Остаточные напряжения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ ДЕТАЛЕЙ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ

В предыдущих главах рассматривались методы, позволяющие определить остаточные напряжения в деталях простой геометриче­ ской конфигурации (типа стержней, пластинок, цилиндров). Суще­ ственным было предположение, что остаточные напряжения обладают осевой симметрией или распределяются равномерно по длине. Ниже рассматриваются механические методы, свободные от указанных ограничений, но позволяющие определить остаточные напряжения только в поверхностном слое деталей. В этих методах широко используются проволочные тензометры [96], [108], [130].

27. МЕТОД ОСВОБОЖДЕНИЯ

А. В основе метода лежит следующая идея (фиг. 146). Наклеим в точке А два проволочных тензометра в направлениях 1 и 2 и запи­ шем их показания. Затем вырежем пластинку толщиной h (не внося дополнительных остаточных напряжений) и снова снимем показания тензометров. Разность показаний тензометров позволяет вычислить

отсутствуют1 (происходит освобождение пластинки от действия остаточных напряжений), то

(1)

(2)

в этих равенствах ог и Ог — нормальные остаточные напряжения, действовавшие вдоль соответствующих направлений.

Получим теперь равенства (1) и (2), исходя из общего принципа определения остаточных напряжений.1

1 Когда пластипка находится «внутри тела», то напряжения в ней (остаточ­ ные напряжения) создаются за счет давления нс ее граням других элементов тела.

Остаточные напряжения в пластинке после вырезки

Gi = ai + в\д = 0;

СТ2 = сг2 + &2д — 0;

где Oja и ог2а — дополнительные напряжения, возникающие в резуль­ тате вырезки. Наблюдаемые деформации элемента являются резуль­ татом действия дополнительных напряжении

ei = 1

е2 — —ц г (сГоа

Учитывая соотношения (3), приходим к формулам (1) и (2).

Б. При использовании расчетных зависимостей (1) и (2) пред­ полагается, что напряжения ох и сг2 распределены равномерно по толщине вырезанной пластинки.

Так как толщину пластинки практически не удается получить меньше 0,2—0,3 мм, то рассматриваемый метод не дает удовлетвори­ тельных результатов при очень резком изменении напряжении в поверхностных слоях, что свойственно, например, остаточным напряжениям механической обработки.

В тонкостенных деталях часто можно ожидать равномерное распределение остаточных напряжений по толщине.

Вэтом случае высверливание с помощью трубчатой фрезы шайбы

снаклеенными тензометрами (фиг. 147) позволяет определить оста­

точные напряжения.

Угол и между главным направлением I и направлением датчика 1 определяется из соотношения

Розетка 60°

Если известны величины и направления главных напряжений, то по обычным зависимостям можно определить нормальные и касатель­ ные напряжения в косых площадках.

Г. Одним из наиболее важных вариантов метода освобождения

и при постоянстве остаточных напряжении по длине можно считать, что происходит полное освобождение поверхностного слоя.

По некоторым экспериментальным данным глубина сверления должна быть

I > (0,7 Ч- 1,5) с?.

12 Заказ 288.

В последнее время вместо измерения перемещении используется измерение деформаций проволочными тензометрами, что более удобно и обеспечивает большую точность.

Если остаточное напряженное состояние является плоским, то для его исследования необходимо использовать не менее трех про­ волочных тензометров (фиг. 153).

Б. Теория метода отверстий исходит из предположения, что деформации, возникшие в детали после сверлепия, являются упру­ гими.

Так как коэффициент концентрации напряжений возле малого отверстия к = 3 для одноосного напряженного состояния (для равно-

мерного двухосного расширения к = 2), то остаточные напряжения не должны превышать (0,3 -Ь 0,5) от.

В основе теории метода отверстий лежит известное решение Кирша [125]. Если пластинка растягивается в двух главных напра­ влениях напряжениями о± и оа (фиг. 154), то при наличии малого отверстия радиуса а напряжения в произвольной точке пластинки, характеризуемой расстоянием до центра отверстия г и углом 0, определяются следующими равенствами:

.ег1, сГ2, и ег3 — деформации в радиальном направлении, замеренные тензометрами в результате сверления отверстия.

Г. Так как напряжения возле отверстия носят местный характер (резко убывают с увеличением г), то радиус отверстия не должен •быть малым по сравнению с базой тензометра А = г2 — rv Обычно можно считать допустимыми значения а > 1 ,5 А. Для повышения точности измерений могут быть использованы 5—6 датчиков и расчет проведен по любым из трех датчиков.

Эксперименты показали, что метод отверстия может быть использо­ ван и для определения остаточных напряжений в сплошных крупных деталях (типа роторов больших турбомашин, прокатных валков

ит. п.). В этом случае достаточно засверлить отверстие глубиной (1,5 -т- 2) d, что при плавном изменении напряжений по толщине обеспечивает свободное деформирование поверхностного слоя.

При использовании метода отверстий отмечено влияние допол­ нительных остаточных напряжений, образующихся при сверлении

[79].Соответствующая поправка может быть внесена по эксперимен­ там с отожженными пластинками.

Д.Выше рассматривался метод отверстий при использовании проволочных тензометров. Так как метод отверстий был предложен еще в 30-х годах, когда проволочные тензометры не были известны, то для исследования применялось измерение перемещений (тензоме­ трами Гугенбергера или струнным методом). Расчетные зависимости при измерении перемещений содержатся в работе Д. Г. Курносова

иМ. В. Якутовича [73]. Однако в настоящее время более удобно применять тензометрический метод.

1 В работе [79] имеется опечатка в выражении для С.