Способ определения напряженно-деформированного состояния в любом сечении образца

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к способам измерения деформации твердых тел, основанных на оптических методах измерения, и может быть использовано для определения пластических деформаций образца в машиностроении, автомобилестроении, авиастроении и других отраслях промышленности. Способ заключается в деформации геометрически подобных образцов, изготовленных из материала, имеющего однородные механические свойства и обладающего ярко выраженной волокнистой макроструктурой, с ортогонально расположенными слоями. После деформации негативы сфотографированных шлифов накладывают друг на друга и получают изображение сдеформированной сетки, по которой изучают картину деформаций. Технический результат заключается в снижении трудоемкости испытаний и повышении точности.

 

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к способам измерения деформации твердых тел, основанных на оптических методах измерения, и может быть использовано для определения пластических деформаций образца в машиностроении, автомобилестроении, авиастроении и других отраслях промышленности.

Известен способ определения напряженно-деформированного состояния при пластическом деформировании образца, основанный на применении делительных сеток [1], согласно которому для определения напряженно-деформированного состояния в сечении образца, его до деформирования разрезают по исследуемому сечению и наносят сетку. Затем разрезанные части образца скрепляют и подвергают деформированию. По искажению сетки определяют деформации, а по ним устанавливают напряженное состояние образца. Недостатком данного способа является необходимость разрезки образца и нанесения сетки до деформации.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения напряженно-деформированного состояния в любом сечении образца, представленный в авторском свидетельстве [2].

В данном способе подвергают идентичному деформированию два геометрически подобных образца, изготовленных из слоистых материалов, с ортогонально расположенными слоями. Затем образцы разрезают по исследуемому сечению, из них изготавливают макрошлифы и фотографируют. Негативы сфотографированных шлифов накладывают друг на друга и получают изображение деформированной сетки, по которой изучают картину деформации.

Известное техническое решение имеет следующие недостатки:

- высокая трудоемкость и техническая сложность изготовления заготовок образцов из слоистых материалов;

- низкая точность определения напряженно-деформированного состояния, обусловленная влиянием на результаты испытания неоднородности и анизотропии механических свойств слоистых материалов.

Заявленное техническое решение направлено на повышение точности испытания и снижение его трудоемкости. Это достигается тем, что в способе определения напряженно-деформированного состояния в любом сечении образца, согласно изобретению, образцы изготавливают из материала, обладающего ярко выраженной волокнистой макроструктурой.

Волокнистость (полосчатость) обусловлена начальной пластической деформацией, например волочением, прессованием, прокаткой и т.д. Волокнистая (строчечная) макроструктура является вполне стойким образованием. Дальнейшая обработка давлением и термическая обработка не устраняют волокнистого макростроения, полученного при начальной обработке. Ярко выраженной макроструктурой обладают прутки различных сталей, изготовленных волочением и прессованием. Волокна в этом случае представляют собой прямые параллельные оси прутка.

По сравнению с известным техническим решением при использовании для определения напряженно-деформированного состояния образцов, изготовленных из материала с ярко выраженной волокнистой макроструктурой, снижается трудоемкость проведения испытания, так как не требуется предварительное изготовление заготовок из слоистых материалов. Кроме того, повышается точность экспериментального изучения деформированного состояния, так как для испытания используют образцы, изготовленные из материала, имеющего однородные механические свойства.

Способ осуществляется следующим образом. Из материала, обладающего ярко выраженной волокнистой макроструктурой, волокна которого в недеформированном состоянии представляют собой параллельные прямые, изготавливают два геометрически подобных образца. Образцы отличаются друг от друга только направлением волокон, которые ортогональны друг другу, образуя естественную прямоугольную сетку.

Образцы подвергают идентичному деформированию, после которого они приобретают одинаковую форму и размеры. Затем образцы разрезают по меридиональному сечению (вдоль оси симметрии или по другому сечению, интересующему исследователя, обычно по главной плоскости деформации) и из них изготавливают макрошлифы, на которых травлением выявляют искаженные деформацией волокна. Негативы сфотографированных в одинаковом масштабе шлифов с выявленными волокнами накладывают друг на друга, и при совмещении получают изображение сдеформированной естественной сетки, по которой определяют деформированное состояние, а по нему устанавливают напряженное состояние образца.

Реализация предлагаемого способа позволит по сравнению с известным техническим решением упростить испытание и снизить его трудоемкость, повысить точность и достоверность определения характеристик напряженно-деформированного состояния. Предлагаемый способ может использоваться при изучении процессов пластической деформации как в холодном, так и в горячем состоянии.

Пример конкретной реализации способа

Деформированное состояние устанавливали при холодной осесиметричной осадке цилиндров. Испытаниям подвергли два цилиндрических образца диаметром 40 мм и высотой 60 мм, изготовленные из одного прутка стали 20Х. У одного из образцов волокна до деформирования были ориентированы вдоль направления осадки, а у другого - поперек. Нагружение каждого из образцов осуществляли на гидравлическом прессе 2ПГ-250 до степени осадки, равной 25%. Осаженные образцы разрезали по меридиональному сечению, полученную плоскость шлифовали и полировали. Глубоким травлением подготовленной таким образом поверхности выявляли искаженные деформацией волокна. Травление образцов производили в подогретом до 90°С реактиве, состоящем из смеси серной и азотной кислот с водой.

Выявленную строчечную структуру фотографировали в одинаковом масштабе. Негативы сфотографированных шлифов накладывали друг на друга и получали изображение сдеформированной делительной сетки, по которой устанавливали распределения радиальной, окружной и осевой деформаций вдоль осей симметрии цилиндра.

Для оценки точности предлагаемого способа эти же деформации были определены и по искажению прямоугольной делительной фотосетки с базой 2 мм, нанесенной до осадки на меридиональное сечение составного цилиндра диаметром 40 мм и высотой 60 мм, из стали 20Х, помещенного в обойму из той же стали и осаженного вдоль оси на 25%. Экспериментальные значения деформаций, установленные двумя способами, практически совпали, что позволяет сделать вывод о том, что точность определения деформаций по предлагаемому способу соответствует точности, достигаемой при использовании способа делительных сеток.

Предлагаемый способ позволяет определить напряженно-деформированное состояние в процессах плоского и осесиметричного пластического деформирования и может быть использован для изучения технологических операций обработки металлов давлением путем проведения испытаний в механических лабораториях промышленных предприятий и НИИ.

Источники информации

1. Фридман Я.Б., Зилова Т.К., Демина Н.И. Изучение неоднородности пластической деформации и разрушения методом накатанных сеток., М: Оборонгиз 1962. 188 с.

2. А.С. СССР 200254, Кл. G01L, 29.07.1967. БИ № 16.

Способ определения напряженно-деформированного состояния в любом сечении образца, заключающийся в том, что деформируют геометрически подобные образцы с ортогонально расположенными слоями, негативы сфотографированных шлифов накладывают друг на друга и получают изображение сдеформированной сетки, по которой изучают картину деформации, отличающийся тем, что образцы для испытания изготавливают из материала, имеющего однородные механические свойства и ярко выраженную волокнистую макроструктуру.