Исследование напряженно-деформированного состояния алюминиевого листа

Исследование с помощью неразрушающего рентгеновского кристалл-дифракционного анализатора НеРКА напряженно-деформированного состояния проката на основе алюминия.

Цель работы:

Провести измерения механических напряжений на поверхности алюминиевого проката в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Определить разброс механических напряжений в разных точках проката, которые возникли в результате механического воздействия на поверхность. Провести электрохимическое травление поверхности и определить механическое напряжение в зоне травления.

Оборудование и исследуемые образцы:

1. Рентгеновский кристалл-дифракционный анализатор НеРКА с анодом из Cr.
2. Программное обеспечение НеРКА.
3. Оборудование для электрохимического травления.
4. Алюминиевый прокат №1, 2, 3.

Проведение измерений:

На фотографиях, расположенных ниже показан процесс проведения исследования. На рис.1 изображен анализатор НеРКА в процессе измерения. Каждый лист был прономерован №1, №2, №3 см. рис.2. Измерения напряжений проводились в направлениях Х и У в разных точках с двух сторон листа. Зоны контроля и место электрохимического травления показаны на рис.2. В исследованиях для примера и сравнения дифракционных спектров присутствовал алюминиевый лист марки АМЦ и лист марки Д16Т.

Перед началом измерений анализатор НеРКА был откалиброван на порошке карбонильного железа, имеющего нулевое остаточное механическое напряжение, площадь контроля 2 х 5 мм², такая площадь контроля применялась во всех измерениях. На рис. 3 показаны дифракционные спектры, полученные от порошка карбонильного железа. Синий спектр получен от перпендикулярного к поверхности падающего пучка, красный от пучка, падающего под углом 50⁰ к поверхности. На аппроксимированных спектрах отчетливо видны вклады от Kα1 и Kα2 переходов, среднеквадратичное отклонение от перпендикулярного к поверхности пучка 99 отн.ед., от наклонного 101 отн.ед., что говорит о механической однородности и отсутствие повреждений порошка карбонильного железа.

На рис.4 в качестве примера показан дифракционный спектр от листа №1 в точке а. Видно, что ширина спектра существенна увеличилась, это говорит о разбросе механических напряжений в кристаллитах в пределах зоны контроля. Также можно заметить, что амплитуда дифракционных пиков значительно ниже по сравнению с карбонильным железом 7500 отн.ед. против 20000 отн.ед. Это связано с тем, что дифракция на кристаллитах железа происходит от hkl 211, которая имеет множественность 24, а дифракция на кристаллитах алюминия от hkl 222 с множественностью 8. При исследовании алюминиевых листов для вычисления остаточных напряжений были выбраны следующие коэффициенты E=75 500 МПа, ν=0,34. На рис. 5 в качестве примера приведён результат контроля листа марки АМЦ видно, что ширина спектра соизмерима с шириной спектра, полученного на карбонильном железе.

В таблице 1 представлены результаты измерений остаточных механических напряжений. Все результаты округлены до целых. Знак минус перед значением напряжения означает то, что напряжение сжимающее.

Таблица 1. Результаты измерения остаточных механических напряжений на первом этапе
№	a, МПа	b, МПа	c, МПа	d, МПа	e, МПа	f, МПа
1 (X, Y)	-152, —	-42, —	—, -97	73, —	—, —	11, —
2 (X, Y)	-79, 30	-50, 17	—, 5	—, —	-10, 43	-79, —
3 (X, Y)	-4,4	—,—	—,—	—,—	—,—	—,—

Вывод:

Трудность анализа остаточных напряжений некоторых алюминиевых сплавов заключается в том, что средний размер зерен достаточно велик, поэтому дифракционные пики могут оказаться слабовыраженными или отсутствовать вовсе. Стоит отметить, что амплитуда дифракционного спектра перпендикулярного к поверхности пучка (синего) меньше чем амплитуда «красного» спектра, идущего под углом 50⁰ к поверхности см. рис. 4, 5 по причине, описанной выше. На рис.6 изображен дифракционный спектр от образца №3, видно, что дифракционные спектры слабовыраженные. Наряду с образцами №1,2,3 были проанализированы известные образцы марки АМЦ и Д16Т (см. рис 7), спектры от этих образцов в большинстве случаев были более выраженными, а соответственно более пригодные для анализа.