Методы измерения и регулирования технологических остаточных напряжений тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МЕХАНИКИ

На правах рукописи

КОЗИНЦЕВ Виктор Михайлович

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

01.02.04. - механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1996

Работа выполнена в Институте проблем механики РАН

Научные руководители: доктор технических наук АНТОНОВ A.A.

доктор физико-математических наук

ЧЕРНЫШЕВ Г.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ведущая организация: С-Петербургский государственный

Защита состоится " 14 " ноября 1996 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.87.01 при Институте проблем механики РАН по адресу: 117526, г.Москва, просп.Вернадского, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института проблем механики РАН.

^Автореферат разослан "/Ч " октября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

профессор Кукуджанов В.Н.

доктор технических наук, профессор Иванов С.Д.

университет

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Диссертация посвящена развитию экспериментального метода определения остаточных напряжений на основе сочетания метода отверстия и голографической интерферометрии.

Актуальность темы. Для успешного применения в современной технике новых материалов, для научно обоснованной разработки и применения новых технологических процессов требуется углубленное исследование напряженно-деформированного состояния твердого тела на основе расчетных и экспериментальных методов. В диссертационной работе представлена разработка экспериментального метода определения остаточных напряжений и его практическое применение.

В настоящее время успешно применяются традиционные экспериментальные методы исследования напряженно-деформированного состояния, такие, как тензометрический, поляризационно-оптический, хрупких покрытий. Но существует потребность в разработке новых средств диагностики технологических остаточных напряжений, которые сочетали бы в себе высокую производительность и точность, простоту и наглядность оценки напряжений в широком классе исследуемых материалов и конструкций, мобильность и надежную работу в разнообразных условиях исследования. Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки такого метода и измерительной аппаратуры для оперативного контроля уровня и распределения остаточных напряжений с целью оптимизации технологических процессов, снижения материало- и энергоемкости и повышения надежности конструкций.

Цель работы состоит в разработке экспериментального метода определения остаточных напряжений в твердых телах, в определении основных направлений для проектирования диагностической аппаратуры, пригодной для работы в заводских и полевых условиях, в исследовании полей остаточных напряжений в реальных конструкциях.

Метод исследований состоит в создании возмущенного напряженно-деформированного состояния в твердом теле при помощи отверстия и последующем расчете остаточных напряжений по перемещениям поверхности объекта при данной разгрузке, измеренным в зоне отверстия. В основе расчетной методики лежит решение пространс-

твенной задачи теории упругости для полупространства с несквозным отверстием при наличии в нем единичного остаточного напряжения. Измерение перемещений основано на голографической интерферометрии, различные варианты которой позволяют с высокой точностью получать информацию о полях перемещений поверхностей произвольной формы. В связи с особенностями поведения перемещений в зоне отверстия - неоднородность, резкая локализация в малой области - проведение измерений голографическими методами потребовало решения ряда методических задач. Необходимо было:

- разработать оптимальные оптические схемы применительно к задаче исследования перемещений в зоне отверстия;

- повысить точность и чувствительность измерений, исходя из характеристик оптических голографических схем;

- разработать методику и создать переносной прибор для внестендовых голографических измерений остаточных напряжений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны схемные решения задач исследования технологических остаточных напряжений с учетом характеристик методов голографической интерферометрии;

- разработан ряд малогабаритных диагностических голографических приборов ЛИМОН для оперативного контроля технологических напряжений в производственных условиях;

- разработана серия методических вопросов определения остаточных напряжений по голографическим интерферограммам на основе решений указанных задач теории упругости;

- получены новые данные о распределении технологических напряжений в ряде твердых тел и элементах конструкций, позволившие выбрать оптимальные режимы технологических процессов.

Практическое значение.

Расширена методическая и инструментальная база для исследования технологических остаточных напряжений.

Разработанный в диссертации экспериментальный метод и аппаратура позволяют оценивать эффективность технологических операций, исходя из величины и характера распределения остаточных напряжений, влияющих на прочностные характеристики конструкций. При использовании созданных приборов ЛИМОН и разработанной методики оперативного определения остаточных напряжений были проведены исследования и экспертные работы в конструкциях атомной

энергетики, авиационной и космической промышленности, газового и нефтяного оборудования:

- исследованы поля остаточных напряжений в сварных соединениях титановых сплавов и в сварных соединениях высокопрочных сред-днелегированных сталей, выполненных электронно-лучевой сваркой;

- исследованы поля остаточных напряжений при электронно-лучевой сварке крупногабаритных конструкций из титановых сплавов -силовых балок и сосудов высокого давления;

- выполнены исследования технологических остаточных напряжений в сварных элементах нефтепроводов и газопромышленного оборудования;

- выполнены экспертные работы по установлению причин разрушения конструкций атомной энергетики, авиационной и космической техники, нефтяного оборудования.

Достоверность результатов подтверждается систематическими экспериментальными исследованиями тестовых задач, имеющих аналитическое или численное решение, и проведением контрольных измерений с помощью известного тензометрического метода.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на III Всесоюзном симпозиуме "Технологические остаточные напряжения" (Кутаиси,1988), на IV Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов (Мариуполь, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь работ, в том числе монография (соавторы Г.Н.Чернышев, А.Л.Попов, И.И.Пономарев) "Остаточные напряженные состояния в деформируемых твердых телах", и получено два авторских свидетельства

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы из 126 наименований. Работа объемом 142 страниц содержит 99 машинописных страниц основного текста, 50 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований по теме диссертации, дается краткий обзор работ и современное состояние проблемы, сформулирована основная цель и выносимые на защиту научные положения. Практически все современные технологические процессы изготовления и обработки материалов вызывают образова-

ние остаточных напряжений, в большинстве случае играющих отрицательную роль. Для проектирования высоконадежных конструкций необходимо знать распределение остаточных напряжений. В связи с этим требуется разрабатывать средства и методы экспериментальной оценки напряжений, которые могут использоваться как для технического контроля, так и для проверки и развития расчетных методов. Во введении рассмотрен ряд известных экспериментальных методов исследования напряженно-деформированного состояния и проведено сравнение механических и физических методов. Особое внимание уделено методу измерения деформаций в окрестности зондирующего отверстия с помощью тензодатчиков. Проанализированы границы применимости метода как с точки зрения геометрических допущений, так и аппаратурных трудностей.

Глава 1. В § 1.1 показаны возможности метода голографичес-кой интерферометрии и ее преимущества по сравнению с другими методиками измерения малых перемещений в методе отверстий. Излагаются основные положения по применению голографического метода для определения остаточных напряжений и выбору оптических схем для записи голографических интерферограмм. В § 1.2 описываются особенности развития приборной части голографической методики при создании измерительной системы ЛИМОН и разработке малогабаритной измерительной аппаратуры. Для измерения нормальной компоненты вектора перемещения автор применял две схемы записи интерферограмм: Лейта-Упатниекса, рис.1, и Денисюка, рис.2. На основе схемы Лейта-Упатниекса был создан ряд приборов, последний из которых, ЛИМОН-Л, имел габариты 10 х 15 х 20 см, а массу 1,5 кг, рис.3. Автор диссертации использовал ЛИМОН-Л в лабораторных и промышленных условиях. На основе схемы Денисюка был сделан съемный накладной интерферометр ЛИМОН-Т, рис.4.

На рис.5 приведены характерные интерферограммы, полученные на установках со схемой для измерения нормальной компоненты. Интерферограммы наглядны и просты для расшифровки: оси симметрии интерференционных картин совпадают с осями главных остаточных напряжений, а полосы интерферограмм являются линиями равных перемещений. Перемещения в разных точках окрестности отверстия определяются числом полос интерферограммы. Цена полосы зависит от упругих свойств материала, т.е. от модуля Юнга, от диаметра и глубины отверстия, а также от схемы прибора. Она определяется по

Рис.1. Схема записи голограммы по схеме Лейта-Упатниекса: 1 - лазер> 2 - полупрозрачное зеркало, 3 и 7 - микрообъективы, 4 - объект, 5 и б - непрозрачные зеркала, 8 фотопластинка.

Рис.2. Схема записи голограммы по схеме Денисюка: 1 - лазер, 2 - микрообъекгив , 3 - фотопластинка, 4 - объект.'

Рис.4. Прибор.ЛИМОН-Т во время исследований.

Рис.5. Характерные интерферограммы.

рассчитанным на основании решения трехмерной задачи теории упругости графикам или таблицам, рис.6. Измеренное в числах полос перемещение через цену полосы пересчитывается в напряжение.

В §1.3 рассматривается предложенный автором диссертации метод определения направления перемещений методом кернения, когда исследуемая интерферограмма сравнивается с одновременно получаемой интерферограммой, на которой зарегистрированы перемещения с известным направлением. Также предложен метод определения направления перемещений поверхности с использованием пластических свойств материала.объекта, а именно - по характеру поведения полос интерферограммы на кромке зондирующего отверстия.

В §1.4 приводится методика подготовки поверхности объекта к исследованиям и методика обработки голографических фотоматериалов. Накопленный опыт показал, что практически все исследованные автором материалы, а именно: сплавы алюминия, магния, титана, сталь, бакор, кремний, борид кремния - достаточно хорошо отражают свет гелий-неонового лазера и дают удовлетворительную, яркую голограмму и хорошо наблюдаемую интерферограмму. Поэтому часто применяемое для улучшения диффузного отражения специальное покрытие поверхности не является обязательным.

В §1.5 представлены решения ряда задач теории упругости, которые были необходимы для создания методов обработки результатов измерений, основанных на зондировании напряженных тел малой лункой или кольцевой проточкой. Определен ряд гипотез, на которых базируется методика расчета остаточных напряжений по измеряемым перемещениям, а именно: (1) линейное изменение напряжений по глубине, (2) постоянные значения напряжения на поверхности на расстоянии диаметра зондирующего отверстия, (3) поверхность тела плоская и тело в целом можно аппроксимировать бесконечным полупространством или цилиндром больших размеров, (4) границы тела, в котором измеряются напряжения, удалены от отверстия на достаточно большое расстояние и их влиянием на возмущенно-деформированное состояние можно пренебречь; на практике такое удаление равно двум или более диаметрам отверстия.

Решение модельных задач позволило исследовать зависимость коэффициента концентрации К = бц/бц0 от глубины отверстия. Для отверстий с глубиной, равной диаметру и более, коэффициент концентрации напряжений практически равен трем. Это значит, что для

Рис.6. Расчетные графики нормальных перемещений поверхности Щ (х), ф=О и W2(y), Ф=я/2 в окрестности зондирующего отверстия И = 1 мм в зависимости от глубины отверстия 1т, бц0=10Ша, 6ц1 = 0, 622=0, бзз=0.

Графики 1, 6 - 11=0,4 мм; 2, 7. : Г) = 0,8 мм; 3, 8 - 11=1,2 мм; 4, 9 - 11=1,6 мм; 5, 10 - 11=2,0 мм.

остаточных напряжений, превышающих 1/3 б^ где бt - предел текучести материала, при сверлении отверстия возникнут напряжения возмущенного состояния, превышающие в некоторой области около отверстия этот предел, и, следовательно, произойдут пластические деформации, что повлияет на точность измерений. В хрупких материалах концентрация напряжений может привести к разрушению, как это происходит при измерении остаточных напряжений в закаленном стекле. Уменьшая глубину зондирующего отверстия, можно уменьшить коэффициент концентрации до приемлемой величины. Таким образом, изменяя глубину и радиус отверстия, можно подобрать их так, чтобы иметь достаточную точность измерения и безопасный вносимый дефект.

В параграфах §1.6 - 1.8 описывается определение остаточных напряжений по перемещениям окрестности зондирующего несквозного отверстия и кольцевой проточки. Дается полная методика определения напряжений и описывается более быстрая, хотя и приближенная, оценка напряжений по простому счету числа интерференционных полос вдоль осей главных напряжений и перемножению этого числа на коэффициент, определяющий цену полосы для данного материала и размеров отверстия. Применяя кольцевую проточку и измеряя перемещения как на внешней, так и внутренней области проточки,исключали влияние пластических деформаций от концентрации напряжений.

Глава 2 описывает исследование остаточных напряжений в соединениях, выполненных электронно-лучевой сваркой в вакууме. В сотрудничестве с АНТК им. А.Н.Туполева и НИАТ'ом методика ЛИМОН была применена для совершенствования технологии создания изделий из титановых сплавов и высокопрочных сталей. В процессе измерений была проведена отработка методики измерений и отладка созданных приборов.

В параграфах §2.1 -2.3 представлены результаты исследований остаточных напряжений в сварных титановых образцах и конструкциях различной формы, изготовленных однопроходной электронно-лучевой сваркой. Исследовались пластины, тавры, сферические сосуды высокого давления - шаробаллоны, кольцевые образцы - имитаторы-свидетели к шаробаллонам, образцы-осколки после разрыва шаро-баллона и конструкция сложной формы - "кабина". Исследовались также изделия из высокопрочной стали: ряд плоских стыковых соединений из разных марок сталей и кольцевые стыковые соединения.

Для сварных титановых образцов и изделий установлено следующее характерное поведение остаточных напряжений: резкая локализация напряжений; максимальный уровень приходится на сварной шов и зону термического влияния; максимальные напряжения растяжения бх направлены вдоль оси шва и достигают на оси величины 0,7 предела текучести основного материала, т.е. для ВТбч при пределе текучести 60.2 = 800 МПа бх составляет +500 + 550 МПа, рис.7.

В результате комплексных исследований, проведенных в сотрудничестве с АНТК им.А.Н.Туполева и НИАТ'ом, был предложен, разработан и внедрен новый технологический цикл, в котором промежуточная общая вакуумная печная термообработка была заменена на локальную термическую обработку зоны сварного шва сканирующим расфокусированным электронным лучом, выполняемую на том же оборудовании, что и сварка, за одну загрузку. Выбранный режим такой локальной термической обработки обеспечивал снижение остаточных напряжений до 150 * 200 МПа. Сравнение эпюр остаточных напряжений после сварки и после локальной термообработки показало, что она не снимает полностью остаточных напряжений, а только снижает их до безопасного уровня. Этого было достаточно для предотвращения разрушения изделия, особенно во время изготовления, и давало возможность сделать цикл изготовления более технологичным.

Измерение остаточных напряжений в образцах-осколках после разрыва шаробаллона позволило утверждать, что разрушение произошло вследствие нарушения технологии, а именно: была проведена некачественная термообработка, не снявшая полностью напряжений после сварки.

Поведение остаточных напряжений в сварных изделиях из высокопрочных среднелегированных сталей мартенситного класса марок 20ХГСН2МФА, ЗОХГСА, 30ХГСН2А, ЭП693ВД, 30Х2ГСНВМ (ВЛ1ВД), КВК-22, КВК-32 и др., представленное в параграфе §2.5., имеет соответствие с титановыми сплавами: резкая локализация в области шва и высокий уровень напряжений. Но эпюры напряжений в разных сталях имеют разный вид: максимум наблюдается как на оси шва, так и в зоне термовлияния, рис.8. Продольные напряжения на оси шва бх наблюдались как максимально растягивающие, так и максимально сжимающие. Например, для стали ЗОХГСА на оси шва бх=+300 МПа, бу= -100 МПа и постепенно уменьшаются при удалении от оси шва. Для стали КВК-32 продольные напряжения на оси шва сжимающие

м м

Рис.7. Эпюра остаточных напряжений в титановых плоских стыковых соединениях толщиной 15 и 20 мм. (1, 2) - после сварки; (3, 4) - после локальной термообработки.

600 500 ЦОО

МПсс

ММ

Рис.8. Эпюра остаточных напряжений в стальных плоских стыковых соединениях. 1 - сталь ЗОХГСА; 2 - ЭП693ВД; 3 - КВК-32; 4 - 30Х2ГСНВМ.

бх=-100 МПа, в зоне термовлияния бх= +450 МПа. Поперечные напряжения в области шва растягивающие бу=+250 МПа, в зоне термовлияния бу=-300 МПа и постепенно уменьшаются при удалении от шва.

В параграфе §2.4 представлены результаты проведенных совместно с ВИАМ'ом исследований уровня остаточных напряжений в штамповках дисков из титанового сплава ВТ8 с целью установления причин разрушения роторов авиационных двигателей. Штамповки изготавливались по различным технологическим схемам. Уровень напряжений определялся для разных стадий изготовления штамповок: непосредственно после деформации и после термообработки, проводимой по различным режимам с целью формирования определенной микроструктуры. Режимы термообработки отличались временем выдержки и скоростью охлаждения после высокотемпературной стадии обработки. Установлено, что термическая обработка при 960°С в течение 1+6 час в зависимости от выдержки влияет на микроструктуру материала, а уровень остаточных напряжений в штамповках не зависел от режима и не превышал 20 МПа.

В параграфе §2.6 с целью повышения точности измерений рассмотрено влияние механической обработки на поле остаточных напряжений в сварных стыковых и тавровых соединениях титанового сплава ВТб различной толщины: 6, 15 и 20 мм. Установлено, что фрезерование на глубину 1+2 мм привело к снижению в 1,5 раза напряжения растяжения и увеличения на 25Х напряжения сжатия вследствие появления напряженного наклепанного фрезерованием слоя, не превышающего 0,2 мм.

В главе 3 представлены результаты исследований остаточных напряжений в сварных соединениях алюминиевых сплавов, в элементах нефтетрубопроводов и в неметаллических материалах.

В параграфе §3.1 представлены результаты отработки в сотрудничестве с МПО им. Лавочкина технологии сварки и режимов термообработки сварных соединений сплава 01570 системы (А1 - Эс). Уровень остаточных напряжений в этом сплаве достигал 200 МПа, т.е. 0,6 бо.2- Измерение релаксации остаточных напряжений показало, что в течении 1 года изменений остаточных напряжений, выходящих за пределы погрешностей измерений, не произошло.

В параграфе §3.2 представлены результаты экспертной работы на МПО им.Лавочкина по установлению причин появления трещины в сварной тонкостенной конструкции корпуса космического модуля.

Измерения показали, что уровень напряжений достигал 0,2 бо.г- Но при создании конструкции наличия остаточных напряжений не предполагалось и в расчет на прочность они не вводились. Надо учитывать их возможное влияние на инициирование, возникновение и развитие трещины.

В параграфе §3.3 представлены результаты исследования в сотрудничестве с ВНИИСТ'ом (Всероссийский НИИ по строительству трубопроводов) технологии сварки и режимов локальной термообработки магистральных нефтетранспортных труб из стали 10Г2БТЮ. Измеренные максимальные растягивающие напряжения были направлены по оси шва и равнялись бх = +180 МПа. Термообработка стыковых швов проводилась при помощи гибкого пальчикового электронагревателя, намотанного на шов вокруг трубы. При нагреве 620±20°С и выдержке 1 час установлено понижение уровня остаточных напряжений на 50%.

В параграфе §3.4 рассмотрено изменение остаточных напряжений в сварных швах обработкой взрывом путем намотки ленты взрывчатого вещества вокруг трубы на шов. Диаметр исследованных труб: 0 520, 700 и 1050 мм. Напряжения после сварки были одинаковы во всех трубах: бх = +200 МПа. После обработки взрывом в образцах 0 520, 700 мм напряжения не изменились. В трубе 0 1050 мм напряжения отсутствовали. Зона сварного шва в этом образце была деформирована - вдавлена внутрь.

В параграфе §3.5 - 6 представлены результаты измерения остаточных напряжений в образцах сверхчистого газотранспортного кремния и в образце керамики из сверхтвердого борида кремния. Изделия из этих материалов часто разрушаются во время операций механической обработки и транспортировки. Установлено наличие существенных остаточных напряжений, которые могут являться причиной разрушения изделий.

В параграфе §3.7 представлены результаты измерений остаточных напряжений в объектах из стеклопластика. Изделие изготавливалось намоткой стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой. Напряжения в стеклопластике возникали в процессе изготовления и вследствие различия коэффициентов теплового расширения и усадки образующих композит материалов и слоев. Были сделаны качественные оценки остаточных напряжений и характера их распределения по исследуемому объекту.

В главе 4 представлены результаты экспертных измерительных

работ с применением измерительной системы ЛИМОН по установлению причин аварий на объектах атомной, газовой и нефтяной промышленности. Целью этих исследований, наряду с решением практических задач определения остаточных напряжений, была отработка методики и процесса измерений и отладка приборов в натурных условиях. Поэтому в диссертации приводятся основные условия работы и окружающей обстановки.

В параграфе §4.1. представлены результаты исследования остаточных напряжений и причин появления трещины в корпусе коллектора парогенератора. Корпус коллектора представлял собой толстостенную перфорированную трубу. Измерения показали, что в перфорированной зоне на перемычках между отверстиями существуют напряжения растяжения порядка +150 МПа. Известно, что операция сверления создает напряженное состояние в окрестности отверстия и накапливается упругая энергия. Она несущественна для конструкции, если отверстий мало или они расположены далеко друг от друга. Но если отверстий много и они достаточно близки друг к другу, остаточные напряжения и накопленная энергия могут быть значительны. Именно это имело место в случае высверливания большого числа отверстий в корпусе коллектора парогенератора. Цилиндрическая зона с перфорациями имела особенность: несколько нижних рядов отверстий были неполные, вследствие этого образовался клинообразный неперфорированный участок. Трещина проходила вдоль границы этого клиновидного участка. В результате измерений было установлено, что в конструкции были области, в которых напряжения отсутствовали и были области с достаточно большими остаточными напряжениями порядка 150 МПа, наведенными технологическими операциями. Для стали 20 такие напряжения были опасны, так как, сложившись с активными напряжениями от температурных перепадов при эксплуатации коллектора, они могли привести и привели к разрушению корпуса.

В параграфе §4.2-3 представлены результаты исследования остаточных напряжений на объектах Астраханского газоперерабатывающего завода: в реакторе осаждения серы во время ремонта после пожара и в сварных соединениях технологических трубопроводов установок У172. В главе приводится подробное описание условий работы, чтобы отметить, что система ЛИМОН прошла полевые испытания в жестких погодных условиях, а также в условиях интенсивной ре-

монтной работы - с шумом, вибрациями, локальными нагревами. Условия сильно отличались от условий закрытого заводского помещения и тем более от лабораторных. Выявились недоработки системы по защите от света, пыли и дождя. Но надо подчеркнуть, что измерения прошли успешно, сбоев практически не было. Качество голограмм и интерферограмм, несмотря на сильную фоновую засветку, было вполне удовлетворительное. Опыт этих измерений был учтен и система была доработана.

В параграфе §4.4. представлены результаты экспертной работы по определению причин разрушения элемента действующего нефтепровода - корпуса задвижки. Учитывая, что трещина длиной 700 мм прошла по околошовной зоне термического влияния, было решено выяснить наличие и величину сварочных остаточных напряжений в шве и околошовной зоне на участке, симметричном участку с разрушением. В результате измерений было установлено, что имеются растягивающие напряжения, направленные вдоль шва и имеющие величину порядка +120 * +200 МПа.

Замеренные значения напряжений близки к пределу текучести материала бо. z = 250 МПа, и являются большими. Таким образом, сварочные напряжения оказались высокими и в совокупности с активными напряжениями по условиям эксплуатации они вполне могли быть причиной разрушения задвижки.

По результатам измерения было сделано следующее заключение. Заводская термообработка для снятия остаточных напряжений, если она была проведена, не уменьшила уровень исходных сварочных напряжений, что и вызвало разрушение. Далее: за 11 лет - время от изготовления до проведения измерений - напряжения не прорелакси-ровали. Следовательно, остаточные напряжения в изделиях из стали 20, эксплуатируемые при низких и нормальных температурах, сохраняются очень долго.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе разработан экспериментальный метод определения остаточных напряжений в твердых телах по перемещениям в окрестности малого отверстия диаметром 2 * 3 мм и глубиной h = 1 + 2 мм и кольцевой проточки диаметром 8 * 10 мм и глубиной 0,5 + 1 мм. Этот метод основывается на голографической интерфе-

рометрии и разработан для оперативного контроля уровня технологических остаточных напряжений. Проведенные исследования и методические разработки позволили расширить область применения механических методов определения напряжений, традиционно используемых в механике деформируемого твердого тела, а также получить новые данные о напряженно-деформируемом состоянии в ряде материалов и объектов машиностроения, которые не могли быть определены с применением других экспериментальных методов.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Установлена связь между остаточными напряжениями и нормальной и наклонной компонентой вектора перемещения возмущенного отверстием деформированного состояния. Это явилось одной из составляющих методики оперативного определения остаточных напряжений. Экспериментально исследованы разные случаи остаточного напряженного состояния тел с постоянными и переменными по глубине остаточными напряжениями с учетом влияния размеров зондирующего отверстия и кольцевой проточки.

2. Показана перспективность голографической интерферометрии в сочетании с методом отверстия и измерительной системы ЛИМОН для определения остаточных напряжений по сравнению с общепринятыми физическими и механическими методами исследования. К преимуществам предложенного метода и системы ЛИМОН относятсяминимальная подготовка поверхности, бесконтактность измерений, возможность получения с одной интерферограммы информации о компонентах перемещения в бесконечном числе точек, высокая чувствительность к измеряемым перемещениям, высокая производительность измерений, простота обработки и наглядность представления результатов измерения.

3. Разработана новая методика расшифровки интерферограмм с целью определения измеряемых остаточных напряжений на основе решений задач теории упругости для полупространства с отверстиями, что позволило существенно облегчить работу исследователя.

3. Обоснованы основные положения для проектирования диагностической аппаратуры. Разработан и изготовлен ряд малогабаритных диагностических голографических приборов ЛИМОН для определения технологических остаточных напряжений в производственных условиях. В процессе измерений проведена практическая отработка

методики измерений и отладка созданных приборов.

4. Предложен способ определения направления перемещений, когда исследуемая интерферограмма сравнивается с одновременно получаемой интерферограммой, на которой зарегистрированы перемещения с известным направлением, получаемые методом кернения или использованием пластических свойств материала объекта.

5. При помощи предложенной методики проведены исследования технологических остаточных напряжений в сварных соединениях высокопрочных сплавов на основе титана и в высокопрочных среднеле-гированных сталях.. Разработанный в диссертации экспериментальный метод позволил оценить эффективность технологических операций, на основе величины и характера распределения остаточных напряжений, влияющих на прочностные характеристики конструкций.

6. Проведены исследования полей остаточных напряжений при электронно-лучевой сварке и локальной термообработке крупногабаритных конструкций из титановых сплавов - силовых балок и сосудов высокого давления. Получены новые данные о распределении технологических напряжений, позволившие выбрать оптимальные режимы технологических процессов с целью уменьшения опасности разрушения ответственных конструкций. Показано влияние механической обработки на перераспределение остаточных напряжений.

•7. Проведены исследования остаточных напряжений в образцах кремния и неметаллических материалов - в стеклопластике, бориде кремния.

8. Выполнены исследования технологических остаточных напряжений в сварных элементах нефтепроводов и в сварных конструкциях во время ремонта газопромышленного оборудования Астраханского газоперерабатывающего завода.

9. Выполнены экспертные работы по установлению причин разрушения конструкций атомной энергетики, авиационной и космической промышленности, нефтяного оборудования. •

По перечисленным исследованиям выданы рекомендации по эффективности применяемых технологических процессов. Работа внедрена в организациях: НИАТ, ВНИИСТ, АГПЗ, МПО им. Лавочкина, АНТК им. А.Н.Туполева, Астраханский газоперерабатывающий завод и др.

ПУБЛИКАЦИИ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Пономарев И.И., Козинцев В.М. "Остаточные напряженные состояния в деформируемых твердых телах". - М.: Физматлит, 1996.- 240 с.

2. Антонов A.A., Козинцев В.М. Применение голограмм во встречных пучках для измерения остаточных напряжений// Заводская лаборатория.- 1989.- Т.55, №6.- С.84-87.

3. Антонов A.A., Евграфов H.H., Козинцев В.М., Лысенков Ю.Т., Феоктистова Е.М. Влияние локального нагрева на уровень остаточных напряжений в сварных соединениях переменной толщины// Сварочное производство.- 1991.- №4.- С.11-13.

4. Арбузов В.М., Буханова Н.М., Козинцев В.М. Исследование остаточных напряжений и механических свойств сварных соединений сплава 01570// Материалы III Всесоюзн. симп. "Технологические остаточные напряжения".- М.: ИПМ РАН, 1988.- С.25-29.

5. Евграфов H.H., Козинцев В.М., Лысенков Ю.Т., Морозов В.К. Пути управления остаточными напряжениями в сварных соединениях титановых сплавов// Материалы III Всесоюзн. симп. ."Технологические остаточные напряжения".- М.: ИПМ РАН, 1988.-С.162-168.

6. Антонов A.A., Инфимовская A.A., Козинцев В.М., ЧернышевГ.Н.

О снижении сварочных напряжений локальной дробестуйной обработкой// Материалы III Всесоюзн. симп. "Технологические остаточные напряжения".- М.: ИПМ РАН, 1988.- С.11-18

7. Антонов A.A.,Евграфов H.H., Козинцев В.М., Лысенков Ю.Т., Сахаров A.B., Чернышев Г.Н. Исследование и управление остаточными напряжениями при электронно-лучевой сварке пластин из титановых сплавов// IV Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов. Мариуполь. 4-7 сентября 1990г. - Киев: ИЭС, 1990г. - С.59-60.

8. Антонов A.A.,Евграфов H.H., Козинцев В.М., Лысенков Ю.Т., Феоктистова Е.М. Исследование полей остаточных напряжений сварных соединений профилей таврового сечения//IV Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов. Мариуполь. 4-7 сентября 1990г. - Киев: ИЭС, 1990г. - С.62-63.

9. A.c. № 1711544 СССР. Голографическое устройство для определения внутренних остаточных напряжений/Лобанов Л.М., Антонов A.A., Пивторак В.А., Андрущенко С.Г., Черкашин Г.В., Чернышев Г.Н., Козинцев В.М.//Открытия. Изобретения. -1992. - № 5(ДСП)

10.А.с. Ш 1768927 СССР. Голографическое устройство для определения внутренних остаточных напряжений/Лобанов Л.М. Антонов A.A., Пивторак В.А., Андрущенко С.Г., Черкашин Г.В., Чернышев Г.Н., Козинцев В.М.// Открытия. Изобретения. 1992. №38. С.126-127.