СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
METHOD FOR DETERMINING RESIDUAL STRESSES

Изобретение относится к измерительным технологиям информационно-диагностического обеспечения процесса определения остаточных напряжений в материале изделия на различных этапах его жизненного цикла, в частности после изготовления: качества отверждения полимерных композиционных материалов, получения неразъемных соединений сваркой, селективного лазерного сплавления и плазменного напыления, а также других операционных технологий, связанных с фазовыми превращениями и пластическим деформированием при формо- и структурообразовании изделий.
Известен способ определения остаточных напряжений, по которому из изделия по двум взаимно перпендикулярным направлениям вырезают два образца заданных размеров, измеряют деформации изгиба и кручения после вырезки и после уменьшения толщины образцов путем удаления напряженных слоев материала и по полученным данным определяют остаточные напряжения в материале изделия. Согласно изобретению обеспечивают одинаковую точность измерения отдельных компонент остаточных напряжений, определяя указанные размеры обоих образцов предварительно перед вырезкой из условия, что производная от деформаций изгиба и производная от деформаций кручения по толщине удаляемого слоя были равны при условии равенства соответствующих нормальных и касательных напряжений [патент РФ №2121666, МПК G01L 1/06 (1998.11)].
Недостатком способа является то, что необходимо разрушать изделие путем вырезки образцов и при вырезании образца картина распределения остаточных напряжений в образцах будет отличаться от действительных напряжений в изделии, т.е. скажется масштабный эффект.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является экспериментально-теоретический способ определения остаточных напряжений в стержнях прямоугольного сечения [Биргер И.А., Остаточные напряжения, М., Машгиз, 1963 г., стр. 60…79], заключающийся в том, что из исследуемой детали вырезают и подготавливают образец в форме стержня прямоугольного сечения. С подготовленного образца одним из известных способов снимают слои материала, при этом после каждого снятого слоя определяют суммарную толщину снятого материала и прогиб образца, вызванный снятием этого материала. Рассчитывают остаточные напряжения в слоях по формуле
где Е - модуль упругости материала
l - длина исследуемого образца;
h - начальная толщина образца;
a
- толщина снятого материала;
a
а
f() - функция, определяющая зависимость между толщиной снятого материала () и возникшим при этом прогибом образца;
- производная функции f(a);
a
- интеграл функции f(ξ), аналогичной f().
Данный способ принят в качестве прототипа.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что необходимо разрушать изделие путем вырезки образцов и при вырезании образца картина распределения остаточных напряжений в образцах будет отличаться от действительных напряжений в изделии, т.е. скажется масштабный эффект. В известном способе для расчета остаточных напряжений необходимо определять для каждой исследуемой детали три функции. Вычисление функций трудоемко, их структура достаточно сложна, их неаналитическое построение вносит существенную погрешность в формулу расчета остаточных напряжений.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - способ определения остаточных напряжений в поверхностном слое исследуемых материалов, заключающийся в воздействии на него механических нагрузок и фиксации результатов воздействия.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей физико-технологического воздействия на материал, например управляемого механического нагружения для определения уровня остаточных напряжений первого рода в локальных областях поверхностного слоя материала изделий на различных этапах жизненного цикла, в том числе за пределами гарантийных сроков эксплуатации конструкций объектов ответственного назначения при упрощении способа, снижении трудоемкости и повышении точности определения остаточных напряжений.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе определения остаточных напряжений в поверхностном слое исследуемых материалов, заключающемся в воздействии на него механических нагрузок и фиксации результатов воздействия, согласно изобретению осуществляют управляемые механические воздействия высокоскоростной гидроструей, затем путем анализа результатов гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя образца при различных уровнях нагружения рассчитывают величину остаточных напряжений по зависимости, учитывающей как минимум два уровня нагружения исследуемого материала:
1
2
ост
1
2
ост
ост
где J, J, J - соответственно результаты гидроэрозионного разрушения поверхности образца, например глубина образующейся гидрокаверны при определенных уровнях механических напряжений: σ и σ, создаваемых при приложении к образцу материал как минимум двух различных по величине силовых нагрузок. При этом величина остаточных напряжений σ определяет при прочих равных условиях величину уровня гидроразрушения поверхности J только при наличии искомых остаточных напряжений первого рода, т.е. при отсутствии внешнего силового воздействия на исследуемый материал.
В качестве высокоскоростной гидроструи может быть использована струя слабоабразивной суспензии, твердотельные мелкодисперсные частицы которой (наполнитель) имеют физико-механические характеристики ниже на 50…70% физико-механических характеристик поверхностного слоя исследуемого материала.
ост
ост
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - осуществляют управляемые механические воздействия высокоскоростной гидроструей; затем путем анализа результатов гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя образца при различных уровнях нагружения рассчитывают величину остаточных напряжений по зависимости (2), учитывающей как минимум два уровня нагружения исследуемого материала; при этом величина остаточных напряжений σ определяет при прочих равных условиях величину уровня гидроразрушения поверхности J только при наличии искомых остаточных напряжений первого рода, т.е. при отсутствии внешнего силового воздействия на исследуемый материал; в качестве высокоскоростной гидроструи используют струю слабоабразивной суспензии, твердотельные мелкодисперсные частицы которой (наполнитель) имеют физико-механические характеристики ниже на 50…70% физико-механических характеристик поверхностного слоя исследуемого материала.
Отличительные признаки позволяют расширить функциональные возможности физико-технологического воздействия на материал, например управляемого механического нагружения для определения уровня остаточных напряжений первого рода в локальных областях поверхностного слоя материала изделий на различных этапах жизненного цикла, в том числе за пределами гарантийных сроков эксплуатации конструкций объектов ответственного назначения при упрощении способа, снижении трудоемкости и повышении точности определения остаточных напряжений.
Авторы в ходе экспериментов впервые установили, что эффект влияния механических напряжений в исследуемом материале на интенсивность его гидроэрозионного разрушения может быть положен в основу достижения поставленной задачи изобретения: количественного определения уровня остаточных напряжений в материале конструкции путем анализа результатов его локального поверхностного гидроэрозионного разрушения высокоскоростной гидроструей или струей слабоабразивной суспензии.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежом, на котором представлена графическая иллюстрация осуществления способа в виде алгоритма получения расчетного соотношения для определения уровня остаточных напряжений в исследуемом материале.
2
На схеме обозначены: σ, J - соответственно уровень механических напряжений в исследуемом материале (н/м, Па) и интенсивность гидроэрозионного разрушения его поверхности (кг/с).
1
2
1
2
ост
ост
ост
p
ост
1
1
2
2
ост
ост
Для простоты анализа под J - можно понимать глубину (форму) гидрокаверны, образующейся на поверхности материала за определенное время воздействия высокоскоростной гидроструи или струи абразивной суспензии; J и J - соответственно масс-геометрические результаты эрозионно-диспергирующего воздействия высокоскоростной гидроструи или струи суспензии при соответствующих уровнях механических напряжений в материале σ и σ, обусловленных определенным силовым нагружением различной величины материала объекта анализа; σ - подлежащая определению величина остаточных технологических и/или эксплуатационных напряжений в анализируемом конструкционном материале, детали и/или изделии; J - результат гидроэрозионного локального разрушения поверхностного слоя исследуемого материала, например глубина гидрокаверны при отсутствии внешнего силового нагружения, т.е. только с учетом влияния σ; J - расчетное значение гидроэрозионного разрушения при отсутствии остаточных напряжений (σ=0), которое характеризует только физико-механические свойства диагностируемого материала; α - угол наклона зависимости: J=ƒ(σ), т.е. tgα=k по сути означает коэффициент влияния приращения Δσ на соответствующие изменения ΔJ; 1,2,3 - точки на зависимости J=ƒ(σ), при соответствующих парных соотношениях: 1-σ→J; 2-σ→J; 3-σ→J. При этом, согласно фиг.:
Способ определения остаточных напряжений осуществляют следующим образом.
ост
На объект воздействуют несколькими, не менее двух, разных по величине механически-силовыми нагружениями, при каждом из которых осуществляется воздействие высокоскоростной гидроструи или струи суспензии и регистрируют результаты локальной гидроэрозии в месте воздействия диагностической струи. Затем, полагая в первом приближении, что интенсивность гидроэрозии пропорциональна уровню механических напряжений в месте воздействия струи вычисляют величину остаточных напряжений (σ) при отсутствии внешнего силового деформационного воздействия по зависимости (для двух уровней нагружения объекта анализа);
1
2
1
2
где: J и J - характеристики интенсивности гидроэрозионного локального разрушения диагностируемой поверхности, например глубина и форма образующихся гидрокаверн; σ и σ - механические напряжения в диагностируемом материале, которые обусловлены действием 2-х разных по величине уровней механического нагружения объекта анализа.
Процедура получения основной зависимости (2) проиллюстрирована на фиг., на которой в графическом виде представлены результаты экспериментов и векторными «стрелками» указана последовательность построения соотношения (1), которое является следствием функционально-геометрической соотносительности между анализируемыми параметрами.
Для повышения интенсивности процесса гидроэрозии предлагается использовать слабоабразивную струю суспензии, которая формируется на основе мелкодисперсных частиц материала с меньшими физико-механическими свойствами, чем физико-механические параметры диагностируемого материала. В этом случае диагностическая гидроабразивная струя будет вносить незначительные искажения в топографию распределения исходных остаточных напряжений из-за пренебрежимо малой степени пластических деформаций (наклепа) исследуемого материала в зоне их определения.
Кроме того, использование такой слабоабразивной струи позволит использовать менее мощное гидротехнологическое оборудование, что положительно скажется на технико-экономических характеристиках заявляемого способа.
Как показали установочные эксперименты, в качестве дисперсного наполнителя, в зависимости от вида диагностируемого материала результативно использовать порошок железа, в частности для диагностики изделий из сталей или алюминиевую пудру для более мягких материалов типа легких сплавов и полимерных композиционных материалов. Поэтому можно рекомендовать соотносительность между физико-механическими свойствами диагностируемого материала и свойствами дисперсного наполнителя диагностической струи суспензии в пределах 50…70%.
Пример конкретного выполнения.
Способ определения остаточных напряжений состоял из следующих основных этапов;
Исходя из геометрических соображений, основанных на прямопропорциональной зависимости между изменениями а и приращении J, что справедливо в определенном, относительно небольшом интервале их варьирования, в частности в зоне малых упругих деформаций анализируемого материала (δ<3…5%) можно записать (см. фиг.):
1
2
1
2
p
ост
ост
ост
где: J и J - как и ранее соответствующие характеристики гидроэрозионного разрушения материала при различном уровне механических напряжений в нем: σ и σ, обусловленных приложением 2-х вариантов внешнего нагружения соответствующей величины; J - расчетная характеристика интенсивности гидроэрозии, например глубина гидрокаверны на диагностируемой поверхности при отсутствии внешнего и внутреннего механического воздействия, в том числе при σ=0, J - величина гидроэрозии только с учетом влияния уровня - σ в месте гидродинамического удара высокоскоростной струи жидкости (воды) или струи слабоабразивной суспензии.
ост
Очевидно, что более полноценный результат определения σ будет получен путем осреднения значений, вычисленных по (3) и (5) с учетом (1), т.е. по зависимости вида (2), которая и является основным отличительным признаком заявляемого способа.
Сделаем несколько замечаний.
ост
1. Для повышения точности определения σ необходимо увеличение количества числа испытаний n>2. При этом, полученную зависимость J=ƒ(σ) необходимо аппроксимировать не прямой вида (см. фиг. 1):
ост
а более сложным степенным полиномом, например квадратичным. Однако это приведет к увеличению трудоемкости и затратности способа, который следует рассматривать как экспрессно-оперативную контрольно-диагностическую процедуру ускоренного определения уровня σ в поверхностном слое объекта анализа.
2. Используя для исследований образец с переменной формой сечения, например клиновидный, путем его нагружения одним значением растягивающей или сжимающей силы осуществляется физически обусловленная реализация плавного изменения напряжений а по его длине. Затем, проведя несколько гидроструйных воздействий в перпендикулярном действию растягивающей (сжимающей) силы направлениях, а также при ее отсутствии возможно формирование весьма представительного массива соотношений вида:
где i=1, 2, …, n - число каверн на поверхности образца с переменной площадью поперечного сечения.
ост
Причем этот конструктивно-вариативный образец результативно использовать для отработки инженерной методики определения σ.
ост
max
2
2
Для верификации предлагаемого способа осуществлялась аргонодуговая сварка листовых образцов из стали Х18Н10Т с последующей зашлифовкой шва. Затем, путем реализации предлагаемого способа было получено значение: σ (растяжения) в переделах: ; σ~50 Н/мм. После операции вакуумного отжига на режимах: температура нагрева - θ~720°С, продолжительность - τ ~ 3 часа, уровень остаточных напряжений снизился до величины σ=10…20 Н/мм. Это обстоятельство весьма положительно сказалось на усталостных характеристиках образов, которые также оценивались путем гидроструйного воздействия на установке фирмы FLOW к фрикционных испытаниях на машине трения Шкода-Славин. В таблице в обобщенном виде представлены результаты реализации способа.
Данный пример наглядно иллюстрирует достижение заявляемого технического результата способа определения уровня остаточных напряжений в материале путем кратковременного воздействия на него высокоскоростной гидроструи или струи слабоабразивной суспензии и алгоритмизированного анализа масс-геометрических результатов гидроэрозии поверхности материала по зависимости (2).
ост
ост
Предлагаемый способ может быть полезен при экспресс-оценке эффективности физико-технологических мероприятий, направленных на целенаправленное управление величиной и знаком σ, например режимов термообработки, нивелирующих σ.→0. И наоборот, например, при оценке результативности процесса алмазного выглаживания, обеспечивающего наведение в поверхностном слое пластичного материала эксплуатационно-ценных технологических сжимающих остаточных напряжений, увеличивающих предел усталостной прочности ряда деталей, например различных силовых торсионов или прецизионных пар трения.
Помимо этапа технологической подготовки производства, а также при выборочном или 100%-м контроле уровня остаточных напряжений в различных изделиях, в первую очередь высокоответственного назначения, способ может быть легко адаптирован к анализу степени деформационного старения материала и возникновению в нем остаточных напряжений, вариативная топография которых формируется под действием значительных эксплуатационных нагрузок. Это обстоятельство, в первую очередь, крайне важно для объектов, испытывающих при эксплуатации в первую очередь длительные, знакопеременные высокодинамичные вибрационно-ударные воздействия, характерные, например для изделий авиамоторостроения и некоторых образцов ракетно-космической техники.
В целом, использование заявляемого способа дополнит арсенал достоверной экспресс-оценки уровня остаточных механических напряжений (напряжений 1-го рода), что повысит прогностическую точность самых различных моделей расчета остаточного ресурса конструкций изделий, в первую очередь особого ответственного назначения, в том числе за пределами гарантийных сроков их безусловно надежной эксплуатации. Заметим, что помимо координатно-локального определения уровня остаточных напряжений 1-го рода предлагаемая контрольно-диагностическая технология может оказаться эффективной при анализе особенностей формирования и проявления остаточных напряжений второго рода, связанных с микроструктурными изменениями материала деталей при их изготовлении и эксплуатации.
Таким образом, заявляемый способ может использоваться для выбора оптимальных технологий изготовления изделий из них материалов. Преимущества способа состоят в том, что он позволяет снизить трудоемкость испытаний, повысить точность определения остаточных напряжений, расширить возможности воздействия высокоэнергетической струи для процедуры диагностики материалов за счет изменения параметров струи при сохранении достоверности диагностической информации о свойствах материалов.