способ определения остаточных напряжений по характеристикам твердости материала

Формула изобретения

Способ определения остаточных напряжений по характеристикам твердости материала, отличающийся тем, что уровень этих напряжений на поверхности изделия оценивают по изменению регистрируемых значений твердости материала в локальных зонах при нанесении параллельных надрезов под углом 90° по отношению друг к другу, ориентированных в наиболее вероятном направлении действия главных напряжений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области общего машиностроения, в частности к способам определения остаточных напряжений в изделиях при их изготовлении и последующей эксплуатации.

Известны способы определения остаточных напряжений с использованием тензорезисторов, устанавливаемых в зонах контроля, см. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963, 232 с. Они обладают высокой точностью и позволяют получить данные по напряженно-деформированному состоянию (НДС) материала в локальных зонах изделия. Недостатком этих способов является их высокая трудоемкость и стоимость. Данные способы относятся к разрушающим методам исследований, что ограничивает возможности их использования.

На практике часто используют неразрушающие способы контроля НДС металла. Они менее трудоемки и обладают меньшей точностью. Среди этих способов наибольшее распространение получил магнитно-шумовой способ контроля, см. Инструкцию по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов. РД 12-411-01. Госгортехнадзор России, 2001 г. Магнитно-шумовой способ контроля основан на использовании корреляционных зависимостей между магнитными характеристиками материала и уровнем остаточных напряжений.

Магнитно-шумовой способ контроля обладает следующими недостатками:

а) Тарировка измерительных приборов должна производиться в специализированных центрах.

б) Для каждого прибора существуют индивидуальные тарировочные таблицы (по маркам сталей), эти таблицы не пригодны для других приборов этого типа.

в) Магнитные свойства одних и тех же марок сталей могут изменяться в достаточно широких пределах, в связи с чем точность измерений невелика.

Технической задачей изобретения является разработка способа определения остаточных напряжений по характеристикам твердости конструкционных сталей. Преимуществом заявляемого способа является возможность оперативного контроля уровня остаточных напряжений в материале конструкции или изделия в заводских условиях в процессе их изготовления, а также в условиях эксплуатации. При этом в качестве измерительных приборов могут быть использованы переносные твердомеры ударного и статического действия.

Принцип использования характеристик твердости материала при оценке уровня остаточных напряжений в металле основан на том, что при измерении твердости происходит пластическое деформирование материала в зоне его контакта с индентором измерительного прибора. При этом исходное напряженно-деформированное состояние материала (наличие или отсутствие остаточных напряжений) оказывает влияние на характер этих деформаций и, в конечном итоге, на регистрируемые значения твердости.

Для пояснения существа заявляемого способа определения остаточных напряжений по характеристикам твердости материала на чертеже представлен график изменения твердости металла в локальных зонах призматического образца 50×75×500 мм, нагружаемого по схеме 4-точечного изгиба (низколегированная сталь, ₀₂=640 МПа). Измерения твердости проводили в зоне максимальных растягивающих напряжений и на боковой поверхности образца, в зонах растягивающих и сжимающих напряжений. Как видно из графика, наблюдается хорошая корреляция между уровнем растягивающих и сжимающих напряжений в различных зонах нагружаемого образца и регистрируемыми значениями твердости.

Предлагаемый способ определения остаточных напряженки заключается в том, что уровень остаточных напряжений в локальных зонах на поверхности изделия оценивают по изменению регистрируемых значений твердости металла в этих зонах относительно исходных значений (при отсутствии напряжений).

С учетом 2-осного напряженного состояния материала, для оценки уровня главных напряжений _1ост и _2ост, в зонах контроля делают параллельные надрезы, ориентированные под углом 90° по отношению друг к другу, глубиной до нескольких миллиметров. Пространственная ориентация надрезов должна учитывать технологические особенности изготовления изделий таким образом, чтобы геометрические оси надрезов совпадали с наиболее вероятным направлением действия главных напряжений. Надрезы разной ориентации в зонах контроля располагают так, чтобы они не оказывали взаимного влияния на результаты определения уровня остаточных напряжений, _1ост и _2ост. Остаточные напряжения определяют по корреляционным зависимостям _ост=f( H).

Преимуществом заявляемого способа является возможность оперативного контроля уровня остаточных напряжений в материале конструкции или изделия в заводских условиях в процессе их изготовления, а также в условиях эксплуатации. В качестве измерительных приборов могут быть использованы переносные твердомеры ударного и статического действия.