Усовершенствованное устройство для испытаний материалов на растяжение при высоких гидростатических давлениях

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

82

УДК 620.172,  620.17.05 
DOI 10.12737/8146 

УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ 

МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ ПРИ ВЫСОКИХ 

ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЯХ 

Федоров Анатолий Александрович (профессор, д.т.н.),    

Беспалов Александр Владимирович (доцент, к.т.н.),   

Комаров Роман Сергеевич   (студент) 

ФГБОУ ВПО  "МАТИ – Российский  государственный  

технологический университет   имени  К.Э. Циолковского" 

121552, г. Москва,  Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53.  Е-mail: tomd@mati.ru 

 

Изучается устройство для испытаний материалов на растяжение при высоких 

гидростатических давлениях. Рассматриваются вопросы прецизионного нагрева об
разцов с одновременным безинерционным контролем температуры. 

 

Основными требованиями, положенными в основу создания 

устройств для испытаний материалов явились постоянство напряженного 

состояния и сохранение монотонности деформации в течение всего опыта, 

высокая точность определения деформированного состояния в месте раз
рушения, простота и удобство реализации испытания при высоком гидро
статическом давлении, обеспечивающие изменение показателя напряжен
ного состояния коэффициента Лоде в диапазоне, достаточном для анализа 

различных видов обработки металлов давлением. 

Принцип работы устройства состоит в следующем (рис. 1) [1] иссле
дуемый образец 5 ввертывают во вспомогательную заготовку 7 и на  верх
ний конец образца навертывают упорную шайбу 4. В контейнере 2 уста
навливают стакан 6, который нижней кромкой опирается на матрицу 8. За
тем в контейнере размещают испытуемый образец с вспомогательной заго
товкой и упорной шайбой так, чтобы заготовки попадали в коническую 

часть матрицы. 

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

83

Контейнер заполняют рабочей жидкостью 3 и вводят уплотненный 

пуансон 1, перемещение которого под действием внешней силы обеспечи
вает повышение давления рабочей среды в контейнере. 

По достижении в контейнере необходимого давления начинается ис
течение заготовки 7. При постоянном ее диаметре деформация образца 

вплоть до его разрушения протекает при постоянном гидростатическом 

давлении, чего весьма сложно достичь на установках других конструкций. 

Рис. 1. Схема устройства для испытаний материалов на рас
тяжение [1]. 

 

Данное устройство позволяет регулировать скорость деформации 

образца и, в частности, обеспечить ее постоянство. С этой целью вспомо
гательную заготовку выполняют с переменным диаметром по  длине рабо
чей части.  Материал контейнера, стакана и матриц – сталь марок 3Х2В8Ф, 

Р6М5, пуансона – Р18. Твердость после термообработки соответственно 

48-52, 58-60, 60-62 HRC.  

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

84

 Для испытаний при высоких температурах в качестве рабочей среды 

использовали квазижидкие среды на основе графитомаслянных и стекло
графитовых составов. 

Достоверность результатов испытаний зависит не только от преиму
щества принципов, заложенных в конструкцию устройства,  но и в значи
тельной мере от техники эксперимента, его приборного оснащения и обра
ботки экспериментальных данных. 

Для поддержания заданной температуры испытаний в пределах ±1º 

устройство снабжено двухступенчатой системой регулирования и замера 

температуры. Первая ступень включает обогрев контейнера высокого дав
ления и состоит из кольцевой электропечи с терморегулятором Ф-30, обес
печивающим (без второй ступени) перепад температуры в рабочем про
странстве ±5º. Вторая ступень представляет собой резистивный нагрева
тель – термопару, принцип работы которой для обеспечения испытаний 

при высоких гидростатических давлениях состоит в следующем (рис. 2). 

Спираль 2 диаметром 2,0x10 -2 м из сваренных между собой проволок Pt и 

Pt + 10 % Rh диаметром 5,0х10 -4 м намотана на изолированную внешнюю 

поверхность стакана и окружена слоем термоизоляции. Сформированный 

таким образом нагреватель – термопара подсоединяется к вакуумплотным 

электрическим вводам 3, находящимся внутри контейнера. К этим же вво
дам с внешней стороны контейнера через механический прерыватель 4 по
переменно, с частотой 25-40 Гц подключается источник напряжения 5 и 

прибор, регистрирующий э.д.с. термопары 6. 

При напряжении 18В и величине тока 7,6 А температура нагревате
ля-термопары составляет 1323 К. За промежуток времени, когда не пода
валось напряжение, температура нагревателя-термопары понижалась ме
нее чем на 0,1º. К достоинствам использованной схемы следует отнести 

отсутствие искажения теплового поля, обычно вносимое термодатчиками, 

возможность практически точного и безинерционного измерения и вос

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

85

произведения температуры и наличие всего  одного термоизолированного 

уплотнения в контейнере высокого  давления за счет исключения необхо
димости ввода термодатчика. 

 
Рис.2. Схема прецизионного нагрева образцов с одновременным безинерци
онным контролем температуры, записи и обработки статических и ки
нематических параметров испытаний. 

 

Для измерения гидростатического давления в контейнере, силовых и 

кинематических параметров нагружения образца устройство оснащено 

специальными датчиками. Сигналы от датчиков давления 1,  перемещения 

7, пройдя через сопротивление 8 и манганиновый монометр 9, поступают в 

систему сигнал-код 10 и микропроцессор 11 для расчета и выдачи на пе
чать параметров напряженного и деформированного состояния образца 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

86

при испытании с последующей статистической обработкой эксперимен
тальных данных для построения диаграмм сопротивления деформации и 

объемных диаграмм пластичности. 

При внутреннем диаметре контейнера 3,0 × 10-2 м описанная кон
струкция устройства позволила создать давление рабочей среды в контей
нере до 2,0 ×103  МПа с помощью гидравлического пресса усилием 1,6 

МН. Величина давления рабочей среды в контейнере варьируется с помо
щью выбора материала вспомогательной заготовки и степени деформации. 

Для испытаний применяли гладкие образцы с длиной рабочей части 

до 20 мм и исходным диаметром d0 до 5 мм. Λ  и G/T определяли по зави
симостям: 

                                Λ =2 3  ln

k
d
d 0 ;     µσ = -1                                      (1) 
 

Τ
σ = 

3

1  (1+ 4
3

ш
R
d k  (Λ)) - 
)
(

3

Λ
s

p

σ
                                   (2) 

Так как в процессе испытания происходят изменения параметра 

dĸ/Rш и Gs, то для определения среднего значения G/T за процесс испыта
ния необходимо знать функции dk/Rш(Λ) и Gs (Λ). Для определения 

dk/Rш(Λ) нами использована номограмма П. Бриджмена, а для определе
ния вида зависимости Gs (Λ) использованы результаты экспериментов на 

сжатие при высоких гидростатических  давлениях. 

 

Библиографический список 

1.  Колпашников А.И., Вялов В.А., Федоров А.А. Устройство для ис
пытаний образцов на разрыв при высоких гидростатических давлениях. 

Авторское свидетельство.   №  777 543,  1980. 

2.  Бриджмен П.   Исследование больших пластических деформаций 

и разрыва: Влияния высокого гидростатического давления на механиче
ские свойства материалов.  М., 2010.