Развитие метода фотоупругих покрытий для исследования деформаций микрообластей типа зерен металла тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ
|
Шабанов, Александр Петрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Новосибирск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
на правах рукописи
ШАБАНОВ Александр Петрович
* ■ I
1 1 опт т
РАЗВИТИЕ МЕТОДА ФОТОУПРУГИХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ МИКРООБЛАСТЕЙ ТИПА ЗЕРЕН МЕТАЛЛА
01.02.04 - механика деформированного твердого тела
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
НОВОСИБИРСК 1998
Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения
Научный руководитель:
Лауреат Государственной премии СССР, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор М.Х. Ахметзянов.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
A.C. Ракин, кандидат технических наук, ст.н.с. М. А. Леган.
Ведущая организация:
Государственный Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. Чаплыгина.
Защита состоится «23» ноября 1998 г. в ' часов на заседании специализированного совета Д002.55.02 в Институте гидродинамики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект академия М.А. Лаврентьева, 15.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики СО РАН
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.
Автореферат разослан «/Г» ¿¿¿¿¿с/ 1998 г.
Ученый секретарь специализированного совета Д002.55.02 кандидат технических наук Н.Г. Т^ршенов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В основу большинства теорий механики деформируемого твердого тела положены гипотезы об однородности и изотропности материала. Однако в действительности современные конструкционные материалы (металлы) имеют поликристаллическое строение, то есть состоят из совокупности небольших кристаллитов (зерен), случайно расположенных в массиве. Эти зерна, во-первых, имеют существенную анизотропию механических свойств, а, во-вторых, соединяются друг с другом по границам, имеющим произвольную конфигурацию и ориентацию. Поэтому даже при однородном макродеформировании- поликристаллического объекта внутри микрообъемов (объемов соизмеримых с величиной зерна) должна ожидаться существенная неоднородность распределения деформаций. В зонах с повышенным значением деформаций возможно зарождение и развитие микроразрушения. Исследование этих процессов позволяет лучше понять природу деформирования поликристаллического объекта в упругой или упругопластической стадиях, а так же процессы накопления деформаций или повреждений при ползучести или усталости. Данные, полученные в результате подобного рода экспериментов, могут иметь особое значение для оценки пластических свойств металлических объектов, их долговечности и выносливости. Все это определяет актуальность поставленной задачи.
Существует множество экспериментальных методов определения деформаций в зернах металла (метод сеток, рисок, реперных точек, интерференционный и т.п.), среди которых метод фотоупругих покрытий занимает особое место. Он имеет по отношению к другим экспериментальным методам существенные преимущества: измерения производятся на натурных объектах на практически нулевой базе в реальном времени. Однако этот метод имеет и два существенных недостатка.
Первый связан с тем, что в эксперименте фиксируется деформации не на поверхности исследуемого объекта, а в промежуточной среде - фотоупругом покрытии, которое выступает в качестве регистратора деформаций. При этом в случае, когда ширина зоны деформирования на поверхности исследуемого объекта соизмерима или меньше толщины покрытия, деформации по толщине этого покрытия распределены существенно неравномерно. В результате, измеряемые по методу фотоупругих покрытий деформации могут значительно отличаться от деформаций на поверхности шлифа. Поэтому необходимо разработать методики, позволяющие в результате обработки фотоупругих картин восстанавливать уровни деформирования на поверхности исследуемого объекта.
Второй недостаток связан с трудностями измерения малых оптических разностей хода при небольших толщинах покрытия (от 30 до 80 мкм). Методы измерения малых оптических разностей хода известны, однако, используемые в эксперименте металлографические микроскопы, фиксируют фотоупругую картину целиком. Поэтому классические методы оптической компенсации (Тарди, Сенармона и др.) не могут напрямую быть использованы для проведения измерения (в этом случае невозможно добиться того, что§ы в каждой точке фотоупругой картины параметр изоклины соответствовал бы выбранной схеме компенсации).
Кроме этого, параметры двулучепреломления можно определить, исполь-■<■—. методы фотометрированич, однако, на результаты измерения оказывает существенное влияние немонохроматичность используемого в эксперименте света.
Следовательно, применение метода фотоупругих покрытий для исследования деформаций в зернах металла, требует разработки методик измерения параметров двулучепреломления, в случае, когда фотоупругая картина имеет малые оптические разности хода и фиксируется фоторегистрирующим устройством целиком.-
Еще одна актуальная задача может быть решена с использованием методов оптической компенсации или фотометрирования. Речь идет об измерении эксплуатационных деформаций (напряжений или уровня внешней нагрузки), действующей в несущих элементах реальных конструкций.
Цель работы - развитие метода фотоупругих покрытий для исследования деформаций в микрообластях типа зерен металла, в том числе:
• исследование влияния немонохроматичности источника света на формирование фотоупругой картины;
• разработка методики оптической компенсации по полю модели в несбалансированном полярископе с получением значений оптической разности фаз, исследование погрешностей, возникающих в ходе оптической компенсации по полю модели;
• дальнейшее развитие методики подготовки и техники проведения эксперимента, разработка нагрузочного устройства, прибора для измерения толщины покрытия без его разрушения в нужной точке модели; .
• классификация концентраторов, наблюдаемых при использовании фотоупругих покрытий, изучение процессов накопления деформаций при статическом нагружении поликристаллического объекта и при ползучести;
• разработка методики определения деформаций на поверхности шлифа; в частности, для одиночной полосы скольжения или регулярной системы полос скольжения получение параметров полосы скольжения: ее ширину и степень деформирования;
• разработка методики измерения продольных температурных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути, которая позволяла бы получать значение продольной силы в полевых условиях с достаточной точностью.
Научная новизна. Решена задача о влиянии немонохроматичности источника света на формирование фотоупругой картины.
Рассмотрены методы оптической компенсации фотоупругой картины в несбалансированном полярископе по полю модели. Показано, что все полярископы, собранные для проведения оптической компенсации, можно подразделить на три большие группы: симметричные, квазисимметричные и несимметричные. Свойства полярископов, объединенных в одну группу, сходны.
Предложена методика расшифровки фотоупругой картины с получением параметров одиночной полосы скольжения: ее ширины и степени деформирования:
Решена задача измерения продольных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути в полевых условиях при помощи фотоупругих покрытий с использованием компенсатора в виде оптического клина.
Методика исследования. Решение задачи об измерении параметров двулучепреломления основано на представлении прохождения поляризованного света через полярископ с использованием элементов матричной фотоупругости и ко-л^рим^гритт Решение задачи по определению параметров полосы скольжения осуществлялась в рамках линейной теории упругости. Экспериментальная часть работы основана на методе фотоупругих покрытий: сюда входят проблемы под-
готовки и проведения эксперимента, методики обработки результатов эксперимента дня получения конечного результата.
Достоверность результатов подтверждена аналитическими доказательствами, результатами тестовых экспериментов, сравнением с результатами, полученными другими исследователями.
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что понимание процессов возникновения и развития деформирования в зернах металлов позволяет лучше понять не только природу макродеформирования поликристаллического объекта в упругой или упругопластической стадиях, но и постичь процессы накопления деформаций или повреждений при ползучести или усталости, что имеет особое значение для оценки пластических свойств металлических объектов, их долговечности и выносливости. Разработанная методика с использованием оптического клина, как компенсатора, может быть использована для определения уровня нагрузок в элементах строительных конструкций, находящихся в условиях линейного напряженного состояния: в элементах ферменных конструкций, в потолочных балках, рамах и т.п.
Реализация исследований. Разработанные методы исследования микродеформаций использовались при выполнении двух научно-исследовательских тем; методы оптической компенсации по полю модели - двух научно-исследовательских тем; методика определения температурных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути - одной научно-исследовательской темы. На защиту выносится:
• методики определения параметров двулучепреломления с использованием фотометрирования, если в эксперименте применяется не вполне монохроматический свет, или методом оптической компенсации по полю модели в несбалансированном полярископе;
• методика расшифровки фотоупругой картины на полосах скольжения и получением параметров полосы скольжения: ширины зоны возмущения и степени деформирования;
• методика измерения продольных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути при помощи фотоупругих покрытий.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на семинарах «Интерференционно-оптические методы механики твердого тела и механики горных пород» (Новосибирск, £985г.), «Новые поляризационные методы для исследования напряженно-деформированного состояния и анализа состава молекулярной структуры вещества», (Ленинград, 1988 г.), международной конференции «Photomechanics'95», (Новосибирск, 1995 г.), на конференции «Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири» (Новосибирск, 1997 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 научных работ. Результаты исследований приведены в трех научных отчетах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, разбитых на шесть глав, и заключения. Общий объем диссертации - 249 страницы, в том числе 230 страниц машинописного текста, 109 рисунков, 3 таблицы и список литературы, включающий 2!3l наименование.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы, определены основные проблемы, возникающие при использовании фотоупругих покрытий для исследования деформаций в зернах металла. В методическом плане эти проблемы сводятся к следующим позициям: I
• малые толщины покрытий определяют малые уровни разности хода, которые необходимо замерить с необходимой точностью, что определяет необходимость- использование специальных способов измерения параметров двулуче-преломления;
• использование микроскопа как необходимого инструмента для регистрации фотоупругих картин в зернах металла определяет то обстоятельство, что фотоупругая картина регистрируется фотоприемником целиком. А это, в свою очередь, означает, что в качестве способов измерения параметров двулучепре-ломления либо могут быть использованы методы фотометрирования фотоупругой картины (но в этом случае необходимо учитывать влияние немонохроматичности источника света), либо необходимо применять оптическую компенсацию по полю модели (но тогда необходимо иметь в виду, что в произвольной точке модели ориентация квазиглавных напряжений в общем случае не будет соответствовать выбранной схеме компенсации);
• при исследовании микродеформаций размеры зон возмущения оказываются соизмеримы или значительно меньше толщины покрытия; это означает, что измеряемые в фотоупругом покрытии деформации будут значительно меньше деформаций на поверхности шлифа;
• сходные проблемы, за исключением последней, возникают при решении проблемы измерения продольных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути при сезонных колебаний температуры.
Во введении сформулированы цели работы и указано общие направление исследований, приводится краткое содержание диссертации.
Первый раздел диссертаиии состоит из двух глав и посвящен развитию метода фотоупругости для измерения малых разностей хода. Рассматриваются два метода: метод фотометрирования и метод оптической компенсации фотоупругой картины по полю модели в несбалансированном полярископе.
В первой главе рассматривается влияние немонохроматичности источника света на формирование фотоупругой картины. Как известно, интенсивность света 1(5) на выходе их кругового полярископа с длиной волны в зависимости от значения оптической разности хода (ОРХ) 5 в исследуемой точке модели может быть записана:
где: ^-интенсивность источника света.
Если в эксперименте используется немонохроматичный свет, то интенсивность света может быть представлена в виде (рис.1):
(1)
1(о)4[1-|Р(Х)соз^4[1- (2)
2 I П А. , 2 '
Здесь: Р(Х) - функция спектральной плотности, учитывающая спектральный состав светового потока,
10 - интенсивность источника света во всем диапазоне длин волн, Хо - некоторое значение длины волны, которое определяется из условия:
2:r6t
J Р(0
-К
sm-
X¿„
-dt = 0.
(3)
К примеру, если функция Р(Х) является симметричной, то точка симметрии определяет значение Хо.
Р(Х)
6Х.
Р(9
6Х,
Если функция Р(Х) имеет один экстремум на участке существования, величина которого известна и равна Р0, а на границах этого участка обращается в ноль (рис.1), тогда, используя вторую теорему о среднем, из соотношения (2), получаем: 2я8Л
2п5
[д-—--cos"
«и
л,
X X« Л] Рис.1.
sin-
l-2Pn
2п5
Л
•(4)
Таким образом, удается заменить функцию спектральной плотности произвольной формы на функцию ей эквивалентную, но имеющую прямоугольную форму высотой Ро и шириной 2Л. При этом, значение Хо приходится на середину эквивалентной полосы пропускания фильтра, ширина которой определяется условием:
2sin
2я5Л 2я5
_ ¿ПО г
~ ,2 J
■дх,
К -Л1 Ро
P(t) 2*5t - 'cos—— dt.
X2 л0
Таким образом, если в эксперименте используется не вполне монохрома-тичный источник света, то при обработке его результатов необходимо учитывать следующие обстоятельства.
Первое. Полосы интерференции фиксируются при достижении ОРХ в модели кратное значению Хо , что соответствует представлениям классической фотоупругости.
Второе. Наблюдается уменьшение контраста фотоупругой картины с ростом ОРХ (см. (4)). Этот эффект весьма значителен и его необходимо учитывать при использовании метода фотометрирования. Однако, если значение ОРХ достаточно мало (косинус в соотношении (2) примерно равен единице, то есть 5 <, (Хр-УмДяЛ), здесь Л - заданная погрешность измерений), то для определения параметров двулучепреломления можно применять классические методы фотометрирования.
Третье. Происходит изменение шага полос интерференции при некотором значении ОРХ в модели. Это связано с тем, что функция интенсивности света (2) имеет две системы точек перегиба. Так для симметричной функции спектрапь ной плотности P(t) положение точек перегиба описывается соотношениями:
Р.
л
л
6 = ^(0.5 + к),
(5)
(6)
5 = —к 2Л
Условие (5) устанавливает положение точек перегиба, определяющих осциллирующий характер кривой I = 1(5). Тем самым обеспечивается периодическое чередование точек экстремума интенсивности света, то есть полос интерференции фотоупругой картины. Однако на систему (5) накладывается вторая система точек перегиба (6). Следовательно, в местах существования точек перегиба второй системы прежний характер осцилляции дает сбой, что должно привести к изменению шага чередования полос интерференции. Обычно этот эффект проявляется при достаточно большом порядке полосы.
Вторая глава посвящена анализу оптической компенсации по полю модели в несбалансированном полярископе. Для этого рассмотрим полярископ, в состав которого помимо поляризатора (П), анализатора (А) и модели (М) с оптической разностью фаз (ОРФ) у входят еще две фазовые пластинки Ф1 и Фг с известной оптической разностью фаз ф| и ф2. На рис. 2 и 3 представлена схема такого полярископа и ориентация оптических осей элементов, входящих в его состав.
и
и.с. П Ф| М Ф: А Рис. 2.
Рис. 3.
Широко применяемые методы оптической компенсации Бабине, Сенар-мона, Тарди собраны именно по этой схеме. Эти методы в традиционной постановке предусматривают, что оптические оси полярископа и направления главных напряжений в исследуемой точке модели имели бы строго определенную взаимную ориентацию. Такие полярископы будем называть сбалансированными. И, наоборот, в несбалансированном полярископе взаимная ориентация оптических осей его элементов и направление главных напряжений в исследуемой точке модели не соответствует выбранной схеме компенсации.
В зависимости от ОРФ компенсирующих пластинок, углов их ориентации и ориентации оптических осей поляроидов все полярископы, собранные по схеме рис.2 и рис.3, можно разделить на три группы. Симметричный полярископ. Это - скрещенный полярископ, между поляроидами которого расположена симметричная фотоупругая среда. То есть до и после модели установлены две одинаковые фазовые пластинки с одинаковой ориентацией осей быстрых колебаний (Р, = р,, (р, = <рг). Наиболее просто этого можно добиться в методе фотоупругих покрытий, когда компенсирующая пластинка просто накладывается на покрытие .'I в процессе эксп&р.л;шга просвечивается дважды: при прямом и обратном ходе лучей. Квазисимметричный полярископ. В таком полярископе в процессе
проведения компенсации или нарушается симметрия фотоупругой среды (Р,* (3, при ф,=ф,либо Р,=Р:, а ф^ф,), или раскрещиваются поляроиды (р,=р,, ф, =ф,, а, #а+90). Несимметричный полярископ. Это - полярископ, в состав которого входит только одна компенсирующая пластинка.
Интенсивность света в произвольной точке модели, фиксируемая на выходе из полярископа, есть функция от параметров всех его элементов. В реальных схемах полярископов дня простоты эксперимента большинство этих переменных либо равны нулю, либо принимают постоянное значение. Как правило, меняется лишь один параметр, так что в итоге
I = 1(члу> ф
Здесь: к - некоторое значение (величина известная), которой может быть либо ОРФ в одной из компенсирующих пластинок, либо ее ориентация, либо поворот поляроида, то есть к- это любой варьируемый параметр полярископа. Методы определения параметра изоклины достаточно просты. Поэтому в дальнейшем будем считать, что значение у известно. Возможно два вида оптической компенсации: в точке модели, когда в наперед заданной точке, варьируя параметр компенсатора, добиваются минимума интенсивности света на выходе из полярископа, или по полю модели, когда параметр компенсации в каждой точхе модели пригашает одно и то же значение, а фотоупругая картина полностью фиксируется фотоприемником. При этом в общем случае невозможно добиться того, чтобы одновременно в каждой точке направления главных напряжений соответствовали бы выбранной схеме компенсации. Таким образом, реализуется схема несбалансированного полярископа. Условие относительного минимума интенсивности света на выходе из такого полярископа может быть представлено в виде:
(7)
дц1
Симметричные полярископы. Условие (7) для симметричных полярископов (а( = а + 90°) приобретает вид:
=-с1ё(ф)со5(2(г - р))-^-«))!^®.
В общем случае возможны три варианта компенсации:
• накладной иммерсионный компенсатор (а = 0°, р =45°, ф =уаг.):
ЬЫ зт(2у)'
• компенсация при вращении креста поляризации (ф, =ф2 =Ф = 90°, Р, =Р2 = 3 = 45°, а = уаг.):
,/чЛ _ с{е(2а)
ёЫ со<2У)'
•компенсация при вращении фазовой (четвертьволновой) пластинки (а=0°,ф = 90°, р=узг.):
и йш2(у-р)
В последнем случае появляется возможность определять не только ОРХ, но и параметр изоклины в исследуемой точке модели. Дело в том, что при повороте пластинки Я/4 на 180°для большинства точек модели минимум интенсивности света будет наблюдаться при двух значениях параметра компенсации 0: Р! и р>. Таким образом:
= 1ё(2р,)зш(2рг)-(е(2рг)5ш(2р,) ё( У> tg(2p1)cos(2p2)-tg(2pI)co<2pt) •
Для квазисимметтичньгх полярископов условие (7) приобретает вид:
= с18(ср) со£(2(р - у)) - й8(2(р - (8)
В частных случаях имеем следующие типы компенсации (Р1=45°, Р2=Р):
• компенсация по Тарди (<р = 90°,р = 135°,а = уаг.):
• компенсация при изменении ОРФ в одной из фазовых пластинок (а=0°, Р=135°, ф=уаг.):
• вращение фазовой (четвертьволновой) пластинки (ф=90°, а=0°, р=уаг.):
1е(ч/) = с1Ё(2р)5ш(2(у-р)).
Несимметричные полярископы характерные тем, что отсутствует одна из компенсирующих пластинок (для определенности пусть <р, = 0) и тогда условие минимума интенсивности света запишется:
ЬМ__зш(<р)зш(2(р-а))
™ соэ(ф) соб(2(Р - у))зш(2(Р - а)) - соз(2(р - а)) зт(2(р - у))
В частных случаях из (9) имеем:
• метод Сенармона (ср=90°, р=0°, а=уаг.):
• компенсация по методу Бабине (а=0°, Р=45°, ф=уаг.):
• вращение четвертьволновой пластинки (а=0°, ф=90°, р=уаг.):
«е(2р)
5ш(2(р-у))'
В работе рассмотрены погрешности, которые возникают при проведении компенсации по полю модели, в случае аппаратных ошибок (неточно выставлен отсчет по шкале компенсатора), или случае, когда полоса интерференции имеет некоторую ширину и фотоприемник не в состоянии точно зафиксировать ее центр. Кроме этого показано, что при использовании некоторых схем компенсации на поле модели возникают зоны размытия фотоупругой картины: падения контраста до такой степени, что фотоприемник не в состоянии зафиксировать ич^ер^еренции. Установлено, что при использовании симметричных полярископов это яьление отсутствует, квазисимметричные полярископы имеют
небольшие зоны размытия. Наибольшего размера зоны размытия имеют при использовании несимметричных полярископов.
Во втором разделе диссертации рассмотрено применение разработанных в первом разделе методов определения малых оптических разностей хода для исследования деформаций в зернах металлов. Раздел состоит из трех глав.
В третьей главе приведен обзор экспериментальных методов исследования деформаций в зерне металла с использованием оптической микроскопии. Отмечается большое число работ, количество которых продолжает нарастать, что, безусловно, указывает на постоянный интерес к этой проблеме. В диссертации рассмотрены методы рисок (Н.В. Шишкин, H.A. Рогалина, A.B. Шалимова, В.В. Астанин, С.Н. Фаизова и др.), сеток (Ф.П. Рыбалко, A.A. Вайнштейн, Л.Б. Зуев, В.И. Данилов, и др.) реперных точек (A.B. Гурьев, JI.B. Кукса, Т.Б. Алхи-менков и др.). Особое внимание уделено исследованиям, в которых для изучения деформации в микрообластях используется метод фотоупругости. Эти работы можно подразделить на три группы:
• исследование полей деформаций в монокристаллах кремния или германия в инфракрасных лучах «на просвет» в непосредственной близости от краевых дислокаций (ВЛ. Инденбом, В.И. Никитенко);
• применение «прозрачных металлов» галоидов серебра и таллия для моделирования реальных поликристаллических объектов (В.Ю. Марковский, П.И. Полухин, В.К. Воронцов и др.);
• использование фотоупругих покрытий для исследования микро'деформа-ций в зернах реальных поликристаллов (Б.А. Кузнецов, А.Я. Александров, М.Х. Ахметзянов, JI.A. Краснов, В.А. Кушнеров, В.М. Финкель и др.). Рассмотрены так же работы по применению спекл - интерферометрии
(Л.Б. Зуев, В.И. Данилов), топографической интерферометрии (С.И. Герасимов, В.Я. Метерский, А.Д. Унжаков и др.) при исследовании крупнозернистых материалов (алюминий, армко - железа т.п.).
Определено место метода фотоупругих покрытий среди других экспериментальных методов. Отмечены главные преимущества метода: возможность наблюдать деформации натурных объектов в реальном времени на практически нулевой базе измерений. Это позволяет регистрировать деформации, локализованные на базах порядка 1мкм. Основной недостаток метода заключается в том, что деформации измеряются не на поверхности исследуемого объекта, а в промежуточной среде: в фотоупругом покрытии. Тем не менее, метод позволяет быстро и эффективно проводить качественные исследования процессов изменения деформаций в исследуемой точке модели при различных способах нагружения. В этой связи представляет интерес разработка методики расшифровки фотоупругой картины с получением деформаций на поверхности шлифа.
В четвертой главе рассмотрены аппаратура, методика подготовки и проведения эксперимента. В комплекс аппаратуры обязательно должен входить стандартный металлографический микроскоп (в эксперименте использовался МИМ-8М), снабженный нагрузочным устройством (рычажного типа с коэффициентом увеличения нагрузки 8,5) и компенсатором, в качестве которого используется накладной иммерсионный компенсатор, предложенный Л.А. Красновым. Компенсатор представляет собой стальную скобу, на которую наклеивается пластинка, выполненная из оптически чувствительного материала (обычно используется поликарбонат или полнуритан). Эта пластинка располагается непосредственно "роед образцом, при этом зазор, между образцом и пластинкой
должен быть обязательно заполнен иммерсионной жидкостью. Растяжение пластинки осуществляется при помощи микровинта.
Подготовка образцов является важной задачей предварительной стадии эксперимента. В качестве образцов используется металлические пластинки размерами .80x10x2 мм, выполненные из технически чистого магния. Диаметр зерна составляет примерно 1-2мм. Одна из поверхностей такого образца подготавливается кале металлографический шлиф. На эту поверхность специальным образом наносится фотоупругое покрытие, которое изготавливается из материала на основе эпоксидных смол. Обычно - это смола горячего отверждения ЭД-16. Желательно еще до эксперимента, знать толщину покрытия. Для этого разработано и изготовлено устройство, позволяющие в наперед заданной точке образца с точностью 1-2% измерять толщину такого покрытия без его разрушения.
Комплекс мероприятий по подготовке эксперимента, изложенный в четвертой главе, позволяет использовать метод фотоупругих покрытий не только для качественных, но и количественных исследований.
Пятая глава посвящена исследованию деформаций методом фотоупругих покрытий в зернах металла. Отмечается эффективность метода при регистрации деформаций, что позволяет в реальном времени классифицировать типы концентраторов: полосы скольжения, приграничные концентраторы, концентрации в стыках границ на неметаллических включениях и т.д. Идентификация вида деформации чрезвычайно важна для того, чтобы затем, зная характер деформирования на этом концентраторе, можно было разработать методику расшифровки фотоупругой картины и получить количественные результаты на поверхности образца. На рис.4,5 представлены поля деформаций, построенные в приграничных зонах и на стыке трех границ соответственно. Следует отметить, что концентрация деформаций, как правило, располагается по одну сторону от границы, разделяющей контактирующие зерна.
Рис. 4
Рис. 5
Обычно, при исследованиях деформаций в зернах металла методом тонких фотоупругих покрытий рассматривается изменение деформированного состояния в некоторой точке образца при изменении какого-либо параметра: уровня внешней нагрузки, числа циклов нагружения, времени нагружения и т.п. В диссертации исследовалось развитие деформаций при увеличении растягивающей статической нагрузки на образец, а так же при испытании на ползучесть. В обоих случаях отмечается скачкообразный характер роста скорости деформаций. В качестве примера на рис.6 представлен график накопления деформаций в приграничном концентраторе при испытании на ползучесть.
• 10
5
[час]
Рис. 6
Такие исследования не ставят целью изучение деформаций на поверхности исследуемого объекта. Основная проблема количественных исследований связана с тем, что заранее неизвестны размеры зон деформирования (зачастую размеры этих зон на порядок меньше толщины покрытия) а так же характер деформирования внутри этих зон. В этой связи предлагается следующая процедура количественного определения деформаций на поверхности исследуемого объекта. На основании экспериментальных данных устанавливается характер деформирования внутри тех или иных концентраторов. После этого решается задача теории упругости о деформировании покрытия при граничных условиях, которые определены характером деформирования на поверхности исследуемого объекта. Затем в зависимости от размеров зон и уровня деформирования, заложенных в граничные условия, численно определяется средняя по толщине деформация, которая и фиксируется в методе фотоупругих покрытий. Теперь, если в ходе фотоупругого эксперимента удалось идентифицировать тип концентратора, то появляется возможность, обратившись к данным теоретического расчета, определить линейные размеры концентратора, а также степень деформирования. В случае исследования концентратора общего типа реализовать эту процедуру достаточно сложно. Однако для полосы скольжения удалось осуществить этот алгоритм. При моделировании полосы скольжения введем следующие гипотезы:
• Внутри полосы скольжения плотность следов выхода дислокаций однородна. Благодаря этому представляется возможность заменить реальную схему деформирования по полосам скольжения, внутри которых может быть расположено до 1500 линий скольжения, на схему, по которой материал внутри полосы скольжения деформируется однородно.
• Закон Вертгейма справедлив во всем диапазоне деформаций. Проведенные исследования показали, что линейная связь между оптической разно-стыг. хода и деформацией^.которая ее вызвала, сохраняется вплоть до уровня деформаций в 10-12%.
Рис. 6
• Покрытие находится в условиях плоского деформированного состояния.
• Деформация частей образца, расположенных вне полосы скольжения, пренебрежимо малы по'сравнению с деформациями, которые возникают внутри полосы скольжения.
• Для материала покрытия справедлива линейная теория упругости во всем диапазоне деформаций. Из этой гипотезы следует справедливость принципа независимости действия сил, то есть суммарный эффект воздействия на фотоупругое покрытие от перемещений берегов полосы скольжения в системе координат х, у, г (Ц,, У0,^/„) есть сумма напряженных состояний, возникающих в покрытии отдельно от перемещений и„,\'0,\У0. Рассмотрим деформирование фотоупругого покрытия только от перемещения и<) в предположении, что покрытие находится в условиях плоского деформированного состояния при следующих граничных условиях (рис.7):
у=0:
ТсГ
а*
У
2а
а,
»00= 0,
-и„ при - оо < х < -а,
и(х) = . ^х, при -а<х<а,
а
и„ при а < х < оо.
(10)
Рис.7
у=<1:
В этом случае напряженное состояние покрытия хорошо описывается функцией напряжения в виде интеграла Фурье:
ф(х, у) = | Ф(ау) соБ(ах)с1а.
Бигармоническое уравнение ДД<р = 0 удовлетворяется, если
Ф(ау) = АсЬ(ау) + ВэЦау)+(ау)СсЬ(ау)+(ау)ЕвЬ(ау). Решая далее плоскую задачу теории упругости, получаем компоненту тензора деформаций, фиксируемую в методе фотоупругих покрытий: 1 °°
е,(х,у) = тр |а2{А2Ь(ау)+ВсЬ(ау) + С{2(1 - у>Цау)+(ау)сЬ(ау)] +
• (Н)
+ ЕЗ{2(1- у)сЬ(ау) + (ау^ау)]} ссб(ссх)(1а
Здесь: й и V - упругие постоянные материала покрытия, для эпоксидной смолы 0=206 МПа, V = 0,37 . Константы А,В,С,О определяются из граничных условий (10).
При просвечивании фотоупругого покрытия вдоль оси «у» будет фиксироваться оптическая разность хода, пропорциональная величине средней деформации е*
, ориентация которой совпадает с осью «х»:
л
ссли теперь предположить, что деформации в зоне возмущения ЕсРО-Уа) равна единице, то, подставив в (12) соотношение (11), при известной толщине покрытия «&> получаем зависимость,
которая представляет собой
Рис. 8
симметричную функцию (рис. 8). Здесь (х/(1) -относительная координата, а (с!/2а) - относительная толщина покрытия. Следовательно, при известной "толщине покрытия «сЪ> вид график функции средней деформации вдоль оси «х/(Ь> зависит лишь от размеров зоны возмущения «2а». Как видно из рисунка, деформации в центре деформированного участка составляет всего 43% от фактических деформаций на поверхности исследуемого участка. Отметим, что измеряемая деформация уменьшается до 75% своей махсимальной величины на расстоянии х0 75 = 0,506(1 от центра деформированного участка. При другом соотношении (й/2а) это расстояние будет иным, что может быть использовано для определения фактической ширины полосы скольжения. Введем характеристику: ^=(хо,7з/<1), которая определяет форму кривой (рис.8). х075 в последнем соотношении - это расстояние от центра полосы скольжения до точки, в которой значение измеряемой деформации е'уменьшается до 75% своей максимальной величины. Изменяя значения относительной толщины в соотношении (11) с использованием условия (12) путем численной реализации был построен график ^=^((1/2а) (кривая 1 на рис.9). Кривая 2 на этом же рисунке представляет собой отношение действительной деформации на поверхности шлифа ео к деформации, измеряемой по методу фотоупругих покрытий е": к=к(с!/2а)=(ео/е")-
л п По аналогич-
ной схеме решается задача, когда отличны от нуля две другие компоненты перемещения У0 и \У0. В результате, для случая Уо*0 построена кривая 3 на рис. 9, которая определяет тангенс угла наклона р начального участка экспериментальной кривой
е* = (которая в этом случае является кососимметричной функцией):
■и1/2а
Рис.9
и
. Аналогичные кривые можно построить для варианта Следует
отметить, что в эксперименте чаще всего встречается вариант и0#0, У0#0, \Уо=0 (примерно в 70% случаев). Этот случай легко идентифицируется: изоклина - черная, ее параметр совпадает с осью «х»; график функции е* = е*(х) - общего вида всегда можно разложить на симметричную (от компоненты ио) и кососиммет-ричную (от компоненты У0) составляющую. Реже встречается вариант, когда присутствуют все три компоненты и0, \'0, У/0. И не наблюдалось случаев, когда имеет место лишь одна компонента вектора перемещения.
В качестве примера рассмотрим обработку полосы скольжения, которая наблюдалась при растяжении технически чистого магния в теле зерна. На поверхность образца нанесено фотоупругое покрытие, выполненной из материала на основе эпоксидной смолы. Толщина покрытия <1 = 78 мкм. Механические характеристики материала покрытия: Е = 27,4 ГПа; у=0,35; а10 = 10,04-103 Н/м. При этом деформации в фотоупругом покрытии вычислялись по формуле:
(1 + у)о10
е' = (е. -£:)*=-
2Ы
-п,
(13)
где: п - порядок полосы в исследуемои точке модели.
0,49%
Рис. 10
Рис. 11
На рис.10 приведена фотография картин полос для одного и того же участка образца, ориентированного таким образом, что длинная сторона каждого снимка перпендикулярна направлению полосы скольжения. Снимки на рис.10 отличаются тем, что они получены при различных значениях оптической разности хода в активном элементе компенсатора, и, следовательно, дают положения дробных порядков полос. Затем, для каждой полосы интерференции по формуле (13) быля определена соответствующая разность главных деформаций (указана на рис.10 справа). По результатам обработки этих картин получено распределе-
ние разности главных деформаций г - е'(х) вдоль нормали к направлению полосы скольжения (кривая 1 на рис.11). Положение центра полосы найдено путем перебор«. Результаты разделения кривой е* = е'(х) на симметричную и косо-симметричную составляющие приведены на рис.11: кривые 2 и 3 соответственно. Теперь, используя графики (рис.9), можно определить параметры полосы скольжения по следующей схеме: £*„,«=!,84%; 0,75е,„„=1,38%; 5=0,1. Тогда (см.
2и0 = 2,11 мкм. По кривой 1 на рис.5.30 определяем: г=0,59; р = 0,84; 2У0 = 13,1 мкм
Третий раздел диссертации состоит из одной главы и посвящен использованию методов измерения малых разностей хода, изложенных в первом разделе, для измерения температурных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути. Показана эффективность и наглядность методики. Достаточно на боковую поверхность рельса в ненагруженном состоянии в районе нейтральной оси наклеить фотоупругое покрытие (датчик). После укладки в путь при изменении температуры окружающей среды в этом покрытии возникнет оптическая разность хода пропорциональная уровню температурных усилий в рельсовой плети. Теперь достаточно через специальное устройство осветить это покрытие, чтобы со шкалы прибора считать значение температурных усилий, действующих в рельсовой плети. Для того чтобы реализовать все это на практике, были разработана методики нанесения фотоупругого покрытия на боковую поверхность рельсовой плети и измерения оптической разности хода. Запроектирован и изготовлен комплекс приборов и устройств, позволяющих наносить фотоутгругие датчики на боковую поверхность рельсовой плети и производить измерения продольных усилий в полевых условиях.
Таким образом, задача изучения деформаций в микрообластях с получением количественных результатов потребовала разработки методов определения параметров двулучепреломления при малых разностях хода. Этому посвящен первый раздел диссертации. Основные итоги исследований можно изложить в двух пунктах.
1. Исследовано влияние немонохроматичности источника света на формирование фотоупругой картины. Показано существенное воздействие степени немонохроматичности на уменьшение контраста фотоупругой картины, что накладывает ограничения на применение фотометрирования при определении параметров двулучепреломления. Немонохроматичность источника света оказывает влияние на периодичность чередования полос интерференции. Показано, что в зависимости от степени немонохроматичности, при некотором значении оптической разности хода периодичность чередования полос интерференции резко нарушается, что необходимо учитывать, когда при обработке данных фотоупругого эксперимента используется метода полос.
2. Рассмотрена принципиальная возможность применения оптической компенсации фотоупругой картины по полю модели с ее одновременной регистра..ей фоторегистркруй-ци:.. устройством. Полярископы, используемые для оптической компенсации по полю модели, могут быть подразделены на три
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
группы: симметричные, кососимметричные и несимметричные полярископы. Особенности компенсации для полярископов, объединенных в одну группу, сходны. Проанализированы погрешности, возникающие в ходе компенсации при компенсации картины полос по полю модели. Выявлены зоны на поле модели, где погрешности измерений превышают заранее установленные значения, что, в свою очередь, определяют зоны на фотоупругой модели, в которых возможно проводить компенсацию с заданной погрешностью.
Во втором разделе диссертации, посвященном исследованию деформаций в зернах металла, получены следующие результаты.
1. Обобщена и доработана методика и техника подготовки и проведения эксперимента для исследования деформаций на уровне структурных составляющих зерна металла. Описана аппаратура, используемая в эксперименте, изложена технология изготовления образцов и фотоупругого покрытия. Разработана методика измерения толщины покрытия без его разрушения в нужной точке поверхности образца с точностью порядка 1%.
2. Рассмотрена возможность использования метода фотоупругих покрытий для регистрации концентраторов разных типов: полос скольжения, приграничных концентраторов и т.п. Предложена методика расшифровки фотоупругой картины, полученной на полосах скольжения, что дало возможность производить количественные измерения: определить характеристики полосы скольжения (ее ширину и степень деформирования).
Кроме этого, методика измерения малых оптических разностей хода была использована дня определения температурных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути. Решению этой проблеме посвящен третий раздел диссертации. Для этой цели разработана аппаратура, технология наклеивания фотоупругих датчиков на шейку рельса, проведены полевые испытания в условиях жаркого лета и холодной зимы. Сама методика отличается простотой и универсальностью, что предполагает ее использование для контроля уровней нагрузки не только в рельсовых плетях, но и в других в элементах строительных конструкций. Метод апробирован на Алма-Атинской и Южно-Уральской железных дорогах.
Основное содержание диссертащи опубликовано в следующих работах:
1. Краснов Л.А., Кушнеров В.А., Шабанов А.П. Исследование деформаций зерен металла при ползучести методом фотоупругих покрытий // Механика деформируемого тела и расчет транспортных сооружений. Новосибирск, 1980. С. 138-148.
2. Краснов Л.А., Тихомиров В.М., Шабанов А.П. Измерение оптической разности хода лучей при фотоупругой регистрации оптических картин по методу фотоупругих покрытий // Механика деформируемого тела и расчет транспортных сооружений. Новосибирск, 1982. С. 67-73
3. Тырин В.П., Шабанов А.П. Прибор для измерения толщины покрытия // Механика деформируемого тела и расчет транспортных сооружений. Новосибирск, 1982. С. 116-117.
4. Краснов Л.А., Шабанов А.П. Применение фотоупругих покрытий к исследованию деформаций в микрообластях поликристалла // Журнал прикладной механики и технической физккн! №3. 1984. С. 14(з-150.
5. Шабанов А.П. Влияние немонохроматичности источника света на фотоупругий эффект // Интерференционно-оптические методы механики твердого тела и механики горных пород: Тезисы семинара, 1985. С. 145-146.
6. Краснов JI.A., Курилов А.Н., Тихомиров В.М., Шабанов А.П. Автоматизация измерений при поляризационно-оптических исследованиях задач механики // Интерференционно-оптические методы механики твердого тела и механики горных пород: Тезисы семинара, 1985. С. 129-130.
7. Краснов JI.A., Тихомиров В.М., Шабанов А.П. Определение оптической разности фаз по полю модели в несбалансированном полярископе // Новые поляризационные методы для исследования напряженно-деформированного состояния и анализа состава молекулярной структуры вещества: Тезисы семинара, 1988. С. 58-59.
8. Шабанов А.П. Определение областей размытия фотоупругой картины при компенсации по полю модели в несбалансированном полярископе // Строительная механика железнодорожных конструкций. Новосибирск, 1990. С. 72-79.
9. Краснов Л.А., Шабанов А.П. Применение тонких фотоупругих покрытий для исследования регулярной системы параллельных полос скольжения // Механика деформируемого тела, расчетные и интерференционно-оптические методы. Новосибирск, 1994. С. 61-72.
10. Краснов Л.А., Тихомиров В.М., Шабанов А.П. Определение оптической разноси фаз по полю модели в несбалансированном полярископе // Строительная механика и инженерные сооружения. Новосибирск, 1995. С. 16-26.
11. Шабанов А.П. Влияние немонохроматичности источника света на фотоупругую картину // Экспериментальные и расчетные методы строительной механики. Новосибирск, 1997. С. 64-72.
12. Шабанов А.П. О ширине полосы интерференции при компенсации по полю модели // Расчетные и экспериментальные методы механики деформируемого твердого тела. Сборник научных трудов. Новосибирск, 1998. С. 107-119.
13. Шабанов А.П. Анализ погрешностей определения параметров двулу-чепреломления при компенсации в несбалансированном полярископе // Расчетные и экспериментальные методы механики деформируемого твердого тела. Сборник научных трудов. Новосибирск, 1998. С. 119-126.
14. Ахметзянов М.Х., Тихомиров В.М., Шабанов А.П. Применение фотоупругих датчиков для измерения температурных усилий в рельсах бесстыкового пути // Строительная механика и инженерные сооружения. Новосибирск, 1995. С. 4-11.
15. Akhmetzyanov M.Kh., Tikhomiiov V.M., Shabanov A.P. Detenninatíon of thermal forces in continuos welded rails firom photoelastic gauges // Photomechanics'95, Abstraéis. Novosibirsk, 1995. C. 8-9.
Подписано в печать 12.10.98 1,0 печ. л. Заказ № 441 Тираж 100 экз.
Отпечатано в издательстве НИИЖТа с оригинал-макета автора. 630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
На правах рукописи
ШАБАНОВ Александр Петрович
УДК 620.171.5:539.3:624.017
РАЗВИТИЕ МЕТОДА ФОТОУПРУГИХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ МИКРООБЛАСТЕЙ ТИПА ЗЕРЕН МЕТАЛЛА
01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель-Лауреат государственной премии СССР, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, д.т.н., профессор М.Х. Ахметзянов
Новосибирск 1998
СОДЕРЖАНИЕ
стр
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................................................7
РАЗДЕЛ I. РАЗВИТИЕ МЕТОДА ФОТОУПРУГИХ ПОКРЫТИЙ......................................................14
I. ВЛИЯНИЕ НЕМОНОХРОМАТИЧНОСТИ ИСТОЧНИКА СВЕТА
НА ФОТОУПРУГИЙ ЭФФЕКТ................................................................................................................................................................................14
1.1. Общие положения....................................................................................................................................................................................................14
1.2. Экстремумы и точки перегиба..............................................................................................................................................................22
1.3. Определение ОРХ с использованием методов
фотометрирования фотоупругой картины........................................................................................................................27
1.4. Частные случаи. Оптические фильтры с прямоугольной
и синусоидальной полосой пропускания..............................................................................................................................31
1.5. Эксперимент................................................................................................................................................36
1.6. Использование белого света. Расшифровка цветной
фотоупругой картины..........................................................................................................................................................................................38
1.7. Выводы........................................................................................................................................................................................................................................40
II. МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ В ФОТОУПРУГОСТИ...........................42
2.1. Общие понятия и определения............................................................................................................................................................42
2.2. Описание интенсивности света на выходе из полярископа.
Компенсация в точке и по полю модели....................................................................45
2.3. Фоторегистрирующие устройства. Регистрация фотоупругой
картины. Понятие контраста оптической информации................................................48
2.4. Симметричный полярископ......................................................................................................................................................................51
2.4.1. Накладной иммерсионный компенсатор........................................................................................................................52
2.4.2. Компенсация при вращении креста поляризации............................................................................................55
2.4.3. Компенсация при вращении фазовой пластинки..............................................................................................56
2.5. Квазисимметричный полярископ......................................................................................................61
2.5.1. Компенсация при вращении анализатора....................................................................................................................61
2.5.2.Компенсация по Тарди...........................................................................................................................................................................63
2.5.3. Компенсация при изменении ОРФ в одной из фазовых пластинок....................................65
2.5.4. Компенсация при вращении фазовой пластинки..............................................................................................67
2.6. Несимметричный полярископ..............................................................................................................................................................69
2.6.1. Обобщенный метод Сенармона....................................................................................................................................................70
2.6.2. Метод Сенармона................................................................................................................................................................................................70
2.6.3.Компенсация по методу Бабине......................................................................................................................................................72
2.6.4. Вращение четвертьволновой пластинки........................................................................................................................74
2.7. Анализ погрешности определения параметров двулуче-
преломления при использовании компенсации по полю модели..................................................76
2.7.1. Симметричный полярископ................................................................................................................................................................76
2.7.2. Квазисимметричный полярископ..............................................................................................................................................80
2.7.3. Несимметричный полярископ..........................................................................................................................................................83
2.8. Ширина полосы интерференции. Погрешности определения
центра полосы................................................................................................................................................................................................................86
2.8.1. Симметричный полярископ. Накладной иммерсионный
компенсатор..................................................................................................................................................................................................................87
2.8.2. Квазисимметричный полярископ. Метод Тарди................................................................................................91
2.8.3. Несимметричный полярископ. Метод Сенармона..........................................................................................92
2.9. Размытие фотоупругой картины при компенсации по полю
модели............................................................................................................................................................................................................................................94
2.9.1. Симметричный полярископ................................................................................................................................................................95
2.9.2. Квазисимметричный полярископ..............................................................................................................................................95
2.9.3. Несимметричный полярископ..........................................................................................................................................................96
2.10. Тестовый пример....................................................................................................................................................................................................100
2.11. Выводы....................................................................................................................................................................................................................................102
РАЗДЕЛ II. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОДЕФОРМАЦИЙ..................................................................................103
III. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
МИКРОДЕФОРМАЦИЙ............................................................................................................103
3.1. Статистическое металловедение. Теоретические методы механики
сплошной среды..........................................................................................................................................................................................................103
3.2. Расчетные способы исследования деформирования поликристаллического тела, основанные на дислокационных представлениях
о пластической (необратимой) деформации......................................................... 104
3.3. Экспериментальные методы.................................................................................. 104
3.3.1. Анализ микродеформаций по изменению формы зерна.................................... 104
3.3.2. Метод рисок......................................................................................................... 107
3.3.3. Метод сеток......................................................................................................... 109
3.3.4. Метод реперных точек........................................................................................ 115
3.3.5. Интерференционный метод................................................................................ 121
3.3.6. Метод фотоупругости......................................................................................... 123
3.3.6.1. Исследование напряжений около дислокаций в монокристаллах................. 123
3.3.6.2. Моделирование реальных поликристаллических объектов
при помощи «прозрачных металлов»- галоидов серебра и таллия.................. 124
3.3.6.3. Метод тонких фотоупругих покрытий............................................................ 126
3.3.7. Методы спекл-интерферометрии, голографии, микромуара............................. 130
3.3.7.1. Спекл-интерфереметрия................................................................................... 130
3.3.7.2. Метод голографической интерферометрии.................................................... 131
3.3.7.3. Метод микромуара........................................................................................... 132
3.4. Выводы.................................................................................................................... 132
IV. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА............................................................................... 133
4.1. Аппаратура............................................................................................................. 133
4.1.1. Микроскоп........................................................................................................... 133
4.1.2. Нагрузочное устройство...................................................................................... 134
4.1.3. Компенсатор........................................................................................................ 136
4.2. Технология изготовления образцов....................................................................... 137
4.2.1. Изготовление фотоупругого покрытия.............................................................. 138
4.2.2. Измерение толщины фотоупругого покрытия................................................... 140
4.2.2.1. Измерение толщины покрытия при помощи микрометра.............................. 141
4.2.2.2. Измерение толщины покрытия при помощи профилометров (вертикального оптиметра).............................................................................. 141
4.2.2.3. Измерение толщины покрытия при помощи интерференционного метода............................................................................................................................................................................................142
4.3. Методика проведения эксперимента..........................................................................................................................................145
4.3.1. Регистрация фотоупругой картины при помощи фотоаппарата..............................................147
4.3.2. Фотометрирование фотоупругой картины..................................................................................................................148
4.4. Выводы.....................................................................................................................................................................................................................149
V. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ В ЗЕРНАХ
МЕТАЛЛОВ............................................................................................................................................................................................................................151
5.1. Типы концентраторов........................................................................................................................................................................................151
5.1.1. Одиночная полоса скольжения........................................................................................................................................................151
5.1.2. Система параллельных полос скольжения..................................................................................................................152
5.1.3. Система пересекающихся полос скольжения........................................................................................................154
5.1.4. Приграничные концентрации деформаций................................................................................................................154
5.1.5. Концентрации деформаций в зоне тройных стыков зерен................................................................157
5.1.6. Особый тип концентратора..................................................................................................................................................................169
5.1.7. Концентрация деформаций на неметаллических
включениях......................................................................................................................................................................................................................169
5.2. Исследование микродеформаций при статическом
нагружении и ползучести............................................................................................................................................................................171
5.2.1. Статическое растяжение........................................................................................................................................................................171
5.2.2. Испытания на ползучесть........................................................................................................................................................................174
5.3. Применение тонких фотоупругих покрытий для определения
параметров полос скольжения................................................................................................................................................................178
5.3.1. Одиночная полоса скольжения........................................................................................................................................................178
5.3.1.1. Основные параметры, характеризующую полосу скольжения............................................178
5.3.1.2. Основные гипотезы....................................................................................................................................................................................180
5.3.1.3. Напряженно-деформированное состояние фотоупругого
покрытия при Uo^0, Vo=0, W0=0..........................................................................................................................................181
5.3.1.4. Напряженно-деформированное состояние фотоупругого л! 86 покрытия при U0=0, V0^0, W0=0....................................................................
5.3.1.5. Напряженно-деформированное состояние фотоупругого
покрытия при U0=0, VQ=0, W0^0.................................................................... 188
5.3.1.6. Напряженно-деформированное состояние фотоупругого
покрытия при U0^0? V0*0, Wo=0.................................................................... 192
5.3.1.7. Пример исследования одиночной полосы скольжения.................................. 194
5.3.2. Регулярная система параллельных полос скольжения...................................... 196
5.3.2.1. Напряженно-деформированное состояние фотоупругого
покрытия при U(1=0, V0#0, W0 =0.................................................................... 198
5.3.2.2. Напряженно-деформированное состояние фотоупругого
покрытия при U0фО, Vo=0, Wo=0.................................................................... 201
5.3.2.3. Схема обработки результатов для случая Uo^O, V(,#0, W0 = 0...................... 203
5.3.2.4. Напряженно-деформированное состояние фотоупругого
покрытия при U0=0, V0=0, W0^0................................................................... 206
5.4. Выводы.................................................................................................................... 209
РАЗДЕЛ III. ФОТОУПРУГОЕ ПОКРЫТИЕ - ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИЙ................ 211
VI. ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОУПРУГИХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСИЛИЙ В РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЯХ
БЕССТЫКОВОГО ПУТИ............................................................................................. 211
6.1. Общие принципы работы и состав устройства..................................................... 213
6.2. Фотоупругий датчик деформаций......................................................................... 213
6.3. Оптический клин......................................... ............................................................ 218
6.4. Измерительный прибор.......................................................................................... 219
6.5. Технология склейки. Крепление датчика на рельс............................................... 224
6.6. Факторы, влияющие на точность измерений........................................................ 227
6.7. Натурные испытания датчиков.............................................................................. 228
6.8. Выводы.................................................................................................................. 230
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................. 232
ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................... 236
ВВЕДЕНИЕ
Работа посвящена развитию метода фотоупругих покрытий для исследования деформаций при малых разностях хода. Такие задачи возникают при использовании очень тонких покрытий (например, исследования деформаций в зернах металла), а так же в тех случаях, когда фотоупругие покрытия достаточно толстые, но малы измеряемые деформации. Метод фотоупругих покрытий отличает от других экспериментальных методов то обстоятельство, что он позволяет в реальном времени измерять деформации на поверхности натурных объектов практически на нулевой базе осреднения.
Такие исследования всегда актуальны, хотя интенсивное развитие в последнее 10-15 лет вычислительной техники существенно сузило поле применения экспериментальных методов. Появление компьютеров, обладающими большим быстродействием а так же значительным объемом оперативной и дисковой памяти, разработка высокоэффективных программных продуктов, позволяет
• во-первых, решать задачи, которые прежде решались преимущественно экспериментальными методами;
• во-вторых, во многих случаях значительно экономить время на получение
конечного результата;
» в-третьих, получать результаты с минимальными затратами на обучение персонала.
В отличие от компьютерного моделирования, получение экспериментальных результатов требует значительной материальной базы, существенных затрат средств и времени на подготовку персонала. Сама подготовка и проведение эксперимента во многих случаях требует значительных материальных и временных затрат. Все это объясняет, почему при прочих равных условиях при решении все большего класса задач предпочтение отдается расчетным методам.
С другой стороны, думается, предавать забвению экспериментальные методы не совсем верно. До сих пор остались области в механике деформируемого твердого тела, где их использование является незаменимо. Это, в первую очередь, задачи, в которых до конца не ясны процессы деформирования того или иного объекта, а поэтому невозможно построить адекватную компьютерную модель. Наиболее яркий при-
мер тому - процессы деформирования в микрообластях: в зернах металла, в приграничных зонах на неметаллических включениях и т.п. В настоящее время в этой области знаний происходит интенсивное накопление (в том числе и экспериментальной) информации. Эту задачу можно отнести к фундаментальным исследованиям. Работы в этом направлении позволяют лучше понять процессы макродеформирования: деформирования объектов в упругой или упруго-пластической стадиях, процессы накопления деформаций и повреждений при ползучести или усталости и т.п.
Другой важной сферой применения экспериментальных методов является их использование в прикладных задачах. Ответственные элементы строительных конструкций зачастую находятся в условиях жесткого нагружения (повторно-переменных нагрузок, например). Необходим, если не постоянный, то регулярный контроль за несущей способностью этих конструкций. Для получения достоверной информации о напряженно-деформированном состоянии таких элементов используются многочисленные экспериментальные методики (тензометрия, методы акустической эмиссии и т.п.). Понятно, что в этом случае вычислительная техника выполняет вспомогательные функции: осуществляет контроль за показаниями приборов и
