книги / Остаточные напряжения
..pdf+e*iM + H*eiW]- |
(2.28) |
Из уравнения равновесия цилиндрического образца опре деляем окружное остаточное напряжение
(2.29)
Формулы (2.27)— (2.29) служат для расчета остаточных напряжений в наружных слоях полого цилиндра. Если же опре деляются остаточные напряжения в сплошном цилиндре (Я, = 0), то измерения на внутреннем радиусе невозможны, а Поэтому предварительно проводится расточка цилиндрического Образца.
2.5. Метод освобождения
Выше были рассмотрены методы определения остаточных Напряжений в деталях простой геометрической формы. Теперь рассмотрим механические методы, позволяющие определить ос-
таточные напряжения в поверхностном слое деталей сложной конфигурации при помощи проволочных тензорезисторов.
Если в некоторой точке детали сложной конфигурации на клеить два проволочных тензорезистора в двух взаимно перпен дикулярных направлениях 1 и 2 и записать их показания, а затем вырезать вместе с тензорезисторами пластинку толщиной h (не внося дополнительных остаточных напряжений) и снова снять по казания тензорезисторов, то разность показаний позволит вычис лить деформации г, и е2 в направлениях 1 и 2 , возникшие в ре зультате вырезки пластинки.
Так как после вырезки остаточные напряжения в пластинке отсутствуют, т.е. происходит освобождение пластинки от дейст вия остаточных напряжений, то по величинам Si и £2 можно вы числить остаточные напряжения, действовавшие вдоль направ лений 1 и 2 до вырезки пластинки. Согласно закону Гука,
Е_
о , - |
(е,+р.82), |
(2.30) |
|
-И* |
|
ст2 = - |
Е |
(2.31) |
(s2+pe,). |
1 -ц 2 При использовании расчетных зависимостей (2.30) и (2.31)
предполагается, что напряжения ст, и а 2 распределены равно мерно по толщине h вырезанной пластинки, а потому результаты
Угол а между главным направлением 1 и направлением |
||
тензорезистора 1 определяется из соотношения |
||
_ |
2е, —s, —В-, |
|
tgla = —-— 1— К |
||
|
Е , - 8 3 |
|
При использовании розетки тензорезисторов с углами 60° |
||
между направлениями 1,2 и 3: |
|
|
е, + г2+ е3 |
Г г |
|
а, = -Е |
|
3(1+р) |
3(1- ц ) |
||
Л/(е1- е 2)2 +(82 - 8 3)2 +(83 - 8 1)2 ) , |
а„ = -Е 81+ 82+83 |
Г |
3 (! -р ) |
3(1 + ц) > j( £ 1 ^ 2 ) + ( £ 2 е з ) + ( £ 3 O ' ) |
I?2 a = ^ k z £ i l
2е, - е2 —е3 При известных величинах и направлениях главных напря
жений можно определить нормальные и касательные напряже ния в произвольных площадках, используя известные из теории напряженного состояния зависимости.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ПОСЛЕ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
В данном разделе представлен обзор развития остаточных напряжений в покрытиях, нанесенных термическим напылени ем, кратко описываются основные экспериментальные техноло гии измерения остаточных напряжений, формулируются гра ничные условия, удовлетворяющие распространению остаточ ных напряжений, а также приведены зависимости для опреде ления напряжений, возникающих из-за несовпадения КТР мате риала покрытия и подложки при их совместной деформации.
Общеизвестно, что остаточные напряжения в покрытиях, осажденных газотермическим напылением, оказывают опреде ляющее влияние на эксплуатационные характеристики покрытий различного функционального назначения. Однако, несмот ря На развитие теоретических представлений о механизме воз никновения и распределения остаточных напряжений, про мышленная разработка и оптимизация процесса напыления и по сеи День в большинстве случаев выполняются при помощи, в лУНЩем случае, только числового учета их природы и роли. Во многих случаях подобная разработка сохраняется только эмпи рически с учетом контроля за остаточными напряжениями и по этому является неэффективной.
За последние годы были сделаны существенные попытки понимания и предсказания физической сущности остаточных на пряжений, которые развиваются в течение процесса напыления покрытий. Многие исследования в последнее время были скон центрированы на измерении [4] остаточных напряжений и моде лировании [5,6] их развития во время формирования. Однако все го лишь в нескольких случаях были получены надежные взаимо связи, измерен уровень напряжения и спрогнозирован процесс осаждения покрытий.
3.1. Измерение остаточных напряжений
Для исследования остаточных напряжений, возникающих при формировании газотермических покрытий, используются три основных метода. Наиболее точный из них предусматрива ет измерение расстояния в выбранной плоскости кристалличе ской решетки с использованием рентгеновского излучения.
Этот метод не зависит от непосредственного контроля деформации/напряжения между плоскостями решетки или от дельными атомами, но включает в себя определение изменений микроструктуры, которые появляются в результате образования напряжений. Эти методы могут быть разделены на методы уда
ления материала, при которых измеряются изменения во внутренней плоскости (обычно при помощи тензометра), в то время как все прилегающие части образца физически удаляются; и метод кривых, при котором контролируется кривизна поверхностей. В обоих случаях измерения являются непосредственными, однако обработка данных для получения распределения напряжения может быть довольно сложной. Метод контроля кривизны имеет ряд важных преимуществ, т.к. он является неразрушающим и может использоваться во время процесса осаждения покрытий.
3.2. Метод дифракции
Наиболее распространенным методом непосредственного измерения остаточных напряжений является контроль измене ний дифракции пиков отдельных рентгеновских лучей (ДРЛ) [4,7]. Преимуществами метода являются:
а) определение остаточных напряжений без разрушения деталей;
б) объективность метода, заключающаяся в отсутствии воздействия посторонних факторов в процессе измерения (кон такт измерителя с образцом, травление образца, вырезка и т.д.);
в) возможность повторных измерений; г) локальность метода;
д) применимость метода для деталей сложной конфигура ции, имеющих кривые поверхности;
е) возможность дифференцирования измеряемых напря жений на отдельные составляющие по направлению их дейст вия.
Основным недостатком метода является усреднение ре зультата при измерении для слоя «10 мкм, обусловленное про никающей способностью рентгеновской радиации, определяе мой в каждом случае длиной волны излучения (например,
ZCuKa - 1,539кХ) и поглощающей способностью исследуемого сплава.
Сущность метода состоит в следующем. С поверхности детали, в которой предполагается наличие остаточных напря жений, получают два «рентгеноснимка» при различных углах падения первичного луча по отношению к плоскости образца (т.е. при различных углах съемки а). При этом получаются рентгенограммы от двух одноименных кристаллографических систем плоскостей hkl в различных кристаллах, по-разному по