Спосіб визначення залишкових напружень
Номер патенту: 88635
Опубліковано: 25.03.2014
Автори: Сейдаметов Станіслав Валерійович, Лоскутов Степан Васильович, Щетініна Мирослава Олегівна
Формула / Реферат
Спосіб визначення залишкових напружень в поверхневому шарі металів, який полягає в опромінюванні рентгенівським променем досліджуваного зразка, що послідовно встановлюється під різними кутами до напряму падаючого рентгенівського пучка, реєстрації відбитого рентгенівського пучка детектором, визначенні центра тяжіння дифракційних піків і обчисленні величини залишкових макронапружень за формулою:
, (1)
де ,
- модуль Юнга та коефіцієнт Пуассона досліджуваного зразка;
- кут Вульфа-Брегга;
- кут між нормаллю до поверхні зразка і напрямом падаючого рентгенівського променя, який відрізняється тим, що модуль Юнга
досліджуваного зразка визначають методом кінетичного індентування за формулою:
,
де , µi - модуль Юнга та коефіцієнт Пуассона індентора (табличні значення);
- модуль контактної пружності досліджуваного зразка, який визначають експериментально:
,
де - відношення фактичної площі відбитка, який залишає індентор, до контурної площі;
- коефіцієнт взаємозв'язку фактичної площі контакту до контактного електричного опору;
- коефіцієнт;
- радіус індентора;
,
- навантаження при навантаженні та розвантаженні;
,
- вимірюваний контактний електричний опір при навантаженні та розвантаженні контактного сполучення, а для визначення відношення
проводять тарувальні виміри на зразку з відомим модулем пружності (наприклад, досліджуваний зразок після відпалу).
Текст
Реферат: Спосіб визначення залишкових напружень в поверхневому шарі металів полягає в опромінюванні рентгенівським променем досліджуваного зразка, що послідовно встановлюється під різними кутами до напряму падаючого рентгенівського пучка, реєстрації відбитого рентгенівського пучка детектором, визначенні центра тяжіння дифракційних піків і обчисленні величини залишкових макронапружень. Модуль Юнга визначають методом кінетичного індентування. E досліджуваного зразка UA 88635 U (12) UA 88635 U UA 88635 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до методів неруйнівного контролю і може бути використана в галузі неруйнівного контролю при виробництві, експлуатації та діагностиці деталей машин і конструкцій. Основна область застосування способу визначення залишкових макронапружень металургія, авіа-, судно-, машинобудування, атомна енергетика, металообробка, створення і дослідження конструкційних матеріалів, визначення пластичної деформації, діагностика втоми металів. Відомий спосіб [1] визначення механічних напружень, згідно з яким на контрольований виріб встановлюють хрестоподібний магнітопровід з обмотками збудження і вимірювальними обмотками. В металі контрольованого виробу порушують направлений магнітний потік певної величини по заданих напрямах, спостерігають за величиною е.р.с. U x , що наводиться в кожній вимірювальній обмотці, яка розташована на магнітопроводі, перпендикулярному магнітопроводу з обмоткою намагнічення. При цьому намагнічення ділянки контролю виробу по напрямах здійснюють по черзі з кроком по куту між напрямами не більше 45° в інтервалі від 0° до не менше (±180°- ) при постійних величинах магнітного потоку і на фіксованій частоті. Потім по тих же напрямах на тій же частоті, але при іншій величині магнітного потоку апроксимують кутові залежності зміряних е.р.с. Ux [i, n] (де n - порядковий номер напряму намагнічення, a i 12, - порядковий номер величини магнітного потоку), знаходять перші , екстремуми Ux1 і U x 2 . Шукане механічне напруження визначають, використовуючи як градуювальник залежностей окремо висхідні і низхідні ділянки петель гістерезису, заздалегідь отримані при різних орієнтаціях напряму почергового намагнічення зразка металу при вказаних величинах магнітного потоку і на фіксованій частоті. Причому за результат вимірювання приймають середнє по значеннях тих оцінок механічного напруження, отриманого окремо по висхідних і низхідних ділянках петлі гістерезису, для яких спостерігається мінімальний розкид. Недоліки: призначено для визначення механічних напружень у виробах з феромагнітних матеріалів. Відомий спосіб [2] визначення поверхневих залишкових напружень, що включає дію потоку випромінювання на ділянку об'єкта, при цьому потоком випромінювання нагрівають ділянку об'єкта без руйнування, після охолоджування ділянки об'єкта визначають його деформацію і по деформації ділянки об'єкта визначають поверхневі залишкові напруження. Спосіб належить до методів неруйнівного контролю із застосуванням нагріву і може бути використаний для діагностики конструкцій і деталей машин. Спосіб полягає в тому, що поверхні нагрівають безперервним потоком випромінювання, в результаті якого виникають залишкові деформації. Деформації після нагріву і охолоджування визначають одним з прецизійних способів. По деформаціях судять про залишкові напруження. Забезпечується визначення залишкових напружень без руйнування і вантаження об'єкта в умовах експлуатації. Недоліком такого способу є те, що він дозволяє визначити лише інтегральні характеристики. В той же час, оскільки залишкові напруження є самоурівноваженими, місцеві залишкові напруження можуть значно перевищувати середні інтегральні значення, тому точність такого способу недостатня. Відомий спосіб [3] визначення залишкових напружень, який полягає в тому, що опромінюють досліджуваний об'єкт вузьким пучком радіаційного або рентгенівського випромінювання. З потоку відбитих квантів виділяють M ділянок, реєструють кванти, що потрапили в кожну ділянку за період опромінювання, формують картину розподілу відбитих квантів і обчислюють величину визначуваного параметра. При цьому кожному з M виділених з потоку відбитих квантів ділянок присвоюють однозначно визначуваний координатами його просторового положення серед решти виділених ділянок індивідуальний позиційний код, який при попаданні в ділянку відбитого кванта перетворять в код його координат, і негайно використовують його для формування картини розподілу відбитих квантів і подальшого обчислення залишкових і робочих поверхневих напружень полікристалічних матеріалів і параметрів їх кристалічної решітки. Недоліком цього способу є використання складного дорогого устаткування. Відомий спосіб [4] визначення залишкових поверхневих напружень в металах, який полягає в опромінюванні рентгенівським променем досліджуваного об'єкта, що послідовно встановлюється під різними кутами до напряму рентгенівського променя, реєстрації відбитих рентгенівських променів детектором, визначенні центра тяжіння дифракційних піків і обчисленні величини поверхневих напружень за формулою 1 UA 88635 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 E (2) , ctg 2(1 ) sin 2 (1) де E - модуль Юнга, який визначається розрахунком для аналізованих площин кристалічної решітки або використовується табличне значення для полікристалічного металу; - коефіцієнт Пуассона; - кут Вульфа-Брегга; - кут між нормаллю до поверхні зразка і напрямом падаючого рентгенівського променя. Для розрахунків за формулою (1) вже не потрібно досліджувати зразок, в якому макронапруження відсутні. Необхідно побудувати залежність певного експериментального положення подвійного бреггівського кута 2 від значень sin 2 і потім за графіком визначити значення похідної, що входить в розрахункову формулу (1) як множник. Якщо пряма в цих координатах утворює гострий кут з віссю абсцис, то це означає, що напруження розтягуючі; якщо кут тупий, то справа у формулі виходить знак плюс, і напруження стискуючі. Даний спосіб прийнятий за аналог. Аналог забезпечує визначення залишкових напружень в кристалічних матеріалах без руйнування зразка або деталі, не вимагає спеціального еталона. До переваг пропонованого способу належить опис властивостей макроскопічного об'єкта, використовуючи параметри атомної структури. До недоліків способу визначення залишкових напружень [4] належить використання в розрахунковій формулі табличних значень модуля Юнга, отриманих при випробуваннях матеріалів на одноосне розтягування, або табличних значень для монокристалів. Дійсні ж значення модуля Юнга матеріалу приповерхневого шару, аналізовані рентгенівським методом на глибину декількох десятків мікрометрів, можуть відрізнятися від табличних для даного матеріалу на 20 30 % [5]. Підставою для цього є зміни модуля Юнга металів при пластичній деформації. Модуль пружності конструкційних металевих матеріалів сильно залежить від 3 2 3 2 природи самого матеріалу (сплави алюмінію - 7,210 кг/мм , сплави титану - 1110 кг/мм , сталі 3 2 - 2010 кг/мм ) слабо залежить від хімічного складу в групі матеріалів (титановий сплав ВТ143 2 3 2 1110 кг/мм , ВТ7-11,410 кг/мм ); залежить від нагортовки поверхні при прокаті, штампуванні; залежить від термічного гарту, старіння; і дуже сильно залежить від температури (для сплаву 3 2 титану ВТЗ-1 модуль Е при температурі 20 °C дорівнює 11,510 кг/мм , а при 500 °C3 2 810 кг/мм , тобто відрізняється на 32 %). Тому для розрахунків залишкових макроскопічних напружень використання значень модулів Е з довідкових даних не завжди обґрунтоване. Для вирішення цього недоліку пропонується новий спосіб визначення залишкових напружень. Задача корисної моделі є підвищення точності й достовірності визначення величини залишкових напружень за рахунок використання значення модуля Юнга приповерхневого шару металевого зразка, визначеного експериментально методом кінетичного індентування. У пропонованому способі для визначення модуля Юнга приповерхневого шару застосовували метод кінетичного індентування [6]. Поставлена задача вирішується тим, що у способі визначення величини залишкових напружень, який полягає в опромінюванні рентгенівським променем досліджуваного об'єкта, що послідовно встановлюється під різними кутами до напряму падаючого рентгенівського пучка, реєстрації відбитого рентгенівського пучка детектором, визначенні центру тяжіння дифракційних піків і обчисленні величини поверхневих напружень, модуль Юнга Е приповерхневого шару металу на даній ділянці зразка визначають методом кінетичного індентування. Технічний результат корисної моделі - можливість більш достовірного прогнозування механічних властивостей матеріалів. Відмінним ознаками є: урахування зміни модуля Юнга металів при пластичній деформації; визначення модуля Юнга досліджуваного зразка методом кінетичного індентування. Саме використання методу кінетичного індентування для визначення модуля Юнга приповерхневого шару металевого зразка дозволяє підвищити точність й достовірність визначення величини залишкових напружень. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями (Фіг. 1 та 2), на яких представлений розподіл залишкових напружень по поверхні пера лопаток за способом прототипу (Фіг. 1) та за новим способом (Фіг. 2). Спосіб здійснюється наступним чином: для визначення залишкових макроскопічних напружень застосовували метод " 2 sin 2 ", де - кут Вульфа-Брегга, - кут між 2 UA 88635 U 5 10 15 20 25 нормалями до площини, що відбиває, і до поверхні зразка. Рентгенівські вимірювання виконували на трубці з кобальтовим анодом ( K -лінія) за напруги 30 кV і струму 30 mА. Площа 2 аналізованої ділянки поверхні зразка 1×4 mm . Трикратно сканували з кроком 0,1° і сталою часу 10 s. Дані, отримані на рентгенівському дифрактометрі, оброблювали за програмою "Origin" в такій послідовності: зглажування кривих; віднімання фону; апроксимація за Гаусом; розрахунок центра ваги піків. Визначення розподілу залишкових напружень по поверхні пера лопатки традиційним рентгенівським методом приводить до іншого розподілу. За новим способом (Фіг. 2) отримуємо гладкіший розподіл їх по поверхні деталі, що є більш обґрунтованим, оскільки макроскопічні залишкові напруження повинні бути зрівноважені по всьому зразку і створювати монотонний розподіл макронапружень по поверхні. Джерело інформації: 1. Способ определения механических напряжений и устройство для его осуществления Патент Российской Федерации 2195636. 2. Способ определения поверхностных остаточных напряжений. Патент Российской Федерации 2155952. 3. (МПК G01N23/20 (2006.01) ((72) Автор(ы): Калмыков Эрнст Алексеевич (RU), Topyбаров Анатолий Михайлович (RU) (73) Патентообладателей): Калмыков Эрнст Алексеевич (RU), Торубаров Анатолий Михайлович (RU) Способ экспресс-анализа механических поверхностных напряжений поликристаллических материалов и параметров их кристаллической решётки и устройство для его осуществления, патент РФ 2387980. 4. Васильев Д.М., Трофимов В.В. Современное состояние рентгеновского способа измерения макронапряжений //Заводская лаборатория. 1984, т. 50. - С. 20-29. 5. В.А. Скуднов Предельные пластические деформации метал лов /В.А. Скуднов - М.: Металлургия, 1989. - 176 с. 6. Булычёв С.И., Алёхин В.П., Шоршоров М.Х. Исследование физико-механических свойств материалов в приповерхностном слое и в микрообъёмах методом непрерывного вдавливания индентора (обзор)// Физика и химия обработки материалов. - 1979. - № 5. - С. 69-82. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Спосіб визначення залишкових напружень в поверхневому шарі металів, який полягає в опромінюванні рентгенівським променем досліджуваного зразка, що послідовно встановлюється під різними кутами до напряму падаючого рентгенівського пучка, реєстрації відбитого рентгенівського пучка детектором, визначенні центра тяжіння дифракційних піків і обчисленні величини залишкових макронапружень за формулою: E (2) , ctg (1) 2(1 ) sin2 де E , - модуль Юнга та коефіцієнт Пуассона досліджуваного зразка; - кут Вульфа-Брегга; - кут між нормаллю до поверхні зразка і напрямом падаючого рентгенівського променя, який 40 відрізняється тим, що модуль Юнга E досліджуваного зразка визначають методом кінетичного індентування за формулою: E 45 1 2 2 D 1 i 4 3 Ei , де E , i - модуль Юнга та коефіцієнт Пуассона індентора (табличні значення); D - модуль контактної пружності досліджуваного зразка, який визначають експериментально: 1 1 d 3/2 R p d R 1 H D C , 1/ 2 3/2 dPH 4 r dPp де - відношення фактичної площі відбитка, який залишає індентор, до контурної площі; - коефіцієнт взаємозв'язку фактичної площі контакту до контактного електричного опору; C 198 - коефіцієнт; , 3 UA 88635 U r - радіус індентора; PH , Pp - навантаження при навантаженні та розвантаженні; 5 RH , Rp - вимірюваний контактний електричний опір при навантаженні та розвантаженні контактного сполучення, а для визначення відношення / проводять тарувальні виміри на зразку з відомим модулем пружності (наприклад, досліджуваний зразок після відпалу). Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4
ДивитисяДодаткова інформація
Автори англійськоюLoskutov Stepan Vasyliovych, Seidametov Stanislav Valeriiovych, Shchetinina Myroslava Olegivna
Автори російськоюЛоскутов Степан Васильевич, Сейдаметов Станислав Валерьевич, Щетинина Мирослава Олеговна
МПК / Мітки
МПК: G01L 1/25
Мітки: спосіб, визначення, напружень, залишкових
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/6-88635-sposib-viznachennya-zalishkovikh-napruzhen.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб визначення залишкових напружень</a>
Попередній патент: Спосіб побудови нейро-нечітких мереж на основі асоціативних правил
Наступний патент: Спосіб улаштування рідкої теплоізоляції
Випадковий патент: Вібраційний дозатор для сипких матеріалів