Дипломная работа: Релаксационная стойкость напряжений в металлах и сплавах

В дальнейшем будут рассматриваться условия идеальной релаксации, когда во время нагружения перед испытанием на релаксацию ползучести не наблюдается.

Уравнение чистой релаксации может быть получено из дифференциального уравнения

 (23)

Полагая, что  не зависит от времени [стационарная ползучесть =(σ)], и, проинтегрировав выражение при начальных условиях τ = 0, =, получим

 (24)

Примем вид зависимостей от напряжения в виде формул, предложенных Нортоном, Людвиком и Надаи, соответственно

 (25)

 (26)

 (27)

где А, В, С, l, k,  — константы.

Тогда из соотношения получим формулы для определения времени релаксации соответственно для уравнений:

 (28)

 (29)

 (30)

При больших значениях времени τ и достаточно высоких температурах, когда оставшееся напряжение (σ) намного меньше начального (), соотношения упрощаются:

 (31)

 (32)

 (33)

Формулы справедливы при . При l = 1 решение уравнения преобразуется в известное уравнение Максвелла:

 (34)

имеющее решение

 (35)

Согласно уравнению, кривая релаксации может быть представлена в виде прямой линии в двойных логарифмических координатах lg σ—lg τ. В соответствии с уравнениями при некоторых ограничениях относительно констант и С кривая релаксации может быть представлена в виде прямой линии в полулогарифмических координатах σ—lgτ. И, наконец, согласно уравнению, должна наблюдаться линейная зависимость в координатах lg σ—τ.

Однако отсутствие неустановившейся стадии ползучести наблюдается лишь в условиях кратковременной ползучести и только при весьма высоких температурах.

Выражения, описывающие релаксационные процессы, были уточнены рядом авторов. Формула была видоизменена Б.М. Ровинским и В.Г. Лютцау введением показателя степени р, названного показателем пластичности или показателем релаксационной податливости:

 (35’)

Сопоставление результатов испытаний с значениями σ (τ), полученными расчетом по формуле, показано, что р изменяется от 0 до 1 в зависимости от концентрации легирующих элементов сплава, величины остаточной деформации, температуры, твердости.

Другая попытка уточнить формулу, описывающую кривые релаксации, была сделана Баушисом. Представив формулу в виде

 (36)

и заменив АЕ предложенным выражением

 (37)

получили следующую эмпирическую зависимость:

 (38)

где а, b, с и l — константы.

Для нахождения уравнений релаксации в общем виде необходимо принять ту или иную гипотезу ползучести.

Из сказанного видны принципиальные отличия сопротивления релаксации и ползучести в условиях длительных сроков службы. Деформация ползучести, накопленная за срок службы материала, как правило, в основном определяется деформацией, накопленной на установившейся стадии, поскольку ползучесть на неустановившейся стадии сравнительно мала. Релаксационная же стойкость в значительной мере определяется скоростью ползучести на неустановившейся стадии.

Наиболее характерно это проявляется на титановых сплавах, у которых установившаяся скорость ползучести в диапазоне температур деформационного старения (300—350° С) близка к нулю.

В связи с изложенным при разработке релаксационностойких материалов и выборе режима их термической обработки большое внимание следует уделять повышению сопротивления ползучести не только на установившейся, но и на неустановившейся стадии.

2 Методы изучения релаксации напряжений

Процесс релаксации состоит из уменьшения упругих напряжений (деформаций) и накопления пластической деформации. Однако в отличие от пластического деформирования или ползучести пластическая деформация при релаксации незначительная и в объеме кристаллического тела она создается за счет весьма малых сдвигов (тонкое скольжение) по большому числу плоскостей скольжения, распределенных неравномерно, что затруд­няет их микроскопическое изучение. Поэтому при исследовании релаксации напряжений в основном базируются на определении изменений упругой деформации.

2.1 Релаксация при растяжении и сжатии

Известны различные методы изучения релаксации напряжений в условиях одноосного растяжения, которые отличаются, в частности, тем, является ли разгружение образца в процессе испытаний необходимым для периодического измерения остаточного напряжения или нет.

Еще в 1953 г. Б.М. Ровинским и В.Г. Лютцау [12] был разработан метод испытаний, при котором периодически измеряют поперечное сечение образца, начальная продольная деформация которого остается постоянной.

Поперечную деформацию в испытаниях при комнатной температуре измеряют с помощью специальных чувствительных датчиков, а при повышенных температурах — методом обратных рентгеносъемок поперечной упругой деформации решетки.

Испытания проводят следующим образом: ненапряженный образец вместе с устройством для нагружения перед испытанием устанавливают в рентгеновской камере для определения периода решетки. Затем образец нагружают, и блок с образцом устанавливают в камере, где периодически измеряют упругую деформацию решетки.

В работе был предложен другой рентгеновский метод изучения релаксации напряжений. После определения периода решетки в исходном ненапряженном состоянии образец быстро растягивают до заданной вели­чины пластической деформации, разгружают, а затем в нем периодически определяют период решетки прецизионной рентгеновской съемкой. Этот метод основан на том, что в деформированном металлическом образце при разгрузке возникают остаточная деформация решетки обратного знака и сжимающие ориентированные микронапряжения, которые релаксируют подобно напряжениям первого рода.

Для исследования релаксации напряжений при растяжении проводят испытания шпилек и болтов в обоймах и образцов на специальных релаксационных машинах.

Методики испытания в обоймах различной конструкции различаются степенью равномерности нагрева обоймы и образца, точностью измерения остаточных деформаций, точностью поддержания постоянной длины образца вовремя испытания, производительностью, используемыми приспособлениями для создания начального натяжения. Неравномерность нагрева обоймы и болта может вызывать местные перенапряжения болта. Недостаточное различие сечений обоймы и образца приводит к снижению жесткости напряженного состояния.

Кроме того, почти для всех методов испытаний в обоймах характерно нагружение при комнатной температуре и развитие процессов релаксации на первом этапе при переменной (повышающейся) температуре.

Одну из первых конструкций приспособлений для испытаний шпилек и болтов на релаксацию предложил Мохель. При каждом последующем нагружении напряжение в испытуемой шпильке доводили до первоначальной величины. Таким образом, условия испытания в этих опытах отличались от условий чистой релаксации. Методика Т.И. Волковой свободна от этого недостатка и позволяет проводить измерение оставшихся напряжений с точностью до ~ 46 МН/м2 (0,4 кг/мм2). Измерение длины образца производят обычно на универсальном микроскопе. Для растяжения образца до заданной величины деформации используют специальное приспособление (ИР-4Р), представляющее собой комбинацию двух гаечных ключей, соединенных винтом, на котором находится рычаг с рукояткой. Полный оборот рукоятки создает натяжение 40 МН/м2 (4 кг/мм2). Нагревательное устройство (ИР-3) рассчитано для работы в интервале 400—700° С. Однако при использовании это­го метода возможны перенапряжения образца за счет неравномерного нагрева образца и обоймы.

Более производительный метод испытаний моделей болтовых соединений описан Б. М. Рахманом, предложившим конструкцию многоместной оправки. В этом случае образцы прогреваются несколько быстрее обоймы, в связи, с чем исключается возможность их перена­пряжений.

Для изучения чистой релаксации напряжений на испытательной машине необходимо задавать и поддержи­вать заданную полную деформацию образца, фиксировать напряжение или изменение напряжений в образце, поддерживать с определенной точностью заданную температуру образца.

Поддержание полной деформации образца постоянной представляет значительные трудности в связи с податливостью системы и трудностями создания соответствующей системы разгрузки. Практически же условия чистой релаксации при испытаниях на машинах не реализуются. Для обеспечения указанных требований машины имеют нагружающее устройство, систему для поддержания деформации, систему для измерения напряжений и термостат (нагревательное устройство).

Основные параметры машин следующие:

1) диапазон изменения напряжений и деформаций;

2) диапазон температуры и точность ее поддержания;

3) точность измерений и поддержания нагрузки;

4) скорость нагружения и разгружения;

5) плавность изменения нагрузки;

6) надежность при длительной работе.

Известны различные виды нагружения: с помощью пружины, подвижного груза, груза, величина которого изменяется в процессе испытания (шары, вода), гидравлического пресса и др. Каждый из указанных видов обладает специфическими достоинствами и недостатками.

Так, например, машины с грузом, перемещающимся по одному рычагу, не позволяют проводить испытания при больших начальных пластических деформациях образца, закрепленного с одной стороны. Машины с нагрузкой, уменьшающейся во время испытания, могут производить лишь разгружение образца. Нагружение пружиной требует серьезного внимания к стабильности упругих свойств самой пружины.

Помимо нагружающей системы, релаксационные машины различаются системами, обеспечивающими поддержание заданной деформации образца. Эти системы, как правило, состоят из устройства, воспринимающего и увеличивающего деформацию образца (увеличитель деформации); устройства, вырабатывающего электрические импульсы при отклонении размеров образца, и, наконец, релейной системы, управляющей электродвигателем нагружающей системы.

Шевенар предложил рассматривать установку для измерения релаксации напряжений как замкнутую автоколебательную систему с обратной связью. В связи с этим требования, предъявляемые к релаксационным машинам, направлены на уменьшение амплитуды автоко­лебаний, что достигается увеличением жесткости частей увеличителя деформаций, повышением чувствительности системы датчика импульсов, увеличением жесткости нагружающей системы, уменьшением инерции движущихся частей машины и уменьшением трения в сочленениях нагружающей системы. На амплитуду автоколебаний влияют и такие параметры машины, как скорость нагружения и разгружения, время установления заданной скорости нагружения или разгружения после приема нагружающей системой импульса переключения.

Кинематическая схема модернизированной машины УИМ-5 представлена на рисунке 4.

Изменение длины образца О вызывает замыкание управляющих контактов контактного устройства К, связанного с экстензометром, и включение при помощи реле реверсивного электродвигателя М, который вращает червячное колесо 7. Вращение оси 6 червячного колеса передается на большой фрикционный ролик 5. На ось 4 ролика 5 намотан тросик 3, при помощи которого перемещается конец рычага 2. Конец малого плеча рычага 2 через тягу со встроенным динамометром Д соединен с концом нагружающего рычага 1. Таким образом, в зависимости от направления вращения электродвигателя конец нагружающего рычага перемещается вверх или вниз, соответственно уменьшая или увеличивая нагрузку на образец. Величина усилия регистрируется динамометром, соединенным с диаграммным механизмом, осуществляющим запись кривой релаксации напряжения.

Контактное устройство К, управляющее изменением нагрузки, имеет подвижный и два неподвижных контакта. Подвижный контакт, представляющий собой кусочек расплющенной серебряной проволоки, припаян к стрелке индикатора. Оба неподвижных контакта (небольшие серебряные пластинки) укреплены на плексигласовом стекле, заменяющем покрывающее стекло циферблата. Использование в качестве контактного устройства индикаторной головки с ценой деления 0,002 мм позволяет обеспечить постоянство замеряемой длины образца в пределах ±1 мкм при суммарном зазоре между контактами около 1 мм. Замыкание подвижного контакта с одним из неподвижных контактов вызывает вращение двигателя в ту или другую сторону.

Рисунок 4 – Кинематическая схема модернизированной машины УИМ-5

При модернизации нагружающего устройства были использованы двигатель и червячная передача, которые в машине УИМ-5 служат для вращения бункера. Асинхронный двигатель типа МШ мощностью 75 Вт снабжен переменным сопротивлением, позволяющим регулировать число оборотов. Возможность реверсирования достигается изменением схемы питания щеток двигателя. Для реверсирования нагрузки введено дополнительное реле, срабатывающее от замыкания второго неподвижного контакта. Передаточное число червячной передачи равно 100. Большой фрикционный ролик 5 представляет собой текстолитовый диск с насаженным стальным кольцом. Диаметр валика 4, на который наматывается тросик 3, равен 4,3 мм, диаметр гибкого тросика 1,5 — 2 мм. Для обеспечения фрикционного сцепления один из подшипников, в которых вращается вал 4, движется свободно в вертикальном направлении. При натяжении тросика 3 создается контактное давление между фрикционными роликами, пропорциональное натяжению.

Это давление минимум в 95 раз больше, чем окружное усилие во фрикционном сцеплении, что гарантирует отсутствие проскальзывания при любом натяжении тросика.

Для того чтобы тросик наматывался на валик 4 по одной окружности независимо от угла подъема рычага 2 (это требуется для исключения возможности аксиального скольжения тросика по валику 4), соединение тросика с рычагом сделано подвижным. К концу тросика прикреплена горизонтальная ось с сидящими на ней двумя подшипниками, на которые опирается рычаг 2. Для устранения бокового давления на подшипники при отклонении рычага от горизонтали опорная поверхность рычага выполнена в виде эвольвенты. Эвольвентная поверхность пересекает плоскость намотки тросика под прямым углом при любом положении рычага, поэтому направление усилия, действующего на подшипники со стороны рычага, совпадает с осью тросика. В связи с заметной кривизной эвольвентной поверхности подшипники с достаточной точностью «находят» нужное положение, обеспечивая правильность намотки тросика.

Соотношение плеч рычага 2 равно в среднем 1:5. Опора рычага укреплена на плите (из листа толщиной 10—15 мм), подведенной под станину машины и жестко связанной с ней посредством анкерных болтов. Второй конец рычага 2 при помощи серьги соединен с резьбовой головкой динамометра Д. Другая резьбовая головка соединяется с концом нагружающего рычага 1.

Устройство для автоматической записи нагрузки состоит из барабанного часового механизма с недельным заводом и диаграммного пера. Перо укреплено на тонкой нити, которая наматывается на плексигласовый шкив, укрепленный на оси индикатора динамометра. Таким образом, изменение нагрузки, вызывающее поворот стрелки индикатора, приводит и к вертикальному перемещению пера. Так как характеристика динамометра линейна, смещение пера строго пропорционально нагрузке. Вся система уравновешена так, что ось индикатора не испытывает изгибающих нагрузок. Барабан помещен над нагружающим рычагом 1 и укреплен на траверсе, соединенной с тягой динамометра. Такое крепление необходимо для того, чтобы изменение наклона нагружающего рычага 1 не сказывалось на положении барабана.

Динамометр и диаграммное устройство тарируются на машине при помощи образцового динамометра, укрепляемого вместо образца и захватах машины. По данным тарировки строят тарировочные графики, которые позволяют по показаниям динамометра и по диаграмме рассчитать нагрузку на образец в процессе испытания.

Для нормальной работы нагружающего устройства угол наклона рычага 2 должен находиться в пределах 0—55° от горизонтали; соответственно максимально допустимый ход тросика составляет ~150 мм. Этого хода недостаточно для обеспечения нужной степени разгрузки образца в процессе испытания. Кроме того, колебания температуры помещения вызывают деформацию станины и наружных частей захватов. Происходящее при этом изменение натяжения образца автоматически компенсируется соответствующим перемещением рычага. Эти обстоятельства могут вывести рычаг 2 из нормального положения и нарушить правильный ритм работы машины. Чтобы этого избежать, на рычаге установлено реле, при помощи которого подается сигнал (звонок), указывающий на приближение рычага к крайнему верхнему или нижнему положению. С включением звонка останавливается двигатель. Перевод рычага 2 в нормальное положение (угол подъема 35—45°) осуществляется плавным подтягиванием или ослаблением цепочки при помощи рукоятки редуктора нижнего захвата. Так как длина образца автоматически поддерживается постоянной, то при помощи двигателя соответственно опускается, или поднимается рычаг.

Обслуживание машины с указанным выше нагружающим устройством состоит в наблюдении за температурой образца, периодической регистрации показаний индикатора динамометра и в редких случаях в подтягивании или ослаблении цепочки с образцом. Начальное натяжение образцу задается следующим образом. Рычаг 2 переводится в крайнее верхнее положение. С индикатора К снимается неподвижный контакт, управляющий увеличением нагрузки. Поворотом шкалы индикатора стрелка совмещается с делением, соответствующим заданной деформации образца (неподвижный контакт, управляющий разгружением, установлен на индикаторе так, что при соприкосновении с ним подвижного контакта стрелка совмещается с нулевым делением). Затем с помощью редукторного механизма подтягивают цепочку. При этом стрелка индикатора К движется до соприкосновения контакта, укрепленного на ней, с неподвижным контактом. В этот момент достигается заданная деформация, и двигатель начинает работать, разгружая образец. Второй неподвижный контакт установлен на индикаторе так, чтобы суммарный зазор составил 1 мм. После этого нагружающее устройство работает автоматически.

Кинематическая схема релаксационной машины 5ИМ, также сконструированной Н.Д. Зайцевым, приведена на рисунке 5. Она характеризуется большой скоростью нагружения и разгружения, позволяющей изучать кратковременную релаксацию напряжений при высоких температурах. Испытание на машине производят следующим образом.

Нагрев образца 8 производится в электропечи 9. После достижения необходимой температуры груз 1 устанавливают на рычаге 2 на расстоянии, соответствующем заданному начальному напряжению; электрический контакт 3 рычажка тензометра занимает нейтральное положение в узком зазоре между неподвижными контактами 4 и 5. Нагружение осуществляется снятием рычага с арретира 6. Одновременно вращением микрометрического винта 7 поддерживается установленное положение контакта 3. В момент отрыва рычага от арретира включают питание двигателя и диаграммного механизма. Барабан диаграммного аппарата вращается от сельсина 15 коробки скоростей 18 (υ =500 мм/ч). В дальнейшем процесс релаксации и регистрация изменений остаточного напряжения во времени происходят автоматически.

При накоплении пластической деформации определенной величины положение экстензометра 19 изменяется, что приводит к замыканию контактов 3 и 5 и срабатыванию электромагнитного реле. Под действием ртутного контакта 14 реле замыкается, цепь электродвигателя 13 и груз перемещаются в сторону уменьшения нагрузки, в результате чего напряжение снижается, образец сокращается до первоначальной длины, контакт тензометра приходит в исходное положение и снова начинается процесс релаксации в образце, но уже при меньшем растягивающем усилии и т. д. Одновременно с перемещением груза при вращении электродвигателя вращается ротор сельсина, закрепленного на стрелке рычага. Сельсин рычага электрически соединен с сельсином перемещения пера 16 диаграммного механизма, вследствие чего на барабане 17 регистрируется изменение нагрузки в процессе испытания.

Нагружение образца в машинах типа Рел-5 производят с помощью двуплечего рычага. Грузовое плечо рычага связано с парой пружин, которые можно заменять в зависимости от требуемого диапазона нагрузок [2500—12500, 5000—2500, 10000—50000 Н (250—1250, 500—2500, 1000—5000 кг)].

Пружины через винт, червячную пару и ременную передачу связаны с двигателем, вращение винта приводит к натягиванию или ослаблению пружин и соответственно нагружению или разгрузке образца. Система нагружения сопряжена с самопишущим диаграммным прибором, записывающим изменение нагрузки во времени. Измерение и передачи деформации производят с помощью трех кварцевых стержней тензометра. Величину деформации определяют измерительным микроскопом с винтовым окулярным микрометром. Для автоматического управления нагрузкой, действующей на образец, измеряемая деформация превращается в электрический сигнал с помощью датчика фотоэлемента. Луч света, на­правленный проекционной лампой через объектив к фотоэлементу, диафрагмируется в фокусе объектива спе­циальной шторкой, прикрепленной к концу рычажной системы экстензометра. В условиях компенсации шторка диафрагмирует фотоэлемент примерно наполовину.

Рисунок 5 – Кинематическая схема машины 5ИМ для испытаний на релаксацию

Датчик фотоэлемента питается стабилизированным напряжением. Изменения тока фотоэлемента переносятся на ламповый мостик, который в свою очередь при разбалансировке передает соответствующий сигнал реле и блок контактам системы управления нагрузкой, действующей на образец.

Нагружение образца до заданной начальной деформации происходит с помощью измерительного микроскопа.

Для высокотемпературных испытаний на релаксацию в вакууме были приспособлены машины типа ПВ-152 и ПВ-3012 для испытаний на длительную прочность.

Указанные машины имеют вакуумную камеру для радиационного нагрева образцов вольфрамовыми стержневыми нагревателями до температуры 2000°С. Нагружающее устройство рычажное (передаточное отношение 1:60). Постоянная температура поддерживается стабилизацией напряжения с помощью специальных блоков регулирования, не допускающих колебаний температуры во время испытания не более ±2°С.

Машины снабжены устройством для автоматического перемещения верхнего захвата со скоростью 2 мм/мин во время нагрева и охлаждения образца без нарушения вакуумной плотности системы.

1— тяга нижняя; 2— упругий элемент; 3— тяга верхняя; 4— упор; 5— указатель положения подъемного винта; 6— захват нижний, 7— образец; 8— захват верхний; 5— шарнир специальный; 10— переходник; 11—электропечь; 12— тяга нижнего захвата; 13— винт подъемный; 14— сильфон; 15— редуктор; 16— рукоятка ручного перемещения винта; 17— диафрагма; 18— электродвигатель; 19—электронный потенциометр; 20— тензометрический мост

Рисунок 6 – Кинематическая схема машины ПВ-152М для испытаний на релаксацию

Видоизменение кинематической схемы машин ПВ-152М и ПВ-3012 для проведение испытаний на релаксацию состояло в демонтаже Системы нагружения, установке упругого элемента с тензодатчиками и жестком прикреплении цепочки с упругим элементом к станине.

Образец 1 (рисунок 6) закреплен в верхнем 2 и нижнем 3 захватах из молибденового сплава и может свободно расширяться при нагреве. Верхний захват через переходник 4 связан с опорным шарниром 5, а нижний — тягой 6 через упругий элемент 7 с корпусом машины. Тяга уплотнена с помощью резиновой диафрагмы. Нагружение образца производится автоматически путем подъема корпуса печи от электродвигателя 8 или вручную рукояткой 9 через редуктор 10.

Тензодатчики сопротивлением 100 Ом с базой 15 мм были изготовлены из константана и имели коэффициент тензочувствительности 2—2,2. Температурная компенсация (для исключения влияния колебаний температуры помещения) достигалась включением в симметричные плечи моста 11 константановых сопротивлений. Питание моста осуществлялось постоянным током 4—8 В от батарей. Рабочий ток составлял 15—90 МА в зависимости от диапазона тарировки.

Тарировку упругого элемента до 2000 Н (200 кг) производили методом непосредственного нагружения грузом определенной массы, при этом устанавливали зависимости показаний электронного потенциометра 12 (ЭПП-09) от величины нагрузки. Тарировку тензодатчика на 5000 и 10 000 Н (500 и 1000 кг) производили по образцовому динамометру, встроенному в цепочку нагружения. Цепочку с протарированным упругим элементом собирали таким образом, чтобы при откачке камеры не было подъема нижней тяги 13 под действием атмосферного давления; возникающее усилие воспринималось упругим элементом и электронный потенциометр фиксировал величину вакуумного груза.

Испытание на релаксацию осуществляется следующим образом. После достижения заданной температуры и установления силы тока заданной величины включаются электромеханический привод подъема печи 14 (ско­рость подъема 2 мм/мин) и привод диаграммы потенциометра ЭПП-09. По достижении нагрузки заданной величины привод подъема печи отключается и на диаграмме автоматически записывается кривая релаксации.

Для испытаний на релаксацию в условиях сжатия была предложена конструкция установки УМИР-10 мощностью 10 т.

Образец лежит на роликовых опорах и он может перемещаться по плоскостям соприкосновения с опорой. Чем больше напряжения в образце, тем больше сил необходимо для преодоления сил трения. Падение напря­жений во время испытания измеряется по изменению сил трения.

Машина для испытании чугуна на релаксацию в условиях сжатия, была создана на основе установки для испытаний на ползучесть. Образец, представляющий собой цилиндр диаметром 6,35 и высотой 25,4 мм, сжимается между двумя стержнями, торцы которых имеют шлифованную притертую поверхность. Нагрузка прилагается с помощью системы рычагов. Деформацию измеряют специальным экстензометром, увеличивающим в 5 раз перемещение с помощью системы рычагов. Поддержание деформации на заданном уровне достигается перемещением груза вдоль нагружающего рычага, осуществляемым с помощью сервомотора и винта.

Указанная система характеризуется следующими параметрами: скорость двигателя 1,5 об/мин, шаг винта 25 мм, перемещение конца рычага экстензометра на 0 0075 мм приводит к изменению напряжения в образце на 0,84 МН/м (0,084 кг/мм2). Начальное нагружение осуществляется отвинчиванием нажимного винта под концом рычага, на котором устанавливают на подвеске необходимые для создания заданного начального напряжения грузы. Одновременно с отвинчиванием винта ввинчивается микрометр до появления контакта с рычагом экстензометра. При этом срабатывает реле и начинается процесс испытания.

1 — опорная призма; 2— верхний толкатель; 3— стержень из кремнезема; 4 — участок верхнего толкателя из кремнезема; 5 и 8 — верхний и нижний вкладыши из жаропрочного сплава; 6 — термопарпые вводы; 7— образец; 9— участок верхнего толкателя из кремнезема; 10, 12— установочные детали; 13 — тележка; 14 — подвеска; 15 — груз; 16 — кольцо шарикоподшипника; 17 — верхний рычаг; 18 — втулка; 19 — втулка; 20 — экстензометр со скользящими полувтулками; 21 — головка микрометра; 22 —регулируемые направляющие; 23 — направляющая деталь; 24 — конец печи, 25 — направляющие стержни печи; 26— печь; 27— швеллер; 28 — опорная призма; 29 — нижний рычаг; 30 — шпиндель с прямоугольной резьбой; 31—электродвигатель; 32 — рельс; 33 — движущаяся пластина

Рисунок 7 – Схема машины для испытаний на релаксацию в условиях сжатия

2.2 Релаксация при изгибе и кручении

Наибольшее применение нашли два метода испытаний на релаксацию при изгибе: кольцевых образцов и плоских пружин. Метод И. А. Одинга, являющийся в наших лабораториях практически основным для получения характеристик сопротивления релаксации материалов, состоит в следующем: кольцевой образец, сконструированный в виде бруса равного сопротивления изгибу (рисунок 8), нагружают с помощью клина определенной толщины, вставленного в прорезь. Образец с клином помещают в нагревательное устройство (печь или жидкую ванну), где во времени происходят процессы релаксации первоначальных напряжений. Заданное начальное напряжение создается выбором толщины клина. Величину релаксированного напряжения определяют по изменению первоначальной ширины прорези. Напряжения определяют по формулам

 (39)

 (39’)

где А — константа, полученная из условия линейного распределения напряжений по среднему сечению образца (А = 0,000583 );

—модуль упругости при температуре испытания;

 — изменение ширины прорези за счет установки клина;

— изменение первоначальной ширины прорези за счет ползучести.

Рисунок 8 – Кольцо для испытаний на релаксацию по методу Одинга

Метод имеет следующее ограничение: если начальное напряжение  равно или превышает предел упругости (пропорциональности) материала при температуре испытания, то мгновенная пластическая деформация резко изменяет фактическое значение  [так, пластическая деформация 0,05% приводит к уменьшению  на 85 МН/м2 (8,5кг/мм2). В связи с этим испытания кольцевых образцов возможны при , равном . Но и при = в ряде случаев возможны ошибки в связи с пластической деформацией при комнатной температуре, это наблюдается при условии

 (40)

Это условие выполняется, например, для сталей ЭИ612 и ЭИ787 при 650—700° С.

1,3,4 — в ЦНИИТМАШ; 2—в ЦКТИ; 5 — в институте им. Баранова; 6 — в ВИАМ

Рисунок 9 - Изменение модуля упругости сталей ЭИ612 и ЭИ481 в зависимости от температуры, определенного динамическим (1—5) и статическим методами (6), полученные в разных лабораториях.

При испытаниях кольцевых образцов точность расчета падения напряжений, согласно формуле, зависит от достоверности определения значений модуля упругости. В настоящее время широко используются два метода определения модуля упругости: статический и динамический.

Время замера и диапазон используемых напряжений практически исключают возможность протекания про­цессов ползучести при динамическом () и статическом () методах определения модуля упругости. Однако разница между значениями  и достигает иногда 20%. Кроме того, определенные различия значений модуля упругости наблюдаются при его определении на образцах разных размеров, на металле разных плавок, с разным уковом и т. п.

На рисунке 9 в качестве примера приведены кривые зависимости модуля упругости сталей ЭИ481 и ЭИ612, полученные различными методами, в разных лабораториях.

Известны методы пересчета результатов испытаний кольцевых образцов на случай одноосного напряженного состояния. В.И. Розенблюм предложил решение задачи о перераспределении напряжений в изогнутом брусе, использовав гипотезу течения. И.А. Одинг и Г.Ф. Лепин провели соответствующие расчеты на основе предположения о превращении в процессе релаксации треугольной эпюры в трапецеидальную.

Оригинальный метод расчета изменений напряжений в кольцевом образце был предложен Е. А. Хейном, который рассматривает задачу релаксации напряжений в прямоугольном брусе при чистом изгибе. В этом случае все элементы объема находятся в линейном напряженном состоянии.

В любой момент времени τ распределение напряжений в образце σ(y) однозначно зависит от начального на­пряжения. При первом нагружении (у)=

Обозначив (y) — напряжение треугольной эпюры, равномоментной истинной эпюре напряжений, получим

 (41)

Продифференцировав обе части уравнения по у

 (42)

и проведя элементарные преобразования, получим

 (43)

Для первого нагружения  и

 (44)

Для расчетов n-ного нагружения по формуле необходимо знать величину начального напряжения , которую определяют последовательно из формулы

 (45)

выведенной из предположения трансформирования поперечного размера образца 2h:

 (46)

где  и  — начальное напряжение при п-м нагружении для образцов с начальными напряжениями при первом нагружении  и ; и — конечные напряжения при (п—1)-м нагружении для образцов с начальными напряжениями при первом нагружении  и .

На рисунке 10 приведены схема расчета начальных напряжений по уравнению для второго нагружения и графический метод расчета истинного напряжения. Проведенные расчеты показали, что кривые релаксации 1, рассчитанные по формулам 42-45 для первого нагружения близки к кривым 4, полученным по формуле. После повторных нагружений указанные кривые резко различаются: истинная кривая одноосной релаксации оказывается ниже найденной по формулам, рисунок 11. Кривые 2, рассчитанные по гипотезе трапеции, оказываются ниже истинных для первого и повторных нагружений. Кривые релаксации 3, подсчитанные по теории течения, оказались также близкими к истинной.

Значительно меньшее распространение получил другой способ испытания на релаксацию при изгибе, разработанный в ЦНИИТМАШе. Испытанию подвергают плоскую пластину, которой задается определенный прогиб. Принцип действия специального приспособления ИР-4Н, созданного для таких испытаний, следующий.

Рисунок 10 - Схема расчета начальных напряжений по уравнению для второго нагружения (а) и графический метод расчета истинного напряжения (б)

Кулачки приспособления, создающие необходимый прогиб пластины, выбирают в зависимости от величины заданного начального напряжения. Поворот кулачка на 90° обеспечивает создание прогиба двух одновременно испытываемых пружин. Кулачки после прогрева приспособления поворачивают с помощью специального ключа. Разгрузку образца производят тем же ключом.

А, Б —=2ОО и 300 МН/м2 (20 и 30 кг/мм) соответственно: I, II, III — первое, второе и третье погружение соответственно

Рисунок 11 - Кривые релаксации напряжений, рассчитанные по данным испытаний кольцевых образцов.

Напряжения рассчитывают по формулам:

 (47)

 (48)

 (49)

где — начальный упругий прогиб;

())— остаточный прогиб;

l — длина пластины;

h — толщина;

μ— коэффициент Пуассона.

Для измерения ()используют специальный электромикрометр.

Недостатком метода является трудность в изготовлении пластин, особенно в случае немагнитного материала.

Ограниченное применение получили также методы испытания на изгиб образцов в виде металлической ленты, предложенные применительно к пружинным лентам. Сущность метода состоит в следующем.

Пружинную ленту вводят в стальные кольца, внутренний диаметр которых выбирают в соответствии с начальным напряжением. Размеры колец должны обеспечивать получение только упругой деформации. «Заряженные» кольца выдерживают при температуре испытания в течение времени, необходимого для построения кривой релаксации. Метод нагрева колец с лентой, так же как и метод нагрева кольцевых образцов Одинга, выбирают в зависимости от тех требований, которые ставит перед собой исследователь в отношении тщательности изучения первого участка релаксации. В случае необходимости определения остаточного напряжения через несколько минут после нагружения применяют нагрев в расплаве солей, состав которых выбирают применительно к температуре испытания. Для углеродистых сталей и сталей с ограниченным количеством никеля возможен более интенсивный нагрев — в расплаве чистого свинца или его эвтектик. Испытания при температурах, не вызывающих интенсивного развития процессов ползучести, проводят с нагревом в печи. Остаточное напряжение определяют по замерам радиуса кривизны ленты, извлеченной из кольца, с помощью формулы

 (50)

где h — толщина ленты;

— радиус кольца;

—радиус кривизны ленты, деформированный при релаксации.

Расчеты по формуле, так же как и по формуле для кольцевых образцов Одинга, предполагают треугольную эпюру распределения напряжений по сечению.

Для исследования релаксации напряжений в процессе быстрого нагрева металла (до 2000 град\сек) была разработана методика, позволяющая испытывать в условиях изгиба плоские пластины, нагреваемые пропусканием тока.

При этих испытаниях уменьшаются "напряжения в процессе нагрева за счет релаксации напряжений при переменной температуре и уменьшения модуля упругости при увеличении температуры:

 (51)

где

 (52)

причем  — начальное упругое напряжение при 20° С;  — пластическая деформация при температуре Т, слагающаяся из деформации ползучести  и мгновенной пластической деформации .

Изучение релаксации напряжений при кручении проводят на образцах различного типа. Так, например, для испытания на релаксацию напряжений в стальной проволоке сконструирована установка, представленная схе­матически на рисунке 12. Начальное напряжение в образце на этой установке задается поворотом груза 6, связанного с одним из захватов. Величина остаточного напряжения регистрируется автоматически с помощью механизма 18, а также может контролироваться с помощью стрелки 10. Угол закручивания образца поддерживается постоянным с помощью следящей системы, которая отводит замыкающий контакт 13 системы, укрепленной на захвате без груза. Установка снабжена печью, позволяющей проводить испытания образцов при температуре до 600° С.

1, 2 —захваты; 3, 4 — опоры; 5 — образец; б — груз; 7 — рычаг с переменным плечом; 8, 9 и 17—электродвигатели; 10 — стрелка; 11 — шкала; 12 и 13 — замыкаемый контакт системы; 14 —электромагнитный фиксатор, 15 — емкостный датчик; 16 — конденсатор; 18 — механизм записи диаграмм; 19— ограничитель нагрузки; 20 — нагревательная печь;

I — релейное устройство нагрузки; II —III—высокочастотные генераторы; IV — смеситель; V — детектор; VI — выходное релейное устройство

Рисунок 12 - Схема установки для измерения релаксации напряжений в проволоке при кручении.

2.3 Релаксация в винтовых пружинах

Испытания на релаксацию натурных винтовых пружин обычно являются технологическими испытаниями, которые проводят для определения стабильности пружин во времени. Такая методика предусматривает испытание цилиндрической пружины, надетой на оправку и сжатой на определенную величину. Начальное напряжение рассчитывают по формуле:

 (53)

где D — диаметр пружины;

d — диаметр проволоки;

G0 и ; — модули сдвига при 20° С и температуре испытания t соответственно;

Страницы: 1, 2, 3