Способ определения поверхностных остаточных напряжений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения остаточных напряжений в восстановленных деталях методом электронной спекл-интерферометрии. Способ определения поверхностных остаточных напряжений осуществляют путем регистрации рассеянного исследуемой поверхностью детали светового поля, соответствующего начальному состоянию поверхности детали, с помощью оптической измерительной системы, источником излучения которой является лазер. При этом вдавливают в испытуемый материал детали конический индентор до образования отпечатка, регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующего ее состоянию после воздействия индентора; получают интерферограммы путем вычитания двух записанных световых полей, которая является распределением нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка; регистрации диаметра отпечатка. Далее вычисляют координаты контрольных точек на осях симметрии отпечатка; определяют порядковые номера проходящих через контрольные точки интерференционных полос и определяют максимальные вертикальные перемещения в наплыве вокруг отпечатка в контрольных точках по формуле:

где Ν - номер полосы, λ - длина волны лазера; и определяют остаточные напряжения с помощью всех полученных данных по формуле:

где оси x и y направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений; σ_т - предел текучести материала поверхностного слоя детали; ΔW - разность между измеренной при диагностировании остаточных напряжений величиной нормального перемещения W_σ в контрольной точке и базовым перемещением W_rm. Технический результат - снижение воздействия на исследуемую поверхность детали и уменьшение усилия вдавливания. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения остаточных напряжений в восстановленных деталях.

Из существующего уровня техники известен способ определения остаточных напряжений (RU 2310183, дата публикации заявки 27.06.2007). Способ включает вдавливание пирамидального индентора в поперечное сечение покрытия или слоя материала до получения отпечатка твердости при ориентации его диагоналей ортогонально направлению действия остаточных напряжений, регистрируют усилие вдавливания, измеряют после разгрузки геометрические параметры отпечатка, с учетом которых определяют остаточные напряжения.

Недостатками данного технического решения являются достаточно высокая степень воздействия на исследуемую деталь, а также сравнительно незначительное влияние остаточных напряжений на характеристики твердости.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ определения остаточных напряжений (Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Игнатьева А.Г. «Диагностирование поверхностных остаточных напряжений в металлических покрытиях, нанесенных при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники» 2008 г.), заключающийся в том, что регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующее начальному состоянию поверхности детали, с помощью оптической измерительной системы, источником излучения которой является лазер; вдавливают в испытуемый материал детали шаровой индентор до образования отпечатка; регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующее ее состоянию после воздействия индентора; получают интерферограмму путем вычитания двух записанных световых полей, которая является распределением нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка; регистрируют диаметр отпечатка; вычисляют координаты контрольных точек на осях симметрии отпечатка; определяют порядковые номера проходящих через контрольные точки интерференционных полос; определяют максимальные вертикальные перемещения в наплыве вокруг отпечатка в контрольных точках. Определяют изменение максимальных нормальных перемещений относительно максимальных перемещений в наплыве при испытании материала без остаточных напряжений по диаграмме вдавливания «W_max-d». Определяют величину условного перемещения и показатель степени. Определяют остаточные напряжения с помощью формулы:

где оси x и y направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений; σ_т - предел текучести материала поверхностного слоя детали; ΔW - разность между измеренной при диагностировании остаточных напряжений величиной нормального перемещения в контрольной точке и базовым перемещением (т.е. максимальным перемещением в наплыве при отсутствии остаточных напряжений).

Недостатками данного технического решения являются высокая степень воздействия на поверхность детали и значительная величина нагрузки на индентор в процессе вдавливания, что не позволяет сконструировать компактный и мобильный прибор для экспресс-измерений остаточных напряжений.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, являются снижение воздействия на исследуемую поверхность детали и уменьшение усилия вдавливания.

Данная задача решается за счет способа определения поверхностных остаточных напряжений, заключающегося в том, что регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующее начальному состоянию поверхности детали, с помощью оптической измерительной системы, источником излучения которой является лазер; вдавливают в испытуемый материал детали индентор до образования отпечатка; регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующее ее состоянию после воздействия индентора; получают интерферограмму путем вычитания двух записанных световых полей, которая является распределением нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка; регистрируют диаметр отпечатка; вычисляют координаты контрольных точек на осях симметрии отпечатка; определяют порядковые номера проходящих через контрольные точки интерференционных полос; определяют максимальные вертикальные перемещения в наплыве вокруг отпечатка в контрольных точках по формуле, включающей зависимость количества полос от длины волны лазера; определяют изменение максимальных нормальных перемещений относительно максимальных перемещений в наплыве при испытании материала без остаточных напряжений по диаграмме вдавливания и определяют остаточные напряжения с помощью формулы, включающей зависимость остаточных напряжений от предела текучести материала, нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка и изменения нормальных перемещений в наплыве относительно базовых, в отличие от прототипа испытания проводят с использованием конического индентора, величину максимальных нормальных перемещений W_max в контрольной точке для материала без остаточных напряжений определяют по диаграмме вдавливания:

где W_0d - условное максимальное перемещение (мм), возникающее при единичном диаметре отпечатка d₀ (d₀=1 мм), которое определяют по формуле:

и с помощью всех полученных данных определяют остаточные напряжения по формуле:

где оси x и y направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений; σ_т - предел текучести материала поверхностного слоя детали; W_max - величина нормального перемещения в контрольной точке для материала поверхностного слоя детали без остаточных напряжений (определяется по диаграмме вдавливания «W_max-d»); ΔW - разность между измеренной при диагностировании остаточных напряжений величиной нормального перемещения W_σ в контрольной точке и базовым перемещением W_rm.

Способ диагностирования остаточных напряжений с использованием конического индентора реализуется следующим образом.

Подготавливают деталь, размещают в оптической системе и предварительно настраивают оптическую систему с целью обеспечения резкости изображения в плоскости регистрирующей среды и равномерность освещения исследуемой области.

Записывают рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле от источника излучения (лазера), соответствующее ее исходному состоянию, и извлекают деталь из оптической системы.

Вдавливают конический индентор. Механическое воздействие на поверхность объекта осуществляется с использованием стандартных твердомеров типа ТШ и ТК. В качестве инденторов используют стандартный конический индентор Берковича из закаленной стали. Для вдавливания индентора с требуемым усилием используются тарированные грузы, входящие в комплект твердомеров. При использовании для вдавливания индентора стандартного твердомера типа ТШ цикл воздействия на деталь (фиг. 1) включает стадии возрастания нагрузки до максимальной, выдержки и снижения нагрузки, при этом реализуются условия статического нагружения детали. Усилие вдавливания индентора должно быть направлено строго по нормали к поверхности в точке контакта.

Затем возвращают деталь в оптическую систему и записывают рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующее ее состоянию после воздействия.

Обрабатывают полученную информацию с целью получения системы интерференционных полос, являющихся линиями равных нормальных перемещений. Обработка полученной информации содержит следующие этапы:

- совмещают изображения. На первом этапе используют процедуру послойного наложения кадров первой и второй экспозиции друг на друга. Кадры должны иметь одинаковые геометрические размеры и одинаковую цветовую дискретизацию. Образуется новый кадр, в котором два слоя наложены друг на друга по принципу «пиксел в пиксел»;

- вычитают изображения. На втором этапе используют процедуру получения разностной картины двух наложенных слоев. Происходит вычитание кодов цветов в совпадающих пикселах. Формируется цифровой аналог интерферограммы. На участках, где контраст спеклов между двумя записями не изменился (участки максимальной корреляции интенсивностей), разностный сигнал равен нулю, в изображении появляется темная полоса. Области, где контраст спеклов был обратным, проявятся в виде ярких полос. В силу того, что цветовой код, как показано выше, несет в себе информацию о перемещении точки поверхности, эти полосы интерпретируются как интерференционные полосы равных перемещений в направлении нормали к поверхности;

- обрабатывают изображения с целью снижения шума. На третьем этапе для повышения качества разностной картины и удобства ее последующей обработки при необходимости проводят мероприятия по снижению шума интерферограммы. Пример формирования интерферограммы нормальных перемещений (вторичной интерференционной картины) при вдавливании конического индентора в поверхность детали (фиг. 2). При обработке разностного изображения использованы медианная фильтрация и линейное контрастирование. Полосы вокруг изображения отпечатка являются линиями равных перемещений в направлении нормали к поверхности. Поскольку при этом используется вычитание абсолютных значений интенсивности, изображение является негативом, т.е. через точки, смещение которых в результате воздействия произошло на целое число длин волн излучения, проходит темная полоса. При расшифровке полученной интерференционной картины цена полосы равна половине длины волны источника излучения.

Расшифровывают распределение нормальных перемещений. Обработка записанной интерферограммы заключается в определении величин нормальных перемещений в заданных точках на заданных осях распределения полос. На интерферограмме нормальных перемещений фиксируют направление осей симметрии распределения перемещений, вычисляют координаты контрольных точек - они располагаются на осях симметрии на расстоянии от центра отпечатка, равном 1,33 его радиуса. Определяют порядковые номера проходящих через них полос с учетом знака перемещения. Рассчитывают средние значения номеров полос в контрольных точках, лежащих на каждой из осей симметрии по разные стороны от отпечатка, и по выражению (1) рассчитывают усредненные величины нормальных перемещений по формуле:

где N - номер полосы, λ - длина волны лазера.

Далее по формуле (4) определяют разностные перемещения ΔW(x) и ΔW(y). Для измеренного диаметра отпечатка d по диаграмме вдавливания (3) определяет величину перемещения W_max. Наконец, с использованием всех полученных данных по формулам (2) рассчитывают величины остаточных напряжений. Основные решающие уравнения способа определения остаточных напряжений с использованием конического индентора:

где оси x и y направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений; W_max - величина нормального перемещения в контрольной точке для материала поверхностного слоя детали без остаточных напряжений (определяется по диаграмме вдавливания «W_max-d») (3)

где W_0d - условное максимальное перемещение (мм), возникающее при единичном диаметре отпечатка d₀ (d₀=1 мм).

Разность ΔW между измеренной при диагностировании остаточных напряжений величиной нормального перемещения W_σ в контрольной точке и базовым перемещением W_rm определяется по формуле(4);

где W_rm - перемещение в контрольной точке при условии отсутствия остаточных напряжений.

Определению, в соответствии с формулой (3), подлежит величина условного перемещения W_0d, которая зависит от механических свойств материала контртела по формуле (5)

При диагностировании остаточных напряжений эти данные (3, 5) используются как описывающие базовые нормальные перемещения поверхности вокруг отпечатка, на фоне которого наблюдаются изменения, вызванные влиянием поверхностных остаточных напряжений.

Использование конического индентора позволяет существенно снизить степень воздействия на поверхность детали при диагностировании остаточных напряжений в сравнении с шаровым индентором (при одинаковых нормальных перемещениях в наплыве вокруг отпечатка диаметр в сравнении с отпечатком шарового индентора меньше на 35-45%); усилие вдавливания (при достижении достаточной чувствительности на уровне 0,1 предела текучести материала воздействие на индентор снижается в 2-3 раза). При этом объем получаемой информации такой же, как и при вдавливании шарового индентора: величины компонент остаточных напряжений в точке на поверхности детали, их знаки, направления главных осей. Преимущества, полученные в сравнении с прототипом, позволяют сконструировать портативное, мобильное устройство для экспресс-измерений.

Способ определения остаточных напряжений, заключающийся в том, что регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующее начальному состоянию поверхности детали, с помощью оптической измерительной системы, источником излучения которой является лазер; вдавливают в испытуемый материал детали индентор до образования отпечатка; регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующее ее состоянию после воздействия индентора; получают интерферограмму, вычитая два записанных световых поля, которая является распределением нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка; регистрируют диаметр отпечатка; вычисляют координаты контрольных точек на осях симметрии отпечатка; определяют порядковые номера проходящих через контрольные точки интерференционных полос; определяют максимальные вертикальные перемещения в наплыве вокруг отпечатка в контрольных точках по формуле, включающей зависимость количества полос от длины волны лазера; определяют изменение максимальных нормальных перемещений относительно базовых, то есть максимальных перемещений в наплыве при испытании материала без остаточных напряжений, по диаграмме вдавливания и определяют остаточные напряжения с помощью формулы, включающей зависимость остаточных напряжений от предела текучести материала, нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка и изменения нормальных перемещений в наплыве относительно базовых, отличающийся тем, что испытания проводят с использованием конического индентора, величину максимальных нормальных перемещений в контрольной точке для материала без остаточных напряжений определяют по диаграмме вдавливания:

где W_max - максимальные нормальные перемещения в контрольной точке, d- измеренный диаметр отпечатка, W_0d - условное максимальное перемещение (мм), возникающее при единичном диаметре отпечатка d₀ (d₀=1 мм), которое определяют по формуле:

где E_T - модуль упрочнения материала (МПа); и с помощью всех полученных данных определяют остаточные напряжения по формуле:

где оси х и у направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений; σ_Т - предел текучести материала поверхностного слоя детали; W_max - величина нормального перемещения в контрольной точке для материала поверхностного слоя детали без остаточных напряжений (определяется по диаграмме вдавливания «W_max - d»); ΔW - разность между измеренной при диагностировании остаточных напряжений величиной нормального перемещения W_σ в контрольной точке и базовым перемещением W_rm.