Специальные решения для исследований и разработок

Наряду с решениями по спецификации заказчиков, разрабатываемыми в сотрудничестве с соответствующими институтами, программа фирмы ZwickRoell содержит также большое количество стандартизированных решений, созданных специально для сферы исследований. Главным пожеланием ученых к испытательной машине является ее универсальность. В исследовательской повседневности постоянно возникают новые требования к испытаниям, которые по возможности следует выполнять с помощью существующего парка оборудования.

При этом особое значение имеют интерфейсы системы. С одной стороны, все время появляются новые датчики, показания которых должны регистрироваться вместе с измерительными сигналами машины. С другой стороны, должна существовать возможность простой обработки полученных данных: напрямую в программном обеспечении testXpert III или посредством простого экспорта в соответствующую программу анализа.

Отраслевая брошюра: Академия PDF 4 MB
- DE
- EN

1. Интеграция тензометрических датчиков (DMS)

В принципе синхронная по времени регистрация всех сигналов (усилия, деформации или удлинения) одним DMS является элементарной технической необходимостью.

Для эксплуатации тензометрических датчиков фирма ZwickRoell предлагает 2 варианта.

Прямое подключение к измерительной, управляющей и регулирующей электронике testControl

Для этого через внешнюю соединительную коробку реализуется дополнение моста Уитстона, подключающее различные типы датчиков DMS (120Ω, 350Ω и т.д.) к испытательной системе. В этой схеме DMS можно подключать посредством 4- или 6-проводной техники. Также возможна температурная компенсация. Можно подключать до 4 каналов DMS, в зависимости от оснащения электроники testControl.

Привязка через усилитель измерения HBM

С помощью прибора HBM MGC+ или QuantumX можно просто увеличивать количество точек измерения посредством специального механизма синхронизации. При этом измеренные значения также синхронно по времени регистрируются с измерительными сигналами испытательной машины, но не могут быть использованы для регулирования.

2. Специальные функции testXpert III

В течение лет в программное обеспечение testXpert III интегрируется все больше функций, важных специально для исследователей. Ниже приведено лишь малое количество таких функций.

к ПО testXpert III

ZIMT

ZIMT (ZwickRoell Interpreter for Materials Testing) представляет собой универсальный язык программирования, с помощью которого в testXpert III можно получить доступ ко всем измеренным данным и функциям. При этом можно просто создавать собственные расчеты, изображения или макро-функции. Встроенный редактор с функцией синтаксического выделения и контекстно-зависимой функцией помощи оказывает необходимую поддержку.

Графический редактор испытаний

Особенно в области исследований часто необходима возможность свободного программирования процессов испытаний. Графический редактор испытаний testXpert III представляет собой в высшей степени универсальный инструмент для этого. На графической поверхности составляйте желаемый процесс испытания с помощью простых функциональных блоков.

Синхронизированная видеосъемка

Испытание можно регистрировать с помощью обычной видеокамеры. Затем видеофрагменты синхронизируются с измеренными данными испытательной машины. Теперь в testXpert III можно воспроизводить видео, в то же время в специальном графике будут синхронно выделяться измеренные данные к видеофрагментам. С помощью этой функции можно легко объяснять этапы испытания в аудитории. Кроме этих простых видеокамер можно также синхронно подключать и специальные камеры (например, высокоскоростные или термические), что позволит проводить совсем иные анализы. Эта технология может применяться, помимо всего прочего, в инструментированном маятниковом копре вместе с высокоскоростной камерой.

3. Высокотемпературные испытания

Большая часть усилий по уменьшению выбросов CO2 идет, кроме всего прочего, на повышение эффективности известных ранее тепловых двигателей. Чтобы этого добиться, следует увеличить температуру в камере сгорания, что требует наличия новых материалов / новых требований при повышенной температуре.

При разработке новых технологий силовых станций, будь то A-USC (Advanced UltraSupercritical) Power Plants или новые ядерные реакторы, решающим является точное знание высокотемпературных характеристик. По этой причине все больше испытаний проводится при высоких температурах. Актуальные стандарты для высокотемпературных испытаний: ISO 6892-2 и ASTM E21.

На фирме ZwickRoell есть собственный экспертный центр, который занимается этими вопросами. Обычно температура испытания доходит до 1.200 °C, в вакууме или в среде инертного газа - гораздо выше. Одним из требований при проведении высокотемпературных испытаний является прямое измерение деформации/удлинения.

Здесь специалисты фирмы ZwickRoell уже многие годы используют оптимизированный для высоких температур датчик laserXtens, который может легко бесконтактно измерять деформацию на образце через окошко в стенке высокотемпературной печи.

к высокотемпературным испытательным системам

Датчик laserXtens 2-120 HP/TZ с высокотемпературной печью для измерения деформации при испытаниях на растяжение с повышенной температурой

Высокотемпературная печь с датчиком laserXtens для испытаний при температуре до +1.200°C

Индукционная система нагрева на испытательной машине с оптическим экстензометром

Индукционный нагрев для испытаний до +2.000°C

Детальная съемка вакуумной камеры для высокотемпературных испытаний до +2.000°C в вакуумной среде

Вакуумная камера для испытаний при температуре до +2.000°C

4. Испытания на длительную прочность и определение циклических характеристик

Наряду с характеристиками при высокотемпературном растяжении (например, в технологии силовых станций) большое значение имеют и другие механические свойства, которые также следует определять при повышенной температуре. После чистой устойчивости к высоким температурам другим фактором, предъявляющим особые требования к материалам, является, прежде всего, измененный режим работы многих силовых установок вследствие неустойчивого электропитания ветряных и солнечных электростанций.

Так, многие силовые установки должны иметь возможность гибко переходить на повышенные и пониженные нагрузки, иногда с очень короткими интервалами. Это приводит к дополнительному термическому нагружению (TMF) материалов, которые при каждом переходе на повышенные и пониженные нагрузки расширяются и оказывают влияние на срок службы установки. В 20 веке большинство силовых установок не было рассчитано на такое нагружение, поэтому теперь необходимо проводить новые расчеты и соответствующую модернизацию.

На всех паротурбинных установках, а также специально на силовых установках A-USC, работающих при температурах до 760°C и давлении пара до 380 бар, большую роль играет коррозия материалов. При этом рассматриваются соответствующие реакции (релаксация или ползучесть) материалов на постоянную деформацию или напряжение в течение длительного времени, также при повышенных температурах. Все это может также происходить циклически (Creep Fatigue).

К усталостным испытаниям / испытаниям на ползучесть

Обзор машин для испытаний на длительную прочность серии Kappa

5. Испытания на малоцикловую усталость (Low Cycle Fatigue)

При испытании на малоцикловую усталость материал при определенной (зачастую повышенной) температуре циклически нагружается до появления малой пластичной деформации. При таком типе нагружения образец (материал) выдерживает всего несколько тысяч циклов смены нагрузки. При этом к испытательной машине (или ее регулятору) предъявляются особые требования, т.к. при переходе с упругой на пластичную деформацию жесткость образца меняется коренным образом, и регулятор должен очень быстро на это отреагировать, чтобы, например, гарантировать постоянную скорость приращения деформации.

6. Термомеханическая усталость (thermo mechanical fatigue ) TMF

Термомеханическая усталость по ASTM E2368 и ISO 12111 (TMF) представляет собой симуляцию механического нагружения вследствие термического расширения материала. В силовой установке (а также в любом тепловом двигателе) это происходит при каждом запуске или остановке системы. При запуске все компоненты разогреваются с комнатной до рабочей температуры, что сопровождается расширением материала. Это расширение создает в материале напряжение, которое должно быть точно известно для предотвращения повреждения составных элементов.

При испытаниях на термомеханическую усталость образец циклически нагревается, и испытательная машина создает механическую деформацию в одной или противоположной фазе.

к испытаниям на термомеханическую усталость

Определение термомеханической усталости металла.

7. Многоцикловая усталость (HCF)

При испытании на многоцикловую усталость, в отличие от LCF, смена нагружения осуществляется только в линейно-упругой зоне материала. Основным является определение длительной прочности материала или готового изделия. Эта длительная прочность чаще всего определяется с помощью кривой Вёлера (кривая s/n), при которой образец нагружают с различными амплитудами напряжения или деформации, пока он не разрушится. При этом кривая Вёлера определяется с постоянными, а кривая Гасснера - с переменными амплитудами.

Эти измеряемые характеристики также определяют при различных температурах.

8. Инструментированная нано- и макротвердость

Инструментированное измерение глубины вдавливания уже давно используется в области исследований для определения механических свойств очень тонких слоев или покрытий. Посредством измерения усилия/глубины вдавливания можно определять не только твердость (по Мартенсу), но также упругие и пластичные характеристики.

В качестве основного правила для определения характеристик слоев индентор (по Виккерсу или Берковичу) следует вдавливать в слой максимально на 10% его толщины. Систему UNAT фирмы ZwickRoell можно использовать для глубины вдавливания от 10 нм до 30 µм, систему ZHU/Zwicki - более 6 µм. Благодаря этому, покрывается весь диапазон нано- и микротвердости (вплоть до макротвердости).