Криокамера: оборудование для испытания материалов при охлаждении

Различные виды металлов человек давно использует во всех сферах производства. И чем сложнее в результате обработки получается вещь или конструкция, тем более непредсказуемо ведет себя материал. Изучением поведения стали, к примеру, в строительстве под воздействием нагрузки занимается научная дисциплина — СОПРОМАТ.

Пожалуй, каждый студент в техническом вузе знаком с этим "ужасным" предметом, после успешной сдачи которого, по словам полушутливой поговорки, можно смело жениться. Для полного представления о том, как отзовется металл на приложенную нагрузку под разными углами, инженеру необходимо знать ряд нормативных показателей, получаемых в результате испытаний на прочность, изгиб, растяжение или ударную вязкость.

Одним из качеств железа и всех сплавов на его основе является пластическое течение. Сама по себе сталь обладает хорошей упругостью, за что ее и полюбили строители при возведении небоскребов. Она позволяет возводить высокие здания при меньшей материалоемкости на один кубометр. В то время как высота любого кирпичного сооружения ограничена низким пределом прочности на изгиб. Сталь абсолютно по-другому ведет себя под воздействием нагрузки. В отличие от бетона и кирпича в ней не появляются трещины, потому что она начинает пластично деформироваться, растягиваясь и утончаясь как кусок пластилина в руках человека, или другими словами "течь". Резкое изменение механических свойств материала всегда находится под пристальным вниманием инженеров, так как от этого зависит прочность и долговечность сооружения. Также на качество стали влияют разные температурные режимы. Чтобы получить полное представление о технических параметрах любого металла в лабораториях используют специальное испытательное оборудование.

Для теста на ударную вязкость или изгиб в условия пониженной температуры потребуется криокамера. В нее помещают небольшие образцы металла и охлаждают до заданных параметров. Потом замерзший образец прямоугольного сечения устанавливают на опорах и опускают на него маятник. В результате должен произойти удар, а заготовка сломаться пополам. Тут надо уточнить, что у металлического образца одна грань заранее подпиливается. Это необходимо для чистоты испытания. В процессе удара маятник снижает свою первоначальную скорость и, пройдя нижнюю точку своей траектории, поднимается вверх на определенную высоту. Теперь, зная простую формулу, можно выразить количество работы (физический термин), которой потребовалось для разрушения образца. Она и выражает необходимую для инженеров ударную вязкость.

Криокамера внешне напоминает небольшой холодильник. Это железный ящик полутораметровой высоты с циркулирующим внутри этанолом или сжиженным азотом. Незамерзающие жидкости позволяют без резких скачков плавно понизить температуру металлического образца для испытания. Обычно для полноты исследования требуется охладить железо до минус 80 градусов. Заморозка происходит с небольшой погрешностью в 0,5 градуса. Современные криокамеры оснащаются автоматической системой подачи охлажденных образцов прямо на стенд с маятником, а специальные платиновые датчики позволяют с большой точностью контролировать температуру в холодильной камере. От вмешательства внешней среды в процесс охлаждения защищает специальный слой утеплителя, разделяющий рабочую камеру от поверхности корпуса.

Испытания с использованием криокамеры производятся в соответствии с требованиям ГОСТа. Не стоит думать, что только металл имеет привилегированное положение перед остальными материалами. Даже простая резиновая подошва ботинок или пластмассовая техническая деталь требуют проверки на прочность и изгиб под воздействием низких температур.