Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 10
1.1. Классические методы и средства измерения механических напряжений 10
1.2. Некоторые общие закономерности, лежащие в*'основе методов определения напряжений, основанных на магни-тоупругом эффекте II
1.3. Обзор существующих магнитоупругих методов определения напряжений. 14
1.4. Постановка задачи 25
2. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПШЖЕНИЙ, ОСНОВАННЫЙ
НА ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ, МАЛОМ ИЗМЕНЕНИИ ИХ УРОВНЯ 28
2.1. Анализ известного метода ...;..28
2.2. Новый метод, основанный на двухступенчатом изменении уровня напряженного состояния. 33
2.3. Устройство, реализующее метод двухступенчатого изменения напряжений 36
2.3.1. Канал измерения уровня магнитной анизотропии.. 38
2.3.2. Канал измерения уровня добавочных напряжений.. 40
2.4. Примеры практического использования метода 44
2.5. Перспективы дальнейшего развития магнитоупругих методов, основанных на дополнительном, малом изменении величины существующих напряжений 48
3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ОСНОВАННОГО НА ИЗМЕРЕНИИ ВЕЛИЧИНЫ МАГНИТОСТРИКЦИИ 56
3.1. Вводные замечания 56
3.2. Обзор методов и средств измерения магнитострикции. .. 58
3.3. Устройство измерителя магнитострикции 63
3.4. Анализ результатов предварительных измерений магнитострикции на образцах некоторых малоуглеродистых и низколегированных сталей 74
3.5. Упрощенная модель связи параметров магнитной и кристаллографической текстуры с величиной магнитострикции 80
3.6. Предпосылки совместного использования продольного и поперечного эффектов магнитострикции для контроля напряжений. 93
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ, ОСНОВАННОГО НА ИЗМЕРЕНИИ ВЕЛИЧИН ПРОДОЛЬНОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙ МАГНИТОСТРИКЦИИ 103
4.1. Цель исследования, требования, предъявляемые к аппаратуре 103
4.2. Описание экспериментальной установки 104
4.3. Исследование влияния магнитной "предыстории" образца
на ход кривых магнитострикции 117
4.4. Анализ результатов измерения продольной и поперечной магнитострикции при одноосном напряженном состоянии.. 123
4.5. Опыт использования магнитострикционного метода определения напряжений 136
4.6. О возможности контроля плоского напряженного состояния магнитострикционным способом 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 146
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 156
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 164
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 165
- Классические методы и средства измерения механических напряжений
- Анализ известного метода
- Обзор методов и средств измерения магнитострикции.
- Описание экспериментальной установки
Классические методы и средства измерения механических напряжений
В настоящее время при анализе работоспособности элементов конструкций и машин используются в основном данные расчета. В отдельных случаях для получения более достоверной информации о действующих в материалах напряжениях приходится прибегать к доэксп-луатационным испытаниям как реальных изделий, так и их моделей. Условия испытаний (возможность манипулировать нагрузкой) позволяют применять для определения напряжений методы тензометрии /2,3/. Недостатки такого способа оценки напряженного состояния очевидны: высокая трудоемкость; сложность учета всех факторов, которые действуют в условиях реальной эксплуатации; низкая точность, так как в материале даже при отсутствии внешних нагрузок могут присутствовать остаточные напряжения I рода.
В большинстве практических случаев для оценки напряжений в элементах эксплуатируемых изделий используют так называемые механические методы измерения напряжений: метод полной разрезки, метод столбика, метод кольца, метод отверстия, метод канавок, метод последовательного удаления слоев металла и т.д. /4-6/. Основной операцией всех перечисленных методов является местное освобождение материала поверхности изделия от действия нагрузки (путем разрезки). Возникающие при этом локальные деформации поверхности измеряют, например, с помощью тензорезисторов, и по их величине судят об уровне напряжений. Общими недостатками механических методов являются: частичное или полное нарушение целостности изделия; сложность и высокая трудоемкость операции определения напряжений; трудно учитываемое влияние на результат измерения на -// клепа поверхности при механическом внедрении в исследуемый металл.
В принципе неразрушающим является рентгенографический /7/ метод измерения напряжений (деформаций), поскольку он основан на измерении изменений межплоскостных расстояний кристаллографической решетки, однако этим методом можно измерять упругие деформации только в поверхностном слое материала толщиной не более нескольких сотых долей миллиметра. Точность определения компонент напряженного состояния рентгенографическим методом зависит от величины остаточных напряжений П и Ш рода, высокий уровень которых искажает результат измерения.
class2 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПШЖЕНИЙ, ОСНОВАННЫЙ
НА ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ, МАЛОМ ИЗМЕНЕНИИ ИХ УРОВНЯ class2
Анализ известного метода
Как было уже показано выше, при сравнении существующих магнитных методов измерения напряжений наилучшие шансы стать в известной степени универсальным, т.е. некритичным к вариациям начальных магнитных свойств сталей имеет метод тензодобавок, т.е. метод, основной операцией которого является местное дополнительное, строго контролируемое изменение напряженного состояния. В свое время было изготовлено несколько приборов, реализующих данный принцип. Приборы эти в течение некоторого времени находились в опытной эксплуатации в различных организациях.
Анализ опытной эксплуатации позволил заключить следующее:
1) необходимость изменять уровень напряженного состояния элемента, т.е. обеспечивать тензодобавку, следует считать существенным недостатком метода, так как во многих случаях сделать это чрезвычайно трудно;
2) требование обязательного наличия в пределах контролируемого изделия ненагруженного участка резко сужает область применения метода;
3) в тех случаях, когда метод может быть реализован, прибор позволяет проводить оперативную оценку уровня напряженного состояния в элементах стальных конструкций и деталях машин.
Рассмотрим подробнее последовательность операций при определении уровня напряжений ( б ) данным способом, выделив следующие:
- поиск ненагруженного участка элемента изделия, в котором предполагается провести измерение (факт "ненагруженности" при
-ДУ ЭТОМ устанавливается чисто умозрительно) ,
- измерение магнитоупругой чувствительности на ненагруженном участке Uo , т.е. определение величины производной выходного сигнала электромагнитного датчика Ух ( б) от напряжений при 6=0;
- проведение замера на участке элемента с неизвестным значением напряжений, т.е. определение LL ;
- определение величины б по градуировочному графику, полученному ранее на образце из стали той же марки, при этом максимальному значению градуировочного графика присваивается величина, полученная в результате проведения замера на ненагруженном участке, т.е. Uo .
Таким образом, процесс измерения строится на предположении, что градуировочный график, полученный на одном образце, можно использовать для определения б на другом образце (или элементе изделия) из стали той же марки, но с другим значением начальной магнитоупругой чувствительности ( Uo), путем изменения его масштаба по вертикальной оси на соответствующую величину.
Более тщательные измерения, проведенные на специально отобранной группе образцов из стали марки СтЗ с различными значениями начальной магнитоупругой чувствительности /45/, показали неправомерность такого предположения. Для иллюстрации этого удобнее воспользоваться аналитическим выражением для LL , которое в свою очередь получим, аппроксимируя зависимости, наблюдаемые экспериментально.
Выражение: I Такой участок можно найти далеко не всегда, кроме того даже в случае очевидного его наличия там могут иметь место остаточные напряжения I рода, которые будут искажать окончательный результат измерений.
Обзор методов и средств измерения магнитострикции.
В основе рассмотренного в предыдущей главе метода неразру-шапцего измерения напряжений лежит зависимость магнитной проницаемости, а точнее,магнитного сопротивления участка поверхности от величины напряжений В последнее время внимание исследователей, занимающихся не-разрушающими методами контроля, привлекает явление магнитострикции. В частности /52,53/, рассмотрена возможность использования магнитострикции для контроля структурных изменений при термической обработке сталей.
Зависимость линейной магнитострикции от напряжений впервые исследовалась Хонда и Шимицу /9/ еще в 1902 г. В настоящее время известно довольно много работ, посвященных экспериментальному исследованию зависимости магнитострикции от напряжений. Например, в /9,54,55/ эта зависимость исследовалась на чистых металлах и специальных сплавах, в /56,57/ эксперименты проводились с электротехническими сталями, а в /58,59/ - с магнитострикционными материалами. Известны также работы, где описаны аналогичные эксперименты с образцами конструкционных сталей /60,61/. В /60/ экспериментально исследовалась зависимость линейной магнитострикции от поля и упругих напряжений образца стали марки СтЗ. Результаты эксперимента представлены на рис.3.1.
Сведения о практическом использовании данного явления весьма скудны, нам известны лишь две работы /62,63/. В /62/ описан "Способ измерения упругих напряжений магнитострикционных тел". Способ осуществляется следующим образом: с помощью электромагнита, питаемого переменным или пульсирующим током, в ферромагнитном теле возбуждается упругая волна, которая, распространяясь, достигает приемника (пьезоэлемент), где механические колебания преобразуются в электрические. По величине этих колебаний судят об уровне напряжений в том месте, где расположен электромагнит. Приведены кривые зависимости амплитуды упругих волн (выраженных через относительное удлинение у- ) в точке приема от напряженности возбуждающего магнитного поля при разных уровнях растягивающих напряжений (рис.3.2). В описании изобретения отмечается, что метод "находит широкое применение, поскольку магнитострикционными материалами обычно являются широко распространенные типы сталей".
В /63/ описан "неразрушающий метод определения напряжений", который по сути дела является аналогом только что рассмотренного способа.
Во всех названных работах представлены результаты единичных экспериментов. Сведения о том, как будет меняться магнитострик-ция при производстве измерений на разных образцах, отсутствуют полностью. А без таких сведений нельзя оценить возможности метода даже ориентировочно.
Описание экспериментальной установки
Рассматриваемая установка функционально состоит из двух частей:
- устройство для создания напряжений - силовая часть;
- все электронные измерительные и регистрирующие устройства
- измерительная часть.
Требования, которые предъявлялись на этапе разработки установки к ее силовой части, следующие:
1. Возможность моделирования любого сочетания напряжений в образцах путем создания усилий в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью двух независимых систем нагружения.
2. Максимальное усилие, развиваемое каждой системой нагружения - 100 т.
3. Размеры образца определяются возможностями системы нагружения и заданы следующими: размеры сторон - 310x310 мм, толщина - 6-12 мм.
4. Образец должен быть изолирован в магнитном отношении от остальных ферромагнитных элементов установки.
5. Должна быть обеспечена устойчивость образца при сжимающих нагрузках.
Указанные требования были, в основном , реализованы в устройстве, внешний вид которого показан на рис.4.1. Рабочими элементами систем нагружения являются два домкрата типа ДГ-100, которые приводятся в действие ручными насосными станциями. Усилие, развиваемое домкратами, передается на образец с помощью систем тяг и захватов. Образец помещается в центральной части устройства. На рис.4.2 показан способ его фиксации при сжатии в горизонтальном и растяжении в вертикальном направлении, а на рис.4.3 -при двухосном растяжении.
Тензорезисторы наклеиваются в центре образца под углом 90 друг к другу так, чтобы один из них воспринимал магнитоетрикцион-ные деформации в горизонтальном направлении, а другой - в вертикальном направлении. Аналогичная розетка тензорезисторов наклеивается также в центре образца с другой стороны листа. Соединение тензорезисторов производится таким образом, чтобы в каждом направлении измерялось среднее значение деформаций, возникающих на противоположных сторонах листа, что дает возможность уменьшить примерно на порядок влияние на результат измерения магнитострик-ции деформаций, обусловленных механическим воздействием приставного электромагнита на образец. Ослабление этого воздействия достигается также с помощью прокладок из пористой резины, которые помещаются между основаниями полюсов электромагнита и образцом. Сердечник электромагнита выполнен из армко-жедеза и имеет П-об-разную конфигурацию. Размеры оснований полюсов 207x50 мм, расстояние между полюсами 107 мм. Уровень создаваемых напряжений измеряется с помощью тех же тензорезисторов, с помощью которых I По ряду технических причин режим всестороннего сжатия реализовать не удалось.
