2.6 Оценка остаточных напряжений по «методу колец»

Цель: исследовать остаточные напряжения в поперечном сечении деформируемой трубы. В результате получить количественную оценку окружных остаточных напряжений в зависимости от зоны гиба и их распределение по глубине.

«Метод колец» достаточно хорошо разработан и относится к числу механических разрушающих методов определения остаточных напряжений. Суть метода состоит в том, что остаточные напряжения определяются по деформациям, возникающим в результате нарушения равновесия остаточных напряжений при послойном удалении напряженных слоев с фиксацией деформации образца и пересчета их в действительную эпюру остаточных напряжений [1]. Снятие слоев осуществляется с помощью электролитического травления. В результате получаем распределение остаточных напряжений по глубине.

Была разработана следующая методика проведения исследований:

1. Подготовка образцов

В качестве образцов использовались кольца, вырезанные из различных участков гиба трубы (рисунок 28).

Рисунок 28 ‒ Схема вырезки образцов и сами

кольцевые образцы

У вырезанных образцов с помощью электронного штангенциркуля замерялись наружный, внутренний диаметры и ширина с точностью ±0,03 мм. Масса образцов определялась взвешиванием на электронных весах ML Scale-E (погрешность ±0,01 г). Приборы для измерения представлены на рисунке 29, результаты измерений в таблице 7.

Таблица 7 – Параметры образцов

№ кольца	Зона гиба	Наружный диаметр Dн, мм	Внутренний диаметр Dв, мм	Ширина b,мм	Масса, г
1	Начало	63,57	59,68	7	24,87
2	Середина	63,31	60,01	10	26,67
3	Конец	63,80	60,53	9	28,56

Рисунок 29 ‒ Электронный штангенциркуль и

электронные весы

После вырезки образцы разрезались по образующей, и измерялось изменение диаметра кольца. Результаты представлены в таблице 8. Диаметр колец увеличился, это говорит о том, что в поперечном сечении преобладают растягивающие остаточные напряжения. Чем ближе кольцо расположено к концу гиба, тем больше его деформация.

Таблица 8 –Деформации образцов после разрезки

№ кольца	Зона гиба	Диаметр до разрезки Dо, мм	Диаметр после разрезки D, мм	ΔD, мм
1	Начало	63,57	64,98	1,41
2	Середина	63,31	64,91	1,60
3	Конец	63,80	67,03	3,23

На торцах колец были сделаны отметки, которые позволили замерять на микроскопе деформации образцов в процессе травления. После этого наружные и боковые поверхности, которые не должны подвергаться травле­нию, покрывались лаком.

2. Электролитическое травление

Далее проводилось последовательное снятие слоев с помощью электролитического травления [10]. В качестве электролита использовался водный раствор хлористого натрия. Концентрация раствора 10%, плотность тока ≈ 20 А/дм² . Схема травления представлена на рисунке 30.

Рисунок 30 ‒ Схема травления: 1 –кольцо-анод,

2 – электролит, 3 – электрод-катод,

4 – источник питания

В емкость с электролитом 2 помещен исследуемый кольцевой образец 1. Внутрь кольца установлен спиральный электрод 4 из медного прутка. К электродам подводился ток силой 7А, что вызвало электролитическое растворение внутренней поверхности образца.

В процессе растворения металла из-за наличия в кольце остаточных напряжений, происходит его деформация.

3. Замеры

Измерение образцов проводились через каждые 15 минут. Средняя скорость травления составила:

где а – толщина слоя, снятого за время t.

Для точного измерения деформаций колец использовался микроскоп МИМ-2 с точ­ностью измерения ±0,01 мм (рисунок 31).

Рисунок 31 ‒ Измерение деформаций образцов

с помощью микроскопа

Величина снимаемого слоя определялась взвешиванием на электронных весах (таблица 9). На рисунке 32 представлен график, из которого видно, что стравливание слое происходит равномерно.

Таблица 9 ‒ Результаты замеров

№ замера	Масса, г			Деформация, мм
	Кольцо №1	Кольцо №2	Кольцо №3	Кольцо №1	Кольцо №2	Кольцо №3
1	24,87	26,67	28,56	12,86	13,03	14,13
2	23,29	24,97	26,87	12,91	13,19	14,44
3	21,53	23,31	25,06	12,94	13,26	14,68
4	20,07	21,55	23,34	12,95	13,31	14,70
5	18,26	19,77	21,53	12,88	13,28	14,66
6		18,06			12,88

Рисунок 32 ‒ Изменение массы образцов при травлении