2.6. Лабораторні роботи по розділу 2.6.1. Визначення механічних неоднорідностей у зварних

з'єднаннях

Мета роботи -дослідити механічну неоднорідність зварного з'єднання. Завдання роботи:

• визначити розподіл твердості в різних зонах зварного з'єднання;

• оцінити, як технологія виконання зварного шва впливає на характер розподілу твердості у зварному з'єднанні.

Рис. 2.51. Експериментальний зразок: о - місця вимірювання твердості

Твердість різних зон зварного з'єднання, а також вплив технології виконання зварного шва на розподіл твердості у зварних з'єднаннях вивчають на зразках. їх вирізають зі зварних з'єднань, виконаних різними способами зварювання (рис. 2.51).

Твердість вимірюють на стандартних твердомірах у точках, показа­них на рис. 2.51. Необхідні пристрої та обладнання:

- експериментальні зразки зварних з'єднань, виконані у вигляді макрошліфів;

- стандартні твердоміри типів ТКС-1, ТК-2М і ТКП-1. Послідовність виконання роботи

1. Ознайомитися з роботою твердоміра за інструкцією.

2. Розмітити зразки з двох сторін нанесенням точок у місцях плано­ваних вимірювань твердоміра.

3. Виміряти твердість з двох сторін зразка.

4. Дані вимірювань занести в таблицю.

Таблиця. Дані вимірювань

Номер зразка	Основний метал	Електродний метал	Спосіб зварювання	Тве		рдість у точках зразків
				1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

5. Побудувати для кожного зразка розподіл твердості в поперечному перерізі за середніми даними для кожної точки з двох сторін зразка.

Вимоги до звіту

У звіті необхідно відобразити:

1. мету й завдання роботи;

2. схему місць вимірювання твердості;

3. результати вимірювань;

4. графіки розподілу твердості;

5. аналіз отриманих результатів. Контрольні запитання

1. Що таке механічна неоднорідність зварних з'єднань?

2. Чим пояснити наявність м'яких або твердих прошарків у зварних з'єднаннях?

3. Які є способи вимірювання твердості в металах?

4. Про який вид неоднорідності у зварному з'єднанні можна говорити за розподілом твердості?

2.6.2. Оцінка напружень у моделях стикових зварних з'єднань методом фотопружності

Мета роботи - дослідити концентрацію напружень у моделях стикових

зварних з'єднань поляризаційно-оптичним методом. Завдання роботи:

• вивчити будову та принцип роботи поляризаційно-оптичної установки;

• набути практичних навичок з експлуатації поляризаційно-оптичної установки;

• засвоїти методику визначення напружень поляризаційно-оптичним тензометруванням;

• дослідити концентрацію напружень у моделях стикових зварних з'єднань методом фотопружності;

• дослідити вплив непровару, nop і шлакових включень, підсилення шва та радіуса переходу основного металу в наплавлений на концентрацію напружень;

• визначити коефіцієнти концентрації напружень у стикових зварних з'єднаннях.

Поляризаційно-оптичний метод, або метод фотопружності, дає змогу виявити загальну картину розподілу напружень в елементах конструкції, тоді як тензорезистори надають таку інформацію тільки для окремих точок. Зазначена особливість методу дає змогу досліджувати поля напру­жень і таким чином визначати напрями та значення напружень для всіх точок. У зв'язку з цим пропонований метод особливо корисний для дос­лідження концентрації напружень, а також вибору оптимальних розмірів і форм деталей і вузлів зварних конструкцій під час їх проектування.

Поляризаційно-оптичний метод передбачає застосування моделей з оптично чутливих матеріалів. Він ґрунтується на поляризації світла та властивості прозорих ізотропних матеріалів набувати під дією наван­таження властивості подвійного променезаломлення.

Природне світло (біле та монохроматичне) являє собою сукупність безладно змішуваних світлових хвиль з різними напрямами поперечних коливань. Поляризованим є світло, в якому впорядковано напрями коли­вань світлових хвиль. При цьому поперечні коливання здійснюються за визначеними траєкторіями в площині, перпендикулярній до напряму роз­повсюдження світла. Якщо така траєкторія є прямою лінією, перпендику­лярною до напряму розповсюдження світла, то світло плоскополяризо-ване. Якщо траєкторія являє собою еліпс, то світло називається еліп­тично поляризованим. Окремий випадок еліптичної поляризації- кругова поляризація.

Для отримання поляризованого світла в поляризаційних пристроях застосовують поляроїди, що являють собою поляроїдну плівку, вклеєну між скляними пластинками. Потік світлових променів, що пройшов через поляроїд, коливається тільки в одній площині. Якщо на шляху променів, що пройшли один поляроїд, поставити другий поляроїд так, щоб площини поляризації поляроїдів були паралельними, то світло пройде повністю. Якщо площини поляризації поляроїдів взаємно перпендикулярні, відбувається повне погашення світла. У випадку розміщення площин поляризації не під прямим кутом відбувається часткове проходження світла.

Основною необхідною властивістю прозорого ізотропного матеріалу моделі є його здатність до подвійного променезаломлення під дією напружень. Таку властивість мають кристали. У разі проходження світла через анізотропне чи прозоре кристалічне середовище світловий промінь розкладається на дві плоскополяризовані складові, що розповсюджу­ються з різними швидкостями. Швидкості компонентів світла, поляризо­ваного у двох взаємно перпендикулярних площинах, обернено пропор­ційні показникам заломлення середовища в цих площинах.

Таким чином, прозорі ізотропні матеріали стають у разі навантаження оптично анізотропними й поводять себе як подвійнозаломні кристали. Матеріали, що мають такі властивості, називають оптично чутливими.

Для світла, що потрапляє перпендикулярно до плосконапруженої пластини, зв'язок головних показників заломлення з головними напру­женнями та виражається рівняннями:

\ (2-1)

де та - коефіцієнти заломлення для двох головних напрямів у напруженій пластині; п₀ - коефіцієнт заломлення для ненапруженого тіла (що перебуває в ізотропному стані); - оптичні коефіцієнти,

що характеризують для металу залежність між подвійним променеза-ломленням і напруженням.

З рівняння (2.1) випливає співвідношення:

(2.2)

де С~ С, - С₂ - відносний оптичний коефіцієнт напружень, мм²/кг (визна­чають з дослідів, у розрахунках узяти С = 1).

Входячи в пластину, що перебуває в плосконапруженому стані, поляри­зований промінь світла розкладається на два промені, які розповсюджу­ються з різними, але постійними швидкостями по товщині пластини:

де та - швидкості розповсюдження двох променів світла; - швид­кість світла у вакуумі.

Площини поляризації променів, що розповсюджуються в навантаже­ній пластині, збігаються з площинами головних напружень та

Відставання одного променя від іншого являє собою лінійну різницю ходу 8, яка пропорційна різниці коефіцієнтів заломлення й товщині пластини d:

(2.3) З рівнянь (2.2) та (2.3) маємо:

(2.4)

Отже, за умови нормального просвічування поляризованим світлом прозорої оптичної ізотропної плосконапруженої моделі з напруженням у межах пружності оптична різниця ходу для двох складових хвиль світла, що розповсюджуються в площинах головних напружень та , пропор­ційна товщині моделі та різниці напружень в досліджуваній точці.

Співвідношення (2.4) є основним законом у поляризаційно-оптич­ному методі (закон Вертгейма), який виражає кількісний зв'язок між оп­тичним ефектом і різницею головних напружень

Оптичну різницю ходу 8 та напрям головних напружень та визначають просвічуванням плоских моделей у полярископі - оптичному пристрої, принцип дії якого базується на застосуванні властивостей поляризованого світла. Для демонстрації частіше використовують прос­ті за складом плоскі полярископи.

Плоский полярископ складається з джерела світла, поляризатора й аналізатора. Напружену модель установлюють у робоче поле полярископа між поляризатором та аналізатором. Поляризатор являє собою поляроїд, після проходження крізь який світло стає плоскополяризованим. Аналіза­тор - це другий поляроїд, який аналогічно поляризатору пропускає світлові коливання тільки в одній площині. На виході аналізатора спостерігається інтерференційна картина, що виникає в результаті суміщення в одній пло­щині зі зсувом фаз коливань двох світлових хвиль, які виходять з моделі.

Розташувавши площини поляризації поляризатора й аналізатора під кутом 90°, отримаємо картину інтерференції в чорному полі. У разі ж паралельних площин виникає картина інтерференції в білому полі.

Інтерференційні картини, що спостерігаються на зображенні моделі, називають картинами смуг, або картинами ізохром. Просвічуючи моделі білим світлом, на екрані полярископа спостерігають картину кольорових ізохром, а у випадку просвічування монохроматичним світлом - картину темних і світлих смуг, що по черзі змінюються.

Послщовність появи кольорів у разі навантаження моделей з оптично ак­тивних матеріалів, а також вщпов'щні різниці ходу променів наведено в таблиці.

На практиці кольори, наведені в таблиці, важко розрізнити візуально, тому в дослідженнях зазвичай реєструють такі інтерференційні кольори: чорний, сіро-синій, білий, світло-жовтий, вогняно-червоний, фіолетовий та небесно-блакитний.

Як оптично чутливий матеріал для виготовлення моделей усе ширше застосовують полікарбонат. Він являє собою поліефір дифенілопропану та вугільної кислоти, що вирізняється рідкісним сполученням фізико-хімічних та оптико-механічних властивостей.

Таблиця. Послідовність появи кольорів і відповідні різниці ходу променів

Інтерференційний колір	Різниця ходу променя, мм
1. Чорний	0
2. Сіро-синій	158
3. Білий	259
4. Світло-жовтий	306
5. Червонувато-помаранчевий	505
6. Вогняно-червоний	536
7. Темно-червоний	551
8. Пурпурний	565
9. Фіолетовий	575
10. Індиго (фіолетовий із зеленим)	589
11. Небесно-блакитний	664
12. Зеленувато-блакитний	728
13.Зелений	747
14. Зеленувато-жовтий	866
15. Помаранчевий	948
16. Темно-фіолетово-червоний	1101
17. Світло-зеленувато-фіолетовий	1128
18. Індиго (фіолетовий із зеленим)	1158
19. Блакитний із зеленим	1258
20. Морської хвилі	1334
21. Яскраво-зелений	1376

Для оцінки напружено-деформованого стану методом фотопружності застосовують лабораторну поляризаційну установку, що являє собою плоский полярископ з навантажувальним пристроєм (рис. 2.52), Лабора­торна поляризаційна установка складається з основи 1, стояка 2, рухли­вої траверси 3, яку переміщують у напрямі двох обойм 5 з поляроїдами, освітлювального тубуса, кронштейна 4 для шарнірного кріплення дослід­жуваної моделі та гвинтоважільного навантажувального пристрою 7.

Досліджувана модель одним кінцем шарнірно з'єднується з гвинтова-жільним навантажувальним пристроєм 7, а іншим - з кронштейном 4, який можна встановити і зафіксувати у потрібному місці траверси за допомогою двох затискних гвинтів. Траверсу фіксують гвинтом 6.

Просвічують модель білим світлом через поляризатор. Освітлювач установки живиться від електричної мережі. У разі навантаження моделі гвинтоважільним пристроєм у ній виникають напруження, які зумовлюють появу на екрані аналізатора інтерференційних кольорів. За цими кольорами та відповідними значеннями різниць ходу променів можна аналізувати характер розподілу напружень у будь-якому перерізі дослід­жуваного зразка.

Рис. 2.52. Лабораторна поляризаційна установка

Роботу виконують із застосуванням зразка з полікарбонату, що являє собою модель поперечного з'єднання стикового зварного шва (рис. 2.53). Зона А зразка імітує переріз стикового з'єднання з плавним переходом від основного металу до наплавленого, Б - переріз стикового з'єднання з найбільшою галтеллю в місці переходу від основного металу до наплав­леного, В - стикове з'єднання зі знятим підсиленням шва, Г - стикове з'єднання з непроваром кореня шва, а Д імітує стикове з'єднання з газо­вою порожниною чи шлаковим включенням.

Рис. 2.53. Модель поперечного перерізу стикового зварного з'єднання

з полікарбонату

Зразок навантажують навантажувальним пристроєм лабораторної поляризаційної установки. Значення напруження в досліджуваному пере­різі визначають за забарвленням точок, які спостерігають через аналіза­тор полярископа.

При цьому значення напружень пропорційні різниці ходу променів; їх визначають за формулою:

(2.5)

де 8 - різниця ходу променів, що визначають за інтерференційними кольорами, мм (таблиця); С - відносний оптичний коефіцієнт напру­жень, мм²/кг; d - товщина зразка, мм.

Ступінь концентрації напружень оцінюють коефіцієнтом:

(2.6) де - відповідно максимальне та середнє напруження в дослід-

жуваному перерізі.

Необхідні прилади й обладнання:

- модель поперечного перерізу стикового зварного з'єднання з фото- пружного матеріалу;

- лабораторна поляризаційна установка. Послідовність виконання роботи

1. Ознайомитися з методикою визначення напружень фотопружним методом.

2. Увімкнути в електричну мережу лабораторну поляризаційну установ­ку та переконатися, що екран пристрою рівномірно освітлюється.

3. Гвинтоважільною системою навантажити зразок (послідовність появи кольорів: чорний, сіро-синій, білий, світло-жовтий, червоний, пурпурний, фіолетовий).

4. Опустивши стопорний гвинт, перемістити траверсу так, щоб перед екраном був переріз 1—1 зони А.

5. Визначити забарвлення точки в районі дії концентратора напружень у перерізі 1—1. За інтерференційними кольорами визначити різ­ницю ходу променів.

6. Дослідні дані занести в таблицю.

Таблиця. Значення напружень у перерізах досліджуваного стикового

зварного з'єднання

Номер перерізу	Колір концентратора				к„

7. Перемістити траверсу так, щоб перед екраном був переріз 2-2, і виконати вимоги пп. 5, 6.

8. Виконати вимоги пп. 4-7 для перерізів 3-3, 4-4, 5-5, 6-6.

9. Розвантажити зразок і вимкнути поляризаційну установку з мережі.

10. Обчислити значення напружень і коефіцієнтів концентрації напру­жень у досліджуваних перерізах за формулами (2.5) та (2.6); дані занести в таблицю.

11. За отриманими результатами для кожного перерізу побудувати епюри розподілу напружень.