Способ определения напряжений в материале при испытаниях на термическую усталость
METHOD FOR DETERMINING STRESSES IN THE MATERIAL DURING THERMAL FATIGUE TESTING

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля напряжений в материале изделий, подвергающихся температурно-силовому воздействию в испытаниях, моделирующих их разрушение, и может быть использовано в области атомной и тепловой энергетики, тяжелого машиностроения.
Одним из таких процессов является термическая усталость, представляющая собой разрушение изделий, происходящее в результате циклических нагревов. Она включает в своем развитии стадию, именуемую накоплением повреждений, в которой необратимые изменения субструктуры материала под действием пластической деформации приводят его в состояние, благоприятное для образования трещин, с последующим переходом к стадии разрушения, включающей образование и развитие магистральной трещины под действием напряжений. В реальных изделиях возникновению и протеканию термической усталости способствует неравномерность сечений в ряде областей и, как следствие, неравномерность распределения изменяющейся температуры изделия, подвергающегося периодически нагревам в условиях эксплуатации.
0
0
0
Известен рентгенографический способ определения напряжений, основанный на прецизионном измерении межплоскостных расстояний. Он включает облучение исследуемого участка поверхности образца пучком характеристического рентгеновского излучения, регистрацию дифрагированного пучка и измерение угла дифракции θ выбранного отражения (HKL), который позволяет установить межплоскостное расстояние d(HKL). Затем следует повторная съемка, измерение угла θ для образца из того же материала, но без макронапряжений (эталон) и вычисление d(HKL). По разности значений d(HKL) и d(HKL) вычисляют упругую деформацию в исследуемом материале, а затем с помощью закона Гука определяют напряжения а. (А.А. Русаков. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977, 480 с.).
Недостаток данного способа применительно к испытаниям на термическую усталость - необходимость использования эталонного образца.
2
2
ϕ
ψ
ψϕ
ϕ
1
2
Известен рентгенографический способ определения напряжений, именуемый «методом sinψ», в котором использование эталона не является обязательным. В нем на объект контроля направляют пучок рентгеновских лучей и, зарегистрировав отраженный пучок, определяют угол дифракции θ выбранного отражения (HKL). Затем процедуру рентгеносъемки повторяют несколько раз при заданных углах наклона образца ψ. При этом сохраняют в плоскости падающего и дифрагированного лучей направление, выбранное на образце, для которого определяют составляющую напряжений σ. По установленным значениям углов θ находят деформации ε и строят их зависимость от sinψ. Параметры этой зависимости служат для расчета напряжений σ и суммы главных напряжений σ+σ. (Я.С.Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л. Расторгуев. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982, 632 с.)
Недостатком метода при его реализации в условиях термоциклических испытаний является чрезмерно высокая продолжительность рентгеносъемки по сравнению с длительностью термических полуциклов испытаний, что относится и к другим известным рентгенографическим методам определения напряжений в материалах (RU 2427826 МПК G01N 23/20 2010 г.).
Известен способ определения напряжений в материале, подвергаемом циклическим нагревам в испытаниях на термическую усталость, выполняемых для получения данных, которые используют при оценке ресурса изделий, изготавливаемых из исследуемого материала. Определение напряжений в данном способе осуществляют, умножая на модуль упругости Е упругую деформацию испытываемого образца. Измерение деформации производят посредством тензодатчиков, встроенных в систему нагружения. В термоциклических испытаниях создают стеснение свободной термической деформации нагреваемого и охлаждаемого объекта исследования и варьируют жесткость стеснения, с целью изменения величины пластической деформации в цикле. Для этого образец помещают в раму, закрепив его своими головками в мембраны заданной жесткости, которые вмонтированы в поперечины рамы. Рама состоит из 2÷3-х колонн, соединенных поперечинами. На колоннах рамы закреплены тензодатчики, посредством которых измеряют их продольное удлинение в ходе испытаний, а по ним деформацию и напряжения, которые пересчитываются в напряжения, развивающиеся в образце в ходе испытаний, по данным предварительной тарировки. (Р.А. Дульнев, П.И. Котов. Термическая усталость металлов. М.: Машиностроение, 1980,200 с.)
0.05
0.2
0.05
0.2
Недостатком метода является недостоверность. Изменение деформации в полуциклах нагрева и охлаждения, как и при механических испытаниях, начинается с плавного нарастания упругой деформации сжатия или растяжения, по мере изменения температуры, которое сопровождается ростом напряжений в материале и это продолжается до тех пор, пока не начнется пластическая деформация. Появление пластической деформации в полуциклах считается обязательным в развитии термической усталости и от ее величины согласно закону Л.Ф. Коффина зависит долговечность - число циклов до разрушения. Начало же пластической деформации в полуцикле происходит, когда напряжения достигают предела текучести, являющегося свойством материалов, представляемого условными величинами σ или σ, которые зависят от температуры и сообразно ей изменяются в дальнейшем по мере изменения ее в полуцикле. В опубликованных данных соответствие приведенных результатов измерения напряжений известным значениям σ или σ испытываемых материалов не обнаруживается, что заставляет усомниться в достоверности.
обр
т
обр
T
т
oбp
т
обр
т
Известен способ измерения напряжений в ходе термоциклических испытаний, упругую деформацию регистрируют также с помощью тензодатчика или микронным индикатором. Однако делают это не непосредственно на образце, а на сопряженных с ним элементах системы нагружения. Устройство нагружения состоит из двух рам, одна из которых неподвижна, а другая перемещается относительно нее. Одна из головок образца жестко закреплена в неподвижной раме, а вторая в подвижной, которая соединена с неподвижной одной из сменных динамометрических тяг, имеющих различную жесткость. Последовательное расположение, взаимодействующих между собой, образца и динамометрической тяги позволяет определять напряжения в образце σ через напряжения в тяге σ, как σ=σ*S/S, где S и S - сечения тяг. Напряжения в тяге σ вычисляются по закону Гука из величины упругой деформации тяги, по ее измеренному удлинению или сжатию. (Н.С. Можаровский. К вопросу о термической усталости сплавов с учетом граничных условий. Заводская лаборатория, 1963, №6, с. 743-746).
Недостатком метода является отсутствие прямых измерений упругой деформации в испытываемом образце, достоверность установленных напряжений может вызывать сомнения.
Наиболее близким техническим решением является способ измерения напряжений в исследованиях релаксации напряжений в материалах. В одном из видов испытаний изменение напряжений измеряют на кольцевых образцах с радиальной прорезью, по краям которой нанесены метки для измерения деформации. В прорезь вставляют клин расчетной толщины, благодаря чему в расчетной части кольца создают напряжения, релаксацию которых изучают, производя воздействия внешних факторов на кольцо. По истечении установленного времени испытания клин извлекают из кольца, благодаря чему снимается его упругая деформация и напряжения, присутствующие на данный момент. Измерив расстояние на краях прорези и сопоставив его с первоначальным значением, вычисляют величину пластической деформации и тем самым напряжения, релаксация которых стала причиной ее появления. (М.Л. Хеннкин, И.Х. Локшин. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1974, 256 с.)
Недостатком способа является то, что при нагружении объекта в термоциклических испытаниях реализовать предлагаемый способ не представляется возможным, поскольку из-за особенности стеснения образца в них пластическая деформация предложенным способом не может быть измерена.
Заявляемое техническое решение позволяет осуществлять определение напряжений в ходе термоциклических испытаний при исследовании термической усталости материалов. При этом оно не требует специального оснащения существующего оборудования. Получаемые с его помощью результаты имеют высокую точность и минимальную погрешность измерений, что достигается благодаря использованию оптического микроскопа, снабженного микронным индикатором, и выполнению измерений непосредственно на исследуемом образце, что делает определение напряжений достоверным. Способ прост в исполнении.
Предлагаемый способ определения напряжений осуществляют в термоциклических испытаниях, которые выполняют преимущественно на цилиндрических образцах или образцах корсетной формы, вдоль оси которых направлена действующая сила, в результате чего в них создается одноосное напряженное состояние. Способ включает нанесение меток-рисок в центре и на краях изучаемых участков образца, измерение расстояний между ними, закрепление образца в механизме нагружения, обеспечивающее стеснение его свободного термического расширения-сжатия, циклическое нагружение рабочей части образца путем нагрева или охлаждения. Стесненный образец нагревают до заданной температуры в выбранном полуцикле испытаний, переходят в режим выдержки и производят измерение расстояний между рисками. Затем стеснение с образца снимают, освобождая одну из его головок, и производят повторное измерение расстояний между рисками. Расчет напряжений осуществляют по изменениям расстояний между соответствующими парами рисок в двух проведенных измерениях, используя при этом модули упругости материала с учетом их температурной зависимости на участках определения напряжений. После этого производят стеснение образца, жестко фиксируя его ранее освобожденную головку, включают циклический нагрев и продолжают испытание до следующей выбранной точки определения напряжений.
min
max
max
min
Вследствие жесткого стеснения свободного термического расширения нагреваемого или охлаждаемого образца головками, зафиксированными в блоке нагружения установки, в его расчетной части по мере изменения температуры происходит деформация, компенсирующая указанное стеснение посредством упругой и пластической деформации. Процесс включает следующие друг за другом полуциклы нагрева (T→T) и охлаждения (T→T). На начальном этапе каждого полуцикла деформация является упругой и в образце появляются напряжения сжатия при нагреве и растяжения при охлаждении. По мере изменения температуры напряжения увеличиваются и, в конечном итоге, достигают величины, способной инициировать пластическую деформацию в материале - предела текучести (σ0.2). Дальнейшее по мере нагрева - охлаждения изменение напряжений в материале после температуры начала пластической деформации происходит в соответствии с температурной зависимостью предела текучести и с особенностями упрочнения, связанного с развивающейся пластической деформацией. Отслеживание динамики изменения напряжений представляет научный и практический интерес. Предлагаемый способ позволяет получать требуемую информацию благодаря тому, что необходимые измерения осуществляются непосредственно на образце без участия каких-либо промежуточных элементов.
max
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 представлен образец корсетной формы, с нанесенными метками м1-м2-м3-м4, и показано распределение температуры вдоль рабочей части образца (между головками) при достижении между метками м1-м2 температуры T. На фиг. 2 приведена схема расчета пластической деформации в цикле испытаний образца, которая необходима для выделения искомой упругой деформации из его упругопластической деформации и нахождения напряжений, представленных на фиг. 4. Она включает разделение рабочей части образца на участки равной длины, в пределах которых используемые в расчете параметры (коэффициент линейного расширения материала, его предел текучести и модуль упругости) имеют средние значения, соответствующие средней температуре в каждом участке. На фиг. 3 показан механизм нагружения корсетного образца в испытаниях на термическую усталость. На фиг. 4 приведена таблица, содержащая результаты измерения напряжений в жаропрочном сплаве ЖС32 на расчетном участке корсетного образца.
min
max
m
m
упр
m
m
В предлагаемом примере реализации способа определения напряжений перед началом испытаний на поверхность образца наносили разметку (фиг. 1) с помощью твердомера ПМТ-3 и измеряли расстояния между метками на концах отмеченных участков м1-м2-м3-м4. Затем образец устанавливали и жестко фиксировали в захватах блока нагружения установки (фиг. 3) посредством болтов. Осуществление температурного режима испытаний (T↔T) производили пропусканием электрического тока, варьируя его силу в случае необходимости изменения продолжительности термического цикла. При достижении температуры T, соответствующей точке, при которой следовало выполнить измерение напряжений σ в материале, систему нагрева переводили в режим выдержки. Вначале с помощью оптического микроскопа, снабженного микронным индикатором определяли положения меток м1, м2, м3, м4, по которым вычисляли длину участков (1-2), (2-3), (1-3) между указанными метками. Затем образец освобождали от стеснения, отвернув один из болтов крепления головки, и производили повторное определение положения меток и вычисление длины указанных участков. По изменению длины участков (1-2), (2-3), (1-3) в результате освобождения стесненной упругой деформации (ε), вычисляли ее величину, которая, будучи умножена на модуль упругости материала (Е) при температуре T позволяет определить значения напряжений σ на каждом из участков. Для продолжения измерений ранее освобожденную головку вновь фиксировали болтом и изменяли температуру в циклическом режиме испытаний до следующей точки измерений.
При выполнении термоциклических испытаний на образцах цилиндрической формы, у которых площадь сечения одинакова по всей расчетной длине, метки наносят на ее краях, поскольку в этом случае измеряемое сжатие или растяжение после снятия напряжений имеет наибольшую величину.
ц
ц
упр
ц
упр
i
cp
i
упр
i
i
ц
i
i
При работе с образцами корсетной формы разметку наносят в соответствии с задачей, выполняемой в проводимом исследовании. Поскольку в корсетном образце исследуется зона в его середине между м1-м2, где развивается изучаемое разрушение, как результат циклических нагревов, разметка по краям центрального участка дает информацию об уровне напряжений σ, участвующих в разрушении. В тоже время информацию о напряжениях в центре σ позволяют получить и данные об удлинении или сжатии Δ всей рабочей части образца (между головками), по краям которой наносят метки: σ=Δ / [12Σ1/(wE)]. Упругое удлинение Δ каждого из участков, из которых складывается Δ=ΣΔ, как показано на фиг. 2, определяется напряжениями σ в нем, а они пропорциональны напряжениям в центре σ и обратно пропорциональны сечению каждого из этих участков w.
0.2
max
min
max
max
н
ц
ц
ц
своб
ст
ц
своб
ст
i
cp
ц
з-н Гука
соотн
0.2
-3
i
В центральном участке образец имеет наименьшую площадь сечения и наибольшую температуру в испытаниях, вследствие чего именно здесь развивается пластическая деформация, величина которой согласно закону Коффина определяет долговечность изделия. Поэтому напряжения здесь равны пределу текучести материала σ или выше его, если в ходе циклического нагружения происходит упрочнение материала. В связи с этим предлагаемый способ был опробован путем определения напряжений в термоциклических испытаниях на образцах из жаропрочного сплава ЖС32 и полученные результаты сопоставлены с паспортными данными этих материалов (фиг. 4). Испытания выполняли на образцах показанных на фиг. 1, где представлено также распределение температуры по длине его рабочей части при достижении в центре максимальной температуры (T) в цикле испытаний. На плоской полированной поверхности с одной стороны образца наносили метки - м1, м2, м3 и м4. Расстояние между метками м1-м2 составляло 4 мм и соответствовало длине расчетной части образца. Промежуткам между метками м1-м4 и м2-м3 соответствуют заплечики и расстояние по 8 мм. Размеченный образец устанавливали и жестко фиксировали на массивных блоках механизма нагружения (фиг. 3), жестко стянутых между собой и электрически изолированных друг от друга прокладкой слюды. На установленном образце определяли координаты меток с точность 10мм с помощью микроскопа, смонтированного с возможностью поступательного перемещения вдоль образца, и часового микронного индикатора, взаимодействующего с ним. Затем осуществляли циклический нагрев образца по заданной программе (T↔T), пропуская через него электрический ток. Испытания проводили по двум режимам: 100↔500°С и 100↔800°С. Величину напряжений определяли при температурах T=500 и 800°С. После выполнения заданного числа циклов, в выбранном полуцикле и при температуре Т, где следовало определить напряжения σ, нагрев останавливали, переходя в режим выдержки, и при этой температуре определяли расстояния между метками стесненного образца. Затем образец освобождали от стеснения, отвернув один из болтов, и вновь определяли координаты меток и вычисляли расстояния между ними. По завершении измерений освобожденный болт снова затягивали, создав тем самым стеснение, и циклический нагрев испытаний продолжали до следующей остановки. По изменению расстояний между парами меток в двух последних измерениях вычисляли искомые напряжения. По изменению расстояния между метками м1-м2 находили напряжения σ, используя закон Гука и соотношение: σ(Т)=Е(Т)((1-2) - (1-2)) / 4 мм. С помощью меток м1, м2 и м3 определяли те же напряжения на участке м1-м2 с помощью соотношения: σ(Т)=[((1-3)+(2-3)) - ((1-3)+(2-3))] / [12Σ1/(wE)]. В таблице (фиг. 4) приведены результаты определения координат меток м1, м2, м3, вычисленные расстояния между метками (1-2), (1-3) и (2-3) в свободном (своб.) и стесненном (ст.) состояниях и рассчитанные по ним с помощью выше указанных соотношений значения напряжений σ (σ и σ) в центре образца при двух температурах: 500 и 800°С. Согласно паспортным данным жаропрочного сплава ЖС32 его предел текучести σ при температуре 500°С составляет 810МПА, а при 800°С-870 МПА. Из сравнения следует, что напряжения, измеренные в центре образца, где при указанных температурах происходит пластическая деформация, соответствуют значениям предела текучести материала при соответствующих температурах.