Исследование с помощью неразрушающего рентгеновского кристалл-дифракционного анализатора (НеРКА) напряженно-деформированного состояния стального образца при растяжении на разрывной машине INSTRON
Цель работы:
Измерение при помощи анализатора НеРКА механических напряжений на поверхности стального образца при приложении к образцу известных растягивающих усилий и сравнение измеренных значений с расчетными.
Рис.1. Установка стального образца на разрывную машину
Исследование:
В качестве образца использовалась заранее отожженная (для снятия остаточных напряжений использовался метод термической обработки с последующей выдержкой) стальная полоса (Ст3) с сечением 30х9 мм.
Рис.2. Размеры образца испытаний
После установки образца на разрывную машину, к образцу прикладывалась растягивающая нагрузка с шагом ~10 кН (~1020 кгс). Было произведено 11 серий измерений при различных напряжениях, значения которых представлены в таблице 1.
Таблица 1
№ | Нагрузка, Н | Напряжение INSTRON, кг/кв.мм | Положение пика 90(син), pix | Положение пика 50(кр), pix | Ширина пика 90(син), pix | Ширина пика 50(кр), pix | Напряжение НеРКА, кг/кв.мм | Разница напряжений INSTRON НеРКА, кг/кв.мм |
1 | 100 | 0,04 | 2878,22 | 2899,58 | 102,69 | 92,08 | 0,09 | -0,05 |
2 | 9970 | 3,77 | 2866,30 | 2900,83 | 108,82 | 93,90 | 3,2 | 0,57 |
3 | 19900 | 7,52 | 2847,17 | 2909,24 | 94,85 | 88,00 | 9,7 | -2,18 |
4 | 29830 | 11,27 | 2837,88 | 2911,30 | 97,43 | 89,46 | 12,44 | 1,17 |
5 | 39750 | 15,02 | 2825,74 | 2913,95 | 94,08 | 90,50 | 15,95 | -0,93 |
6 | 49660 | 18,77 | 2815,59 | 2920,01 | 97,89 | 87,45 | 19,8 | -1,03 |
7 | 59550 | 22,51 | 2803,52 | 2924,06 | 95,93 | 91,19 | 23,63 | -1,12 |
8 | 69400 | 26,23 | 2789,53 | 2922,14 | 92,36 | 90,28 | 26,5 | -0,27 |
9 | 79240 | 29,95 | 2776,75 | 2928,22 | 92,72 | 88,79 | 30,97 | -1,02 |
10 | 89000 | 33,64 | 2663,87 | 2943,15 | 147,7 | 141,04 | 61 | -27,36 |
11 | 50 | 0,02 | 2757,63 | 2905,33 | 132,66 | 132,68 | 30,07 | -30,05 |
Рис.3. Таблица измеренных механических напряжений
Механические деформации кристаллического вещества разделяются на упругие, когда материал способен вернуться в исходное состояние, и пластичное. При упругой деформации зависимость между механическим напряжением и деформацией имеет линейный характер. После достижения предела упругости пластичная деформация характеризуется нелинейной зависимостью. В процессе измерений 1 — 9 четко прослеживается линейная зависимость измеренных механических напряжений (Таблица 2), что и характеризует упругую деформацию. В 10 измерении виден резкий скачок напряжения, а также резкое увеличение ширины дифракционных пиков, что свидетельствует о переходе исследуемого материла в область пластической деформации. Последнее, 11 измерение проводилось после снятия растягивающего усилия с материала. Измерение характеризуется увеличенной шириной дифракционных пиков и ненулевым значением остаточного напряжения.
Сравнивая измерения 10, 11 с предыдущими измерениями можно утверждать, что на поверхности образца появилось структурно-напряжённое состояние (напряжения 2-го рода).
Таблица 2
Рис.3. График измеренных механических напряжений
После пластических нагрузок, деформация с образца не исчезла (Рис. 4). Образец удлинился на 7 мм.
Рис.4. Сверху образец, который не подвергался растягивающим усилиям на разрывной машине, снизу образец после испытаний
Вывод:
Сравнивая показания механических напряжений неразрушающего рентгеновского кристалл-дифракционного анализатора НеРКА и разрывной машины INSTRON (см. таб. 1), можно отметить, что в пределах упругой деформации средняя погрешность не превышает 1 кг/кв.мм.
Измеренные значения напряжений имеют линейную зависимость от растяжения образца, что и характеризует упругую деформацию материала. По изменению ширины дифракционных пиков можно судить о типе деформации, а именно произошли структурные изменения металла на поверхности образца за счёт перехода из зоны упругости в зону пластичности. Таким образом, с помощью анализатор НеРКА можно измерять упругую деформацию первого рода за счёт смещения дифракционных пиков, и судить о наличии деформации второго рода за счёт изменения ширин дифракционных пиков.