- •Министерство образования Российской Федерации
- •Содержание
- •Цель практической работы
- •Введение
- •Методы определения остаточных напряжении классификация и анализ методов определения остаточных напряжений
- •Определение остаточных напряжений и релаксации их в деталях произвольной формы методом профилированной координатной сетки.
- •Определения релаксации остаточных напряжений,
- •Обратного упругого последействия материалов методом
- •Профилированной координатной сетки в деталях
- •Цилиндрической формы
- •Оригинальная часть задания.
Методы определения остаточных напряжении классификация и анализ методов определения остаточных напряжений
Основными методами определения остаточных напряжений являются механические и рентгеновские. Весьма перспективны для промышленного применения электрофизические методы, при которых остаточные напряжения определяются по изменению электромагнитных свойств поверхностного слоя. Для оптически активных прозрачных материалов или покрытий можно применять поляризационно-оптические методы фотоупругости и фотопластичности.
Механические методы. Механические методы определения остаточных напряжений получили наибольшее распространение не только из-за своей простоты, но и вследствие того, что в них используются такие же представления о напряжениях и деформациях механики твердого тела, как и при расчетах деталей на прочность, жесткость и устойчивость. Это облегчает практическое применение результатов исследований для деталей из различных материалов (металлов, керамики, пластмасс и т. д.)
Механические методы основаны на предположении чего разрезка или удаление части детали с остаточными напряжениями эквивалентны приложению к оставшейся детали, на вновь появившихся поверхностях, напряжений, обратных остаточным. Эти обратные напряжения вызывают деформацию детали или усилия в устройствах, препятствующих деформации. Измеряя возникшие деформации (деформационными методами) или силы реакций (силовыми методами), можно вычислить остаточные напряжения.
Различия механических методов определения остаточных напряжений заключаются: а) в форме образцов (или деталей, если образцы не вырезаются); б) в предположениях относительно закона распределения остаточных напряжений, вытекающих из теоретического анализа деформаций при изготовлении (например, условие постоянства напряжений в точках, лежащих на одинаковом расстоянии от поверхности предположение об одноосном напряженном состоянии в узких призматических образцах и т.д.); в) в способе измерений деформаций образца или реакций опор, способных устранить эти деформации.
В связи с расширением форм и размеров деталей, в которых исследуются остаточные напряжения, непрерывно растет число методик, при которых применяются разные метрологические схемы измерения деформаций образцов и формулы расчета остаточных напряжений.
Эти новые способы базируются на тех же положения: механики, что и ранее подробно обоснованные И. А, Биргером, поэтому для краткости и удобства практического использования механические методы определения остаточных напряжений излагаются в виде рабочих методов. Основное внимание уделено исследованию технологических остаточных напряжений в поверхностном слое, физико-механическое состояние которого сильно влияет на эксплуатационные характеристики деталей машин.
Рентгеновские методы. Наличие остаточных напряжений в поликристаллических телах, какими являются металлы, приводит к различным интерференционным эффектам рентгеновских лучей, отраженных от поверхности образцов в зависимости от размеров зоны, в которой эти напряжения уравновешиваются. В связи с этим Н. Н. Давиденковым предложена классификация остаточных напряжений.
Напряжения 1-го рода (макронапряжения) имеют постоянную ориентацию на всем исследуемом участке поверхности детали, вследствие этого они определенным образом меняют на этом участке межатомные расстояния, что вызывает угловое отклонение лучей, отраженных от поверхности (от определенных кристаллографических плоскостей в поверхностном слое). В результате появляется смещение линий на рентгенограммах или дифрактограммах, по которому и вычисляют остаточные напряжения 1-го рода. При вычислении используются те же представления о напряжениях и деформациях твердого тела, что и при механических методах. Однако между остаточными напряжениями 1-го рода, найденными рентгеновскими и механическими методами, есть различия, Во-первых, при данном угле ψ между нормалью к поверхности и направлением рентгеновских лучей отражение происходит только от кристаллографических плоскостей, имеющих угол Брэггов с направлением падающих лучей.
υ=arcsin n·λ/2d
где d- расстояние между отражающими кристаллографическими поверхностями, λ - длина волны рентгеновских лучей, n -порядковый номер интерференционной линии на рентгенограмме или дифрактограмме.
Таким образом, фактически в отражении участвуют только кристаллы поверхностного слоя, определенным образом ориентированные.
Второй особенностью рентгеновских методов является то, что лучи проникают в металл на глубину от 3 до 50 мкм, так что на рентгенограммах или дифрактограммах отражается осредненное по какому-то закону распределение остаточных напряжений. В результате при больших градиентах остаточных напряжении обнаруживаются значительные напряжения 1-го рода, нормальные к свободной поверхности образца, которые для бесконечно тонкого слоя равны нулю.
Обращает на себя внимание изменение толщины слоя, участвующего в образовании интерференционной картины, от длины волны излучения (определяемой материалом катода рентгеновской трубки) и углов падения и отражения лучей. Вследствие указанных особенностей между напряжениями 1-го рода, найденными при различных параметрах рентгеноструктурного анализа (длина волны, угол облучения, параметры и тип решетки, порядковый номер исследуемой интерференционной линии и т. д.), а также между напряжениями, найденными механическими методами, могут иметь место количественные расхождения. Это подчеркивает исключительную важность учета методики определения остаточных напряжений при сопоставлении результатов исследований.
Напряжения 2-го рода уравновешиваются в объемах отдельных кристаллов или блоков. Вследствие этого они не могут быть найдены механическими методами, даже если они ориентированы относительно направления пластических деформаций, вызвавших их при изготовлении детали. Эти напряжения определяют по уширению интерференционных линий на рентгенограммах и дифрактограммах, отделяя их от эффекта, который дает измельчение блоков.
Напряжения 3-го рода уравновешиваются в объемах, охватывающих небольшие группы атомов. Они могут быть обусловлены дислокациями в связи со смещениями атомов из правильных положений узлов кристаллической решетки; наличием внедренных атомов, в зависимости от размеров которых могут возникнуть сжимающие или растягивающие напряжения в малых областях вокруг этих атомов, вакансиями, т. е. отсутствием атомов в узлах решетки, являющихся центрами сжатия, и т. д. Эти смещения атомов из правильных положений приводят к ослаблению интенсивности интерференционных линий и к возрастанию диффузионного фона, так же, как и тепловые колебания атомов («динамические» искажения). Различная зависимость статических и динамических смещений от температуры позволяет разделить их способом рентгеносъемок при двух температурах.
Указанная классификация остаточных напряжений окончательно еще не установлена. Определение микронапряжений (напряжений 2-го и 3-го рода) является важным преимуществом рентгеновских методов. Существенным достоинством рентгеновских методов является возможность находить остаточные напряжения в тонком поверхностном слое без разрушения детали. Однако для построения эпюры остаточных напряжений необходимо последовательно стравливать металл с поверхности на участке, который облучается. При анализе результатов, полученных рентгеновским методом, необходимо всегда учитывать отмеченную выше зависимость их от применяемой методики.
Методы оценки остаточных напряжений по изменению электромагнитных свойств поверхностного слоя. Точность этих методов пока низкая, поскольку электромагнитные свойства зависят не только от остаточных напряжений, а сами эпюры остаточных напряжений могут изменяться по различным законам в пределах исследуемого слоя.
Простота этих методов, их высокая производительность, возможность определения остаточных напряжений в тонком поверхностном слое без разрушения детали делают их удобными для массового применения в заводских условиях. Однако, как и в предыдущих методах, для построения полной эпюры напряжений требуется последовательное стравливание слоев металла. Метод не позволяет раздельно определять составляющие остаточных напряжений, так что при проведении исследовательских работ его необходимо сочетать с механическими или рентгеновскими методами.
Поляризационно-оптические методы. Промышленностью выпускается поляризационно-оптическая аппаратура, позволяющая исследовать напряжения в деталях или их покрытиях из прозрачных или полупрозрачных оптически активных материалов (эпоксидных смол, поликарбоната, бакелита, стекла, плексигласа, целлулоида, резины толщиной до 10 мм и т. д.). В этих материалах скорость поляризованного света зависит от ориентации и величины главных напряжений, что позволяет по интерференционной картине найти напряжения.
В деталях из непрозрачных материалов изучение процесса формирования остаточных напряжений можно заменить исследованием модели из оптически активного материала, если обеспечить геометрическое, тепловое и механическое подобие.
С помощью измерения монтажных остаточных напряжений в прозрачных моделях, склеенных из элементов, можно моделировать структурные напряжения в деталях сложной формы.
Важным достоинством поляризационно-оптических методов является возможность изучения на прозрачных моделях взаимодействия остаточных напряжений с напряжениями от эксплуатационных нагрузок.
Наиболее просто с помощью поляризационно-оптических методов исследовать плоские тела, когда напряжения не меняются по толщине. Однако можно исследовать и пространственное распределение напряжений, применяя метод «замораживания напряжений» в моделях и разрезая их на тонкие слои в трех различных направлениях. Недостатком поляризационно-оптических методов является сложность, дороговизна аппаратуры и необходимость выделения для нее помещения.
Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, что все рассмотренные методы дополняют друг друга.