Исаенкова Лабораторная работа Рентгенографическое 2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

М. Г. Исаенкова Ю.А.Перлович В. И. Скрытный В. Н. Яльцев

Лабораторная работа

«РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКРОНАПРЯЖЕНИЙ»

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2007

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Все реальные металлические материалы содержат те или иные структурные несовершенства (точечные дефекты, дислокации, различного типа границы раздела, микро- и макронапряжения), оказывающие сильное влияние на все структурно-чувствительные свойства и процессы. Структурные несовершенства вызывают разные по характеру нарушения кристаллической решетки и, как следствие, разного типа изменения дифракционной картины. Поэтому рентгеноструктурный анализ является одним из наиболее информативных методов изучения структурных несовершенств, их типа и концентрации, характера распределения.

Наиболее важной технической характеристикой любого изделия является наличие в нём напряжений, которые определяют возможность его использования в тех или иных условиях. Данное учебное пособие посвящено анализу напряжённого состояния реальных металлических изделий, существующих методов измерения макронапряжений. Особое внимание уделено рентгеновским методам измерения макронапряжений.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Введем некоторые основные понятия.

Внешние силы (нагрузки) – количественная мера взаимодействия двух различных тел. Внутренние силы – количественная мера взаимодействия двух частей одного тела, расположенных по разные стороны сечения и вызванные действием внешних сил. Внутренние силы возникают в деформируемом теле.

Приложение внешней силы, вызывая деформацию тела, изменяет расстояния между его частицами, что, в свою очередь, приводит к изменению взаимного притяжения между ними. С этим связано возникновение в теле внутренних сил.

Внутренние силы могут возникать в твердом теле также при его неоднородном нагреве, когда вследствие термического расширения

4

взаимосвязанные части тела претерпевают различные линейные или объемные изменения и обусловленные этим несоответствием внутренние силы не успевают релаксировать, несмотря на повышенную температуру тела.

Напряжение – удельная характеристика внутренних сил, возникающих в теле под действием внешних нагрузок. Практически напряжение определяют как внутреннюю силу, отнесенную к единице площади, причем под внутренней силой подразумевают силу действия частиц, находящихся по одну сторону от площадки, на частицы, находящиеся по другую сторону от этой площадки.

Для определения величины напряжений в каком-то сечении тела это тело мысленно разделяют на две части, одну часть удаляют, а ее действие на оставшуюся часть тела заменяют внутренними силами.

В общем случае сила Р не перпендикулярна плоскости площадки, на которую она действует. Тогда ее, как любой вектор, можно разложить на две составляющие: перпендикулярную к площадке, создающую нормальное напряжение, а также действующую в плоскости площадки и создающую касательное напряжение.

В системе СИ напряжения выражаются в паскалях (Па): 1 кгс/мм2 = 9,8 МПа.

Остаточные напряжения – это такие напряжения, которые остаются и уравновешиваются внутри твердого тела после устранения причин, первоначально вызвавших их появление, то есть после снятия внешней нагрузки. Остаточные упругие напряжения остаются в любой детали после ее обработки. Кроме того, остаточные напряжения могут возникать вследствие фазовых превращений, облучения частицами высоких энергий, неоднородного нагрева и охлаждения и т.д.

Эти напряжения всегда внутренние и их образование всегда связано с неоднородными линейными или объемными деформациями смежных областей материала, в том числе – с неоднородными размерными изменениями тела, обусловленными термообработкой.

Часто остаточные напряжения достигают 70–80% предела текучести, а иногда бывают еще более высокими и в этом случае оказываются весьма опасными для целостности деталей, сварных соединений и конструкций.

5

В большинстве случаев свойство металла накапливать повреждения существенно зависит от уровня имеющихся механических напряжений. При этом действующие в металле напряжения являются суммой напряжений от внешних воздействий (силовых и температурных) и остаточных напряжений, возникающих в результате обработки и существующих в отсутствии внешних воздействий. Неучет остаточных напряжений может привести к разрушению конструкции.

Расчетное определение остаточных напряжений затруднено из-за сложности неупругого поведения металла, а также неопределенности начальных и граничных условий при описании процессов, ведущих к образованию остаточных напряжений. Поэтому проблема экспериментального определения остаточных напряжений является весьма актуальной.

Изучение остаточных напряжений началось очень давно. Первые серьезные исследования провели российские ученые В.И. Родман в 1857 году и затем И.А. Умов в 1871 году. Начало же систематических исследований было положено в 1887 году Н.В. Калакуцким, который впервые разработал метод расчета остаточных напряжений и впервые предложил экспериментальные методы их измерения. В последующие годы методы исследования остаточных напряжений сводились в основном к развитию методов их измерения – важной практической задаче в проблеме определения надежности конструкций.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Согласно классификации, предложенной в 1935 г. Н.Н. Давиденковым, различают остаточные напряжения трех родов в зависимости от протяженности создаваемого ими силового поля (рис. 2.1):

первого рода σI – уравновешивающиеся в макроскопических объемах (в пределах детали или конструкции);

второго рода σII – уравновешивающиеся в микрообъемах (в пределах группы зерен);

третьего рода σIII – уравновешивающиеся в ультрамикроскопических объемах (в пределах одного зерна или его фрагмента).

6

Напряжения всех трех родов связаны между собой и каждое из напряжений является причиной или следствием напряжений "соседних" родов.

Согласно аналогичной классификации Е. Орована (1947 г.) внутренние остаточные напряжения подразделяют на две группы:

макронапряжения – вызы-

ваемые внешними факторами (механическим, тепловым или химическим воздействием), различно влияющими на разные части тела из однородного материала;

микронапряжения – возни-

кающие как результат неоднородности свойств материала, даже если внешнее воздействие на

тело однородно, и чаще всего связанные с различным протеканием структурообразующих процессов вдоль одного и того же направления во взаимно разориентированных соседних зернах (такими процессами, в частности, могут быть тепловое расширение, искажение или совершенствование кристаллической решетки, дислокационные перестройки).

Макронапряжения классификации Орована соответствуют напряжениям I-го рода по классификации Давиденкова, а микронапряжения – напряжениям II-го рода.

Обычно рассчитывают нормальные, то есть перпендикулярные к площадке, и касательные напряжения. Именно эти напряжения определяют в механических испытаниях и используют в расчетах на прочность.

Напряжения I-го рода могут привести к хрупкому разрушению металла, дополнительной пластической деформации (короблению), к увеличению склонности к растрескиванию от коррозии, к образо-

7

ванию трещин при закалке. В то же время, существование в поверхностном слое изделия сжимающих остаточных напряжений может заметно затормаживать коррозию, препятствуя проникновению в металл примесей внедрения.

Внутренние напряжения I-го рода изменяют твердость металла (хотя и незначительно) и повышают предел усталости, если их знак противоположен знаку напряжений, вызываемых внешней нагрузкой.

Таким образом, остаточные напряжения могут оказывать не только негативное влияние на поведение материала в условиях эксплуатации, но в отдельных случаях и позитивное.

Типичное распределение напряжений в поликристаллическом материале показано на рис. 2.1. Для показанной на рисунке области поликристалла напряжения I-го рода, или макронапряжения, однородны и отвечают уровню σI. Равновесие макронапряжений означает, что в пределах рассматриваемого поликристалла существует другая макрообласть, для которой напряжения I-го рода равны (–σI). Каждому из показанных на рисунке зерен отвечает свой уровень σII напряжений II-го рода, или микронапряжений, соответствующий усреднению напряжений III-го рода σIII, меняющихся при переходе от одного участка зерна к другому и обусловливающих флуктуации напряжения относительно среднего уровня. Равновесие микронапряжений означает, что в пределах любого микрообъема материала, включающего несколько зерен, каждому зерну, в котором внутреннее напряжение равно (σI + σII), соответствует зерно, в котором напряжение равно (σI ─ σII). Тогда среднее напряжение для этого микрообъема равно σI, то есть усреднение микронапряжений в объеме нескольких соседних зерен приводит к величине действующего в этом объеме макронапряжения.

Напряжения разных типов приводят к различным изменениям дифракционного спектра, что позволяет изучать внутренние напряжения рентгеновскими методами. Макронапряжения вызывают сдвиг дифракционных линий, особенно заметный под большими брэгговскими углами. Микронапряжения приводят к увеличению угловой ширины дифракционных линий. Наибольшее изменение ширины линий также наблюдается при больших брэгговских углах.

8

Остаточные напряжения III-го рода или нарушения правильной периодичности в расположении атомов в кристалле (смещений атомов) приводят к изменению интенсивности интерференционных линий и диффузного фона.

3. НЕРЕНТГЕНОВСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Для исследования напряженного состояния тела разработаны различные методы, которые можно разделить на две группы:

-разрушающие методы, основанные на разделении исследуемого объекта на части;

-неразрушающие методы, не нуждающиеся в разделении исследуемого объекта на части.

Этими методами измеряют деформации тела, а напряжения рассчитывают по предположению о применимости обычных уравнений теории упругости.

К числу разрушающих относятся механические методы определения остаточных напряжений, в основе которых всегда лежит устранение части напряженного тела механическим способом или травлением. Если первоначально в теле существовали остаточные макронапряжения, то его части вследствие взаимодействия испытывали упругую деформацию противоположных знаков. В результате механического разделения этих частей причина их первоначальной упругой деформации оказывается частично или полностью устраненной, что приводит к изменению их размеров. Измерив это изменение, можно вычислить макронапряжения, обусловленные взаимодействием частей тела.

3.1. Оценка напряжений с помощью механических испытаний

Оценка остаточных напряжений по результатам механическим испытаний основываются на теореме, утверждающей, что остаточные одноосные однородные макронапряжения равны разности между напряжениями нагрузки при пластической деформации метал-

9

ла и фиктивными напряжениями, которые действовали бы в металле в условиях приложения тех же внешних сил в случае соответствия напряженно-деформационного состояния закону Гука. Механические методы широко используются для определения напряжений, действующих в прутках, проволоке, трубах после их холодной деформационной обработки.

Все известные механические методы оценки остаточных напряжений включают измерение деформаций, возникающих в материале при разгрузке в результате полного или частичного разрушения изделия. Полное разрушение изделия имеет место при его разрезании, вырезке образцов, сквозном просверливании и т.д., тогда как его частичное разрушение происходит при рассверливании несквозных отверстий, нанесении поверхностных рисок, снятии слоев и т.п.

Примером эффективного механического метода является метод, используемый для определения остаточных напряжений в трубах в предположении их однородности. Для определения окружных (тангенциальных) напряжений отрезанный от трубы патрубок разрезают по образующей и измеряют происходящее при этом изменение его диаметра. Тангенциальное напряжение σt оценивают по формуле:

где E – модуль упругости, ν – коэффициент Пуассона; t – толщина стенки трубы; D – изменение наружного диаметра после разрезания; Dcp – диаметр средней окружности кольца.

Для определения продольного остаточного напряжения σL из трубы вырезают полосу длиной В, параллельную оси, и измеряют ее прогиб f, возникший в результате вырезания. Тогда:

Недостатки метода связаны с произвольно принятыми предположениями об однородном распределении остаточных напряжений, о прямолинейном характере эпюры напряжений по толщине стенки трубы, а также об изотропности материала трубы.

Последний метод усовершенствован использованием последовательного снятия наружных или внутренних слоев трубы, что позволило также восстановить эпюру остаточных напряжений. Одна-

10