CC BY
9
УДК 539.261:539.319
Д-р ф 'з.-мат. наук С. В. Лоскутов, С. В. Сейдаметов, М. О. Щет1н1на
ЗапорЬький нащональний техтчний утверситет, м. Запорiжжя
УДОСКОНАЛЕННЯ РЕНТГЕН1ВСЬКОГО СПОСОБУ ВИЗНАЧЕННЯ ПОВЕРХНЕВИХ ЗАЛИШКОВИХ
НАПРУЖЕНЬ
Розглянуто рентгешвський cnoci6 визначення поверхневих залишкових напружень, засно-ваний на вiдомому методi «26 -sin2 y». Запропоновано тдвищення точностi вимiрювання величини залишкових напружень шляхом використання значення модуля Юнга поверхнево-го шару металевого зразка, отриманого експериментально методом ктетичного тденту-вання. Представлено результати до^джень розподту залишкових напружень по поверхш лопаток обома способами.
Ключовi слова: поверхневi залишковi напруження, рентгешвський метод, модуль Юнга, ктетичне тдентування.
Вступ
Процеси деформування i руйнування матерь алу деталей значною мрою пов'язан з напруже-но-деформованим станом поверхневого шару металевих виробiв. Саме тому величина i роз-подл поверхневих залишкових напружень е важ-ливими характеристиками для ощнки стану ма-т^алу.
Одним iз перспективних неруйшвних методв дослщження залишкових напружень на поверхш металевих вироб±в е рентгешвський метод. Пдви-щення точностi визначення поверхневих залишкових напружень рентген]вським методом було метою дано! роботи.
Найбшьш поширеним методом рентгенодиф-рактометричного вимiрювання залишкових мак-роскопiчних напружень е метод «29 - sin2 y», де 9 — кут Вульфа-Брегга, y — кут м1ж нормаллю до площин, що вщбивають променi, та нормаллю до поверхш зразка. Вщбиття рентген]вського про-меня вiд сiмейства паралельних кристалiчних площин вщбуваеться тiльки при певному зна-ченнi кута падоння 9, пов'язаного з довжиною хвил падаючого випромшювання l i мтжпло-щинною вiдстанню dм законом Брегга:
E
9(29) 2(1 + v) " 9 sin2 y
(2)
1 = 2dhkisin 9 .
(1)
Спошб визначення залишкових поверхневих напружень в металах полягае в опромшюванш рентгенiвським променем дослщжуваного об'екту, що послщовно встановлюеться п1д рiзними ку-тами до напряму рентген]вського променя, рее-страци вщбитих рентгешвських променв детектором, визначеннi центру тяжшня дифракщйних пiкiв i обчисленш величини поверхневих напружень за формулою [1]:
де Е — модуль Юнга, який визначаеться розра-хунком для аналiзованих площин кристалiчноl решiтки, або використовуеться табличне значення для полжристалчного металу; V — коефшдент Пуассона.
Для розрахунив за формулою (2) вже не по-трiбно дослiджувати зразок, в якому макронап-руження вiдсутнi. Необхвдно побудувати за-лежнiсть певного експериментального положен -ня подвшного брегiвського кута 29 вщ значень 8т2у i потм за графжом визначити значення похщно1, що входить в розрахункову формулу (1) як множник. Якщо пряма в цих координатах утворюе гострий кут з вiссю абсцис, то це озна-чае, що напруження розтягуюч^ якщо кут тупий, то справа у формулi виходить знак плюс, i напруження стискуюч^
Даний метод забезпечуе визначення залишкових напружень в кристаичних матерiалах без руйнування зразка або детал^ не вимагае спе-щального еталону.
До недолМв способу визначення залишкових напружень [1] вщноситься використання в розрахунковш формулi табличних значень модуля Юнга, отриманих при випробуваннях матерiалiв на одноосне розтягування, або табличних значень для монокристашв. Дшсш ж значення модуля Юнга матер]алу приповерхневого шару, аналiзованi рент-гешвським методом на глибину декшькох де-сяткв мiкрометрiв, можуть вiдрiзнятися вщ табличних для даного матерiалу на 20...30 % [2]. Щдставою для цього е змши модуля Юнга ме-тал]в при пластичнш деформаци. Модуль пруж-носп конструкцшних металевих матерiалiв силь-
ст = -
© С. В. Лоскутов, С. В. Сейдаметов, М. О. Щетшша, 2015
- 24 -
но залежить вщ природи самого матер1алу (спла-ви алюмш1ю — 7,2-103 кг/мм2, сплави титану — 11-103 кг/мм2, стал1 — 20-103 кг/мм2) слабо залежить вщ х1м1чного складу в груш матер1ал]в (ти-тановий сплав ВТ14 — 11-103 кг/мм2, ВТ7 —
11.4-103 кг/мм2); залежить вщ нагартовки поверхш при прокат1, штампуванн1; залежить вщ терм1чного гарту, стар1ння; i дуже сильно залежить в1д температури (для сплаву титану ВТЗ-1 модуль E при температур 20 °C дор1внюе
11.5-103 кг/мм2, а при 500 °C - 8 -103 кг/мм2, тобто вщр1зняеться на 32 %). Тому для розрахуныв залишкових макроскошчних напружень викори-стання значень модулш E з довщкових даних не завжди обгрунтоване.
Для виршення цього недолжу пропонуеться використання значення модуля Юнга приповерх-невого шару металевого зразка, визначеного екс-периментально методом кшетичного шдешуван-ня [3].
Використання методу кшетичного щцентуван-ня для визначення модуля Юнга приповерхне-вого шару металевого зразка дозволяе шдвищи-ти точн1сть й достов1ршсть визначення величи-ни залишкових напружень.
Для спрощення визначення розподлу залишкових напружень по поверхш металевих зразк1в одного й того ж матер1алу пропонуеться наступ-не:
- методом юнетичного iнцентування на данш дшянш зразка шсля змщнюючо! обробки визна-чити модуль Юнга поверхневого шару металу Е;
- для даного зразка на обран1й дшянш вим1-ряти дан1 для визначення залишкових напружень рентгешвським методом «29 - sin2 y»;
- провести 1зотерм1чний вщпал дефекпв зразка i знову методом кшетичного шдешування виз-начити модуль Юнга E0;
- визначити пост1йну матер1алу зразка к :
E = E„Vi + ка2 [4];
-о
- розрахувати значення залишкових напружень по а = (к' - к)- У2, де
к =
4(i + v)
E2
(
tg 2е
d (2е)
d(sin2 y)
-2
(3)
Отже, для визначення залишкових напружень по поверхш металевих деталей необхщно провести рентгешвський анал1з обраних длянок i знай-ти допом]жну величину к' по формулi (3), при-чому Е0 i к е постшними величинами для даного мат^алу. Даний метод спрощуе процедуру зна-ходження залишкових напружень, так як вже немае необхвдносп кожного разу знаходити мо-
дуль Юнга поверхневого шару металу методом юнетичного шдентування.
Експсримснтальна методика
Для визначення залишкових макроскошчних напружень застосовували метод «2е - sin2 y». Рент-гешьськ вим1рювання виконували на трубш з кобальтовим анодом (Кр - л1шя) за напруги 30 кУ i струму 30 тА. Площа анатзовано1 длянки поверхш зразка 1x4 mm2. Трикратно сканували з кроком 0,1° i сталою часу 10 s. Даш, отримаш на рентгенiвському дифрактометрi, обробляли за програмою «Origin» в такш послiцовностi: зглад-жування кривих; ввдшмання фону; апроксима-цiя за Гаусом; розрахунок центра ваги шив.
Модуль Юнга E дослщжуваного зразку виз-начали методом кшетичного шдентування за формулою:
E=
i-m2
4 D -1 -m2
(4)
3
Ei
де Ег-, — модуль Юнга та коефiцiент Пуасона шдентора (табличш значення); Б — модуль контактно! пружносп дослiджуваного зразка (входить у розв'язок задачi Герца для пружно! взае-моди двох тш [5]), який визначали експеримен-тально.
Дослiджуванi дiлянки поверхнi лопаток показан на рис. 1.
ю
75
60
45
30
15
Рис. 1. Схема дшянок рентгешвського анагизу на поверхш пера лопаток
Результати та !х обговорення
Визначення розподлу залишкових напружень по поверхнi пера лопатки традишйним рентгешвським методом приводить до шшого розпо-длу. За запропонованим способом (рис. 2) отри-муемо гладший розподiл !х по поверхнi детал^ що е бiльш обгрунтованим, оскшьки макро-скопiчнi залишковi напруження повинш бути зрiвноваженнi по всьому зразку i створювати мо-нотонний розподл макронапружень по поверхнi.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2015
- 25 -
б
Рис. 2. Розподш залишкових напружень по поверхш пера лопаток за традицiйним способом (а) i за способом, що пропонуеться (б)
Висновки
Запропоновано щдвищити точнiсть визначен-ня величини залишкових макронапружень рент-гешвським способом «29 - sin2 y» шляхом вико-
ристання модуля Юнга поверхневого шару мета-левого зразка, отриманого експериментально методом кiнетичного щдентування.
Результати дослщжень поверхонь лопаток показали, що використання запропонованого методу призводить до р1вном1рн1шого розподдлу залишкових напружень по поверхн лопаток.
Список лiтератури
1. Васильев Д. М. Современное состояние рентгеновского способа измерения макронапряжений / Д. М. Васильев, В. В. Трофимов // Заводская лаборатория. — 1984. — Т. 50. — С. 20-29.
2. Скуднов В. А. Предельные пластические деформации металлов / В. А. Скуднов. — М. : Металлургия, 1989. — 176 с.
3. Булычев С. И. Исследование физико-механических свойств материалов в приповерхностном слое и в микрообъемах методом непрерывного вдавливания индентора (обзор) / С. И. Булычев, В. П. Алехин, М. Х Шоршоров // Физика и химия обработки материалов. — 1979. — № 5. — С. 69—82.
4. Жуковский В. К. Связь коэффициента линейного температурного расширения с остаточными напряжениями / В. К. Жуковский, А Р. Гохман // Журнал технической физики. — 2009. — Т. 79. — С. 54—57.
5. Ландау Л. Д. Теория упругости / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. — М. : Наука, 1987. — 247 с.
Поступила в редакцию 19.06.2014
а
Лоскутов С.В., Сейдаметов С.В., Щетинина М.О. Усовершенствование рентгеновского способа определения поверхностных остаточных напряжений
Рассмотрен рентгеновский способ определения поверхностных остаточных напряжений, основанный на известном методе «26 - sin2 у». Предложено повышение точности измерения величины остаточных напряжений путём использования значения модуля Юнга поверхностного слоя металлического образца, полученного экспериментально методом кинетического индентирования. Представлены результаты исследования распределения остаточных напряжений по поверхности лопаток двумя способами.
Ключевые слова: поверхностные остаточные напряжения, рентгеновский метод, модуль Юнга, кинетическое индентирование.
Loskutov S., Seidametov S., Shchetinina M. The improvement of the Х-ray method for determination of surface residual stresses
The X-ray method for determination of surface residual stresses, based on the known method «26 - sin2 у» was considered. The increase of accuracy of residual stresses measurement by using the Young modulus values of the surface layer of metal sample obtained experimentally by a method of kinetic indentation was proposed. The results of researches of residual stress distribution over the surface of blades in both ways was presented.
Key words: surface residual stresses, the X-ray method, the Young modulus, the kinetic indentation.
