Аналіз методів визначення механічних напруг

Размещено на http://allbest.ru

12

Київський національний університет технологій та дизайну

УДК 620.179

Аналіз методів визначення механічних напруг

2017

Вступ

Часто механічні властивості матеріалів є основними, оскільки готові вироби на різних ступенях піддаються механічним навантаженням. Вибір матеріалу для певної області застосування також ґрунтується на його механічних властивостях. Забезпечення міцності, підвищення точності виготовлення, якості, працездатності елементів і вузлів конструкції, багато в чому визначається рівнем напруженого стану, що виникає в процесі їх виготовлення та експлуатації [1].

Механічні напруги впливають на працездатність конструкцій. Як рівень так і розподіл напруг, може бути критичним для робочих характеристик і повинен враховувати при виготовленні виробів і конструкцій. Ця проблема вирішується в кількох напрямках, серед яких важлива роль належить розробці та широкому застосуванню сучасних методів і засобів визначення механічних напруг [1,2].

Дослідження механічних напруг традиційними експериментальними методами є трудомісткими і потребують виконання великого обсягу вимірювань із застосуванням спеціального устаткування та приладів. У зв'язку з цим є актуальним розвиток нових методів та засобів оперативного визначення механічних напруг.

Постановка завдання: Метою досліджень є класифікація та порівняння існуючих методів визначення механічних напруг, визначення їх переваг та недоліків.

Результати досліджень

Причиною виникнення механічних напруг [4] є дія зовнішніх сил, температурних полів, чи проходження в матеріалі фізико-хімічних процесів. Зазвичай розрізняють два види компонентів вектора механічного напруження:

- нормальне напруження (напруження розтягу-стиску) - зусилля прикладене до

одиниці площі перерізу зразка, спрямоване по нормалі до перерізу;

- дотичне напруження (напруження зсуву) - зусилля прикладене до одиниці площі перерізу зразка, спрямоване у площині перерізу.

З точки зору способів впливу [5] (див. рисунок), руйнівні методи дозволяють одержувати найбільш повну інформацію про напруження по всьому об'єму матеріалу. Малоруйнівні і не руйнівні методи в більшості випадків призначені для дослідження напруженого стану поверхні. Однак при цьому перші припускають повне руйнування, а другі вимагають лише створенім локального дефекту на поверхні при збереженні цілісності об'єкта. В цілому методи визначення механічних напружень поділяються на: методи впливу на об'єкт (руйнівні та малоруйнівні), націлені на прояв внутрішніх напружень, і методи отримання даних (не руйнівні), що є вихідними при розрахунку механічних напружень.

Руйнівні методи засновані на припущенні, що розрізання чи видалення частини деталі із залишковими напруженнями еквівалентне додатку до частини деталі що залишилась, напружень зворотного знаку, рівних за абсолютною величиною залишковим.

Механічні методи [3] засновані на принципі пружного розвантаження об'єму металу при його звільненні від залишкових напружень шляхом розрізання або іншої механічної дії. Вимірюючи деформації, що виникають при цьому, можна обчислити механічні напруження за формулами теорії пружності.

Малоруйнівні методи засновані на використанні поверхневого шару для контролю залишкових напружень шляхом виконання на поверхні канавок, отворів, пропилів, стовпчиків і наступного контролю деформації, а також твердості у зоні руйнування.

Метод визначення твердості заснований на зміні твердості під впливом залишкових напружень в поверхневих шарах матеріалу. Можна оцінити рівень і знак напружень по різниці твердості виробу та еталонного зразка, в якому завідомо відсутні залишкові напруження.

Рисунок. Методи вимірювань механічних напружень з точки зору способів впливу

Неруйнівні методи засновані на зміні тих чи інших фізичних властивостей матеріалів залежно від ступеня пружного деформування. Відносно слабка вивченість необхідних властивостей, стосовно до визначення механічних напружень, істотно обмежує їх можливості.

Рентгенівський метод [3] заснований на прецизійному вимірюванні змін міжплощинних відстаней, що визначаються по зсуві дифракційної лінії. Цей метод заснований на явищі дифракції рентгенівських променів при їх проходженні через кристалічну решітку. Рентгенівський метод дозволяє визначити напруження в деталях складної геометричної форми, необмежених розмірів, досліджувати напруження на дуже малих ділянках поверхні зразка, вимірювати градієнти напружень, визначати миттєві напруження в деталях, що піддаються періодичним навантаженням. Недоліки: знижена точність при роботі з сильно деформованими і грубозернистими матеріалами, неможливість одночасного контролю в декількох точках зразка.

Ультразвуковий метод [5] ґрунтується на залежності швидкості розповсюдження ультразвукової хвилі матеріалу від його напруженого стану. Цей неруйнівний метод дозволяє застосувати його при дослідженні відповідальних конструкцій. Однак, необхідність механічних властивостей істотно впливає на швидкість пружних хвиль, що обмежує застосування методу в зварних конструкціях.

Метод електропровідності металів заснований на зміні електропровідності що реєструється або шляхом її прямого виміру, або струмовихровим методом. Прямий метод визначення вимагає наявності апаратури з високою чутливістю, а струмовихровий - простий у використанні і придатний для промислового застосування.

Метод магнітної пам'яті заснований на реєстрації власних магнітних полів розсіювання, що виникають на устаткуванні в локальних зонах концентрації напружень під дією робочих навантажень. При цьому величину магнітних полів розсіювання в об'єкті контролю відображає тензор деформації і напруження.

Переваги: не впливає на стан матеріалу в процесі визначення. Не потребує попередньої підготовки поверхні. Цей метод дозволяє оцінити ступінь дефектів зварних швів, визначити розподіл залишкових напружень в зонах концентрації напружень, а для однотипних сполук - відносний рівень напружень, якість та ефективність техніки вимірювання. Недоліки: необхідність додаткового використання традиційних методів дефектоскопічного об'ємного контролю для встановлення точного виду дефекту та визначення його розмірів, відсутність кількісних критеріїв розбракування за виглядом і за розмірами внутрішніх дефектів.

Поляризаційно-оптичний метод заснований на використанні пружно-оптичного ефекту для визначення залишкових напружень або напружень від зовнішніх навантажень. Пружно-оптичний ефект виявляється в появі в прозорих матеріалах подвійного променезаломлення під дією напружень. Кількісно цей ефект виявляється через порядок ізохроми як функції двох змінних: відносного подовження і нормального напруження. Досліджуваний об'єкт поміщають між поляризатором і аналізатором. Напруження визначають з використанням оптично чутливих матеріалів як покриттів. Для цього на певні ділянки виробу наклеюються оптично-чутливі пластини певної товщини і складу. механічний напруження міцність

Метод крихких покриттів дає можливість спостерігати напружений стан у виробі. На поверхню досліджуваного об'єкта наносять спеціальний лак, який після висихання дає дуже крихке покриття, міцно поєднане з виробом. У процесі дослідженім фіксується напрямок і виникають лише в результаті розтягуючи напруг, тому для дослідження стискаючих напруг виріб піддається попередньому стисненню.

Тріщини виникають при розвантаженні виробу. Місця появи перших тріщин локалізують найбільші напруження в поверхневому шарі зразка.

Електромагнітні методи. Дана група методів базується на залежності між магнітними властивостями металу і величиною діючих в даній області залишкових напружень. Однак, крім даної залежності, є і залежність від величини зерна, хімічного складу, структури. Тому результати вимірювань, отримані на зразках зі структурною неоднорідністю, наприклад, у зварних швах, носять неоднозначний характер. Методи придатні для визначення залишкових напружень тільки в зразках з металів і сплавів, з магнітними властивостями. Глибина проникнення електромагнітного поля у феромагнетиках залежить від частот живлення електромагнітних пристроїв, що збуджують поле. Електромагнітні методи значно продуктивніші, ніж тензометричний або оптичний. Найбільш доцільно його застосування для оперативного контролю зміни залишкових напружень.

Матнітопружний метод заснований на зміні магнітної проникності під дією механічних напружень. Зміна магнітної проникності виявляється по зміні магнітної індукції за умови сталого зовнішнього магнітного поля. Метод передбачає попереднє тарування на еталонних зразках, у тому числі під навантаженням. Вимірювання можна проводити також лише на феромагнітних матеріалах. Він також виявляється малопридатним для визначення залишкових напружень в зварних швах через неоднорідності фізичних властивостей, що виникають в цих швах.

Матнітошумовий метод [1] заснований на ефекті Баркгаузена, що полягає в стрибкоподібній зміні намагніченості при плавній зміні перемагнічувального поля. Стрибки в намагніченості пов'язані із залишковими напруженнями. На ділянці контрольованого матеріалу, що піддається впливу змінного магнітного поля, фіксується магнітний шум, який виникає внаслідок стрибкоподібної зміни намагніченості матеріалу. Параметри шуму характеризують величину залишкових напружень.

Одним з перспективних напрямків є метод електропластичної деформації, принцип якого полягає в додатковій дії на метал електричного струму, густина якого перевищує деяке граничне значення. При цьому відбувається пружне розвантаження залишкових напружень в металі. Ц,е явище лежить в основі способу неруйнівного визначення залишкових напружень методом електронної спектр-інтерферометрії. Однак не зважаючи на широке застосування електропластичної деформації, механізми дії цього явища на сьогодні до кінця не з'ясовані. Вважається, що в процесі локального пружного розвантаження головний внесок належить інтенсивним дислокаційним взаємодіям, які обумовлені протіканням електричного струму. Ці взаємодії залежать від амплітуди, тривалості фронту і усього імпульсу струму. Вплив цих параметрів на процес електропластичної деформації достатньо не вивчений.

Сукупність інтерферометричного методу визначення залишкових напружень полягає у порівнянні двох хвильових фронтів світлових хвиль, відбитих від поверхні досліджуваного об'єкта до і після локального розвантаження.

Висновок

Кожен з описаних вище методів має свої переваги і недоліки. Найбільш достовірні механічні методи. Проте вони вимагають «руйнування» або порушення цілісності конструкції. Механічні методи вимірюють конкретні значення напружень в локальній ділянці об'єкта.

Визначення просторового розподілу полів вимагає проведення цілого ряду вимірювань. Ряд неруйнівних методів дозволяє візуалізувати поле напружень. Вони не вимагають руйнування конструкції. В деяких випадках їм необхідні зразки - еталони, зроблені з того ж матеріалу, але вільні від залишкових напружень. Без них результати вимірювань можуть бути інтерпретовані абсолютно некоректно.

До вибору методу необхідно підходити в залежності від об'єкту, де необхідно провести вимірювання. Великий ефект може дати комплексне використання різних методів. Існує значна необхідність в розробці методів визначення залишкових напружень, які б поєднували в собі мінімальний вплив на об'єкт і відсутність руйнування та точність, достовірність та простоту вимірювань.

Особливу увагу привертає метод електропластичної деформації, який поєднує в собі можливість не тільки проводити визначення залишкових напружень, але і значно зменшити їх значення.

Список використаних джерел

1. Антонов А.А. Бесконтактный электростатический метод оценки НДС твердых тел / А.А. Антонов, А. А. Ифимовская, Г. Н. Чернышов. -М. : Наука, 1988- 32 с.

2. Определения остаточных напряжений при помощи создания отверстий и голографической интерферометрии / [А. А. Антонов, А. И. Бобрик, В. К. Морозов, Г. И. Чернышев ]. // Механика твердого тела, 1980. - № 2 - С.32-40.

3. Баштанов А. В. Напряжения и деформация при сварке / А. В. Баштанов, А. В. Бондарь, А. Б. Булков. - Воронеж : ВГТУ, 1999. - 82 с.

4. Биргер И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. - М. : Наука, 1963 - 232 с.

5. Ботаки И.А. Ультразвуковой контроль прочносных свойств конструкционных материалов / А. А. Ботаки, В. А. Ульянов, В. А. Шарко - М. : Наука, 1983. - 80 с.

6. Улыбин А.В. Метод измерения электрического сопротивления для контроля механических напряжений в стальных конструкциях : автореф. диссерт. на ст. к. т. н.: спец. 05. 11.01/ А. В. Улыбин. - 20 с.

References

1. Antonov A.A. Beskontaktnyi elektrostatycheskyi metod otsenky NDS tverdykh tel / A.A. Antonov, A. A. Yfymovskaia, H. N. Chernyshov. -M. : Nauka, 1988- 32 s.

2. Opredelenyia ostatochnykh napriazhenyi pry pomoshchy sozdanyia otverstyi у holohrafycheskoi ynterferometryy / [A. A. Antonov, A. Y. Bobryk, V. K. Morozov, H. Y. Chernyshev ]. // Mekhanyka tverdoho tela, 1980. - № 2- S.32-40.

3. Bashtanov A. V. Napriazhenyia у deformatsyia pry svarke / A. V. Bashtanov, A. V. Bondar, A. B. Bulkov. - Voronezh : VHTU, 1999. - 82 s.

4. Byrher Y. A. Ostatochnye napriazhenyia / Y. A. Byrher. - M. : Nauka, 1963 - 232 s.

5. Botaky Y.A. Ultrazvukovoi kontrol prochnosnykh svoistv konstruktsyonnykh materyalov / A.A. Botaky, V. A. Ulianov, V. A. Sharko.-M. : Nauka, 1983. - 80 s.

6. Ulybyn A. V. Metod yzmerenyia elektrycheskoho soprotyvlenyia dlia kontrolia mekhanycheskykh napriazhenyi v stalnykh konstruktsyiakh : avtoref. dyssert. na st. k. t. n.: spets. 05. 11. 01 / A. V. Ulybyn. -20 s.

Анотація

Аналіз методів визначення механічних напруг. Бойченко Г.І., Слобідка Л.Б. Київський національний університет технологій та дизайну

Виконано огляд існуючих методів визначення механічних напруг, визначені їх основні переваги та недоліки, сфери застосування. Показано що до вибору методу необхідно підходити в залежності від об'єкту, де необхідно провести вимірювання. Великий ефект може дати комплексне використання різних методів.

Ключові слова: механічні напруги, залишкові напруги, механічні методи, напруження, ультразвуковий метод, руйнівні методи, напружений стан

Аннотация

Анализ методов определения механического напряжения. Бойченко Г.И., Слобидка Л.Б. Киевский национальный университет технологий и дизайна