книги / Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое учебное пособие "Экспериментальные методы определе­ нии напряжений и дефор*фцйй" написано па основе лекций для слушате­ лей факультета повышения квалификации, специализирующихся при ка­ федре сопротивления материалов Томского политехнического икотитута.

Экспериментальное определение напряжений и деформаций состав­ ляет необходимую чаоть работ при решении задач проектирования , производства и эксплуатации машин, аппаратов и оборудования, при разработке и усовершенствовании множества технологических процес­ сов обработки металлов* Развитие экспериментальных методов стиму­ лируется тем обстоятельством, что аналитическое решение ряда задач оказываетоя весьма трудоемким, а порой и невозможным. В техничес­ кой литературе за последние годы появилось большое число работ, посвященных проблемам эксперимента и применения его для различно­ го рода исследований* В предлагаемом поообии поставлена задача изложить основы наиболее распространенных методов эксперименталь­ ного в экспериментальяо-анадлтического определения напряжений и деформаций* Обзор методов не претендует .на полноту и продиктован возможностями лаборатории кафедры в практическом овладении излагае­ мыми методами.

Разделы пособия, посвященные исследованию плаотичоокой деформа­ ции измерением твердости, изложены более подробно в сравнении о другими. Это объясняется тем, что исследования в этой области, большая чаоть которых проведена на кафедре, освещены в статьях, находящихся в различных источниках. Овладение же методикой экспери­ ментальных исследований в плаотичеокой области измерением твердо­ сти оказывается полезным для развития теории и практики обработки металлов давлением, для оценки прочности деталей, работающих за пределами упругости, для выявления зоны концентрации напряжений и т .д .

Г Л А В А I

ЙССЩОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДООРМАЦИИ МЕТОДОМ СЕТОК

Метод сеток является одним из старейших, простых и универсаль­ ных методов исследования деформаций. Он позволяет получить вое поле деформации, наблюдать кинетику процесса пластической дефор­ мации и разрушения. Весьма аффективен этот метод в применении к оценке неоднородности пластических деформаций. Делительные оетки нашли применение при изучении деформированного состояния после та­ ких распространенных технологических операций как волочение, цреосованнв, прошивание отверотий и прокатка. Б результате этих исследований была подобрана рациональная технология названных пропеооов. Цри помощи метода сеток изучено распределение деформа­ ций при основных опособах нагружения - изгибе, растяжении, глубо­ ко освещены вопроси обоснования связи между твердостью и прочность!: материалов, разрешен ряд вопросов теории упругости и пластичности.

§ I . ТИПЫ СЕТОК И СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ ИХ

Метод оеток заключается в том, что на исследуемую поверхность наносят соответствующие отметки (сетку), измеряют расстояния меж­ ду ними до и пооле нагружения и подсчитывают дефсрматши как отно­ шение этих размеров. Сетка может быть нанесена либо на свободную поверхность изучаемого тела, либо на поверхность предварительно­ го физического разъема.

В качестве основных используется три типа сеток.

1. Нормальные сетки-аз системы взаимно перпендикулярных линий, расположенных по направлениям наибольших нормальных напряжений.

2. Касательные сетки - из системы взаимно перпендикулярных ли­ ний, совпадающих в исходном состоянии с направлением наибольших касательных напряжений.

3. Сетки из системы солрикасащихся окружностей.

Существует множество способов нанесения оетки. Основным из них долгое время оставалось нацарапывание. Однако точность такой сет­ ки, как правило, невелика. Кроме того, нарушение поверхности ме­ талла, которое происходит в этом случае, совершенно недопустимо при исследовании материалов высокой прочности и малой пластичности

Для нанесения сетки с малой базой используется метод напыления.

В этой случае образец о плотно закрепленной на его поверхности металлической сеткой из никеля, молибдена о др. помещают в уст­ ройство для напыления металлов в вакууме. Напыление производят металлами, имеющими невысокую температуру плавления, а также гра­

фитомТакие обтки прочны и не повреждают поверхность, достаточно контрастны, если напыление произведено металлом, отличающимся по цвету от исследуемой поверхности, однако этот способ нанесения сетки требует специального, дорогостоящего оборудования.

Хорошей устойчивостью л сравнительно простой технологией нане­ сения обладают делительные сетки, наносимые травлением. В этом одучае трафарет делительной оетки плотно прижимают к поверхности детали и производят окраску ее. После сушки производят травление заготовки, затем удаляют растворителем краску и на поверхнооти остаетоя четкая матовая сетка.

Весьма малой базой, отандратностью и отсутствием нарушения по­ верхности отличается метод фотосеток. Фотосетку наносят на поли­ рованную поверхность образца, предварительно покрытую светочувст­ вительным раотвором. На пленку, образованную при высыхании раство­ ра, накладывают негатив делительной сетки, обеспечивая при этом плотное прилегание, и освещают сильным источником света.Пооло экс­ позиции образец промывают. Соотав светочувствительной пленки обеспечивает плотное прилепание ее к поверхности образца в местах, подвергнутых яркому освещению, остальные участки легко смываются водой. Оставшуюся на образце почти невидимую пленку опрашивают, образец снова промывают, оушат. Как видно процесс нанесения фото­ пленки сложен, требует специальной подготовки (полирование) по­ верхности. Особенно большие затруднения возникают в случае нанесе­ ния оетки на крупные, тяжелые детали криволинейной формы.

Довольно широкое распространение подучила методика нанесения накатанных сеток. В этом случае изображение сетки переносится о оригинала на исследуемую поверхность при помощи типографской крас­ ки. Оригинал оетки изготавливают в виде металлического клише с рельефом сетки заданного рисунка. На рельеф матрицы при помощи у: -угого валика равномерным слоем наносят краску. Далее по матри­ це прокатывают чистый валик для перевода рисунка делительной сет - гаи в эдтсл этот вчдшр прокачивают по исследуемой поверхности. На­ катанный с<ши2 деформируясь вместе с образцом, сохраняют непре­ рывность и четкость линий практически до любой величием деформации Метод накатанных сеток требует весьма несложного оборудования, но

облаоть применения его ограничена недостаточной чувствнтэдыюотью при измерено деформаций ыенышх 5$.

§ 2. ТЕХНИКА ИЗМЕРЗЛИ ЭЛЕШТОВ ДШТШНЫХ СЕТОК

•Для определения величины деформации необходимо производить весьма тщательные я точные намерения элементов деформированной да-* летальной оетки. В том одучао, когда ожидаемая деформация на пра« вышает 1 ($» следует измерить элементы овтки в до деформирования» что повышает точность последующих вычислений. При деформации свы­ ше 1СЙ измерение стандартной сетки необязательно» поскольку рас» хождение в размерах походной базы оетки будет на порядок меньше; чем величина последующей деформации. Вое намерения рекомендуется производить на инструментальной микроскопе о увеличением в 10-50 раз в отраженном овете. Визирную линию окулярной головки следует устанавливать по оои линии делительной сетки» так как она имеет некоторую толщину. Для вычисления Величины деформации необходимо

§3. МЕТОД» РАСЧЕТА НАПРЯШШЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПО СЕТКЕ

Взкспериментальнснисодедовательоной практике наметилось нес­ колько методов расчета напряженно-деформированного состояния плаотичешш'фо^опзмененного тела.

Метод» основывающийся на деформационной теории (метод коноч­ ной ЪесЬормацаи). Этот метод применим в случае монотонного проте­ кания деформации тела» т .е . при совпадении в исследуемом теле за весь процесс деформации направления главных ооей скоростей дефор­

Зная бх можно определить бу и бн. иа соотношений ( 1 А ) . Про­ извольные функции интегрирования находятся по условиям на грани­ це, причем здесь достаточно знать положение свободного контура.

Рассмотрим подробно раочет напряжений и деформаций с использо­ ванием метода сеток при осесимметричной ооадке. Б атом случае оетка из оиотемы окружностей наноситоя на предварительно подготов­

ленную меридиональную поверхность соотавного цилиндра. На инстру­

нее и измеряют на микроскопе размеры искаженной сетки. Окружность диаметра с) иокаиаетоя, обращаясь в эллипс, главные оси которо­

где е** - окружная деформация, Еа, и Ь, - главные деформации в* меридиональном сечении, 7.о и 7 л - расстояния от оси оимметрии до рассматриваемой точки до и после деформирования.

Компоненты тензора деформаций

ОООС ю о а

оо о с ) 0 0 0

оо о с ЮОО

оо о с ) 0 0 0

Г \ Г \ Г \ Г

СП

оо о с Ю О О

оо о с ) 0 0 0

оо о с ) 0 0 0

оо о с ЮОФ

06ю

Рио, I . Сетка из системы окружностей в недеформнрованном о деформированном состояниях

Здбоь - угод между направлением л осью симметрии 2 . По приведенным соотношениям расчитывают компоненты тензора деформа­ ций вдоль радиуса в точках 1 ,2 ,3 , . . . Лалоо определяют интенсив­ ность деформаций

Таким образом, в каждой точке исследуемой поверхности определены

ляя на кавдой ступени

строят кривую течения. Далее компоненты девиатора напряжений вы­ чи сли т по соотношениям деформационной теории пластичности (1.ъ)

Методы поэтапного исследования. К основанным на деформационной теории методам обработки искаженной оетки следует отнеоти и мето­ ды поэтапного исследования. Применяются они в случаях немонотон­ ного процесса формоизменения при олопном напряженном состоянии. Возникает необходимость расчленения такого процесса на ряд моно­ тонных во времеод фаз,где все параметры напряженного и деформиро­ ванного состояния могут быть определены подобно случаю больших конечных деформаций, а направление главных осей тензора деформа­ ций определяет направленно главных осей тензора напряжений.

Принципиально отличающимися от рассмотренных являются методы обработки полаженных сеток* построенные на соотношениях теории теченияо Впервые попытка создания экспериментального метода, ба« шзр^шщогося на теории течения, бала сделана, по-вндамоглу, Э.Зи-