Экспериментальные методы определения остаточных напряжений

Для экспериментального определения остаточных напряжений в поверхностном слое в основном применяется механический метод.

Суть метода состоит в том, что при удалении с поверхности детали некоторого слоя металла происходит её деформация по которой определяется величина и знак остаточных напряжений. При определении остаточных напряжений используется теория стержней, основанная на гипотезе плоских сечений. Остаточное напряженное состояние предполагается одноосным. Напряжения могут определяться как на кольцевых образцах (тангенциальные напряжения), так и на плоских образцах (осевые напряжения).

Впервые механический метод применил проф. Н. Н. Давиденков в 1931 году. Согласно Н. Н. Давиденкову, для определения остаточных напряжений вырезается достаточно длинный участок тонкостенного цилиндра, а затем производится его разрезка по образующей и последовательное снятие цилиндрических слоев. Снятие слоев металла производится травлением.

 

 

Окружное напряжение , существующее в некотором слое а после вырезки участка цилиндра, его разрезки и снятия предыдущих слоев определяется по соотношению

,

где  – первоначальные наружные остаточные напряжения;  – окружные напряжения, снимаемые в рассматриваемом слое при вырезке участка тонкостенного цилиндра;  – окружные напряжения, снимаемые в рассматриваемом слое при разрезке тонкостенного цилиндра по образующей;  – окружные напряжения, снимаемые в рассматриваемом слое при удалении всех предыдущих слоев.

При определении остаточных напряжений в поверхностном слое плоских стержневых образцов процесс определения эпюры как правило разбивается на два этапа: 1) нахождение линейной составляющей эпюры; 2) нахождение распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя. Поэтому уравнение для расчёта остаточных напряжений будет иметь вид

                                        ,

где s _x (a) – остаточное напряжение на глубине у от обработанной поверхности образца; s _xb (a) – линейная составляющая эпюры, являющаяся результатом уравновешивания возникающих после обработки образца реактивных сил элементами крепления образца в приспособлении; s _xc (a) – перераспределённое остаточное напряжение на глубине у от обработанной поверхности после снятия образца с приспособления.

   Линейная составляющая эпюры s _xb (a) находится по результатам измерения статического прогиба обработанного образца после снятия его с приспособления (рисунок).

 

Рисунок 6 – Схема измерения статического прогиба образца

 

При условии, что соотношение , искомая зависимость с достаточной степенью точности определяется следующей формулой

 

                                      ,

где Е – модуль Юнга материала образца; l_b – базовая длина в пределах которой измеряется прогиб; h – высота поперечного сечения образца; f_b – прогиб образца в пределах базовой длины l_b.

Определение перераспределённых остаточных напряжений s _xc (y) заключается в нахождении эпюры деформаций образца при последовательном электролитическом стравливании поверхностного слоя и последующем расчете распределения остаточных напряжений по глубине стравленного слоя. Схема измерения деформаций приведена на рис. Исследуемый образец закрепляется в приспособлении и погружается в ванну с электролитом на глубину приблизительно равную половине высоты поперечного сечения. К середине образца подводится щуп измерителя микроперемещений, который фиксирует деформацию F, возникающую при снятии напряженных слоёв материала. После этого проводится электролитическое травление обработанной поверхности на глубину а с одновременной регистрацией эпюры деформаций.

 

 

Рисунок 7 – Образец для замера величины остаточных напряжений:

1 – исследуемый образец; 2 – зажимы прибора.

 

Расчет выполняется по формуле       

,

где E – модуль упругости материала детали; а – толщина стравленного слоя образца; H – толщина образца; L и l – размеры согласно схемы; K – масштабный коэффициент;  – тангенс угла наклона касательной, проведенной к кривой деформации в данной точке (рисунок).

 

 

Рисунок 8 – Кривая деформации образца при стравливании

 

На основе полученных значений s строится эпюра остаточных напряжений в координатах напряжение – глубина слоя (рисунок).

 

 

Рисунок 9 – Эпюра остаточных напряжений

 

Толщина снятого при электролитическом травлении слоя материала обработанной поверхности h, необходимая для расчёта пределов изменения величины а, определяется гравиметрически по изменению массы образца до и после травления

                                                 ,

где m ₀, m ₁ – соответственно массы образца до и после травления;  r – плотность материала образца;