СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРУТКОВЫХ И ПРОВОЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЯХ Российский патент 2011 года по МПК G01L1/00 

Изобретение относится к определению остаточных напряжений в осесимметричных прутковых и проволочных изделиях после пластического деформирования.

Известны экспериментальные методы определения остаточных напряжений в осесимметричных изделиях типа прутков, которые заключаются в замере деформаций образцов при их частичном или полном разрушении с дальнейшим переходом от измеренных деформаций к напряжениям с использованием законов теории упругости. Например способ Закса, заключающийся в том, что для определения остаточных напряжений из детали вырезается цилиндрический образец конечной длины, который подвергается обточке с измерением окружной и осевой деформации на внешнем радиусе (см. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963, с.157-158). По замеренным деформациям производится расчет остаточных напряжений. Недостатком такого способа определения остаточных напряжений является то, что он относится к разрушающим способам, применение которых приводит к потере работоспособности детали. Другим недостатком способа является то, что при обточке диаметр исследуемого пруткового изделия постепенно уменьшается, при этом определение остаточных напряжений в центральных слоях пруткового изделия становится невозможным.

Известны также физические способы определения остаточных напряжений, основанные на измерении физических и механических характеристик исследуемого материала под влиянием остаточных напряжений. Для материалов, имеющих кристаллическое строение, используется рентгеновская тензометрия (см. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963, с.183). При использовании рентгеновского способа определения остаточных напряжений на исследуемое тело воздействуют рентгеновскими лучами, отраженные лучи фиксируются на рентгеновской пленке. Последующая расшифровка рентгенограммы позволяют рассчитать разность главных напряжений σ₁-σ₂ на поверхности детали или каждое из главных напряжений σ₁, σ₂ (см. там же с.198). Данный способ принят за прототип.

Несмотря на преимущества рентгеновского способа как неразрушающего, он имеет недостатки. Напряжения при измерении остаточных напряжений рентгеновским способом определяются только на поверхности изделия, то есть невозможно получить полную картину распределения остаточных напряжений по всему объему изделия. Данный способ не позволяет определить третье из главных напряжений, в частности радиальное напряжение σ_r, поскольку на поверхности это напряжение равно нулю и не влияет на рентгенограмму. В то же время известно, что по мере приближения к центральным слоям оно может достигать значительных величин и влиять на прочность изделий.

Задача изобретения - повышение прочности и расширение возможностей способа за счет определения всех компонент тензора остаточных напряжений по всему сечению осесимметричного пруткового или проволочного изделия.

Задача изобретения была решена за счет того, что известным экспериментальным способом определяют тангенциальное (окружное) остаточное напряжение в поверхностном слое изделия и по найденному значению остаточного напряжения определяют распределение остаточных напряжений по всему сечению пруткового или проволочного изделия по формулам

где σ_r, σ_θ, σ_z - радиальные, окружные (тангенциальные) и осевые остаточные напряжения соответственно; - экспериментально найденное значение тангенциального (окружного) остаточного напряжения в поверхностном слое пруткового изделия ; µ - коэффициент Пуассона материала изделия; - радиальная относительная координата; R - радиус пруткового изделия.

Признаки предлагаемого способа, отличительные от признаков способа по прототипу - по экспериментально найденному значению тангенциального остаточного напряжения в поверхностном слое изделия определяют распределение остаточных напряжений по всему сечению пруткового изделия по формулам

соотношения (1) получены из решения осесимметричной задачи теории упругости для остаточных напряжений. Для прутковых изделий известны формулы для расчета радиальных (σ_r), тангенциальных (σ_θ) и осевых (σ_z) остаточных напряжений (см. Колмогоров Г.Л., Курапова Н.А., Каменев С.А. / Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1996, №5, с.31-34)

где а₁ - параметр, учитывающий технологические особенности процесса деформирования; - радиальная относительная координата; R - радиус пруткового изделия.

В соотношениях (2-4) параметр а₁ учитывает технологические условия производства прутковых и проволочных изделий и может быть определен из формулы (3) для экспериментально найденного тангенциального остаточного напряжения на поверхности пруткового изделия

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

Пример конкретной реализации способа.

Предложенный способ был использован для определения технологических остаточных напряжений в прутковой стальной заготовке. С применением автоматического дифрактометрического комплекса были определены значения тангенциальных остаточных напряжений на поверхности стального прутка диаметром 10 мм, которые составили (68-110) МПа. Среднее значение при этом равно 89 МПа. Для , значения напряжений при этом составят для центра прутка ; σ_θ=-44,5 МПа; для коэффициента Пуассона µ=0,35 σ_z=-31,15 МПа. На поверхности прутка ; σ_θ=89 МПа; σ_z=31,15 МПа. Положительные значения остаточных напряжений соответствуют растягивающим напряжениям, отрицательные - сжимающим напряжениям.

Использование: для определения остаточных напряжений в прутковых и проволочных изделиях. Сущность заключается в том, что осуществляют определение тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое изделия в зависимости от относительной радиальной координаты в изделии, после чего, используя экспериментально найденные зависимости между тангенциальными, радиальными и осевыми остаточными напряжениями, определяют радиальные и осевые остаточные напряжения соответственно. Технический результат: обеспечение возможности определения тангенциальных, радиальных и осевых остаточных напряжений осесимметричного пруткового или проволочного изделия.

Способ определения остаточных напряжений в прутковых и проволочных изделиях, включающий определение тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое изделия, отличающийся тем, что по найденному значению тангенциальных остаточных напряжений в поверхностных слоях определяют распределение остаточных напряжений по всему сечению пруткового или проволочного изделия по формулам:



где σ_r, σ_θ, σ_z - радиальные, окружные (тангенциальные) и осевые остаточные напряжения соответственно;
- экспериментально найденное значение тангенциального (окружного) остаточного напряжения в поверхностном слое изделия ;
µ - коэффициент Пуассона материала изделия;
- радиальная относительная координата;
R - радиус пруткового или проволочного изделия.