Способ снижения уровня остаточных напряжений в материале Советский патент 1992 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к механическим испытаниям материалов и конструкций и может быть использовано при испытании на релаксацию напряжений, а также для выбора режимов вибрационной обработки, имеющей целью снижение уровня остаточных напряжений в конструкциях и в образцах, предназначенных для механических испытаний.

Известен способ выбора режимов нагружения при испытаниях на релаксацию, основанный на использовании технических теорий ползучести, включающий операции определения диаграммы растяжения материала, модуля его упругости и скорости ползучести в зависимости от времени. Используя уравнения теорий ползучести (упрочнения, течения, старения) и данные, полученные при проведении указанных операций, рассчитывают величины снижения напряжения для каждого из режимов нагружения, т. е. получают взаимосвязь между величиной снижения напряжения и режимами нзгружения, и по заданной величине снижения напряжения выбирают необходимый режим нагружения.

Однако данный способ является недостаточно точным, поскольку теории ползучести, на которых базируется способ, даже при введении функции нестабильности материала, которую делают зависимой от числа циклов нагружения. или при использовании теорий со структурным параметром, модифицированных введением функции циклической нестабильности, демонстрируют неудовлетворительное соответствие эксперименту.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и Достигаемому результату является способ снижения остаточных напряжений в материале, заключающийся в том, что производят циклическое нагружение при значении максм- маДьногонапряжения цикла, определяемом из соотношения

ОЦп СГ+ОЪст 0&

(1)

где о- максимальное напряжение цикла; TSocTrtfCTa ro4fioe напряжение в материале;

Оц п - предел циклической ползучести;

oft - предел выносливости.

Недостаток известного способа заключается в невозможности снижения остаточных напряжений на заранее заданную величину.

Цель изобретения - повышение точности задания величины снижения остаточного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу снижения уровня остаточных напряжений материал конструкции подвергают циклическому нагружению при значении максимального напряжения цикла, определяемом из соотношения (1). Согласно способу статически нагружают дополнительный образец материала и находят величину остаточной деформации при напряжении, равном величине потребного снижения остаточного напряжения Дет, для которой определяют зависимость предела циклической ползучести от среднего напряжения цикла crm, а параметры циклического нагружения определяют из соотношений

Om-ОЬст; (ОостМИН) , (2)

где 0Ъстмин оъст-Лс7.

Кроме того, когда сумма исходной величины остаточного напряжения и требуемого напряжения вибрационной нагрузки превосходит предельное напряжение цикла, Циклическое нагружение производят ступенчато. На каждой ступени, начиная со второй, параметры цикла нагружения определяют из условия равенства начального значений остаточного напряжения данной ступени и конечного значения остаточного напряжения предшествующей ступени.

В Соответствии с предлагаемым способом предварительно определяют для конструкции диаграмму гГредельных напряжений цикла с участком, соответствующим пределам циклической ползучести, т. е. максимальным напряжениям, при которых на данной базе испытаний в результате циклической ползучести возникает остаточная деформация, равная той, которая обеспечиаает снижение остаточных напряжений на заранее заданную величину Прикладываемую к конструкции начальную нагрузку выбирают такой, чтобы сумма максимального остаточного напряжения растяжения и напряжения от этой нагрузки была не меньше предела циклической ползучести {что обуславливает (протекание процесса циклической ползучести, приводящего к уменьшению остаточных напряжений), но не

больше предела выносливости

За счет того, что сумма остаточного напряжения и напряжения от вибрационной нагрузки в предлагаемом способе не меньше предела циклической ползучести, но не

превосходит предела выносливости, достигается эффективное снижение остаточного напряжения, а также предотвращается усталостное повреждение конструкции от вибрационной нагрузки.

С целью сохранения усталостной прочности в случае, когда сумма остаточного напряжения (Тост и напряжения от вибрационной нагрузки превосходит предельное напряжение цикла осуществляют ступенчатое нагружение, а величину требуемого снижения напряжения Агт разбивают на ступени так, что максимальное напряжение режима виброобработки для каждой из ступеней не превышает предельного напряжения цикла, а вибрационное нагружение проводят в несколько последовательных ступеней

На фиг 1 показана схема назначения неповреждающих режимов вибрационного

0 нагружения; на фиг 2 - схема определения остаточной деформации и соответствуюи1е- го ей значения остаточного напряжения; на фиг. 3 - пример реапизации способа снижения статического растягивающего

напряжения в титановом сплаве при одноступенчатом вибрационном нагружении; на фиг. 4 - то же, по схеме двухступенчатого режима вибрационного нагружения.

Предлагаемый способ осуществляют

0 следующим образом

Предварительно определяют диаграмму предельных напряжений (фиг 1) Линия 1 соответствует пределам выносливости и ограничивается пределом длительной проч5 ности аэ на заданной базе испытаний и пределом выносливости при симметричном цикле оч. Линия 2 соответствует пределам ползучести материала конструкции и ограничивается пределом ползучести оь и минимальным пределом циклической ползучести (Умцп. Предварительно находят эпюру остаточных напряжений и определяют максимальное остаточное напряжение рас- тяжения (ОН) оьст (т. А). Геометрическим местом точек, соответствующих значениям остаточных напряжений растяжения, является прямая, проведенная из начала координат под углом 45°.

Задаются конечные величины остаточ- ного напряжения 0мин1 (т. А1), которое необходимо получить. Значение егмин1 выбирают из различных соображений: одним из условий его выбора может служить условие постоянства геометрической фор- мы изделия. Это условие выполняется в том случае, когда величина Оминч соответствует напряжению, при котором накопление остаточной деформации не происходит, Бпл-0.

Таким образом, величина снижения остаточных напряжений, определяется как ДеГ| -Оост-0мин1.

Методика определения величины остаточной деформации и соответствующего ей значения остаточного напряжения приведена на фиг. 2, Если остановить процесс нагру- жения образца, изготовленного из материала конструкции, в какой-то момент времени (фиг. 2, т. А на диаграмме дефор- мирования), а затем разгрузить до , то получают определенное значение остаточной деформации ЈПл1 Точка пересечения линии разгрузки с осью ординат определяет величину снижения остаточного на- пряжения Д01, соответствующего остаточной деформации t,™i. Анализ графика (фиг. 2) показывает, что снижение остаточного напряжения можно определить по формуле Aoi Јпл1 Е, где Е - модуль упруго- сти материала. Большее снижение остаточного напряжения Дф возникает при большей остаточной деформации ЈПл2.

Как следует из приведенного графика (фиг. 1), для снижения остаточных напряжений оьст на величину, не менее чем Доч на заданной базе испытаний, достаточно приложить симметричную вибрационную нагрузку с амплитудой напряжений, равной отрезку АБ.

Однако, в том случае, когда требуемая величина снижения ОН достаточно велика, например Дог, и не может быть снижена за одну ступень приложения нагрузки, так как амплитуда напряжений аа, соответствующая отрезку АВ, превышает линию 1 предельных напряжений, снижение остаточных напряжений до требуемого уровня можно достигнуть многоступенчатым нагруженном. Сначала уменьшают остаточные напряжения в конструкции до OMHHI так(как это описано, а затем вибрационную нагрузку увеличивают до величины AiBi. Если начальные ОН меньше среднего напряжения цикла минимального предела циклической ползучести, то для снижения ОН необходимо прикладывать к конструкции асимметричную вибрационную нагрузку Например, при ОН оьст Оминз напряжения от внешней нагрузки равны , оа АБ, В остальном методика снижения ОН остается без изменений.

На фиг. 3 представлен конкретный пример реализации способа. Линия 1 ограничивает максимальные напряжения цикла по критерию усталостного разрушения и соответствует пределам выносливости, определенным при средних напряжениях цикла МПа и 788 МПа на базе N-107 циклов нагружения. Линия 2 соответствует пределам циклической ползучести сплава, определенным при заданной величине остаточной деформации на базе испытаний 110s циклов. Линия 3 - максимальные напряжения, при которых остаточная деформация , Так как ( МПа, то Дет 25 МПа, а при достижении остаточной деформации ,35-10 4 величина снижения статических (остаточных) напряжений составляет 25 МПа. Линия 2 (фиг. 3) соответствует пределам циклической ползучести сплава, определенным по величине остаточпой деформации ,35-10 4. Восстанавливая перпендикуляр из точки AI до пересечения с линией 2, определяют величину амплитуды напряжений ,5 МПа, которую нужно приложить к образцу, так как отрезок . Находят, что сумма 0Ьст+ ,5 МПа, в то время как предел выносливости при заданном среднем напряжении МПа равен 863 МПа. Результаты испытания представлены в таблице.

Из представленных в таблице результатов видно, что использование разработанной методики позволяет снизить начальное статическое напряжение на величину, не менее заранее заданной.

На фиг, 4 показана схе-ма выбора режимов нагружения, когда требуется снизить напряжения МПа до величины не более 750 МПа. Чтобы не выйти за границы рабочей области, это снижение производят з два этапа. Сначала, использовав линию 2 при , снижают статические напряжения на 50 МПа, а затем по схеме, приведенной на фиг 3, еще на 25 МПа

Формула изобретения 1. Способ снижения уровня остаточных напряжений в материале, заключающийся в том, что производят циклическое нагруже- ние материала при значении максимального напряжения цикла, определяемом из соотношения

Оцп 7-НТост«7ц,

где о- максимальное напряжение цикла;

ОЬст остаточное напряжение в материале;

оцп - предел циклической ползучести;

Оц - предел выносливости, отличающийся тем, что, с целью .повышения точности задания величины снижения остаточного напряжения, статически нагружают дополнительный образец материала и находят величину остаточной

5

деформации при напряжении, равном величине конкретного снижения остаточного напряжения Да, для которой определяют зависимость предела циклической ползучести от среднего напряжения цикла От. а параметры циклического нагружения определяют из соотношений

Om-ОЬст: (0ЬстМИМ) + Atf

где оьстмин 0Ьст-Да.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что циклическое нагружение производят ступенчато, на каждой ступени, начиная со второй, параметры цикла нагружения определяют из условия равенства начального значения остаточного напряжения данной ступени Vi конечного значения остаточного напряжения предшествующей ступени.

Изобретение относится к испытаниям на усталость. Предварительно изготавливают образец из исследуемого элемента конструкции или исследуемого материала, определяют диаграмму деформирования, по ней находят величину остаточной деформации при напряжении, равном величине потребного снижения остаточного напряжения Да Определяют зависимость предела циклической ползучести от среднего напряжения цикла От, а параметры циклического нагружения находят из соотношений Тт (Тост, 0 (Тц.п. (ОостМИН) + Да, где OOCT - остаточное напряжение в материале; а- максимальное напряжение цикла; а,, п предел циклической ползучести; оЈстн - 7oci - Atr. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.. 1 табл.

6.

max

о,

О Ф|йя 0|«тФт«|ФтМ С

ФИГ. I

ся

&

г

№ 325 вп,та

Фгг. 3