Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и задачи исследования 14
1.1 Формирование и распределение остаточных напряжений в восстановленных деталях 15
1.2 Влияние остаточных напряжений на надежность восстановленных деталей 21
1.3 Проблема диагностирования остаточных напряжений в восстановленных деталях 24
1.4 Методы определения остаточных напряжений 26
1.4.1 Механические методы измерения остаточных напряжений 31
1.4.2 Физические методы измерения остаточных напряжений 39
1.4.3 Способы регистрации данных при измерении остаточных напряжений 40
1.4.4 Современный уровень решения проблемы диагностирования остаточных напряжений 45
1.5 Проблемная ситуация, цель и задачи исследования 50
2 Аналитическое описание взаимосвязи остаточных напряжений с параметрами деформированного состояния поверхности детали вокруг отпечатка индентора 54
2.1 Постановка задачи и выбор метода исследования 54
2.2 Напряженно-деформированное состояние упругопластического контртела при вдавливании шарового индентора 59
2.2.1 Общие представления 59
2.2.2 Влияние остаточных напряжений на появление пластических деформаций 64
2.3 Анализ деформированного состояния контртела методом конечных элементов 67
2.3.1 Исходные данные 67
2.3.2 Конечно-элементная модель 71
2.3.3 Программа исследования, методика получения и обработки данных 74
2.4 Перемещения поверхности в наплыве вокруг отпечатка при диагно
стировании остаточных напряжений в однородной детали 77
2.4.1 Формирование наплыва вокруг отпечатка 77
2.4.2 Влияние усилия вдавливания индентора на геометрические характеристики наплыва 80
2.4.3 Влияние механических свойств материала детали на диаметр отпечатка 82
2.4.4 Влияние механических свойств материала детали на распределение нормальных перемещений в наплыве 85
2.4.5 Влияние диаметра индентора на геометрические характеристики наплыва 90
2.4.6 Влияние остаточных напряжений на распределение нормальных перемещений в наплыве 92
2.5 Перемещения поверхности в наплыве вокруг отпечатка при диагно стировании остаточных напряжений в детали с покрытием 95
2.5.1 Влияние толщины покрытия на распределение перемещений в наплыве 97
2.5.2 Влияние диаметра отпечатка на распределение перемещений в наплыве 109
2.5.3 Влияние остаточных напряжений на распределение переме щений в наплыве 112
2.6 Выводы 114
3 Применение когерентно-оптических методов регистрации при диагностировании остаточных напряжений в восстановленных деталях 117
3.1 Постановка задачи и выбор метода измерения 117
3.2 Применение голографической интерферометрии при диагностировании остаточных напряжений 119
3.2.1 Измерение нормальных перемещений методом голографической интерферометрии 120
3.2.2 Использование оптической фазовой компенсации при диагностировании остаточных напряжений 128
3.2.3 Общая характеристика голографической интерферометрии как метода регистрации при диагностировании остаточных напряжений 133
3.3 Применение электронной спекл-интерферометрии при диагности ровании остаточных напряжений 134
3.3.1 Принципиальные основы электронной спекл-нтерферо-метрии 134
3.3.2 Основы процесса записи цифровых интерферограмм 143
3.3.3 Основы процесса восстановления цифровых интерферограмм 145
3.3.4 Снижение шумов и основы фильтрации цифровых изображений 147
3.3.5 Общая характеристика электронной спекл-интерферометрии как метода регистрации при диагностировании остаточных напряжений 149
3.3.6 Методика регистрации распределения нормальных перемещений с использованием электронной спекл-интерферометрии 150
3.5 Выводы 152
4 Экспериментальное подтверждение адекватности математической модели взаимосвязи остаточных напряжений с параметрами деформированного состояния поверхности детали вокруг отпечатка индентора 154
4.1 Цель, задачи и программа исследований 154
4.2 Методика исследования, приборы и оборудование 156
4.3 Перемещения в наплыве вокруг отпечатка на поверхности однородной ненапряженной детали 159
4.3.1 Распределение нормальных перемещений в наплыве 159
4.3.2 Влияние усилия вдавливания индентора на диаметр отпечатка 160
4.3.3 Влияние предела текучести материала детали на диаметр отпечатка 162
4.3.4 Влияние усилия вдавливания индентора на максимальные перемещения в наплыве 166
4.3.5 Влияние механических свойств материала детали на максимальные перемещения в наплыве 169
4.3.6 Влияние диаметра индентора на максимальные перемещения в наплыве 173
4.4 Особенности распределения нормальных перемещений при вдавливании индентора в поверхность детали с покрытием 176
4.5 Влияние остаточных напряжений на перемещения в наплыве 181
4.6 Выводы 192
Метод и технические средства диагностирования остаточных напряжений в восстановленных деталях 195
5.1 Метод диагностирования остаточных напряжений в восстановлен ных деталях 195
5.1.1 Определение базовых перемещений 197
5.1.2 Частные случаи применения алгоритма определения базовых перемещений 206
5.1.3 Технология диагностирования остаточных напряжений в восстановленных деталях ; 208
5.1.4 Анализ чувствительности метода 216
5.1.5 Анализ погрешности метода 218
5.1.6 Оценка степени усреднения экспериментальных данных 223
5.1.7 Апробация метода на тестовых задачах 225
5.1.8 Пример определения остаточных напряжений в восстановленной детали 230
5.1.9 Испытания метода при сравнительных измерениях остаточных напряжений в сварных соединениях 233
5.1.10 Общая характеристика метода 234
5.2 Технические средства диагностирования остаточных напряжений
в восстановленных деталях на основе голографической интерферо
метрии 236
5.2.1 Технические требования к измерительному оборудованию 236
5.2.2 Прибор для измерения остаточных напряжений с использованием голографической интерферометрии 237
5.2.3 Работа измерительного прибора : 240
5.2.4 Апробация опытной конструкции измерительного прибора...240
5.2.5 Экспериментальная оптико-электронная установка для диагностирования остаточных напряжений 242
5.3 Выводы 248
6 Практические результаты и внедрение 250
6.1 Восстановление деталей электродуговой наплавкой 250
6.1.1 Остаточные напряжения в деталях, восстановленных электродуговой наплавкой в среде защитного газа 250
6.1.2 Влияние на остаточные напряжения ультразвуковой обработки наплавленной поверхности 252
6.1.3 Влияние на остаточные напряжения поверхностного пластического деформирования наплавленной поверхности 253
6.1.4 Анализ результатов 254
6.1.5 Восстановление рабочей поверхности плунжера гидропресса 257
6.2 Восстановление деталей электроконтактной приваркой присадочных материалов 261
6.2.1 Остаточные напряжения в деталях, восстановленных ЭКП металлической ленты 264
6.2.2 Влияние на остаточные напряжения поверхностного пластического деформирования приваренного покрытия 268
6.2.3 Остаточные напряжения в деталях, восстановленных ЭКП порошковых материалов 270
6.2.4 Остаточные напряжения в деталях, восстановленных ЭКП наплавочной проволоки 271
6.2.5 Анализ результатов 272
6.2.6 Восстановление шейки коленчатого вала двигателя ЗМЗ-53 .278
6.3 Восстановление деталей электроискровым наращиванием 279
6.4 Обоснование нормативных значений остаточных напряжений для обеспечения надежности деталей, восстановленных нанесением металлических покрытий 282
6.5 Контроль качества покрытий на основе использования упругоплас-тического вдавливания индентора 285
6.6 Технико-экономическая эффективность совершенствования технологии восстановления деталей на основе диагностирования остаточных напряжений 289
6.7 Выводы 293
Заключение и основные выводы 296
Список использованных источников
- Влияние остаточных напряжений на надежность восстановленных деталей
- Влияние остаточных напряжений на появление пластических деформаций
- Влияние диаметра индентора на геометрические характеристики наплыва
- Использование оптической фазовой компенсации при диагностировании остаточных напряжений
Введение к работе
Восстановление изношенных деталей является важным резервом повышения эффективности технического обслуживания сельскохозяйственной техники, машин и оборудования перерабатывающих отраслей АПК. При восстановлении изношенных деталей используется широкий спектр технологий, которые в большинстве своем не только обеспечивают требуемые размерные параметры, но и позволяют получить повышенные с точки зрения твердости, прочности, износостойкости свойства поверхностного слоя. Однако практика эксплуатации восстановленной техники показывает, что ее реальный ресурс зачастую оказывается существенно ниже ожидаемого. Причинами этого являются неудовлетворительное качество восстановления деталей, неоднородность структуры и механических свойств поверхностного слоя, появление неблагоприятных технологических остаточных напряжений.
Напряженное состояние поверхностного слоя является важным фактором, определяющим надежность восстановленной детали. В условиях эксплуатации подавляющее большинство деталей работает при знакопеременных нагрузках - в условиях усталостного нагружения, и растягивающие остаточные напряжения оказывают существенное негативное влияние на ресурс восстановленных деталей, вызывают снижение их усталостной прочности на 35...50%. Поэтому решение важной народнохозяйственной задачи технологического обеспечения качества и надежности восстановленных деталей связано с регламентированием комплекса показателей физико-механического характера, из которых наиболее актуальны в настоящее время остаточные напряжения [26, 130]. Их величины должны определяться с учетом конструктивных особенностей деталей, неоднородности механических свойств материалов, характера воздействия в процессе восстановления, режимов технологического процесса восстановления и иных факторов. Регулирование остаточных напряжений с созданием благоприятного их распределения в поверхностном слое является значительным резервом обеспечения требуемой надежности восстановленных деталей. В целом при диагностировании остаточных напряжений с целью обеспечения требуемого уровня надежности деталей необходимо решать задачи а) измерения остаточных напряжений; б) оценки степени их влияния на функциональные свойства детали; в) регулирования остаточных напряжений с целью создания благоприятного напряженного состояния. В первую очередь, необходимы данные о возникающих при восстановлении детали остаточных напряжениях с наиболее возможной точностью и подробностью - в виде распределения компонент тензора напряжений в целом по объему детали или в интересующей ее части. Для восстановленной детали в большинстве случаев требуется информация об остаточных напряжениях в поверхностном слое, состояние которого напрямую определяет ее надежность. Влияние остаточных напряжений на функциональные свойства деталей может быть как отрицательным, так и положительным, и зависит от многих факторов, основными из которых являются условия эксплуатации и особенности их распределения. Необходимость регулирования возникает, как правило, в случае образования неблагоприятных остаточных напряжений. При этом применение способов регулирования в свою очередь предполагает получение информации о возникающих при этом остаточных напряжениях.
В настоящее время диагностирование остаточных напряжений при совершенствовании технологий восстановления может быть выполнено в основном косвенным путем с использованием накопленных данных о закономерностях их формирования, распределения, влияния и возможностях их регулирования. Практика восстановления деталей показывает, что этот фактор обычно не учитывается при совершенствовании технологий. Главная причина этого - отсутствие пригодных методов и технических средств диагностирования.
Следовательно, одной из наиболее актуальных проблем обеспечения качества и надежности восстановленных деталей является диагностирование остаточных напряжений. В первую очередь это связано с разработкой методов и технических средств измерения, позволяющих оперативно получать требуемый объем информации. Решению этой проблемы посвящена настоящая диссертационная работа, в которой разработан метод диагностирования поверхностных остаточных напряжений в металлических покрытиях, нанесенных при восстановлении деталей.
Выполненные исследования связаны с реализацией задачи обеспечения требуемой надежности восстановленных деталей сельскохозяйственной техники на основе следующей за дефектоскопией более высокой ступени диагностики - диагностики напряженного состояния [73]. Разработанный метод предоставляет возможность осознанного и оперативного выбора технологии и корректировки технологических режимов восстановления деталей сельскохозяйственной техники нанесением металлических покрытий. Изложенное определяет актуальность выбранной темы диссертационного исследования, которая соответствует пп. 2а, 26 паспорта специальности 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве.
Цель работы: обеспечение требуемого уровня надежности восстановленных деталей путем совершенствования технологий восстановления на основе диагностирования поверхностных остаточных напряжений в деталях сельскохозяйственной техники и оборудования перерабатывающих отраслей АПК.
Центральная гипотеза: возможно оперативное неразрушающее диагностирование остаточных напряжений в восстановленных деталях на основе совместного использования упругопластического контактного взаимодействия индентора с поверхностью детали и когерентно-оптического способа регистрации деформированного состояния поверхности.
Научная гипотеза: существует количественно-качественная взаимосвязь параметров деформированного состояния поверхности вокруг отпечатка, возникающего в результате упругопластического вдавливания индентора в поверхность восстановленной детали, с остаточными напряжениями, условиями нагружения и геометрическими и механическими характеристиками индентора и поверхностного слоя детали.
Объект исследования: деформированное состояние поверхности диагностируемой детали в локальной области, возникающее в результате упруго пластического вдавливания индентора в поверхность и формирующееся под влиянием остаточных напряжений.
Предмет исследования: зависимости параметров локального формоизменения поверхности детали от поверхностных остаточных напряжений при упругопластическом вдавливании индентора.
Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:
- теоретически доказана возможность диагностирования поверхностных остаточных напряжений в восстановленных деталях и разработан новый метод, основанный на использовании упругопластического контактного взаимодействия индентора с поверхностью детали, новизна которого защищена авторским свидетельством (А.с. № 1717941);
- впервые установлено, что диагностическим признаком напряженного состояния поверхности детали при упругопластическом вдавливании индентора является распределение нормальных деформационных перемещений вокруг отпечатка (в наплыве). Показано, что остаточные напряжения вызывают изменение распределения нормальных перемещений в наплыве в сравнении с его профилем для ненапряженного материала;
- впервые установлены закономерности и разработана математическая модель формирования наплыва вокруг отпечатка при вдавливании в поверхность детали шарового индентора с учетом влияния комплекса факторов: степени силового воздействия, механических свойств основного материала детали, механических свойств материала и геометрических параметров поверхностного слоя, геометрических характеристик индентора, поверхностных остаточных напряжений. На основании модели получены расчетные зависимости для определения компонент тензора поверхностных остаточных напряжений по данным о нормальных перемещениях в наплыве;
- выявлены возможности, преимущества и разработаны варианты применения когерентно-оптических методов в качестве способа регистрации при диагностировании остаточных напряжений в деталях, восстановленных нанесением металлических покрытий. Разработаны способы и оптические системы регистрации и обработки интерференционных картин при диагностировании остаточных напряжений, новизна которых защищена авторскими свидетельствами (А.с. № 1276046, 1342179);
- доказано, что распределение нормальных деформационных перемещений поверхности детали в наплыве вокруг отпечатка несет в себе информацию о направлении главных осей, величинах и знаках компонент тензора главных остаточных напряжений. Предложены новые способы выделения полезной информации, обеспечивающие диагностирование остаточных напряжений с допустимой погрешностью (А.с. № 1543259, 1640538);
- впервые предложен подход к обоснованию нормативных значений структурного параметра (остаточных напряжений), при которых обеспечивается требуемый уровень надежности восстановленных деталей по характеристикам усталостной прочности;
- получены новые данные о закономерностях распределения поверхностных остаточных напряжений в деталях, восстановленных электродуговой на плавкой, электроконтактной приваркой присадочных материалов и электроискровым наращиванием.
Показано, что опасными являются краевые области восстановленного участка поверхности, где остаточные напряжения в 1,15...1,30 раза выше их уровня в центральной области. Подтверждено, что одним из эффективных способов регулирования остаточных напряжений является применение поверхностного пластического деформирования, приводящее к повышению предела выносливости восстановленных деталей на 10...40%.
Практическая значимость и реализация результатов исследования: Практическая ценность полученных результатов работы состоит:
- в обеспечении возможности экспресс диагностирования поверхностных остаточных напряжений в восстановленных деталях с целью совершенствования технологий и выбора рациональных режимов восстановления;
- в разработке метода диагностирования остаточных напряжений, который характеризуется высокой чувствительностью, точностью и информатив ностыо измерений, простотой регистрации и обработки информации, по степени воздействия квалифицируется как условно неразрушающий;
- разработке технических средств диагностирования остаточных напряжений на основе когерентно-оптических методов, предназначенных для применения в лабораторных условиях;
- разработке методического обеспечения диагностирования поверхностных остаточных напряжений в восстановленных деталях;
- практическом применении результатов диагностирования поверхностных остаточных напряжений для выбора рациональных технологических режимов восстановления деталей и регулирования остаточных напряжений, обеспечивающих снижение уровня растягивающих остаточных напряжений и повышение надежности деталей.
Научные и практические результаты диссертационной работы (методология, модели, технические, технологические и иные решения) использованы в опытно-конструкторских и технологических разработках:
- ООО «Композит» (г. Нижний Тагил) при совершенствовании технологии восстановления плунжеров гидропрессов электродуговой наплавкой;
- Башкирским государственным аграрным университетом при совершенствовании технологий восстановления широкой номенклатуры деталей сельскохозяйственной техники и перерабатывающих предприятий АПК электроконтактной приваркой присадочных материалов;
- Институтом механики и энергетики Мордовского государственного университета им. Н.П.Огарева при совершенствовании технологий восстановления автотракторных деталей электроискровым наращиванием;
- в/ч 20346 (г. Мурманск) для оценки нагруженности и остаточных напряжений в крупногабаритных конструкциях.
Метод и технические средства измерения остаточных напряжений применяются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах кафедры «Сопротивление материалов» ЧГАУ.
Практическая значимость основных результатов диссертации подтверждена соответствующими актами внедрения.
Влияние остаточных напряжений на надежность восстановленных деталей
В условиях эксплуатации остаточные напряжения могут оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на долговечность, несущую способность, коррозионную стойкость, усталостную прочность, жесткость, размерную стабильность и другие функциональные свойства деталей. Этим вопросам посвящено значительное число работ [25, 44-45, 85, 125, 132, 168, 180-182, 206-207, 220-221, 232]. Исходя из того, что каждое функциональное свойство детали описывается набором параметров, в подавляющем большинстве случаев растягивающие остаточные напряжения вызывают снижение этих параметров, т.е. их влияние отрицательно, а сжимающие напряжения часто повышают значения этих параметров, т.е. их влияние в ряде случаев оказывается положительным.
Предварительно из всего спектра влияния остаточных напряжений выделим те аспекты, которые являются существенными для деталей, восстановленных нанесением покрытий. Доминирующими факторами, определяющими надежность изнашиваемых деталей, являются износостойкость, коррозионная стойкость, усталостная прочность [39, 241].
Влияние остаточных напряжении па износостойкость. Степень и характер влияния остаточных напряжений на износостойкость зависит от условий контакта пары, который может быть упругим, упругопластическим или пластическим. Как показано в работах [14, 45], при упругом контакте сжимающие остаточные напряжения могут повышать износостойкость, а растягивающие - снижать ее. При упругопластическом и пластическом контакте износ не зависит от наличия остаточных напряжений. На необходимость учета остаточных напряжений при анализе износостойкости указывают и данные других исследований [203].
Влияние остаточных напряжении на коррозионную стойкость. Имеются данные [45], что растягивающие остаточные напряжения увеличивают интенсивность химической и электрохимической коррозии, но их влияние существенно меньше влияния шероховатости поверхности. Остаточные напряжения являются доминирующим фактором при коррозионном растрескивании [44, 146]. Степень их влияния зависит от марки материала поверхностного слоя, вида коррозионной среды и уровня нагруженности детали и определяется пороговым уровнем коррозионного растрескивания.
Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность. При циклическом нагруженин степень влияния остаточных напряжений зависит от коэффициента симметрии цикла, концентрации напряжений и уровня рабочих напряжений [39, 44, 45, 111, 137, 185, 271, 316]. В целом сжимающие остаточные напряжения способствуют повышению предела выносливости, а растягивающие - его снижению. Наибольшее отрицательное влияние растягивающих остаточных напряжений наблюдается в условиях многоцикловой усталости при симметричном цикле: они вызывают снижение предела выносливости на 35...50% по сравнению с ненапряженным эталоном [44]. Поскольку при этом виде нагружения не происходит макропластическое течение, остаточные напряжения действуют в течение всего срока эксплуатации детали. С увеличе ниєм асимметрии цикла влияние растягивающих остаточных напряжений снижается. Если долговечность оценивается по ограниченному пределу выносливости (при малоцикловой усталости), пластическое деформирование приводит к релаксации остаточных напряжений, что при высоких рабочих напряжениях может произойти уже на первых циклах нагружения. Влияние растягивающих остаточных напряжений усиливается при повышении предела текучести материала. Так, в [44] показано, что при наличии высоких растягивающих остаточных напряжений предел выносливости низколегированной стали снижается практически до предела выносливости менее прочной малоуглеродистой стали. Наконец, за счет влияния на коэффициент симметрии цикла остаточные сжимающие напряжения замедляют, а растягивающие - ускоряют рост усталостной трещины.
Для иллюстрации качественных закономерностей влияния остаточных напряжений на усталостную прочность восстановленных деталей приведем некоторые данные экспериментальных исследований (см. таблицу 1.1). В работе [46] представлены результаты для деталей восстановленных электроискровым способом. Показано, что при оптимальных технологических режимах наблюдается снижение сопротивления усталости на 10... 16%, а с увеличением мощности разряда в покрытии наблюдается рост растягивающих остаточных напряжений, что приводит к снижению сопротивления усталости на 54% по сравнению с эталоном. В целом же степень влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости при электроискровом легировании оценивается в пределах 12...40%, что требует введения в технологический процесс дополнительной упрочняющей обработки.
Влияние остаточных напряжений на появление пластических деформаций
Проведем анализ начала течения при упругопластическом вдавливании шарового индентора при наличии в контртеле плоского напряженного состояния, характеризующегося главными остаточными напряжениями Сті = а/ст, а"2 - а/". На главных площадках оси г и Э совпадают с осями л: и .у- Поскольку в объеме материала контртела в соответствии с задачей Герца пластические деформации начинаются на оси вдавливания z, а на поверхности - на контуре площадки контакта, проанализируем оба варианта [103].
Для контакта шарового индентора с ненапряженным контртелом главные напряжения на оси вдавливания индентора 3\ = а2 = оп cr3 = az, причем они сжимающие и определяются выражениями (2.2). В соответствии с критерием текучести Мизеса [246] интенсивность напряжений в этом случае ст он = у]а2г + (ЗІ + G2Z - сггсге - GrGz - GQGZ . (2.11) При наличии в контртеле остаточных напряжений их интенсивность _ост _ //_остч2 , /_ост\2 —остост / і \ ст« = ДСТ ) +( У ) _СТ ау (2.12)
Исходя из принципа суперпозиции напряжений, при упругом вдавливании индентора в тело с остаточными напряжениями 0/"V(o! ) + (ст/ ) + стЛ2су -oj ) + 09(2 -аЛ )-аДах н-а ) (2.13) или с учетом равенства напряжений зг и Сте / = V(D2 + СО5 - (az - i WT + О . (2.14) Следовательно, для точек, лежащих на оси вдавливания индентора, наблюдается а) увеличение интенсивности напряжений, обусловленное интенсивно стью остаточных напряжений а,ост, б) дополнительное изменение интенсивности напряжений, определяемое суммой главных остаточных напряжений с учетом их знака.
На контуре площадки контакта при z = 0 на главных осях в точках А и Б (рисунок 2.3) главные напряжения j\ = 07, аг = 0, аз = ае. Радиальные напряжения растягивающие, окружные сжимающие и определяются выражениями (2.3). ост ост Рисунок 2.3 - К анализу начала текучести на контуре площадки контакта Интенсивность напряжений в этих точках кон / 2 а,- =л/аг + а0 - jroQ (2.15) а при наличии остаточных напряжений a/=VvCT/ ) + ( i ) + 0,(20, Ъу ) + о(2 ах ) (2Л6) или с учетом того, что стг = -ао, of = (Г)2 + (02+Зог(аГ-ор, , — (2.17) «-Б //_кон\2 . /_ост\2 о_ /„.ост „остч Для точек контура контактной площадки наблюдается а) увеличение интенсивности напряжений, обусловленное интенсивно стью остаточных напряжений а,ост, б) дополнительное переменное по контуру изменение интенсивности, оп ределяемое разностью главных остаточных напряжений с учетом их знака. Таким образом,
1) в случае ненапряженного контртела первоначально пластические деформации возникают на оси вдавливания индентора на глубине z 0,5ас, где ас - радиус площадки контакта. При увеличении нагрузки пластические деформации выходят на поверхность одновременно в точках контура площадки контакта. Остаточные деформации после разгрузки будут иметь осесиммет-ричный характер. Распределение нормальных перемещений поверхности в наплыве будет иметь вид концентрических окружностей с центром, совпадающим с центром отпечатка;
2) остаточные напряжения к контртеле в общем случае приводят к нарушению осесимметричности напряженно-деформированного состояния. На поверхности контртела в точках на контуре площадки контакта пластические деформации возникают не одновременно;
3) на оси вдавливания индентора при любых соотношениях главных остаточных напряжений происходит увеличение интенсивности напряжений за счет интенсивности остаточных напряжений сг,ост. Кроме того, на фоне общего увеличения интенсивности напряжений ее дополнительное изменение (увеличение или уменьшение) обусловлено суммой главных остаточных напряжений с учетом их знаков;
Влияние диаметра индентора на геометрические характеристики наплыва
Остаточные напряжения в детали оказывают существенное влияние на распределение нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка индентора (рисунок 2.18). Сжимающие остаточные напряжения вызывают увеличение максимального перемещения Wmax в наплыве, причем с ростом сжимающих напряжений это перемещение возрастает. Расстояние от центра отпечатка до точки с максимальном перемещением rmax (радиус наплыва) при этом практически не изменяется. Растягивающие остаточные напряжения, наоборот, вызывают уменьшение максимального перемещения Wmax. С ростом растягивающих остаточных напряжений увеличивается радиус наплыва rmax, профиль нормальных перемещений приобретает более пологую форму, а при приближении остаточных напряжений к пределу текучести материала перемещения в наплыве становятся отрицательными, радиус rmax теряет физический смысл. Такое влияние остаточных напряжений на распределение перемещений качественно согласуется с представлениями, полученными выше при анализе зарождения пластических деформаций на контуре площадки контакта.
Следует отметить, что при изменении остаточных напряжений от -ат до +аг материала детали существенно изменяется глубина отпечатка, а диаметр отпечатка изменяется незначительно, в пределах 3...5% от его величины, полученной для ненапряженного материала.
В связи с существенным изменением профиля перемещений под влиянием остаточных напряжений целесообразно для сравнительных описаний распределений перемещений использовать область наплыва, где наблюдаются максимальные их изменения. Данные на рисунке 2.18 показывают, что наибольшие изменения происходят на расстоянии г от центра отпечатка, равном радиусу rmax, полученному при вдавливании индентора в ненапряженный материал детали. Обозначим перемещение, измеряемое на фиксированном расстоянии г = rmax = 1,2готп от центра отпечатка, WG в отличие от Wmax, полученного для ненапряженного материала. Естественно, что при отсутствии остаточных напряжений Wa = Wmax. При различных величинах остаточных напряжений зависимость перемещения Wa от диаметра отпечатка для одного материала детали показана на рисунке 2.19. Можно заключить, что на величину перемещения Wa оказывают влияние диаметр отпечатка, остаточные напряжения и, кроме того, свойства материала детали, проявляющиеся через параметры диаграммы вдавливания «Wmax - d». W-\0 , мм 0, Для количественного описания зависимости перемещения W0 от величины остаточных напряжений целесообразно использовать не абсолютное его значение или отношение W0/Wmax, а относительное изменение &WIWmi& = (Wa— Wmax)/Wmax, которое показывает связь между изменениями перемещений и остаточными напряжениями в независимом от свойств материала детали виде (рисунок 2.20). Уравнение, описывающее влияние остаточных напряжений на это относительное изменение перемещения имеет вид
Уравнение (2.45) показывает, что относительное изменение перемещения в наплыве в точках на фиксированном расстоянии г = 1,2готп от центра отпечатка зависит только от остаточных напряжений. Для данного материала оно учитывает все возможные варианты - изменение диаметра отпечатка (через величину перемещения Гтах), величину и знак остаточных напряжений. Кроме того, поскольку величина перемещения JVmax зависит от механических свойств материала (через параметры диаграммы вдавливания Wod и п\у), коэффициенты в уравнении (2.45) являются общими для рассматриваемого спектра материалов. Погрешность описания расчетных данных уравнением (2.45) не превышает по абсолютному значению 9,7%.
Для восстановленной детали, рассматриваемой в работе как биметаллическое кусочно-однородное тело, естественно ожидать качественных и количественных изменений в распределении нормальных перемещений в сравнении с однородной деталью. Эти изменения появляются вследствие влияния поверхностного слоя с механическими свойствами, отличающимися от свойств основного металла.
Поверхностный слой характеризуется геометрическим параметром 7 МП толщиной /7П и механическими свойствами - пределом текучести стт и модулем упрочнения 2sTMn. Для восстановленных деталей характерными являются толщина поверхностного слоя до 0,6 мм и более высокие, чем у основного металла, прочностные характеристики.
Таким образом, на настоящем этапе необходимо исследование геометрических параметров наплыва в задаче о контактном взаимодействии жесткого индентора со слоистым телом, у которого поверхностный слой полностью сцеплен с основой, а его толщина сравнима или меньше диаметра контактной площадки. Задача настоящего этапа исследования: основываясь на установленных закономерностях влияния остаточных напряжений на распределение нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка индентора для однородной детали, определить влияние на эти закономерности тонкого поверхностного слоя, отличающегося от основного металла по механическим свойствам, и описать это влияние с использованием поправочных функций.
Известны решения близких задач в рамках теории упругости. В общих чертах механизм взаимодействия поверхностного слоя с основой в упругой постановке можно рассматривать с использованием гипотезы Винклера [211]. В этой работе отмечено, что построение точного решения встречает большие математические трудности, исходящие из интегрального характера взаимосвязи деформаций и давлений в различных точках тела. Ряд решений о вдавливании жесткого цилиндра в упругий слой, лежащий на жестком основании, основанных на использовании упрощающих гипотез, представлен в [67]. Эти решения указывают на значительное влияние относительной толщины слоя (т.е. отношения толщины слоя к радиусу контактной площадки) на ширину зоны контакта, распределение контактного давления и контактную нагрузку.
Задача исследована численным методом с использованием модели, представленной на рисунке 2.4. Связь между диаметром отпечатка и усилием вдавливания (первая диаграмма вдавливания «d - F») контртела, состоящего из основного металла (ОМ) и тонкого поверхностного слоя металла с иными свойствами (металла покрытия — МП), описывается, как и для однородного металла, степенными зависимостями в виде (2.23). Связь между максимальным перемещением в наплыве и диаметром отпечатка (вторая диаграмма вдавливания «lVmvi — d») для этого же соединения описывается степенными зависимостями в виде (2.29). Значение параметра d0F диаграммы вдавливания «d — F» отличается от соответствующих значений для ОМ и МП, находится между ними; значение показателя степени п& как и для обоих металлов, равно 0,43. Значения параметра W " показателя степени « диаграммы «Wm3X - d» отличаются от таковых для ОМ и МП.
Использование оптической фазовой компенсации при диагностировании остаточных напряжений
Приведенный анализ и представленные разработки позволяют заключить о пригодности ГИ к применению в качестве способа регистрации при диагностировании остаточных напряжений в восстановленных деталях. Разработанные оптические интерферометры являются конкретными техническими решениями, позволяющими проводить измерения с учетом специфических особенностей решаемой в работе задачи. При такой реализации ГИ как метод измерения проявляет следующие свои положительные качества: - получение требуемого вида информации - нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка индентора; - получение требуемого объема информации - в виде двумерного распределения измеряемого диагностического параметра в рабочей зоне поверхности детали; - обеспечение проведения измерений в локальной области поверхности детали; - возможность выделения на этапе регистрации полезной части информации из общего ее объема при сохранении общей технологии последующей ее обработки; - высокая чувствительность измерений, позволяющая минимизировать воздействие на деталь при диагностировании остаточных напряжений; - простота обработки получаемой информации для получения значения диагностического параметра; - бес контактность измерений, позволяющая отделить измерительный блок от исследуемой детали и исключить влияние измерительной системы на получаемые данные.
При этом применение ГИ имеет определенные недостатки: - низкая помехоустойчивость, проявляющаяся в чувствительности к посторонним возмущениям и, соответственно, вызывающая повышенные требования по виброизоляции измерительной установки; - применение в качестве регистрирующей среды фотографического носителя, требующего обеспечения изоляции от постороннего светового излучения, влажной химической обработки, достаточно длительного экспонирования (порядка 20...40 сек) вследствие низкой светочувствительности; - проблемы с обеспечением компактности оптической схемы измери тельной системы при масштабировании изображения участка поверхности де тали на регистрирующую среду; - сложность автоматизации процессов записи, считывания и обработки данных; - высокие требования к квалификации персонала.
Перечисленные недостатки ГИ как метода измерения существенны в контексте производительности измерений и перспективы диагностирования остаточных напряжений в восстановленных деталях за пределами специализированной лаборатории. Решение указанных проблем возможно на основе применения родственного ГИ современного метода измерения - электронной спекл-интерферометрии.
Спекл-интерферометрия - это семейство методов измерения перемещений, основанных на использовании интерференции имеющего спекл-структуру поля с плоской опорной волной или с другим имеющим спекл-структуру полем [43]. Спекл-структура (англ. speckle — пятно) - это случайная интерференционная картина, представляющая собой пространственное распределение интенсивности рассеянного поверхностью объекта излучения от когерентного источника. Несмотря на свой случайный характер, спекл-структура образуется конкретной поверхностью и однозначно связана с этой поверхностью. Деформирование поверхности вызывает соответствующие изменения в спекл-структуре. Измерение нормальных перемещений в спекл-интерферометрии основано на интерференции спекл-структуры с опорной волной.
Электронная спекл-интерферометрия основана на регистрации полей перемещений с использованием телевизионной камеры и их последовательной обработке электронным способом как в аналоговой, так и в цифровой форме. От классических вариантов голографической и спекл-интерферометрии ЭСИ отличается носителем записи (фотографический в первом случае и оптоэлек-тронный во втором) и способом обработки данных (химическая обработка носителя, оптическое восстановление и визуальная или оптоэлектронная регистрация данных в первом случае и полностью электронная обработка во втором).
Впервые возможность электронной регистрации и обработки спекло-грамм была предложена в работах [277-278, 304]. С развитием компьютерной техники и периферийного оборудования для оцифровки и обработки изображений это направление получило интенсивное развитие. Цифровая обработка спекл-интерферограмм обеспечивает более комфортную обработку данных, возможность управления формированием интерференционных полос и использования автоматизированных технологий обработки интерференционных картин. В настоящее время цифровая запись является доминирующим способом регистрации в спекл-интерферометрии.
ЭСИ сохраняет лучшие характеристики классической спекл-интерферометрии, такие, как интерферометрическая чувствительность, высокая точность, бесконтактность измерений, регистрация полей перемещений, возможность изменения вектора и величины чувствительности в широких пределах, чувствительность как к линейным перемещениям, так и к их производным при локализации интерференционных полос на поверхности объекта. При этом ЭСИ имеет и преимущества в сравнении с классической спекл-интерферомет рией, истекающие из использования телевизионной камеры как средства регистрации: на несколько порядков меньшее время регистрации; пониженная по-мехочувствителыюсть измерительной системы; исключение потребности в голографических пластинах, фотопленке, их химической обработке. Электронная обработка данных спеклограммы - процесс, требующий существенно меньших временных затрат, и может выполняться в реальном времени. Существенно снижены требования по изоляции оптической системы от постороннего некогерентного освещения. Результат отображается на телевизионном мониторе, информация хранится в электронном формате. Компактность современных телевизионных камер позволяет разрабатывать высокомобильные измерительные системы для контроля реальных объектов в условиях их эксплуатации [81, 127].
Вместе с тем, применение телевизионных камер имеет и ряд недостатков и ограничений. Пространственное разрешение телевизионной камеры существенно ниже, чем голографической пластины, что может вызвать потерю детализации и снижение диапазона измерений вследствие ограничений по допускаемой плотности интерференционных полос. Из-за меньшей разрешающей способности телевизионной камеры по сравнению с голографической пластиной спекл должен быть достаточно крупным, следствием чего является высокий уровень спекл-шума. Декорреляция спеклов при смещении объекта приводит к исчезновению интерференционной картины, в то время как в классической спекл-интерферометрии наблюдается делокализация интерференционных полос.
