Определение остаточных напряжений и релаксации их в деталях произвольной формы методом профилированной координатной сетки.

Качественные характеристики машин и механизмов - надежность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость- в значительной мере зависят от физико-механических и физико-химических свойств материалов, сегментирующих прочность - одно из основных требований, предъявляемых к конструкции деталей. Механическое разрушение, или нарушение сплошности, коррелирует от остаточ­ных напряжений (ОН), которые существуют и самоуравновешиваются внутри материала при отсутствии нагрузок или изменений температур. В результате сдвигодислокационных и диффузионных процессов ОН релаксируют. Релаксация остаточных напряжений (РОН) развивается во времени к устойчивому равновесному состоянию. РОН - вызывает измене­ние геометрической формы и размеров детали.

Существующие в настоящее время методы определения ОН в деталях машин и элементах конструкций с некоторой степенью условности можно разделить на группы по трем основным комплексам исследований:

механические методы, основанные на измерении статических или динамических перемещений или деформаций деталей при разрезании и последовательном удалении слоев и определении вызвавших их напряжений;

физические и физико-химические методы, основанные на измерении параметров рентгеновских, оптических, магнитных, ультразвуковых, радиополяризационных, элек­трических и других процессов в зависимости от напряженно-деформированного состояния, методы, основанные на измерении перемещений или деформации детали, связан­ных с несовершенной упругостью металла.

Методы, объединенные первыми двумя комплексами измерений исследований ОН, нашли широкое распространение в практике инженерных расчетов и фундаменталь­ных исследований.

Известные детерминированные методы расчетов. ОН и РОН для большинства де­талей машин и механизмов основываются на применении дискретных значений прочно­стных характеристик материалов, которые имеют случайный характер, подвержены, зна­чительному рассеиванию вследствие дискретного строения материала (наличия вакансий, дислокации и т. д.) и в общем случае изменяются по вероятностным законам.

Напряженно-деформированное состояние деталей, возникающее под влиянием ОН и РОН, описывается детерминированными уравнениями, вследствие того что определе­ние коэффициентов этих уравнений базируется на детерминированных методах строи­тельной механики машин и теории упругости, применяемых для расчета станочных при­способлении.

При выводе детерминированных уравнений делается допущение возможности применения изотропных упругих постоянных. Это допущение некорректно в связи с за­висимостью жесткости зерна от ориентации его.

В связи с несплошностью материала необходимо различать напряженно-деформированное состояние элемента объема и напряженно-деформированное состояние всего тела, характеризуемых переменными значениями упругих величин - коэффициен­том Пуассона -μ модулем продольной упругости - Е, модулем сдвига - G.

Наиболее распространенные механические методы являются разрушающими, так как измерение проводится путем разрушения детали. При определении ОН и РОН на моделях необходимо установить алгоритм подобия, вследствие того что материалы модели и детали имеют неоднородную структуру, различные напряженно-деформированные состояния (разные значения μ,Е, G).

Методы, относящиеся к третьему комплексу измерений, заключаются в том, что на детали наносят кернением, нацарапыванием, штамповкой, травлением, напылением, фо­тографированием и т. д. координатную (делительную) сетку, которую затем деформиру­ют и о величине ОН и РОН судят по изменению расстояния между характерными точка­ми до и после приложения нагрузки.

При определении РОН учитывают также фактор времени. Исследования напряжённо-деформированного состояния деталей спирально-реечного токарного патрона, проведенные во Фрунзенском политехническом институте, позволили создать метод профилированной координатной сетки.

Оригинальность разработанного метода состоит в том, что в качестве коорди­натной сетки при испытании используют элементы конструкции детали, имеющие определенное функциональное назначение в условиях эксплуатации.

В качестве координатной сетки могут быть приняты рабочие элементы дета­ли, несущие основную нагрузку и спрофилированные по кривым, имеющим самую разнообразную форму.

Перед измерениями посредством индуктивного дифференциального датчика БВ-844 и самописца БВ-662 получают график ошибок шага и профиля спирали после фи­нишной обработки (шлифования). При точном изготовлении спирали график ошибок, шага профиля аппроксимирует­ся прямой линией.

После приложения консольной нагрузки к рабочей поверхности витка спирали осуществляют повторную запись спирали. Сравнивая оба графика, определяют отклоне­ния параметров кривых - шага и профиля спирали, вызванные приложением нагрузки, и по величине этих отклонений и времени между моментом снятия нагрузки и повторным измерением судят о релаксационных свойствах материала.

При испытании на РОН определяются следующие характеристики; скорость РОН; сопротивление РОН; предел ползучести при РОН; время РОН. Информация о напряженно-деформированном состоянии спирального диска токар­ного патрона представляется в виде записи значении диагностического параметра - ошибок шага и профиля спирали (положения и формы пиков и впадин деформационных кривых).

Результаты измерений интерпретируются в виде непрерывных функции х (дефор­мационных кривых).

Анализируя протекание отображающей функции - кривой x(t), судят о напря­женно-деформированном состоянии детали.

Аппроксимация деформационных кривых может быть выполнена путем разложе­ния в ряд по тригонометрическим функциям (ряд Фурье), полиномам Лежандра, Чебышева, Эрмита.

Представление деформационной кривой x(t) на участке t₀ спомощью рядов Фурье дает возможность использовать коэффициенты разложения функции для опреде­ления параметров напряженно-деформированного состояния детали, например лога­рифмического декремента, описывающего в этом исследовании влияние ОН на затухание колебаний.

Структурная схема измерений методом профилированной координатной сетки включает датчик, преобразователь, усилитель, регистратор, ЭВМ.

Результаты исследования поведения деформационных кривых в цикле вос­становления имеют качественную информативную ценность, так как они отражают напряженно-деформированное состояние всего тела и не абстрагированы от реаль­ного строения металла.

Диагностическое значение имеют также результаты измерения во времени фикси­рованных (характерных) на детали точек, в которых вследствие высокого градиента на­пряжений, вызванного рабочими и ОН, возникает движение дислокации, ведущее к РОН. В этом случае получают информацию о напряженно-деформированном состоянии микроэлемента объема детали.

Метод профилированной координатной сетки для определения ОН и РОН внедрен на одном из машиностроительных заводов.