Применение оловянной фольги для определения напряжений при бесчисленном множестве циклов нагружения

УДК 620.179.18:631.3.004.67 С.Г. Тютрин

Курганский государственный университет

применение оловянной фольги для определения напряжений при бесчисленном множестве циклов нагружения

Аннотация. Описан способ определения напряжений с помощью оловянной фольги при неизвестном числе циклов нагружения. Приведены результаты лабораторных испытаний на стальных образцах. Показано, что размеры, форма и плотность скоплений следов дислокаций на поверхности фольги зависят от амплитуды действующих на поверхности образца напряжений. Работа нацелена на расширение возможностей применения фольги и металлопокрытий в качестве средств мониторинга циклически нагруженных деталей машин.

Ключевые слова: оловянная фольга, усталостный датчик, циклические напряжения, измерение.

S.G. Tyutrin KurganStateUniversity

the tin foil application for determining the stresses in a countless number of loading cycles

Annotation. The article describes a method of determining the stresses using tin foil in an undetermined number of loading cycles. The results of laboratory tests on the steel specimens are represented. It is shown that the size, shape and density of dislocation trace clusters on the foil surface depend on the amplitude acting on the specimen surface stresses. The paper aims to expand the use of foil and metal coating as a means of monitoring cyclically loaded machine parts.

Keywords: tin foil, fatigue gage, cyclic stresses, measurement.

ВВЕДЕНИЕ

Порядок применения фольги и металлических покрытий в качестве датчиков для определения напряжений на поверхности контролируемой детали состоит из двух этапов [1-3]. На первом этапе получают калибровочную кривую фольги, т.е. зависимость между амплитудой действующих на поверхности калибровочного образца напряже-

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11

ний и числом циклов до появления реакции датчика. При этом материал и технология изготовления калибровочного образца, а также условия его нагружения должны быть максимально близкими к конструкционным, технологическим и эксплуатационным параметрам контролируемой детали (нередко калибровочные образцы вырезают непосредственно из контролируемых деталей). В результате калибровочных испытаний датчик деградирует, его удаляют с поверхности калибровочного образца и повторно не используют (при высокой ценности, металл датчика может быть направлен на переплавку).

На втором этапе другой датчик в виде фрагмента фольги, размеры которого соответствуют размерам контролируемой поверхности детали, наклеивают на эту поверхность. Деталь подвергают нагружению в эксплуатационных или лабораторных условиях с периодическими остановками для оценки состояния датчика. В результате устанавливают число циклов нагружения до появления реакции датчика. В итоге с помощью калибровочной зависимости, зная число циклов до появления реакции датчика, устанавливают амплитуду напряжений, действовавших на поверхности контролируемой детали.

1 Цель исследования

В случае, когда число циклов нагружения детали никак не учитывается, а осмотр датчиков производится очень редко (например, в сельском хозяйстве - после окончания сезона полевых работ, когда деталь испытала многие сотни тысяч циклов нагружения [4; 5]) возникает вопрос, можно ли извлечь из таких датчиков какую-либо полезную информацию.

Положительный ответ на данный вопрос впервые был дан в работах Д.А. Троценко при использовании датчиков из гальванической фольги. Был подмечен такой факт, что если образцы и конструкцию испытывать до полного изменения исходной структуры датчиков, то средние значения размеров выросших зёрен в структуре датчика зависят от величины амплитуды цикла напряжений. По измеренным средним значениям размеров выросших зёрен в структуре каждого датчика судят о нагруженности конструкции [6].

Покажем, что аналогичный подход (даже не прибегая к травлению фольги для исследования её микроструктуры) можно применить с использованием высокочувствительных усталостных датчиков из отожжённой оловянной фольги.

2 порядок проведения исследования

В работе использовались стальные образцы с конической полированной рабочей частью из высокопрочной стали 40ХН после закалки и отпуска до твердости поверхности 45HRC и из стали обыкновенного качества СтЗсп в состоянии поставки. Датчики изготавливались из оловянной фольги промышленного производства толщиной 20 мкм (ГОСТ 18394-73) с дополнительным отжигом при те м п е ратуре 203° С [7 ; 8] . Фол ь га п олиро валась

55

с помощью алмазной пасты №1/0. Состояние поверхности датчиков контролировалось с помощью оптического микроскопа МБС-9 при увеличении 98х. Датчики на образцах крепились с помощью клея «Момент-1».

Испытания проводились с помощью машины усталостных испытаний МУИ-6000 с дополнительным приводом, обеспечивающим нагружение образца с частотой 3,3 с-1. Схема нагружения - изгиб с вращением.

Применение калибровочных образцов с конической рабочей часть известно по работе [1] и удобно тем, что в разных поперечных сечениях (с разными диаметрами) на поверхности такого образца возникают разные значения максимальных напряжений при постоянной величине действующего изгибающего момента. Это позволяет после каждого шага испытаний контролировать изменение состояния поверхности фольги при разных амплитудах действовавших напряжений.

3 Результаты исследования

В таблицах 1 и 2 приведены фотографии трёх участков поверхности фольги, испытывавших разные величины амплитуд напряжений, после действия разных чисел циклов нагружения. Шаг изображённой масштабной сетки составляет 0,1 мм.

Таблица 1 - Кинетика изменения следов дислокаций на поверхности оловянного усталостного датчика в зависимости от амплитуды напряжений а и числа циклов нагружения N

Таблица 2 - Кинетика изменения следов дислокаций на поверхности оловянного усталостного датчика в зависимости от амплитуды напряжений а и числа циклов нагружения N

"N7

а, МПа

тыс.

37,5

-чиц!

60,4

79,:

40

80

200

550

По результатам зрительного анализа представленных фотографий можно отметить следующие з_а_к_о_н_о_ме_рнос_т_и_.______________________________________________________________________

57

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11

Размеры, форма и количество (плотность) следов дислокаций на поверхности оловянных усталостных датчиков зависят от величины амплитуды действовавших циклических напряжений: при амплитуде циклических напряжений около 40 МПа возникают лишь единичные малозаметные при увеличении 98х следы дислокаций; при амплитуде циклических напряжений около 60 МПа возникает большое количество хорошо заметных при увеличении 98х следов дислокаций, длина и ширина которых имеют примерно одинаковые размеры и составляют =0,05...0,1 мм; при амплитуде циклических напряжений около 80 МПа возникает большое количество хорошо заметных следов дислокаций, длина которых значительно больше ширины и составляет =0,1 мм при ширине =0,02 мм.

После появления дислокаций в материале датчика он, вследствие усталостного растрескивания, теряет свою работоспособность. Произошедшие до этого изменения в структуре как бы «замораживаются».

Данные различия более заметны и более характерны для образца из стали СтЗсп, поскольку в нём (по сравнению с образцом из стали 40ХН) доля микропластических деформаций при заданных в эксперименте амплитудах напряжений значительно выше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Размеры, форма и плотность следов дислокаций на поверхности оловянной фольги различаются в зависимости от амплитуды действующего на поверхности образца напряжения и почти не изменяются даже при многократном росте числа циклов нагружений.

Полученные результаты открывают возможность выполнять приближённый, оценочный анализ величин амплитуд действовавших на поверхности деталей напряжений, не зная точного числа большого количества циклов нагружений.

7 Тютрин С. Г., Манило И. И., Городских А. А. и др. Усталостный датчик из оловянной фольги // Тракторы и сельхозмашины. 2013. №9. С. 82-84.

8 Тютрин С. Г. Повышение чувствительности усталостных датчиков для мониторинга нагруженности несущих элементов сельхозмашин // Труды ГОСНИТИ. Т. 112. Ч.2. М.: ГОСНИТИ. 2013. С. 131-133.

Список литературы

1 Окубо Х. Определение напряжений гальваническим меднением / пер. с яп. М. : Машиностроение, 1968. 152 с.

2 Fricke W. G., jr. Fatigue Gages of Aluminum Foil // Proceedings of the American Society for Testing and Materials. V. 62 (1962). P. 268-269.

3 Тютрин С. Г. Техническая диагностика металлическими покрытиями : монография. Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2007. 144 с.

4 Тютрин С. Г. Место усталостных датчиков в системе технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники // Материалы LV международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» / под ред. проф., д-ра с.-х. наук М. Ф. Юдина. Челябинск : ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2016. Ч. III. С. 108-113.

5 Тютрин С. Г., Сабуркин Л. Н. Модернизация головки ножа косилки КС-2,1 по результатам контроля усталостными датчиками // Вестник Курганского государственного университета. Серия «Технические науки». №3(37). Вып. 10. Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2015. С. 24-27.

6 А.с. 1357778 СССР, МКИ G01N 3/32. Способ оценки характеристик циклической нагруженности конструкции / Д. А. Троценко (СССР). №3942072/25-28; Заявлено 13.08.85; Опубл. 07.12.87. Бюл. №45.