Спосіб визначення внутрішніх напружень

Спосіб відноситься до методів вимірювання внутрішніх напружень в металах і сплавах і може бути застосований у різних галузях науки, техніки та виробництві для визначення потенційного строку служби деталей та виробів. Внутрішні напруження виникають у деталях і виробах після різних видів обробок (литва, термічної і механічної обробки та ін.) і суттєво впливають на їх міцнісні та експлуатаційні характеристики. Тому необхідно знати абсолюті значення, знак та характер розподілу внутрішніх напружень і при потребі їх зміни або корегувати режими, або змінювати вид обробки. Існує рентгенографічний метод визначення внутрішніх напружень у металах [Русаков Л.Л. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат. 1977. 480с.], який базується на точному вимірі періодів ґратки дуже тонких приповерхніх шарів. Недоліком цього методу є те, що він дозволяє одержати дані про напружений стан тільки в дуже невеликому приповерхньому об'ємі зразків і не дає можливості судити про строк служби деталей та виробів. Відомий спосіб визначення внутрішніх напружень у металах і сплавах [Биргер И.Л.. Остаточные напряжения. М.: Машгиз. 1963. 231с.], який включає вирізку зразка, зняття електролітичним способом з одного краю зразка шару металу та обчислення величини напружень за величиною прогину чи деформації зразка. Недоліками цього способу є те, що. він не є неруйнуючим і має невисоку точність результатів вимірювань. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб визначення внутрішніх напружень [Пат. №10011. Україна. Бюл. "Промислова власність" №10. - 2005. - МКП G01L1/00), який полягає в тому, що на досліджувану поліровану поверхню зразка при заданому навантаженні наносять N рівчаків на визначеній відстані між собою, вимірюють через визначену постійну відстань їхню ширину чи глибину, а після визначення середнього значення ширини чи глибини кожного рівчака визначають характер розподілу, відносний рівень і знак напружень. Недоліком цього способу є те, що за допомогою нього можна визначити тільки відносний рівень та знак внутрішніх напружень і він не може бути використаний для визначення їх абсолютних значень. Технічною задачею корисної моделі є створення способу вимірювання абсолютних значень внутрішніх напружень для оцінки потенційного строку служби деталей і виробів. Технічна задача вирішується за рахунок того, що на поліровану поверхню зразка наносять N рівчаків при заданому навантаженні на визначеній відстані між собою, причому наносять N рівчаків на поліровані поверхні досліджуваного зразка та зразка-еталона, який виготовлено з матеріалу досліджуваного зразка у рівноважному стані, вимірюють через визначену відстань їх мікротвердість, а після визначення середнього значення мікротвердості зразків та характеру її розподілу визначають абсолютне значення напружень (±Ні) за формулою ±Hi = ± DHi ± Hc (1) де ± DHi = (Hзі - Нзс ) - (Неі - Нес ) - результуюче відхилення напружень від середнього в і-й точці зразка; Hзі, Hei - значення мікротвердості досліджуваного зразка та зразка-еталона у і-тих точках відповідно; Hзc, Hec - середні значення мікротвердості досліджуваного зразка і зразка-еталона відповідно; Нс=Нзс-Нес Знак плюс у формулі (1) перед доданком Н с ставиться, коли D Hi є додатнім, а мінус - від'ємним, що відповідає стискаючим та розтягуючим напруженням відповідно. Приклад 1. Зразок із сталі 40Х гартували в оливу від 860°С. Зразок-еталон виготовляли із сталі 40Х, рівноважний стан якого досягали шляхом, наприклад, гартування від 860°С в оливу та відпуску при 600°С протягом 2год. Полірували поверхні обох зразків. На обидві поліровані поверхні, наприклад, на приладі ПМТ-3 при навантаженні 20г, наприклад, чотирикутною алмазною пірамідою з квадратною основою наносили по три рівчака довжиною 1,0мм кожний на відстані 100мкм один від одного. Мікротвердість зразків вимірювали уздовж кожного рівчака через кожні 200мкм. Розраховували її середні значення та визначали абсолютні значення внутрішніх напружень. За формулою (1) розраховували абсолютні значення внутрішніх напружень. 1. Значення мікротвердості у 1-й точці зразка Нз1=4344,6МПа. Значення мікротвердості у 1-й точці зразка-еталона Не1=2298,1МПа. Середнє значення мікротвердості зразка Нзс=6818,4МПа. Середнє значення мікротвердості зразка-еталона Нес=2324,1МПа. Тоді DH1 =(4344,6-6818,4)-(2298,1-2324,1)=-2447,8МПа. Нс=6818,4-2324,1=4494,3МПа. Отже рівень розтягуючи х напружень в 1-й точці зразка дорівнює Н1=-2447,8-4494,3=-6942,1МПа 2. Значення мікротвердості у 2-й точці зразка Нз2=7066,2МПа. Значення мікротвердості у 2-й точці зразка-еталона Не2=2365,2МПа. Тоді ∆Н2=(7066,2-6818,4)-(2365,2-2324,1)=+206,7МПа.Отже рівень стискаючих напружень в 2-й точці зразка сягає Н2 =206,7+4494,3=+4701,0 МПа Таким чином в 1-й точці існують розтягуючи напруження величиною 6942,1МПа, а в 2-й точці - стискаючі 4701,0МПа. Результати вимірювань і розрахунків наведені в табл.1. Таблиця 1 Результати вимірювань мікротвердості та визначення абсолютних значень внутрішніх напружень сталі 40Х після гартування від 860°С в оливу № рівчака 1 2 3 і 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Мікротвердість, МПа Нзі 4344,6 7066,2 6608,2 7407,1 6755,4 7937,4 5257,8 8950,7 4657,7 7634,1 6378,9 6954,3 6492,2 8170,9 4702,1 8967,3 6612,4 7834,1 Неі 2298,1 2365,2 2245,6 2394,3 2287,4 2342,5 2302,5 2401,5 2245,6 2356,1 2325,8 2359,6 2244,9 2374,3 2295,6 2349,3 2316,7 2328,6 Середнє значення іікротвердості, МПа Нзс Нес 6818,4 2324,1 Абсолютні значення внутрішніх напружень, МПа ∆Ні нс Ні -2447,8 -6942,1 +206,7 +4701,0 -131,7 -4626,0 +518,5 +5012,8 -26,3 -4520,6 +1100,6 +5594,9 -1539,0 -6033,3 +2054,9 +6549,2 -2082,2 -6576,5 4494,3 +783,7 +5278,0 -441,2 -4935,5 +100,4 +4594,7 -247,0 -4741,3 +1302,3 +5796,6 -2087,8 -6582,1 +2123,7 +6618,0 -198,6 -4692,9 +1011,2 +5505,5 Отримані максимальні значення розтягуючих (Н 1=-6942,1МПа) та стискаючих (Н18=+6618,0МПа) напружень в зразку, загартованому від 860°С в оливу, свідчать про значні потенційні можливості щодо терміну його служби, так як рівень цих напружень значно нижче тих, при яких в даному матеріалі спостерігається утворення тріщин. При цьому напруження сягають понад 8000МПа, що визначено експериментально. Приклад 2. Зразок із сталі 40Х гартували в оливу від 1160°С. Зразок-еталон виготовляли із сталі 40Х, рівноважний стан якого досягали шляхом, наприклад, гартування від 860°С в оливу та відпуску при 600°С протягом 2год. Полірували поверхні обох зразків. На обидві поліровані поверхні, наприклад, на приладі ПМТ-3 при навантаженні 20г, наприклад, чотирикутною алмазною пірамідою з квадратною основою наносили по три рівчака довжиною 1,0мм кожний на відстані 100мкм один від одного. Мікротвердість зразків вимірювали уздовж кожного рівчака через кожні 200мкм. Розраховували її середні значення та визначали абсолютні значення внутрішніх напружень. За формулою (1) розраховували абсолютні значення внутрішніх напружень. 1. Значення мікротвердості у 1-й точці зразка Нз1=10210,6МПа. Значення мікротвердості у 1-й точці зразка-еталона Н е1=2298,1МПа. Середнє значення мікротвердості зразка Нзс=8108,5МПа. Середнє значення мікротвердості зразка-еталона Нес=2324,1МПа. Тоді ∆Н1=(10210,6-8108,5)-(2298,1-2324,1)=+2128,1МПа. Нс=8108,5-2324,1=5784,4МПа. Отже рівень стискаючих напружень в 1 -й точці зразка сягає Н1=2128,1+5784,4=+7912,5МПа 2. Значення мікротвердості у 4-й точці зразка Нз4=7593,6МПа. Значення мікротвердості у 4-й точці зразка-еталонаН е4=2394,3МПа. Тоді ∆Н4=(7593,6-8108,5)-(2394,3-2324,1)=-585,1МПа. Отже рівень розтягуючи напружень в 4-й точці зразка становить Н4=-585,1-5784,4=-6369,5МПа Таким чином в 1-й точці існують стискаючі напруження величиною 7912,5МПа, а в 4-й точці розтягуючі 6369,5МПа. Результати вимірювань і розрахунків наведені в табл. 2. Таблиця 2 Результати вимірювань мікротвердості та визначення абсолютних значень внутрішніх напружень сталі 40Х після гартування від 1160°С в оливу № рівчака 1 2 і 1 2 3 4 5 6 7 Мікротвердість, МПа Нзі 10210,6 9126,9 8256,3 7593,6 6145,8 7823,9 9582,1 н еі 2298,1 2365,2 2245,6 2394,3 2287,4 2342,5 2302,5 Середнє значення мікротвердості, МПа н зс Нес 8108,5 2324,1 Абсолютні значення внутрішніх напружень, МПа ∆Ні Нс Ні +2128,1 5784,4 +7912,5 +977,3 +6761,7 +226,3 +6010,7 -585,1 -6369,5 -1926,0 -7710,4 -303,0 -6087,4 +1495,2 +7279,6 3 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 11529,3 8429,3 7159,3 5823,6 7429,1 8726,3 9231,5 6982,8 5853,1 7653,1 8396,2 2401,5 2245,6 2356,1 2325,8 2359,6 2244,9 2374,3 2295,6 2349,3 2316,7 2328,6 +3343,4 +399,3 -981,2 -2286,6 +252,2 +697,0 +1072,8 -1097,2 -2280,6 -448,0 +283,2 +9127,8 +6183,7 -6765,6 -8071,0 +6036,6 +6481,4 +6857,2 -6881,6 -8065,0 -6232,4 6067,6 Отримані в цьому випадку результати свідчать, що підвищення температури гартування сталі 40Х з 860 до 1160°С супроводжується значним збільшенням рівня стискаючих і розтягуючих напружень, максимальні значення яких сягають H8=+9127 та Н11=-8071МПа. їх рівень перевищує 8000МПа, що призводить до утворення тріщин у зразку і робить його не придатним для використання. Отже виходячи з даних табл. 1 і 2 критерієм строку служби для сталі 40Х є рівень стискаючих і розтягуючи х напружень, який до значень 8000МПа знаходиться в обернено пропорційній залежності до строку служби деталей в певних умовах експлуатації. Запропонований спосіб вимірювання внутрішніх напружень може бути використаний як у лабораторних, так і промислових умовах.