Псковский государственный политехнический институт.

Псковский государственный политехнический институт.

Механико-машиностроительный факультет.

Кафедра «ТММ»

 

 

Практическая работа 4.

Актуальность проблемы.

 

Опасность вредного влияния остаточных напряжений усугубляется тем, то они не обнаруживаются средствами дефектоскопического контроля и проявляются через неопре­деленные промежутки времени при эксплуатации изделий. По этой же причине их роль в процессе разрушения установить значительно труднее, чем роль других (металлургиче­ских или технологических) дефектов. Тем не менее, в настоящее время накоплен обшир­ный фактический материал, свидетельствующий о возможности регулирования харак­тера остаточных напряжений и их влияния на эксплуатационную надежность различных изделий.

Вопросам возникновения, регулирования и роли остаточных напряжений в измене­нии прочности и долговечности изделий уделяется в последнее время все возрастающее внимание. Успешное решение их невозможно без дальнейшей разработки и усовершенст­вования существующих методов исследования напряжений и правильного, рационального применения их в практике.

 

Цели и задачи практической работы.

Ознакомившись с терминологией, изучить теоретические и прикладные вопросы, связанные с управлением трением и свойствами материалов посредством целенаправлен­ного воздействия конструктивными и технологическими методами на релаксацию оста­точных напряжений, а также на обратное упругое последействие.

В этой работе студент должен изучить теоретическую и прикладную часть.

Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования прочности и стойкости материалов в широком интервале температур: от -269°С у сжиженного гелия до 1000°С и выше при динамических нагрузках, в вакууме и в горячих потоках активных газов.

Необходимо отметить, что в теплонагруженных узлах трения температура в кон­тактных зонах может достигать 1000°С и выше, что приводит к расплавлению металличе­ских и разложению неметаллических материалов.

Решение важнейших технических задач, связанных с экономным расходом мате­риалов, уменьшение массы машин и приборов во многом зависит от развития материало­ведения, а также трибологии и триботехники.

 

 

ТЕРМИНОЛОГИЯ

Остаточные напряжения, внутренние напряжения - напряжения, сохраняю­щиеся в твердом теле после снятия внешних воздействий.

Возникают в том случае, когда последние приводят к появлению в теле пластиче­ских деформаций.Остаточные напряжения могут быть объемными и локальными. Часто возникают в результате механической обработки материала или воздействием на него трением. Остаточные напряжения внутри тела, уравновешивающиеся без приложения к не­му внешних сил.

В зависимости от причин возникновения остаточные напряжения называются теп­ловыми, литейными, усадочными, ковочными, сварочными и т.д.

Релаксация - падение напряжений в образцах и деталях машин при постоянной начальной деформации. Релаксация является следствием постепенного перехода упругой деформации в пластическую и резко усиливается при повышении температуры. Испыта­ния на релаксацию являются длительными и производятся на оборудовании, позволяю­щем поддерживать постоянную деформацию образца. Результаты испытаний показывают, что при высоких температурах релаксация продолжается до напряжений близких к нулю, а при невысокой температуре и малом начальном напряжении может существовать предел релаксации, т.е. напряжение, не уменьшающееся с течением времени.

Релаксация остаточных напряжений - падение напряжений в твердом теле во времени после снятия внешних воздействий.

Перераспределение остаточных напряжений во время работы ведет к измене­ нию первоначальной точности коленчатых валов двигателей, зубчатых колес, дис­ков турбин и других ответственных деталей.

Перераспределение остаточных напряжений во время работы ведет к усилен­ному износу трущихся поверхностей, разбалансировке роторов.

Упругое последействие - изменение деформированного состояния тела при неиз­менном напряженном состоянии за счет упругой и пластической деформации; пластиче­ское последействие иногда называют ползучестью.

Упругое последействие материалов объясняется неоднородностью упруго-напряженного состояния реальных тел и стремлением напряженного состояния к вырав­ниванию.

Пластическое последействие объясняется существеннымизменением молекуляр­ного или кристаллического строения.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

КЛАССИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ [3]

Основными методами определения остаточных напряжений являются механиче­ ские и рентгеновские. Весьма перспективны для промышленного применения электро­физические методы, при которых остаточные напряжения находятся по изменению элек­тромагнитных свойств поверхностного слоя. Для оптически активных прозрачных мате­риалов или покрытий можно применять поляризационно-оптические методы фотоуп­ ругости и фотопластичности.

Механические методы. Механические методы определения остаточных напряже­ний получили наибольшее распространение не только из-за своей простоты, но и вследст­вие того, что в них используются такие же представления о напряжениях и деформациях механики твердого тела, как и при расчетах деталей на прочность, жесткость и устойчи­вость. Это облегчает практическое применение результатов исследований для деталей из различных материалов (металлов, керамики, пластмасс и т. д.).

Механические методы основаны на предположении, что разрезка или удаление части детали с остаточными напряжениями эквивалентны приложению к оставшейся де­тали, на вновь появившихся поверхностях, напряжений, обратных остаточным. Эти об­ратные напряжения вызывают деформацию детали или усилия в устройствах, препятст­вующих деформации. Измеряя возникшие деформации (деформационными методами) или силы реакций (силовыми методами), можно вычислить остаточные напряжения.

Различия механических методов определения остаточных напряжений заключают­ся: а) в форме образцов (или деталей, если образцы не вырезаются); б) в предположениях относительно закона распределения остаточных напряжений, вытекающих из теоретиче­ского анализа деформаций при изготовлении (например, условие постоянства напряжений в точках, лежащих на одинаковом расстоянии от поверхности; предположение об одноос­ном напряженном состоянии в узких призматических образцах и т. д.); в) в способе изме­рений деформаций образца или реакций опор, способных устранить эти деформации.

В связи с расширением форм и размеров деталей, в которых исследуются оста­точные напряжения, непрерывно растет число методик, при которых применяются разные метрологические схемы измерения деформаций образцов и формулы расчета остаточных напряжений.

Эти новые способы базируются на тех же положениях механики, что и ранее под­робно обоснованные И. А. Биргером, поэтому для краткости и удобства практического использования механические методы определения остаточных напряжений излагаются в виде рабочих методов. Основное внимание уделено исследованию технологических оста­точных напряжений в поверхностном слое, физико-механическое состояние которого сильно влияет на эксплуатационные характеристики деталей машин.

 

 

Рентгеновские методы. Наличие остаточных напряжений в поликристаллических телах, какими являются металлы, приводит к различным интерференционным эффектам рентгеновских лучей, отраженных от поверхности образцов, в зависимости от размеров зоны, в которой эти напряжения уравновешиваются. В связи с этим Н. Н. Давиденковым предложена классификация остаточных напряжений.

Напряжения 1 рода имеют постоянную ориентацию на всём исследуемом участке материала поверхности детали, вследствие этого они определенным образом меняют на этом участке межатомные расстояния, что вызывает угловое отклонение лучей, отраженных от поверхности (от определенных кристаллографических плоскостей в поверхностном слое). В результате появляется смещение линий на рентгенограммах или дифрактограммах, по которому и вычисляют остаточные напряжения 1-го рода. При вы­числении используются те же представления о напряжениях и деформациях твердого те­ла, что и при механических методах. Однако между остаточными напряжениями 1-го ро­да, найденными рентгеновскими и механическими методами, есть различия, Во-первых, при данном угле \|/ между нормалью к поверхности и направлением рентгеновских лучей отражение происходит только от кристаллографических плоскостей, имеющих угол Брэг­гов с направлением падающих лучей

пЛ,

v - arcsin — -, 2 d

где d — расстояние между отражающими кристаллографическими поверхностями, ai — длина волны рентгеновских лучей, п — порядковый номер интерференционной линии на рентгенограмме или дифрактограмме.

Таким образом, фактически в отражении участвуют только кристаллы поверхност­ного слоя, определенным образом ориентированные.

Второй особенностью рентгеновских методов является то, что лучи проникают в металл на глубину от 3 до 50 мкм, так что на рентгенограммах или дифрактограммах от­ражается осредненное по какому-то закону распределение остаточных напряжений. В ре­зультате при больших градиентах остаточных напряжений обнаруживаются значительные напряжения 1-го рода, нормальные к свободной поверхности образца, которые для беско­нечно тонкого слоя равны нулю.

Обращает на себя внимание изменение толщины слоя, участвующего в образова­нии интерференционной картины, от длины волны излучения (определяемой материалом катода рентгеновской трубки) и углов падения и отражения лучей. Вследствие указанных особенностей между напряжениями 1-го рода, найденными при различных параметрах рентгеноструктурного анализа (длина волны, угол облучения, параметры и тип решетки, порядковый номер исследуемой интерференционной линии и т. д.), а также между напря­жениями, найденными механическими методами, могут иметь место количественные рас­хождения. Это подчеркивает исключительную важность учета методики определения ос­таточных напряжений при сопоставлении результатов исследований.

Напряжения 2-го рода уравновешиваются в объемах отдельных кристаллов или блоков. Вследствие этого они не могут быть найдены механическими методами, даже ес­ли они ориентированы относительно направления пластических деформаций, вызвавших их при изготовлении детали. Эти напряжения определяют по уширению интер­ференционных линий на рентгенограммах и дифрактограммах, отделяя их от эффекта, ко­торый дает измельчение блоков.

Напряжения 3-го рода уравновешиваются в объемах, охватывающих небольшие группы атомов. Они могут быть обусловлены дислокациями в связи со смещениями атомов из правильных положений узлов кристаллической решетки; наличием вне­дренных атомов, в зависимости от размеров которых могут возникнуть сжимающие или растягивающие напряжения в малых областях вокруг этих атомов, вакансиями, т. е. отсут­ствием атомов в узлах решетки, являющихся центрами сжатия, и т. д. Эти смещения ато­мов из правильных положений приводят к ослаблению интенсивности интерференцион­ных линий и к возрастанию диффузионного фона, так же, как и тепловые колебания ато­мов («динамические» искажения). Различная зависимость статических и динамических смещений от температуры позволяет разделить их способом рентгеносъемок при двух температурах.

Указанная классификация остаточных напряжений окончательно еще не установ­лена. Определение микронапряжений (напряжений 2-го и 3-го рода) является важ­ ным преимуществом рентгеновских методов. Существенным достоинством рентгенов­ских методов является возможность находить остаточные напряжения в тонком поверхно­стном слое без разрушения детали. Однако для построения эпюры остаточных напряже­ний необходимо последовательно стравливать металл с поверхности на участке, который облучается. При анализе результатов, полученных рентгеновским методом, необходимо всегда учитывать отмеченную выше зависимость их от применяемой методики.

Методы оценки остаточных напряжений по изменению электромагнитных свойств поверхностного слоя. Точность этих методов пока низкая, поскольку электро­магнитные свойства зависят не только от остаточных напряжений, а сами эпюры остаточ­ных напряжений могут изменяться по различным законам в пределах исследуемого слоя.

Простота этих методов, их высокая производительность, возможность определения остаточных напряжений в тонком поверхностном слое без разрушения детали делают их удобными для массового применения в заводских условиях. Однако, как и в предыдущих методах, для построения полной эпюры напряжений требуется последовательное стравли­вание слоев металла. Метод не позволяет раздельно определять составляющие остаточных напряжений, так что при проведении исследовательских работ его необходимо сочетать с механическими или рентгеновскими методами.

Поляризационно-оптические методы. Промышленностью выпускается поляри-зационно-оптическая аппаратура, позволяющая исследовать напряжения в деталях или их покрытиях из прозрачных или полупрозрачных оптически активных материалов (эпок­сидных смол, поликарбоната, бакелита, стекла, плексигласа, целлулоида, резины толщи­ной до 10 мм и т. д.). В этих материалах скорость поляризованного света зависит от ори­ентации и величины главных напряжений, что позволяет по интерференционной картине найти напряжения.

В деталях из непрозрачных материалов изучение процесса формирования остаточных на­пряжений можно заменить исследованием модели из оптически активного материала, ес­ли обеспечить геометрическое, тепловое и механическое подобие.

С помощью измерения монтажных остаточных напряжений в прозрачных моделях, склеенных из элементов, можно моделировать структурные напряжения в деталях слож­ной формы.

Наиболее просто с помощью поляризационно-оптических методов исследовать плоские тела, когда напряжения не меняются по толщине. Однако можно исследовать и пространственное распределение напряжений, применяя метод «замораживания напряже­ний» в моделях и разрезая их на тонкие слои в трех различных направлениях. Недостат­ком поляризационно-оптических методов является сложность, дороговизна аппаратуры и необходимость выделения для нее помещения.

ПРИКЛАДНАЯ ЧАСТЬ

Рис.1

Релаксация остаточных напряжений, обратное упругое последействие материала кулачкового механизма исследуются с помощью метода профилированной координатной сетки, заключающегося в том, что на стенде записывается до нагружения теоретический профиль образца по периметру поперечного сечения в виде профилограммы-свидетеля, а затем после нагружения записывается деформационная профилограмма, характеризуемая деформацией упругого последействия.

Принципиальная схема (Рис. 1) для исследования релаксации остаточных напряжений и обратного упругого последействия представляет собой измерительную машину, состоящую из измерительной планки с которой снимается профилограмма с помощью измерительной головки датчика и записывается в виде развертки. К измерительной планке плотно прилегает профиль измеряемого кулачка посредством ролика. Сущность метода заключается в сравнении двух профилограмм - до и после нагружения детали. Профилограмма строится в зависимости от угла поворота кулачка. Для точного определения упругой деформации на измерительной планке нанесена метка, положение которой на профилограмме и определяет степень деформации профиля кулачка.

По величине Н судят о релаксации остаточных напряжений и обратном упругом последействии. В связи с прохождением в материале образца упругого последействия геометрия образца в поперечном направлении постоянно изменяется.

Нагружение кулачка осуществляется на планке, расположенной рядом с измерительной, в течение времени, необходимого для прохождения в материале прямого упругого последействия (при испытаниях — в пределах 10-15 мин.). С помощью деформационных графиков ис­следуется обратное упругое последействие, развивающееся во времени в направлении к равновесному состоянию. Обратное упругое последействие, заключающееся в постепен­ном снятии приращения деформации после удаления нагрузки - силы N оказывает прямое влияние на изменение пространственного положения образца.

Магнитное последействие

Магнитная вязкость - в ферромагнетизме (называется также магнитным последействием) — отставание во времени изменения магнитных характеристик (намагниченности, проницаемости и т.д.) ферромагнетиков от изменений напряжённости внешнего магнитного поля. Вследствие магнитного последействия намагниченность образца устанавливается после изменения напряжённости поля через время от 10-9 сек до десятков минут и даже часов. При намагничивании ферромагнетиков в переменном поле наряду с потерями электромагнитной энергии на вихревые токи и гистерезис возникают потери на магнитную вязкость, которые в полях высокой частоты достигают значительной величины. Магнитная вязкость в проводниках часто маскируется действием вихревых токов, «вытесняющих» магнитный поток из ферромагнетиков. С целью уменьшения влияния вихревых токов при экспериментальном исследовании                     магнитной вязкости образцы материалов берутся в виде тонких проволок

 

В зависимости от структуры ферромагнетика, условий его намагничивания, температуры, магнитная вязкость может вызываться различными причинами. При апериодическом изменении напряжённости поля в интервале значений, близких к коэрцитивной силе, где изменение намагниченности обычно осуществляется необратимым смещением границ между доменами, вязкостный эффект в проводниках вызывается в основном вихревыми микротоками. Эти токи возникают при изменениях поля, связанных с перемагничиванием доменов. Время установления магнитного состояния в этом случае пропорционально дифференциальной магнитной восприимчивости и для чистых ферромагнитных металлов (Fe, Со, Ni) обратно пропорционально абсолютной температуре. Другой тип магнитной вязкости обусловлен примесями, снижающими свободную энергию междоменных границ. Перемещающиеся вследствие изменения поля доменные границы задерживаются в местах концентрации атомов примеси, и процесс намагничивания прекращается. Со временем, после диффузии атомов примеси в другие места, границы получают возможность двигаться дальше, намагничивание продолжается.

 

В высококоэрцитивных сплавах и некоторых других ферромагнетиках наблюдается так называемая сверхвязкость, для которой время магнитной релаксации составляет несколько минут и более. Этот тип магнитной вязкости связан с флуктуациями энергии, преимущественно тепловыми. Флуктуации вызывают перемагничивание доменов, которые при изменении поля получили недостаточно энергии, чтобы сразу перемагнититься. Диффузионные и флуктуационные процессы существенно зависят от температуры, поэтому магнитная вязкость 2-го и 3-го типов характеризуется сильной температурной зависимостью: с понижением температуры магнитная вязкость возрастает. Четвёртый тип магнитной вязкости, характерный главным образом для ферритов, обусловлен диффузией электронов между ионами 2-валентного и 3-валентного железа. Этот процесс эквивалентен диффузии самих ионов, но осуществляется значительно легче, поэтому магнитная вязкость ферритов обычно невелика. В сильных магнитных полях действие магнитной вязкости незначительно. Часто в ферромагнетиках одновременно проявляются несколько типов магнитной вязкости, что затрудняет анализ явления. Важный вклад в исследование М. в. внесли советские физики В. К. Аркадьев, Б. А. Введенский и другие, из зарубежных учёных — Л. Неель, голландский физик Я. Снук и другие.

 

       Временная зависимость удельного магнитного сопротивления связана с перестройкой атомов водорода. Существует два механизма перегруппировки атомов водорода, приводящих к понижению энергии их взаимодействия: 1).диффузия на расстояниях порядка ширины стенки и 2) перераспределение межу различными энергетическими уровнями в междоузельях. В первом случае мы имеем дело с диффузионным последействием. Временная зависимость характеризуется временем релаксации

t _d =1/Г*(d _О / a)²*1/ n,

где геометрический фактор Г определяется веражением:

Г=1/an_E å å _(S/a)²

    a- число точек для возможных путей между конфигурациями,

    s- проекция вектора, соединяющего точки              

    n- число возможных ориентаций                              

  Время релаксации диффузионного последействия превышает атомное время релаксации. Временной закон справедлив, когда отсутствуют ограничения на диффузионные траектории, выражение описывает диффузию водорода, т.е. ограниченное магнитное диффузионное последействие соответствует механическому эффекту Горского.                                                                             

 

Список литературы

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): Учебник: - 4-е изд., пере­
раб. и доп. - М.: «Издательство МСХА», 2001. - 616 с.

2. Гаркунов Д.Н. Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация
машин): Учебник: - 5-е изд., перераб. и доп. -М.: «Издательство МСХА», 2002. - 632 с.

3. Ивасышин Г.С. Определение остаточных напряжений и релаксации их в деталях
произвольной формы методом профилированной координатной сетки. Новые методы рас­
четов. Экспресс-информация «Межотраслевые вопросы науки и техники». - М.: ГОСИН-
ТИ, 1979. -Вып. 11. -С. 1-4.

4. Ивасышин Г.С. Методика исследования коэффициента Пуассона в процессе
релаксации металлов // Известия вузов. - М.: Машиностроение, 1983. №4. - С. 137-140.

5. Ивасышин Г.С. Влияние упругого последействия материала шпинделей на со­
противление качению в шпиндельных опорах // Известия вузов. - М.: Машиностроение,
1987. №9.-С. 125-130.

6. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г.
Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. -3-е изд. стереотип. - М.: Изд-
во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 648 с.

 

Псковский государственный политехнический институт.

Механико-машиностроительный факультет.

Кафедра «ТММ»

 

 

Практическая работа 4.