Full Text

В связи с появлением новых материалов и технологий их обработки в различных отраслях машиностроения, в частности в области аэрокосмической техники, атомного машиностроения, горнодобывающей промышленности, транспортных газо- и нефтепроводов, увеличивается количество критериев, по которым оцениваются прочность и надежность производимой продукции, что также способствует повышению ее конкурентоспособности. В авиастроении при проектировании и изготовлении изделий ответственного назначения одним из регламентируемых параметров, которые указываются в конструкторско-технологической документации, является уровень остаточных напряжений 1-го рода (RS1) [1, 2]. Для контроля уровня RS1 актуально использование методов неразрушающего контроля (НК), например метода рентгеновской дифрактометрии (РД) [3, 4] и метода шумов Баркгаузена (ШБ) [5, 6]. Метод РД является универсальным и может использоваться для определения уровня RS1 в поверхностных слоях изделий из любых поликристаллических металлов и сплавов. Определение RS1 данным методом требует больших временных затрат и целесообразно при выборочном контроле деталей или проведении исследовательских работ (например, влияния технологии изготовления деталей на формирование уровня и знака RS1). Достоинством метода ШБ является возможность проведения оперативного контроля качества поверхностных слоев деталей из магнитных материалов в условиях серийного и массового производства, так как время измерения составляет доли секунды. Однако метод ШБ имеет существенный недостаток: он определяет некоторую величину магнитошумового параметра (МП), которая представляет комплексную характеристику структурно-энергетического состояния поверхностного слоя изделия, и учитывает, помимо остаточных напряжений, структуру металла, размер зерна и т.п., поэтому этим методом сложно определить знак RS1. В Центре высокотехнологичных машиностроительных производств Пермского национального исследовательского политехнического университета при проведении исследований по влиянию режимов технологических процессов на формирование полей RS1 в деталях используется роботизированный анализатор остаточных напряжений XSTRESS 3000, позволяющий работать как с датчиками рентгеновского излучения (метод РД), так и с магнитными датчиками (метод ШБ). При использовании любого из указанных выше методов важнейшей операцией является операция калибровки используемого оборудования, в частности настройка рентгеновского дифрактометра на нулевой уровень RS1 и определение МП, соответствующего этому уровню. Для этой цели в состав анализатора остаточных напряжений XSTRESS 3000 входят эталонные образцы (далее - нуль-эталоны), которые представляют собой таблетку из порошков чистого железа, никеля, титана или других металлов, частицы которых связаны полимером (рис. 1, 2). Технология изготовления нуль-эталона такова, что, по утверждению изготовителей, в его объеме и на поверхности величина RS1 равна нулю. При калибровке расчет RS1 ведется с использованием модуля Юнга для чистых металлов. Рис. 1. Общий вид нуль-эталонов железа и никеля а б Рис. 2. Структура поверхности нуль-эталона железа (а) и никеля (б) (увеличение ´50) Несмотря на то что нуль-эталоны аттестованы и запатентованы изготовителем, возникают вопросы по поводу обоснованности их применения: 1) структура поверхностного слоя нуль-эталонов существенно отличается от структуры компактного материала вследствие наличия разделяющих слоев полимера; 2) крупность фракций, использованных при изготовлении нуль-эталонов, заметно различается; 3) наличие включений (светлые пятна), вероятно, пузырьков воздуха, образующихся при полимеризации; 4) температурные условия хранения нуль-эталонов и периодическое рентгеновское излучение ведут со временем к деградации свойств полимерного связующего. Не известно, как указанные факторы влияют на уровень RS1 на поверхности нуль-эталонов, учитывая, что глубина проникновения рентгеновских лучей не превышает 40-50 мкм. Кроме того, возникает еще один важный вопрос: насколько обосновано использование модуля Юнга для чистых металлов при определении RS1, если известно, что легирование, химико-термическая и механическая обработка влияют на его величину? Например, для циркониевых сплавов модуль Юнга может изменяться в пределах 10 % [7]. Возможно ли использование указанных нуль-эталонов из порошков чистых металлов в случае измерения RS1 в деталях, изготовленных из сплавов с высоким содержанием легирующих элементов, например жаропрочных и жаростойких сплавов? Опыт авторов показывает, что при использовании данных нуль-эталонов при определении RS1 диапазон отклонения значений RS1 от их среднего значения может быть сопоставим с самим средним значением. Кроме того, подобные нуль-эталоны не позволяют калибровать датчики при измерении RS1 методом ШБ, так как наличие полимерной связки препятствует прохождению магнитного поля от излучателя к приемнику. В связи с вышеуказанным актуальной является задача разработки нуль-эталонов и/или методик, позволяющих калибровать измерительные приборы при определении RS1 в деталях из любых металлов и сплавов. Ниже приведены теоретические предпосылки создания нуль-эталона с использованием компактного материала. Рассмотрим изгиб пластины прямоугольного сечения шириной b и толщиной h из исследуемого материала, в которой существуют продольные остаточные напряжения. Пусть остаточные напряжения распределены равномерно по ширине сечения. В ненагруженном состоянии эпюра распределения RS1 может иметь вид, приведенный на рис. 3, а. На поверхности пластины имеются остаточные напряжения, равные σост. Подобная эпюра получается при изгибе балки из идеального упруго-пластического материала [8]. а б в г д Рис. 3. Эпюры напряжений при нагружении пластины с остаточными напряжениями Приложим к пластине изгибающий момент Мраст. Упругие растягивающие напряжения на поверхности пластины определяются по формуле σраст = Мраст / W, где W - момент сопротивления сечения пластины, W = bh2/6. Эпюра распределения напряжений по сечению пластины приведена на рис. 3, б. Напряжения в сечении нагруженной детали или конструкции определяются в соответствии с принципом суперпозиции как сумма напряжений, возникающих от действия внешних сил и остаточных напряжений. Складывая эпюры, приведенные на рис. 3, а и б, получим суммарную эпюру (рис. 3, в). Напряжения на поверхности пластины равны σ+ = σост + σраст. (1) Приложим к пластине изгибающий момент Мсж, создающий на поверхности упругие сжимающие напряжения (рис. 3, г): σсж = Мсж/W. Эпюра распределения напряжений имеет вид, показанный на рис. 3, д. Напряжения на поверхности пластины равны σ- = σост - σсж. (2) Из уравнений (1) и (2) с учетом выражений для σраст и σсж получим σост = [(σ+ + σ-) - (Мраст - Мсж)/W ]/2. (3) Приложим к пластине изгибающий момент М, такой, чтобы выполнялось условие σ - σост = М/W - σост = 0. (4) Из уравнений (3) и (4) получим M = σостW = [(σ+ + σ-)W - (Мраст - Мсж)]/2. (5) Для определения величины изгибающего момента М необходимо знать: - величины σ+ и σ- (определяются в результате измерений методом РД); - величины изгибающих моментов и (рассчитываются так, чтобы исключить появление в образце пластических деформаций, и задаются нагружающим устройством). Таким образом, если к пластине приложить изгибающий момент, равный М, то напряжения на поверхности пластины будут равны нулю, а балку, нагруженную таким изгибающим моментом, можно использовать в качестве нуль-эталона. Возможные варианты нагружения пластины приведены на рис. 4. Измерения проводятся в точках А (схема чистого изгиба) или В (схема консольной балки). а б Рис. 4. Варианты нагружения пластины: а - схема чистого изгиба; б - схема консольной балки При проведении измерений пластина нагружается и разгружается ступенчато. Нагрузки предварительно рассчитываются. На каждой ступени нагружения фиксируется прогиб пластины с помощью цифрового или стрелочного индикатора). Строится график нагружения и разгрузки. Это позволяет оценить величину петли гистерезиса. Предложенная выше процедура калибровки может быть использована и при использовании метода ШБ, однако лучше проводить калибровку параллельно с методом РД, для того чтобы выявить корреляцию величины магнитошумового параметра с численным значением RS1.

About the authors

V. N Trofimov

Perm National Research Polytechnic University

Email: tvn@mail.ru

V. V Karmanov

Perm National Research Polytechnic University

Email: karmanovs@yandex.ru

A. A Shiriaev

Perm National Research Polytechnic University

Email: alex_sh_23-1@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 71

PDF (Russian) - 46

Refbacks

• There are currently no refbacks.