Остаточные напряжения.-1

Из уравнения равновесия цилиндрического образца опре­ деляем окружное остаточное напряжение

(2.29)

Формулы (2.27)— (2.29) служат для расчета остаточных напряжений в наружных слоях полого цилиндра. Если же опре­ деляются остаточные напряжения в сплошном цилиндре (Я, = 0), то измерения на внутреннем радиусе невозможны, а Поэтому предварительно проводится расточка цилиндрического Образца.

2.5. Метод освобождения

Выше были рассмотрены методы определения остаточных Напряжений в деталях простой геометрической формы. Теперь рассмотрим механические методы, позволяющие определить ос-

таточные напряжения в поверхностном слое деталей сложной конфигурации при помощи проволочных тензорезисторов.

Если в некоторой точке детали сложной конфигурации на­ клеить два проволочных тензорезистора в двух взаимно перпен­ дикулярных направлениях 1 и 2 и записать их показания, а затем вырезать вместе с тензорезисторами пластинку толщиной h (не внося дополнительных остаточных напряжений) и снова снять по­ казания тензорезисторов, то разность показаний позволит вычис­ лить деформации г, и е2 в направлениях 1 и 2 , возникшие в ре­ зультате вырезки пластинки.

Так как после вырезки остаточные напряжения в пластинке отсутствуют, т.е. происходит освобождение пластинки от дейст­ вия остаточных напряжений, то по величинам Si и £2 можно вы­ числить остаточные напряжения, действовавшие вдоль направ­ лений 1 и 2 до вырезки пластинки. Согласно закону Гука,

Е_

1 -ц 2 При использовании расчетных зависимостей (2.30) и (2.31)

предполагается, что напряжения ст, и а 2 распределены равно­ мерно по толщине h вырезанной пластинки, а потому результаты

I?2 a = ^ k z £ i l

2е, - е2 —е3 При известных величинах и направлениях главных напря­

жений можно определить нормальные и касательные напряже­ ния в произвольных площадках, используя известные из теории напряженного состояния зависимости.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

ПОСЛЕ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

В данном разделе представлен обзор развития остаточных напряжений в покрытиях, нанесенных термическим напылени­ ем, кратко описываются основные экспериментальные техноло­ гии измерения остаточных напряжений, формулируются гра­ ничные условия, удовлетворяющие распространению остаточ­ ных напряжений, а также приведены зависимости для опреде­ ления напряжений, возникающих из-за несовпадения КТР мате­ риала покрытия и подложки при их совместной деформации.

Общеизвестно, что остаточные напряжения в покрытиях, осажденных газотермическим напылением, оказывают опреде­ ляющее влияние на эксплуатационные характеристики покрытий различного функционального назначения. Однако, несмот­ ря На развитие теоретических представлений о механизме воз­ никновения и распределения остаточных напряжений, про­ мышленная разработка и оптимизация процесса напыления и по сеи День в большинстве случаев выполняются при помощи, в лУНЩем случае, только числового учета их природы и роли. Во многих случаях подобная разработка сохраняется только эмпи­ рически с учетом контроля за остаточными напряжениями и по­ этому является неэффективной.

За последние годы были сделаны существенные попытки понимания и предсказания физической сущности остаточных на­ пряжений, которые развиваются в течение процесса напыления покрытий. Многие исследования в последнее время были скон­ центрированы на измерении [4] остаточных напряжений и моде­ лировании [5,6] их развития во время формирования. Однако все­ го лишь в нескольких случаях были получены надежные взаимо­ связи, измерен уровень напряжения и спрогнозирован процесс осаждения покрытий.

3.1. Измерение остаточных напряжений

Для исследования остаточных напряжений, возникающих при формировании газотермических покрытий, используются три основных метода. Наиболее точный из них предусматрива­ ет измерение расстояния в выбранной плоскости кристалличе­ ской решетки с использованием рентгеновского излучения.

Этот метод не зависит от непосредственного контроля деформации/напряжения между плоскостями решетки или от­ дельными атомами, но включает в себя определение изменений микроструктуры, которые появляются в результате образования напряжений. Эти методы могут быть разделены на методы уда­

ления материала, при которых измеряются изменения во внутренней плоскости (обычно при помощи тензометра), в то время как все прилегающие части образца физически удаляются; и метод кривых, при котором контролируется кривизна поверхностей. В обоих случаях измерения являются непосредственными, однако обработка данных для получения распределения напряжения может быть довольно сложной. Метод контроля кривизны имеет ряд важных преимуществ, т.к. он является неразрушающим и может использоваться во время процесса осаждения покрытий.

3.2. Метод дифракции

Наиболее распространенным методом непосредственного измерения остаточных напряжений является контроль измене­ ний дифракции пиков отдельных рентгеновских лучей (ДРЛ) [4,7]. Преимуществами метода являются:

а) определение остаточных напряжений без разрушения деталей;

б) объективность метода, заключающаяся в отсутствии воздействия посторонних факторов в процессе измерения (кон­ такт измерителя с образцом, травление образца, вырезка и т.д.);

в) возможность повторных измерений; г) локальность метода;

д) применимость метода для деталей сложной конфигура­ ции, имеющих кривые поверхности;

е) возможность дифференцирования измеряемых напря­ жений на отдельные составляющие по направлению их дейст­ вия.

Основным недостатком метода является усреднение ре­ зультата при измерении для слоя «10 мкм, обусловленное про­ никающей способностью рентгеновской радиации, определяе­ мой в каждом случае длиной волны излучения (например,

ZCuKa - 1,539кХ) и поглощающей способностью исследуемого сплава.

Сущность метода состоит в следующем. С поверхности детали, в которой предполагается наличие остаточных напря­ жений, получают два «рентгеноснимка» при различных углах падения первичного луча по отношению к плоскости образца (т.е. при различных углах съемки а). При этом получаются рентгенограммы от двух одноименных кристаллографических систем плоскостей hkl в различных кристаллах, по-разному по­