рентгеновский способ прямого измерения упругих макронапряжений в поверхностном слое поликристаллических материалов и измерительный образец для его реализации
Классы МПК: | G01N23/20 с помощью дифракции, например для исследования структуры кристаллов; с помощью отраженного излучения |
Патентообладатель(и): | Кочаров Эдуард Авакович (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-06-14 публикация патента:
20.03.2009 |
Использование: для измерения упругих макронапряжений в поверхностном слое поликристаллических материалов. Сущность: заключается в том, что осуществляют облучение рентгеновскими лучами с выбранными параметрами поверхности объекта контроля с фиксацией дифракционной картины лучей на экране компьютера, затем рентгеновскими лучами с теми же параметрами облучают измерительный образец с известными равнопеременными упругими напряжениями по его длине, дифракционную картину от которого накладывают на дифракционную картину от объекта контроля, и перемещают измерительный образец под рентгеновскими лучами до тех пор, пока дифракционные картины полностью не совпадут, после чего на торце измерительного образца у положения пятна рентгеновского луча считывают величину макронапряжений. Технический результат: повышение точности и скорости измерения упругих макронапряжений непосредственно в стандартных единицах измерений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Формула изобретения
1. Рентгеновский способ прямого измерения упругих макронапряжений в поверхностном слое поликристаллических материалов, состоящий в облучении рентгеновскими лучами с выбранными параметрами поверхности объекта контроля с фиксацией дифракционной картины лучей на экране компьютера, отличающийся тем, что затем рентгеновским лучом с теми же параметрами облучают измерительный образец с известными равнопеременными упругими напряжениями по его длине, дифракционную картину от которого накладывают на дифракционную картину от объекта контроля и перемещают измерительный образец под рентгеновским лучом до тех пор, пока дифракционные картины полностью не совпадут, после чего на торце измерительного образца у положения пятна рентгеновского луча считывают величину макронапряжений.
2. Способ изготовления устройства для реализации рентгеновского способа прямого измерения упругих макронапряжений в поверхностном слое поликристаллических материалов, отличающийся тем, что устройство изготавливают в виде плоского измерительного образца прямоугольного сечения шириной «b» и толщиной «h», выполненного из материала и по технологии термической обработки, аналогичных материалу и термической обработки объекта контроля, который консольно закрепляют, а свободный конец нагружают поперечной изгибающей силой Р, достаточной для создания равномерно увеличивающихся к заделке упругих напряжений величиной до предела упругости материала объекта контроля, максимальную величину которых на поверхности образца рассчитывают по формуле где Li - расстояние от точки приложения силы Р до текущей i-й точки на измерительном образце, затем значения max наносят на торец измерительного образца, а значения напряжений на глубине « » проникновения рентгеновского луча в материале объекта контроля рассчитывают по формуле
Описание изобретения к патенту
Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля остаточных напряжений при производстве и эксплуатации силовых нагруженных элементов из поликристаллических материалов машин, мостов, высотных зданий и других нагруженных сооружений и преимущественно может быть использовано в процессе их сборки и эксплуатации с целью оценки работоспособности и остаточного ресурса объекта контроля (ОК).
Известно, что рентгенография материалов [1] позволяет выявлять как микронапряжения, связанные с деформированием и нарушением строения кристаллов [2], проявляющиеся в виде искажения дифракционной картины рентгеновских лучей (РЛ) [3], так и макронапряжения, сопровождаемые при упругих деформациях появлением полос скольжения, искажающих «дифракционную решетку» поликристалла. Если микронапряжения фиксируются по уширению дебаевских линий, то макронапряжения в простейшем случае сводятся к измерению смещений дебаевских линий.
Недостатками существующих рентгеновских методов измерения напряжений являются ниже следующее.
Рентгеновские дифрактометры [4] для измерения упругих макронапряжений реализуют различные программы измерений искажений дифракционной картины и обработки результатов измерений. О наличии напряжений судят по смещению максимума дифракционных линий (по смещению их центра тяжести). Используется зависимость от величины упругих деформаций квадрата синуса угла наклона первичного пучка РЛ, что позволяет по величине упругих деформаций рассчитывать напряжения (диагностический комплекс «РИКОР»). В портативном рентгеновском дефектоскопе ДРП-3 [5] также используется метод «синус квадрат ». Однако контроль угловых положений пиков к их истинному положению осуществляется по государственному образцу периода решетки, а оперативная проверка в процессе измерения остаточных напряжений осуществляется по стандартному образцу, «который не имеет остаточных напряжений». Оба образца точно реализовать весьма трудно и трудоемко.
Кроме того, наши исследования с применением в качестве арбитражного разрушающего метода Н.Н.Давиденкова [6], усовершенствованного Н.С.Меркуловой [7] и сертифицированного 14.12.2006 г., показали, что при измерениях остаточных напряжений существующими рентгеновскими методами на предельных глубинах их проникновения (по сталям - до 3-4 мкм, по сплавам титана - до 5-6 мкм, по сплавам алюминия - до 17-20 мкм) ошибки на мелкозернистых сплавах достигают 20-25 %, а на крупнозернистых - значительно больше. При этом время одного измерения на изделиях, находящихся в эксплуатации, и выдачи их в гостированных единицах (МПа) занимает порядка 15 мин.
Целью изобретения является упрощение изготовления образца, повышение точности и скорости измерения упругих макронапряжений прямо в стандартных единицах измерений (МПа).
Данная цель достигается тем, что дифракционную картину РЛ от ОК выносят и фиксируют на экране компьютера, затем на нее накладывают дифракционную картину, образованную РЛ с аналогичными параметрами от измерительного образца, изготовленного из материала ОК и аналогично ему термообработанному, а также равнопеременно нагруженному известными по величине напряжениями, указанными на нем, после чего образец перемещают под РЛ до тех пор, пока дифракционные картины (интенсивность дифрагированного в заданном направлении рентгеновского излучения, угол дифракции, смещение дифракционных линий, дебаевских линий) полностью не совпадут, после чего на образце под пятном РЛ на измерительном образце считывают в МПа величину напряжений в ОК.
При упругих деформациях поликристаллов, сопровождающихся появлением полос скольжения, «дифракционная решетка» поликристалла искажается, что не может не привести к искажению дифракционной картины РЛ. Таким образом, два идентичных поликристалла (ОК и измерительный образец) с разной степенью деформации, проводящих к различным упругим напряжениям, дадут различные дифракционные картины при их идентичном облучении РЛ. И наоборот, идентичные поликристаллы при одинаковом нагружении создадут одинаковую дифракционную картину.
На фигуре 1 представлено устройство для дозированного нагружения контрольного образца, где 1 - корпус нагружающего устройства; 2 - ось нагрузки; 3 - жесткая штанга крепления образца; 4 - измерительный образец; 5 - съемный переходник с окном для подхода к фиксирующей гайке 6; 7 - гайка крепления образца; L - плечо изгибающего момента от силы Р до места контроля (на фигуре Lmax - до места заделки образца).
Нагружение силой Р соосно с осью нагрузки 2 осуществляют динамометром, но точнее с использованием машины измерения характеристик пружин МИП-100, показанной на фигуре 2 [8], где 8 - приспособление для дозированного нагружения контрольного образца; 4 - измерительный образец еще в ненагруженном состоянии; 5 - съемный переходник с окном; 6 - фиксирующая гайка (еще не закручена до контакта с образцом); 9 - нижняя тарель машины МИП-100; 10 - верхняя тарель; 11 - крюк верхней тарели.
На фигуре 3 представлена машина МИП-100 с образцом 4 в нагруженном состоянии, где 6 - фиксирующая гайка закручена до контакта с образцом 4; 12 - циферблат, видно на нем, что сила Р=9,5 кгс.
Последовательность работы по предлагаемому способу. Из материала ОК изготавливают измерительный образец в виде плоской балочки с отверстиями по концам (малого - под ось нагрузки 2, большого - под штангу 3 (см. фиг.1)) прямоугольного сечения шириной «b» и толщиной «h» и термически обрабатывают аналогично обработке ОК. На обе поверхности обоих торцов балочки от центра малого отверстия наносят изображение линейки с выбранной ценой деления, определяющей точность измерения напряжений. Образец 4 одевают на ось 2 и штангу 3, на которой жестко крепят гайкой 7, фиксирующую гайку 6 подводят с зазором к образцу 4, сверху устанавливают переходник 5 соосно с осью нагрузки 2 и в таком собранном виде нагружающее устройство устанавливают на нижнюю тарель 9 (см. фиг.2) машины МИП-100. Подводят верхнюю тарель 10 к съемному переходнику 5 и прижимают конец образца 4 (см. фиг.3) до выбранного значения силы Р, величину которой контролируют по циферблату 12 (на фиг.3 Р=9,5 кгс). После чего гайку 6 подводят вплотную к образцу 4 (при этом стрелка на циферблате не должна изменить свое положение).
При необходимости создавать в поверхностном слое напряжения сжатия верхнюю тарель 10 разворачивают на 180° крюком 11 вниз (см. фиг.2), через малое отверстие на свободном конце контрольного образца 4 с помощью крюка 11 изгибают его вверх, а фиксирующую гайку 6 снизу подводят до касания к образцу.
После фиксации усилия Р машину МИП-100 разгружают, с измерительного образца 4 удаляют переходник 5 и в таком положении на торец измерительного образца с выбранным шагом наносят значения максимальных упругих напряжений на поверхности образца, рассчитанных по формуле где Li - расстояние от точки приложения силы Р (центр малого отверстия) до текущих рисок на линейке, где записывают значения max в МПа. Для удобства считывания значений max их дублируют на торце измерительного образца. При необходимости определения величины напряжения на глубине « » проникновения РЛ в материале ОК ее рассчитывают по формуле В таком виде измерительный образец готов для многократного измерения упругих напряжений в МПа на ОК, но только из аналогичных сплава и его термической обработки.
Процесс измерения напряжений состоит из облучения поверхности ОК РЛ с выбранными параметрами и фиксации дифракционной картины РЛ на экране компьютера, затем РЛ с теми же параметрами облучают измерительный образец, дифракционную картину от которого накладывают на дифракционную картину от ОК, и перемещают измерительный образец под РЛ до тех пор, пока дифракционные картины полностью не совпадут, после чего на измерительном образце у положения «пятна» РЛ на торце образца считывают величину напряжений.
Полезность способа заключается в увеличении скорости и точности измерения упругих макронапряжений, а также в упрощении и удешевлении изготовления измерительных образцов для прямого считывания значений упругих макронапряжений в стандартных единицах измерения (МПа).
Источники информации
1. Рентгенография материалов. // Физическая энциклопедия. / Гл. ред. A.M.Прохоров, 1994, Т.4, с.377-378.
2. Кривоглаз М.А. Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах. - Киев.: Наукова думка, 1983.
3. Дифракция рентгеновских лучей. // Физическая энциклопедия. / Гл. ред. A.M.Прохоров и др. - М.: БСЭ, Т.1, 1998, с.671-674.
4. Рентгеновский дифрактометр. // Физическая энциклопедия./Гл. ред. A.M.Прохоров и др. - М.: БСЭ, Т.4, 1994, с.364-365.
5. Портативный рентгеновский дифрактометр ДРП-3. // Контроль. Диагностика. - 2002 - №5, с.38-40.
6. Давиденков Н.Н. Измерение остаточных напряжений в трубах. / Журнал технической физики. Т.1, вып.1, 1931.
7. Меркулова Н.С., Иванова Т.О., Гринченко М.И. Совершенствование средств контроля поверхностных остаточных напряжений и их метрологическая аттестация. // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2006 - №3, с.35-42.
8. Испытания пружин. // В кн. Испытательная техника. Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В.Клюева. Кн. 1 - М.: Машиностроение, 1982, с.122-130.
Класс G01N23/20 с помощью дифракции, например для исследования структуры кристаллов; с помощью отраженного излучения