Остаточные напряжения.-1

При этом определяется составляющая напряжений, дейст­ вующая вдоль линии пересечения плоскости образца с плоско­ стью, определяемой направлениями первичных лучей при соот­ ветствующих углах съемки ои и а 2.

Для определения составляющей в любом другом направле­ нии меняется азимут плоскости, определяемый углами съемки си и а 2.

Знак рассчитываемой величины напряжения определяется соотношением величин, входящих в уравнение, и соответству­ ет: минус — сжимающим напряжениям, плюс — растягиваю­ щим.

3.3. Измерение остаточных напряжений на плоских поверхностях

Съемка образцов проводится на аппарате УРС-50И в мед­ ном излучении с кварцевым или пентаэритритовым монохрома­ тором. Оптимальные углы съемки ai = 9 и а 2= 10 * 15° Они задаются по соответствующим шкалам гониометрического уст­ ройства аппарата.

Перед съемкой на поверхность исследуемого объекта на­ носится тонкий слой эталонного серебряного порошка, являю­ щегося корректором ошибок, связанных с установкой образца.

Выбор исследуемой дифракционной линии, по которой будет проводиться расчет, определяется следующими условиями:

- угол 0 (угол Вульфа-Брегга) должен быть максимально возможным в данных условиях съемки, что обеспечивает мак­

симальную точность определения периода решетки;

- линии металла и эталона должны лежать возможно бли­

же друг у другу.

Для жаропрочных сплавов на никелевой основе СиКа - излучения таковыми являются линия (331) никеля и линия (422)

Для устранения влияния случайных факторов съемки, в том числе тех, которые обусловлены крупным зерном металла, съемка при каждом из углов си, а.г повторяется 10-12раз, при­ чем, каждый раз меняется облучаемый участок образца путем перемещения образца в собственной плоскости.

Характерные дифракционные зависимости для сплава ЭИ437Б, полученные при углах съемки аг~ 10° и он =70°18/, при­ ведены на рис. 3.2 (положение линий определяется максимальным значением интенсивности дифракционной кривой). Расчет точно­ го значения угла 0-образца, по которому будут определены пери­ од решетки и остаточные напряжения, осуществляется путем при­

бавления углового расстояния (с учетом масштаба записи) между линиями эталона и образца к известному углу & -эталона. Для скорости вращения гониометра 2°/мин 1см на ленте диаграммы соответствует 1° угла О. Таким образом, в этом случае (рис. 3.2):

Э0бр - 9ЭТ+А 9, &обр= 67%21+А1.

Рис. 3.2. Характерные дифракционные графические зависимости для

сплава ЭИ437Б, получаемые при углах съемки: <Х] =70,3, а 2 = 15°

Результат измерения угла 9 усредняется по всем 10-12

рентгенограммам, затем по найденному углу 9 рассчитывается,

обычным для рентгеноструктурного анализа способом, период кристаллической решетки. Наконец, напряжение определяется из формулы (3.2).

Погрешность измерения может быть рассчитана в каждом конкретном случае отдельно путем дифференцирования форму­

лы (3.2) по d

d(V2~ y i)

и подстановки входящих в формулу (3.3) величин. Величина dd

рассчитывается как среднеквадратичная ошибка из 10-12измене­ ний по формуле:

d d = ± -

3 « ( « - ! ) ’

где ^ = dcp-d], i — номер замера; п— число измерений.

В общем случае для сплава ЭИ437 Б при 3d» 1.10"4 м, Е= 2,1105МПа, р = 0,25, п = 10, да * ± 60-70 МПа.

3.4. Измерение остаточных напряжений на криволинейных поверхностях

Специфика определения остаточных напряжений на кри­ вых поверхностях состоит в том, что угол съемки здесь является переменной величиной, зависящей от сечения первичного пучка

рентгеновских лучей и радиуса кривизны исследуемого участка (рис. 3.3).

Поэтому угловая функция у в этом случае определяется как среднее значение функции

X

_ j y(a)da

\ da

а

Из рис. 3.3 следует, что угол съемки х связан с линейным смещением луча от центра кривизны О дифференциальным уравнением:

\ .

Рис. 3.3. Схема рентгеносъемки с криволинейной поверхности: J0 — падающий рентгеновский луч;

R — радиус кривизны поверхности; а — начальный угол съемки;

dp — приращение ширины падающего луча;

О — центр кривизны

Последнее соотношение позволяет определить, таким об­ разом, верхний предел интегрирования уравнения (3.4) и соста­

вить номограмму У = / — для различных углов съемки. По­

\Ry

сле этого расчет остаточных напряжении существенно упроща­ ется.

Альтернативой ДРЛ может быть использование нейтро­ нов, так как нейтроны могут проникать на большие расстояния сквозь большинство материалов, а технологии коллимации по­ зволяют производить обработку по глубине; множество недос­ татков могут быть устранены при использовании рентгеновских лучей. К сожалению, напряженность рассыпания стремится быть относительно низкой, поэтому очень тяжело получить не­ обходимые данные за небольшое время и при маленьком объе­ ме, как, например, с интересующими нас типами покрытий. Та­ ким образом, полезность нейтронных источников ограничена, поэтому этот метод не получил широкого применения при на­ пылении, хотя в настоящее время ведутся работы по его разра­ ботке.

3.5. Методика определения остаточных напряжений в покрытиях поверхностей тел вращения

Остаточные напряжения являются одной из причин разру­ шения покрытий. Однако из-за многообразия факторов, влияю­ щих на возникновение остаточных напряжений, и сложности их

математического описания многие аспекты прогнозирования и регулирования величин и знака напряжений являются открытыми.

Для оценки свойств покрытий используются такие по­ нятия, как модуль упругости, коэффициенты линейного расширения, Пуассона, теплопроводности и т.д., усредненные по объему, значительно большему, чем объем отдельно взятой капли. Поэтому кристаллизацию отдельно взятых капель можно заменить модельным непрерывным процессом и проводить расчеты на основании существующих теорий физики сплошной среды.

При рассмотрении наплавленного покрытия как сплошной среды, в первую очередь, представляют интерес остаточные на­ пряжения первого рода, уравновешивающиеся в объеме, соиз­ меримом с размерами всего изделия, т.е. усредненные по объе­ му, значительно большему, чем объем отдельно взятой капли расплава ферромагнитного порошка. Поэтому при рассмотре­ нии этих величии является оправданной замена кристаллизации отдельно взятых капель модельным непрерывным процессом. Впервые такое модельное рассмотрение в рамках теории упру­ гости было введено в работе [8]. При этом многие определяют температурную составляющую остаточных напряжений, рас­ сматривая окончательно сформировавшееся покрытие. В дейст­ вительности же остаточные напряжения формируются при по­

степенном приложении нагрузки и температуры до некоторых окончательных величин.

При определении остаточных напряжений в электромаг­ нитных покрытиях принята, как и в работе [9], следующая мо­ дель процесса: длина образца достаточно велика по сравнению с его диаметром и в нем в процессе наплавки возникает под­ вижное квазистационарное температурное поле; напряжения в слое в момент его образования отсутствуют; остаточные на­ пряжения на поверхности покрытия возникают в результате ох­ лаждения образца до температуры окружающей среды.

Наплавленное покрытие рассматривается [10] как сплош­ ная среда (пористость покрытий не более 10%), что позволяет рассматривать задачу в рамках феноменологических теорий те­ плообмена и механики сплошной среды.

Рис. 3.4. Схема для расчета остаточных напряжений в цилиндрическом стержне

Когда при электромагнитной наплавке (ЭМН) расплав­ ленный материал порошка попадает на поверхность цилиндри­ ческого стержня (заготовки), она неравномерно нагревается.

Температура во внешних слоях больше, чем во внутренних, т.е. температура является функцией радиуса Г = Т (г) (рис. 3.4).

Определим деформации и напряжения, возникающие в стержне под действием этой температуры. Деформации, свя­ занные с перемещением в радиальном направлении, определя­ ются зависимостью [11]:

где и— перемещение в радиальном направлении; г — текущий радиус. Выделим элементарный участок цилиндрического стержня поперечными, радиальными и окружными сечениями (рис. 3.5). По граням выделенного элемента будут возникать напряжения по всем трем направлениям.

Рис. 3.5. Схема напряжений, действующих на элемент

цилиндрического стержня