СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01L1/00 

Изобретение относится к определению остаточных напряжений в осесимметричных изделиях после обработки, в частности в прутках и проволоке после пластического деформирования.

Известен способ определения остаточных напряжений в цилиндрических телах по методу Закса (см. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963, с. 157). Для определения остаточных напряжений из детали вырезается цилиндрический образец, проводится последовательная обточка цилиндра с измерением окружной и осевой деформации на внешнем радиусе. По замеренным деформациям с помощью специальных формул рассчитываются радиальные, окружные и осевые остаточные напряжения. Недостатком данного способа определения остаточных напряжений является то, что он относится к разрушающим способам, применение которого приводит к потере работоспособности детали.

Известен способ определения остаточных напряжений с помощью рентгеновских лучей. Рентгеновский способ дает возможность непосредственно измерять деформацию кристаллической решетки при воздействии напряжений (см. там же, с. 183). Преимущество рентгеновского способа заключается в том, что остаточные напряжения определяются без разрушения детали. При использовании рентгеновского способа на исследуемое тело воздействуют рентгеновскими лучами, отраженные лучи фиксируются на рентгеновской пленке. Последующая расшифровка рентгенограммы позволяет рассчитать разность главных напряжений σ₁- σ₂ на поверхности детали или каждое из главных напряжений σ₁, σ₂ (см. там же, с. 198).

Главным недостатком рентгеновского способа является то, что остаточные напряжения определяются только в поверхностном слое, центральные слои при этом не исследуются.

Другим недостатком известного способа является недостаточная точность способа. Данный способ не позволяет определить третье из главных напряжений, в частности радиальное напряжение, поскольку на поверхности это напряжение равняется нулю и оно не влияет на рентгенограмму. В то же время в центральных слоях оно может достигать значительных величин. Так, на оси заготовки радиальное напряжение σ_r равняется тангенциальному напряжению σ_θ. Естественно, что при оценке прочности напряжение σ_r играет большую роль.

Цель изобретения - повышение точности и расширение возможностей способа за счет определения всех компонентов остаточных напряжений по всему сечению изделий.

Поставленная цель достигается тем, что известным экспериментальным способом определяют осевое остаточное напряжение в поверхностном слое изделия, по найденному значению остаточного напряжения определяют распределение остаточных напряжений по всему сечению изделия по формулам

где
σ_θ, σ_r, σ_z- соответственно тангенциальные, радиальные и осевые остаточные напряжения;
σ*z

- экспериментально найденное значение остаточного напряжения в поверхностном слое изделия;
μ - коэффициент Пуассона материала изделия;
безразмерная радиальная координата;
R - радиус изделия.

Соотношения (1) получены из решения осесимметричной задачи теории упругости. Для осесимметричных изделий получены формулы для расчета тангенциальных (σ_θ), радиальных (σ_r) и осевых (σ_z) остаточных напряжений

где


r - радиальная координата;
R - радиус изделия.

Параметр в формулах (2 - 4) зависит от условий изготовления изделий и может быть определен из формулы (4) для экспериментально найденного осевого остаточного напряжения в поверхностном слое изделия

После подстановки выражения (5) в формулы (2 - 4) получим выражения, определяющие распределение тангенциальных, радиальных и осевых напряжений по всему сечению изделия

Пример конкретной реализации. Предложенный способ использовали для определения остаточных напряжений в прутке из дисперсно упрочненного композиционного материала на основе порошковой меди. Цилиндрический пруток диаметром 9,0 мм после калибровки волочением с диаметра 10 мм подвергли облучению рентгеновскими лучами на приборе ДРОН-3. После расшифровки рентгенограммы нашли осевые остаточные напряжения в поверхностном слое, получили 135 МПа. Коэффициент Пуассона для данного материала μ = 0,35. Расчеты по предлагаемым формулам дали значения напряжений по всему сечению прутка. Результаты определения остаточных напряжений по сечению прутка приведены в таблице.

Определенные значения напряжений свидетельствуют о том, что остаточные напряжения изменяются в широком диапазоне значений, при этом максимальными являются тангенциальные остаточные напряжения в поверхностном слое прутка. При этом положительные напряжения являются растягивающими, а отрицательные сжимающими. Отметим, что известный способ не позволяет определить напряжения по всему сечению образца и особенно в осевой (центральной) части образца С помощью предложенного способа это становится возможным.

Предлагаемый способ прост в осуществлении, дает возможность исследовать остаточные напряжения в любой точке сечения осесимметричных изделий, получить достоверную информацию об уровне остаточных напряжений, прогнозировать возможное последеформационное разрушение изделий от остаточных напряжений. Способ позволяет определить уровень остаточных напряжений, формируемых в процессе изготовления осесимметричных изделий, оценить влияние технологии на этот уровень, прогнозировать усталостную и хрупкую прочность, коррозионную стойкость изделий.

Способ предназначен для определения остаточных напряжений в осесимметричных изделиях после обработки, в частности в прутках и проволоке после пластического деформирования. Известным экспериментальным способом определяют осевое остаточное напряжение в поверхностном слое изделия, по значению которого определяют распределение остаточных напряжений по всему сечению изделия по математическим зависимостям
где σ_θ, σ_r, σ_z - соответственно тангенциальные, радиальные и осевые остаточные напряжения; σ*z

- значение осевого остаточного напряжения в поверхностном слое изделия; μ - коэффициент Пуассона материала изделия; безразмерная радиальная координата. Технический результат заключается в повышении точности и расширении возможностей способа за счет определения всех компонентов остаточных напряжений по всему сечению изделия. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения остаточных напряжений в осесимметричных изделиях, включающий определение остаточных напряжений в поверхностном слое, отличающийся тем, что определяют осевое остаточное напряжение в поверхностном слое изделия, по найденному значению которого определяют распределение остаточных напряжений по всему сечению изделия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что распределение остаточных напряжений по всему сечению изделия рассчитывают по формулам



где σ_θ,σ_r,σ_z - соответственно тангенциальные, радиальные и осевые остаточные напряжения;
σ*z

- значение осевого остаточного напряжения в поверхностном слое изделия;
μ - коэффициент Пуассона материала изделия,
безразмерная радиальная координатам