СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
METHOD OF DETERMINING RESIDUAL STRESS

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для определения остаточных напряжений при применении упрочняющих технологий поверхностным пластическим деформированием для повышения сопротивления усталости сложно нагруженных деталей и конструкций и может быть использовано в других областях техники, в которых конструкции испытывают переменные нагрузки в процессе эксплуатации.
Известен способ для определения интенсивности поверхностной пластической деформации по величине прогиба, возникающего при дробеструйной обработке, по которому образец в виде пластины прямоугольной формы крепят к неметаллическому основанию, обрабатывают дробью со стороны крепления, снимают образец с основания и измеряют возникший прогиб индикатором часового типа на строго определенном базовом размере (Military Specification. Shot peening of metal parts. MIL-S-13165C 7 June 1989. Compliments of: The Wheelabrator Corporation). Причиной возникновения прогиба является остаточная деформация, накапливающаяся в поверхностном слое образца при дробеструйной обработке. Отклонение прогиба от заданного значения означает, что стабильность обработки нарушена и требуется корректировка процесса дробеструйной обработки.
Недостатком данного способа является то, что при его применении определить распределение напряжений в материале по всему сечению образца невозможно, поскольку в изогнутой после дробеструйной обработке пластине напряжения уравновешены во внутреннем объеме материала и могут быть выявлены только дополнительными воздействиями на поверхностный слой образца (детали) такими, например, как последовательное снятие тонких поверхностных слоев при использовании метода Давиденкова.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа предлагаемого способа, является способ определения остаточных напряжений в материале образца при дробеструйной обработке, заключающийся в том, что образец в виде пластины прямоугольной формы крепят к неметаллическому основанию, обрабатывают дробью со стороны крепления, снимают образец с основания, измеряют возникший прогиб, а напряжения измеряют методом Давиденкова с учетом измеренного прогиба. Причем неметаллическое основание выполняют в виде прямоугольной призмы с четырьмя резьбовыми отверстиями и четырьмя крепежными элементами. После дробеструйной обработки и снятия с основания из пластин вырезают контрольные полоски размером 70×4×2 мм. Послойно снимают (стравливают) с них поверхностный слой путем электролитического травления и по изменению прогиба в процессе травления судят о распределении напряжений в поверхностном слое (SHOT PEENING APPLICATION. Metal Improvement Co. SEVENTH EDINION. EXECUTIVE OFFICE 10 Forest Avtnue Paramus New Jersey 07652).
Недостатком данного способа является то, что при его использовании невозможно определить распределение напряжений по всему сечению образца (детали), поскольку по методу Давиденкова в процессе удаления деформированного поверхностного слоя напряжения по всему сечению материала образца (детали) уменьшается до нуля. Кроме того, при удалении слоев электролитическим травлением очень сложно подобрать оптимальную скорость травления в связи с необходимостью выполнения двух условий: постоянство скорости травления во времени при ее оптимальном значении и отсутствие побочных явлений, создающих побочную деформацию.
Существующие методы позволяют устанавливать распределение напряжений только в поверхностном пластически деформированном слое деталей, что недостаточно для их надежной эксплуатации, поскольку весь объем материала детали реагирует на любое сколь угодно малое изменение деформации в поверхностном слое.
Техническим результатом данного изобретения является повышение точности измерения остаточных напряжений, а также повышение ресурса и надежности деталей при их эксплуатации за счет определения распределения остаточных напряжения в материале по всему сечению детали.
Технический результат достигается за счет того, что при способе определения остаточных напряжений в материале детали, включающем крепление образца детали, выполненного в виде пластины прямоугольной формы, к неметаллическому основанию, осуществление упрочнения материала образца с помощью поверхностного пластического деформирования, снятие образца с основания, измерение прогиба образца и определение значений остаточных напряжений в материале образца с учетом измеренного прогиба, дополнительно измеряют значения остаточных напряжений в материале образца после проведения упрочнения и до снятия образца с основания, при этом определение значений остаточных напряжений в материале образца осуществляют с помощью метода неразрушающего контроля, а окончательные значения остаточных напряжений в материале образца детали определяют с учетом полученных значений остаточных напряжений, измеренных до снятия и после снятия образца с основания, значения остаточных напряжений в материале образца измеряют со стороны выпуклой и вогнутой поверхностей образца после снятия последнего с основания, значения остаточных напряжений в материале образца после проведения упрочнения и до снятия образца с основания измеряют со стороны поверхности, подвергнутой пластическому деформированию, и со стороны, не подвергнутой пластическому деформированию, причем для определения значений остаточных напряжений в материале образца неметаллическое основание выполняют со сквозным пазом, выполненным с возможностью его закрытия с одной из сторон неметаллического основания при помощи уплотнительного элемента, а вычисляют распределение остаточных напряжений в материале образца детали, которое рассчитывают по всему сечению образца.
Применение упрочняющих технологий поверхностным пластическим деформированием приводит к повышению сопротивления усталости сложно нагруженных деталей и конструкций за счет создания благоприятного распределения остаточных напряжений в материале деталей. При этом в поверхностном слое материала наводятся сжимающие остаточные напряжения, которые уравновешены напряжениями растяжения в глубинных слоях материала. Сопротивление усталости деталей определяется распределением напряжений по всему сечению материала детали. Поэтому знание распределения напряжений по всему сечению детали необходимо для создания оптимальных условий ее работы при переменных нагрузках.
Техническое решение поясняется следующими чертежами.
Фиг.1 - представлен общий вид устройства для определения напряжений при проведении упрочняющей, например, дробеструйной обработки.
Фиг.2 - представлен порядок определения остаточных напряжений методом рентгеноструктурного анализа (РСА) после проведения дробеструйной обработки до снятия образца с неметаллического основания.
Фиг.3 - представлен общий вид образца, снятого с неметаллического основания.
Фиг.4 - представлены результаты измерения остаточных напряжений методом РСА на обработанной дробью и необработанной поверхностях образца, закрепленного на основании.
Фиг.5 - представлен расчет распределения напряжений в материале по всему сечению образца, закрепленного на основании.
Фиг.6 - представлены результаты измерения напряжений методом РСА на поверхностях образца, снятого с основания.
Фиг.7 - представлена оценка достоверности предлагаемого способа с использованием метода Давиденкова.
Неметаллическое основание 1 выполняют со сквозным пазом 3 и съемным уплотнительным элементом 5 (фиг.1). Производят поверхностное упрочнение образца 2, выполненного в виде прямоугольной пластины и закрепленного на основании 1 крепежными элементами 4. Упрочнение производят дробеструйным методом, перемещая сопло 6 и поток дроби 7 вдоль образца 2 (по стрелке А), имитируя обработку натурных сложно нагруженных деталей. После поверхностного упрочнения, до снятия образца 2 с основания 1, удаляют уплотнительный элемент 5 и остаточные напряжения определяют на поверхности образца не только со стороны крепления образца 2, но и со стороны сквозного паза 3 любым доступным методом неразрушающего контроля (фиг.2). В качестве метода неразрушающего контроля применен метод рентгеноструктурного анализа (РСА). После снятия образца 2 с неметаллического основания 1 напряжения определяют тем же методом РСА как с выпуклой 10, так и с вогнутой 11 поверхностей образца 2 в изогнутом состоянии (фиг.3). Распределение остаточных напряжений в материале рассчитывают по всему сечению образца 2 по результатам измерений напряжений на обработанной со стороны крепления и не обработанной со стороны сквозного паза 3 поверхностях до и после снятия образца 2 с основания 1.
Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.
2
Перед дробеструйной обработкой в неметаллическом основании 1 (фиг.1), изготовленном, например, из эбонита, выполняют сквозной паз 3, заполняют паз 3 уплотнительным элементом 5, выполненным, например, из жесткой резины. Образец 2 в виде прямоугольной пластины, выполненной из жаропрочного сплава, применяемого при изготовлении сложно нагруженных деталей, крепят к основанию четырьмя крепежными элементами 4. Производят дробеструйную обработку образца 2 со стороны крепления к неметаллическому основанию 1, перемещая сопло 6 и поток дроби 7 вдоль поверхности образца 2 (в направлении стрелки А на фиг.1), для имитации обработки натурных деталей. Для дробеструйной обработки (ДО) использовали, например, экспериментальную установку НИИД с параметрами режима операции ДО, например: время обработки 60 с, давление сжатого воздуха 0,4 МПа, дробь стальная ⌀ (0,16…0.3) мм. Приведенные параметры являются оптимальными и получены в результате исследования упрочнения жаропрочного сплава, применяемого при изготовлении сложно нагруженных деталей. Затем удаляют уплотнительный элемент 5 из паза 3, выполненного в основании 1. Остаточные напряжения на поверхности определяют методом рентгеноструктурного анализа, например, на портативном дифрактометре ДРП-2. Съемка производилась sinψ - методом при соблюдении следующих параметров режима контроля, которые применяются для исследования жаропрочных сплавов:
- мощность трубки - 5 Вт;
нα
- материал анода - ванадий (V);
- линия дифракции - (013);
- угол дифракции - 70°;
- диаметр пучка рентгеновских лучей - 5 мм;
- напряжение - 12 кВ;
- экспозиция 100 с;
- анодный ток - 0,4 мА.
Рентгеновские лучи 8 (фиг.2) направляют на обработанную поверхность образца 2 со стороны крепления образца 2 элементами 4 и измеряют напряжения, затем направляют рентгеновские лучи 9 (фиг.2) на необработанную поверхность со стороны сквозного паза 3 и также измеряют напряжения. Образец 2 (фиг.3) снимают с основания 1 и определяют остаточные напряжения с обеих сторон поверхности образца тем же методом неразрушающего контроля, а именно, измеряют напряжения, направляя лучи 10 на выпуклую после дробеструйной обработки поверхность образца 2, затем измеряют напряжения, направляя рентгеновские лучи 11 на вогнутую поверхность образца 2 (фиг.3). Расчет напряжений на исследуемых поверхностях образца проводят с помощью компьютерной программы MAX RA. Для расчета напряжений по всему сечению образца используют данные измерений напряжений на поверхностях образца до снятия с основания в выпрямленном состоянии и после снятия с основания в изогнутом состоянии методом рентгеноструйного анализа. На фиг. 4 показаны напряжения 2, измеренные на поверхности образца 2 со стороны крепления элементами 4 и измеренные напряжения 13 со стороны сквозного паза 3 на пластине толщиной H=2 мм и глубиной пластически деформированного слоя X. На фиг.5 показана методика расчета распределения напряжений по всему сечению образца. Для удобства расчета рассматривают эпюры двух одинаковых условно прижатых друг к другу пластин, заменяя действие на пластину основания 1, действием такой же выпрямленной пластины. Варьируя углом α° наклона эпюры сжатия к прямой (выпрямленной) поверхности образца, устанавливают равенства сил:
1
1
2
2
P+P=P+P, создаваемых напряжениями растяжения и сжатия (фиг.5). При этом определяют глубину наклепа (глубину распределения пластической деформации) X. Затем найденную величину Х используют для расчета распределения напряжений в образце в изогнутом состоянии.
При этом находят эпюру напряжений изгибающего момента, по разности напряжений на необработанной стороне образца до и после изгиба. Эпюру напряжений, создаваемую изгибающим моментом, складывают по принципу суперпозиции с эпюрой на фиг.4 и получают эпюру распределения напряжений по всему сечению изогнутой пластины (фиг.6).
При расчете используют программу, содержащую многофункциональный алгоритм расчета остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании. (Рыбаков Г.М. Программа, содержащая алгоритм управления качеством дробеструйной обработки металлических деталей, работающих в условиях сложного нагружения. / Программы для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных схем. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. 2005. №4. с.204).
Для практической проверки достоверности полученных данных используют метод Давиденкова. Метод Давиденкова может установить напряжения только в пластически деформированном слое материала, поэтому для сравнения используют только часть общего распределения напряжений по сечению образца в поверхностном слое, определяемую предлагаемым методом, как показано на фиг.7, где на поз.16 множество эпюр остаточных напряжений, установленных методом Давиденкова в пластически деформированном поверхностном слое, а на поз. 17 показаны остаточные напряжения в пластически деформированном слое, рассчитанные предлагаемым способом и представляющие собой часть остаточных напряжений, распределенных по всему сечению образца. Статистическая обработка данных, проведенная стандартными методами на проверку однородности двух выборок (Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: методы обработки данных / Пер. с англ. под ред. Э.К.Лецкого. М.: Машиностроение, 1980. 610 с.), показала полное совпадение напряжений, полученных двумя принципиально различными методами в пластически деформированном слое.
Таким образом, предлагаемый способ определения остаточных напряжений способствует повышению надежности эксплуатации деталей за счет возможности определения распределения напряжения по всему сечению материала деталей.