CC BY
100
УДК 621.317.5:39; 539.219.2
С. Д. Васильков, С. А. Тальнишних
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ РЕЗИСТИВНЫМ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ
Исследована связь механических и электрических характеристик с целью определения остаточных напряжений в металлах при различных видах механической обработки. Измерения проводились неразрушающим резистивным электроконтактным методом, а также разрушающим методом травления. Показана возможность определения остаточных напряжений в образцах при использовании различных технологий обработки их поверхности с помощью удельного электросопротивления.
Ключевые слова: остаточные напряжения, механическая обработка, качество поверхностного слоя, неразрушающий контроль.
Существует связь между значением удельной электрической проводимости и величиной механических напряжений [1] металла, воздействию которых он подвергается.
При отсутствии механических напряжений в металле значение периода кристаллической решетки соответствует номинальному значению удельной электрической проводимости Yo. Под действием механических напряжений До может происходить изменение геометрии кристаллической решетки металла. В зоне упругих деформаций такое изменение считается пропорциональным механическому напряжению, а изменения электропроводности ДY — также пропорциональными механическим напряжениям До:
Ау = КПАо, (1)
где Ко — экспериментально получаемый коэффициент пропорциональности, который характеризует свойства металла.
Таком образом, измеряя электрические свойства металла, можно определять механические напряжения в нем.
Для определения удельного сопротивления материала по глубине используется явление скин-эффекта [2], при котором глубина проникновения тока составляет
Т^Тмг, ( )
где п = 3,1415; f — частота тока; ц — магнитная проницаемость материала; y — его удельная электропроводность.
На глубине h значение плотности тока падает в е = 2,71 раз относительно значения на поверхности. Явление скин-эффекта позволяет послойно исследовать проводящее изделие путем подачи в него электрического тока различной частоты и измерения откликов сигнала, параметры которого связаны с изменением напряженно-деформированного состояния изделия.
Рассмотрим процессы, происходящие в поверхностном слое металла. Через участок плоского проводника протекает ток I от какого-либо внешнего устройства. Сопротивление R такого проводника при постоянном токе выражается формулой
R=р,
S
где р — удельное электрическое сопротивление материала проводника, l и S — соответственно длина проводника и площадь его сечения; S = bh, b — ширина проводника. Сопротивление проводника R = U/I, где U — падение напряжения на нем. Измерив U и I и определив значение R, при известных размерах l, b и h можно вычислить значение р.
Введем понятие эффективного удельного электрического сопротивления (ЭУС) изделия
Рэ =Р7 • (3)
Ь
Значение ЭУС зависит от частоты тока и материала изделия, его можно измерять при разных частотах Л (г= 1—9) так же, как и при постоянном токе:
Рэг =
ЦА 1г
(4)
Вычислив распределение рэ по глубине изделия, получим информацию как об изменении удельного сопротивления р поверхностного слоя изделия, зависящего от изменений механических напряжений а по его глубине, так и об изменении сечения проводника. Изменение значений рэ связано с изменением сечения проводника, а изменение Дрэ связано с механическими напряжениями. При этом значения Дрэ примерно на 1—2 порядка ниже, чем рэ.
Требуется получить калибровочную зависимость между ЭУС и механическими напряжениями материала исследуемого изделия на глубинах, соответствующих заданным частотам. Для этого можно применить разрушающий метод Давиденкова—Биргера [3], в соответствии с которым для образцов из материала исследуемого изделия строится распределение механических напряжений по глубинам (эпюра напряжений), соответствующим частотам электрических измерений. В результате получим калибровочный график между ЭУС и механическими напряжениями в материале изделия. При последующих исследованиях изделий из того же материала полученная зависимость используется для преобразования данных электрических измерений в эпюру механических напряжений.
На рис. 1 приведен типичный график зависимости рэ от частоты для образца из сплава ЭП-866. В соответствии с зависимостью (2) между частотой и глубиной проникновения тока в проводник эта же кривая является графиком распределения ЭУС по глубине. Полученные данные были использованы для построения зависимости изменений ЭУС Дрэ = рэ - рэо (рэо — номинальное значение ЭУС), приведенной на рис. 2, где также показаны аналогичные зависимости Дрэ для различных технологий обработки поверхности образцов из того же сплава (образец А: 1 — с полированной поверхностью; 2 — с нагартованной поверхностью; образец Б: 3 — с нагартованной поверхностью; 4 — с поверхностью после штамповки), а также кривая 5 — для нагруженной балки из этого сплава с напряжением а = 200 МПа.
рэ, мОм-мкм 600-
400-
200-
И, мкм Л кГц
Рис. 1
Измерения на балке с известной степенью ее нагружения показали масштаб значений остаточных напряжений в образцах, подвергнутых разным видам обработки поверхности. Вид кривых Дрэ для образцов обработки поверхностей (полировка, нагартовка и штамповка на двух гранях плоских образцов А и Б) хорошо соответствует принятым представлениям о
0
механических напряжениях, создаваемых при использовании этих технологий. При этом снижение значения Дрэ указывает на наличие напряжений растяжений (а+), а повышение — на наличие напряжений сжатия (а -).
рэ, мОм-мкм
-10
10
20
/ кГц к, мкм
Рис. 2
На рис. 3 приведен пример поэтапной работы устройства для определения механических напряжений в турбинной лопатке: а — кривая калибровочных коэффициентов К,а; б — вычисленная эпюра остаточных напряжений о(к), полученная вышеописанным способом, точки — результат разрушающего контроля. Сравниваемые результаты хорошо коррелируют друг с другом. Данные по предлагаемому способу получены примерно за 10 минут, а разрушающий метод требует около 4 часов работы [4].
а)
Ка, МПа/мОм-мкм
-2
б)
-1
а,, МПа 100
9,5 19,0 38,0 75,0 150,0 к, мкм
-100
-200
9,5 15,0 23,7 38,0 60,0 95,0 150,0 к, мкм
Рис. 3
Таким образом, показана возможность определения остаточных напряжений с помощью измерения ЭУС, что подтверждается проведенными экспериментами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Берестецкий В. Б., Лившиц Е. М., Питаевский Л. П. Квантовая электродинамика // Теоретическая физика. М.: Наука, 1989. Т. 4.
2. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М., 1976. С. 408—415.
3. Мрочек Ж. А., Макаревич С. С., Кожуро Л. М. и др. Остаточные напряжения: Учеб. пособие. Минск: УП „Технопринт", 2003.
0
0
0
4. Васильков Д. В., Васильков С. Д., Иванов С. Ю. Новые подходы к оценке остаточного ресурса изделий по напряженному состоянию неразрушающим методом АФЧХ-тестирования // Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2006. Вып. 5. С. 23—25.
Сергей Дмитриевич Васильков
Сергей Андреевич Тальнишних
Сведения об авторах Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; старший преподаватель; E-mail: vasilkovsd@mail.ru аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; E-mail: miculi@mail.ru
Рекомендована кафедрой технологии приборостроения
Поступила в редакцию 14.12.09 г.
