СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ЛЮБОМ СЕЧЕНИИ ОБРАЗЦА
METHOD OF DETERMINING STRESS-STRAIN STATE IN ANY SAMPLE SECTION

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к способам измерения деформации твердых тел, основанных на оптических методах измерения, и может быть использовано для определения пластических деформаций образца в машиностроении, автомобилестроении, авиастроении и других отраслях промышленности.
Известен способ определения напряженно-деформированного состояния при пластическом деформировании образца, основанный на применении делительных сеток [1], согласно которому для определения напряженно-деформированного состояния в сечении образца его до деформирования разрезают по исследуемому сечению и наносят сетку. Затем разрезанные части образца скрепляют и подвергают деформированию. По искажению сетки определяют деформации, а по ним устанавливают напряженное состояние образца. Недостатком данного способа является необходимость разрезки образца и нанесения сетки до деформации.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения напряженно-деформированного состояния в любом сечении образца, представленный в [2]. В данном способе подвергают идентичному деформированию два геометрически подобных образца, изготовленных из материала, имеющего ярко выраженную волокнистую макроструктуру, с ортогонально расположенными слоями. После деформации негативы сфотографированных шлифов накладывают друг на друга и получают изображение сдеформированной сетки, по которой изучают картину деформаций. Известное техническое решение имеет следующие недостатки:
- высокая трудоемкость и повышенный расход материала, связанные с необходимостью деформирования двух образцов с ортогонально расположенными волокнами;
- низкая точность определения напряженно-деформированного состояния, обусловленная сравнительно невысокой надежностью выявления поперечных волокон, которые до деформирования ортогональны оси образца;
- невозможность реализации деформирования образца с поперечным расположением волокон, изготовленного из материала, имеющего низкую пластичность в поперечном направлении.
Заявленное техническое решение направлено на повышение точности испытания и снижение его трудоемкости. Это достигается тем, что в способе определения напряженно-деформированного состояния в любом сечении образца, согласно изобретению, деформируют только образец, изготовленный из материала, имеющего ярко выраженную волокнистую макроструктуру, семейство волокон которого до нагружения параллельно оси образца, а положения искаженных деформацией волокон второго семейства, которые до деформирования ортогональны оси образца, устанавливают расчетом из условия постоянства объема.
Способ осуществляют следующим образом. Из материала, обладающего ярко выраженной волокнистой макроструктурой, волокна которого в недеформированном состоянии представляют собой параллельные прямые, изготавливают образец, семейство волокон которого до нагружения параллельно оси образца, и подвергают деформированию. После испытания образец разрезают по сечению, обычно совпадающему с главной плоскостью деформации, или по другому, интересующему исследователя сечению, и изготавливают макрошлиф, на котором травлением выявляют искаженные деформацией волокна. Положения искаженных волокон второго семейства, которые до деформирования ортогональны оси образца, устанавливают расчетом из условия постоянства объема.
При плоском деформировании это условие идентично условию постоянства площади ячейки сетки, в соответствии с которым в процессе деформирования площадь ячейки сетки не изменяется. При осесимметричном деформировании условие постоянства объема сводится к постоянству статического момента ячейки сетки относительно оси симметрии образца.
Негатив сфотографированного шлифа с выявленным семейством деформированных продольных волокон накладывают на изображение семейства деформированных поперечных волокон, установленных расчетом, и при совмещении получают изображение сдеформированной сетки, по которой определяют деформированное состояние, а по нему устанавливают напряженное состояние образца.
Реализация предлагаемого способа позволит по сравнению с известным техническим решением упростить испытание, снизить его трудоемкость и уменьшить расход материала, повысить точность и достоверность определения характеристик напряженно-деформированного состояния. Предлагаемый способ может использоваться при изучении процессов пластической деформации как в холодном, так и в горячем состоянии.
Пример конкретной реализации способа
Деформированное состояние устанавливали при холодной осесимметричной осадке цилиндра. Испытаниям подвергали составной цилиндрический образец диаметром и высотой 60 мм, изготовленный из прутка стали 20Х, состоящий из обоймы и двух полуцилиндрических вкладышей, плоскость разъема которых совмещали с меридиональным сечением составного образца. На плоскость одного из вкладышей наносили царапанием квадратную делительную сетку с базой 2 мм. Нагружение образца осуществляли вдоль его оси на гидравлическом прессе 2ПГ-250 до степени осадки, равной 30%.
После испытания обойму разрезали и меридиональную плоскость второго вкладыша, на которую не наносили делительную сетку, шлифовали и полировали. Глубоким травлением подготовленной таким образом поверхности выявляли искаженные деформацией волокна, которые до нагружения были параллельны оси образца. Травление образца производили в нагретом до 90°C реактиве, состоящем из смеси серной и азотной кислот с водой.
Выявленную волокнистую макроструктуру фотографировали. По установленному семейству волокон, параллельных до нагружения оси образца, и отметкам на его боковой поверхности, нанесенным до осадки, из условия постоянства объема рассчитывали положение искаженных деформацией волокон второго семейства, которые до деформирования ортогональны оси образца. Накладывая друг на друга изображения двух семейств деформированных волокон, которые до нагружения ортогональны, получали изображение сдеформированной сетки, по которой устанавливали распределения радиальной, окружной и осевой деформаций по всему меридиональному сечению.
Для оценки точности предлагаемого способа эти же деформации были определены и по искажению квадратной делительной сетки. Экспериментальные значения деформаций, установленные двумя способами, практически совпали, что позволяет сделать вывод о том, что точность определения деформированного состояния по предлагаемому способу соответствует точности, достигаемой при использовании способа делительных сеток.
Предлагаемый способ позволяет определять напряженно-деформированное состояние в процессах плоского и осесимметричного пластического деформирования и может быть использован для изучения технологических операций обработки металлов давлением путем проведения испытаний в механических лабораториях промышленных предприятий и НИИ.
Источники информации
1. Фридман Я.Б., Зилова Т.К., Демина Н.И. Изучение неоднородности пластической деформации и разрушения методом накатанных сеток.
2. Патент RU 2343405, МКП кл. G01B 11/16, 10.01.2009. Бюл. №1