностью друг к другу, а гладкой поверхностью обращены наружу. Регулируют положение линзы 6 на общей главной акустической оси 8 с помощью регулировочного винта 10 и ручки управления 14 через окно 16. Втулка 12, находящаяся в линзе 7, обеспечивает передачу вращающего момента винта 10, не передвигая линзу 7. Затем регулируют положение линзы 7 на общей главной акустической оси 8 с помощью регулировочного винта 11 и ручки управления 15 через окно 16. Втулка 13, находящаяся в линзе 6, обеспечивает передачу вращающего момента винта 11, не передвигая линзу 6. Положение датчиков 17 и 18 блока приема информации регулируют вдоль общей главной акустической оси линз 8 тягой 19 с ручкой управления 20. Перемещение обоих датчиков вверх или вниз осуществляется тягами 21 и 22 с ручками управления, соответственно 23 и 24. Перемещение датчиков в поперечном, относительно общей главной акустической оси линз 8, горизонтальном направлении осуществляется ручкой 25, которая тягой 26 передвигает конус 27 вниз или вверх в конусной выемке, сжимая или разжимая пружины 28 и 29. При этом датчики 17 и 18 перемещаются относительно друг друга в поперечном, относительно общей главной акустической оси линз 8, горизонтальном направлении. Импульсы ультразвуковых колебаний в исследуемом конструкционном материале 3 генерируют ультразвуковым преобразователем 4 и пропускают в направлении, перпендикулярном общей главной акустической оси 8 линз 6 и 7. Импульсы ультразвуковых колебаний рассеиваются внутренними напряженными областями исследуемого конструкционного материала 3, находящимися в фокальной плоскости первой линзы 6. Сферический элемент 5, изготовленный из того же материала, что и исследуемый конструкционный материал, уменьшает углы преломления ультразвуковых колебаний на поверхности исследуемого конструкционного материала 3, при этом получаемые ультразвуковые эхосигналы проходят через сферический элемент 5. Ультразвуковые эхосигналы пропускают через первую 6 и вторую 7 линзы, расположенные в иммерсионной жидкости. Перемещают вторую линзу 7 вдоль общей главной акустической оси 8 так, чтобы на ее фокальной плоскости находились регистрирующие пьезоэлектрические датчики 17 и 18. В жидкости могут распространяться только продольные волны. Поэтому пьезоэлектрические датчики 17 и 18 регистрируют эхосигналы от продольной ультразвуковой волны. Промежуток времени между ультразвуковыми эхосигналами измеряют с помощью электронного устройства(на чертеже не показано). По времени прохождения ультразвукового импульса между двумя напряженными областями исследуемого конструкционного материала вычисляют скорость продольной ультразвуковой волны и определяют внутреннее механическое напряжение. После проведения экспериментов иммерсионную жидкость сливают через отверстие 30 в днище корпуса. Применение предлагаемой установки по определению механических напряжений в конструкционных материалах, отличающейся простотой конструктивного исполнения и настройки, позволит с более высокой точностью определять внутреннее механическое напряжение в различных образцах конструкционных материалов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Установка для определения механических напряжений в образце конструкционного материала,содержащая корпус с крышкой, заполненный иммерсионной жидкостью, внутри которого последовательно расположены элемент крепления в виде пресса для создания в исследуемом образце механических напряжений, акустическое фокусирующее устройство в виде пары акустических двояковогнутых линз, расположенных на общей главной акустической оси и закрепленных на внутренней стороне крышки с возможностью независимого перемещения вдоль указанной оси, и блок приема информации с акустического фокусирующего устройства, выполненный с возможностью регулирования положения по высоте и снабженный регистрирующими датчиками и конусом, закрепленным на крышке корпуса с возможностью вертикального перемещения для регулирования расстояния между регистрирующими датчиками в поперечном направлении корпуса, а также установка содержит ультразвуковой преобразователь,прикрепляемый к исследуемому образцу, располагаемому на главной акустической оси, и генерирующий в нем импульсы ультразвуковых колебаний вдоль оси приложения механического напряжения, и сферический элемент, устанавливаемый на исследуемый образец со стороны акустического фокусирующего устройства с возможностью перемещения вдоль исследуемого образца и пропускания ультразвуковых колебаний в направлении акустического фокусирующего устройства, причем ось приложения механического напряжения к исследуемому образцу перпендикулярна общей главной акустической оси. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что регистрирующие датчики блока приема информации, в частности пьезоэлектрические датчики, подпружинены со стороны боковых поверхностей блока. 3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что между регистрирующими датчиками блока приема информации расположена конусная выемка для взаимодействия с конусом. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что одна вогнутая сторона каждой линзы выполнена гладкой, а другая - рифленой, причем линзы обращены друг к другу рифлеными сторонами.