В заключение необходимо отметить, что метод гальванических покрытий, несмотря на его высокую эффективность при оценке на­ пряженного состояния в труднодоступных зонах деталей сложной формы, имеющих геометрические концентраторы и подвергающихся циклическому нагружению, все еще находит ограниченное применение

впрактике экспериментальных исследований.

7.Метод сеток

Метод сеток позволяет решать задачи о пластическом деформирова­ нии элементов конструкций сложной формы при больших деформа­ циях, достигающих предельных значений, при которых наступает разрушение [19, 48]. Суть метода сеток состоит в том, что на поверх-

к++

а

Рис. 68. Типы делительных сеток:

а — нормальная сетка; б — касательная сетка; в — сетка, состоящая из системы окруж ­ ностей; г — комбинированная сетка.

ность объекта исследования наносится система точек, меток или ли­ ний, изменение взаимного расположения и конфигурации которых в процессе нагружения объекта соответствуют деформации его поверх­ ности. Измеряя искажение элементов сетки, можно судить об уровне упругих и пластических деформаций объекта и определять их.

На начальном этане развития метод сеток использовался только для качественного анализа напряженно-деформированного состояния. Освоение технологии нанесения комбинированных прецизионных сеток и совершенствование способов обработки опытных данных на основе использования автоматизированных координатометров и электронно-вычислительных машин позволили осуществлять коли­ чественный анализ с высокой точностью для диапазона деформаций от 0,2 % до нескольких десятков процентов. Однако обработка экспе­ риментальных данных этим методом все еще остается достаточна трудоемким процессом, что обусловлено большим количеством из­ мерительных операций, выполняемых для большого количества ячеек на различных этапах деформирования.

Простейшей разновидностью метода сеток является метод меток,, наносимых на деталь до испытаний, измерение расстояния между которыми позволяет оценивать характер деформирования детали на соответствующих участках. Метки могут представлять собой точ­ ки или риски, применение которых в основном связано с определением линейных деформаций. При исследовании деформированного состоя­ ния поверхности по полю наносится система линий, которая и пред­ ставляет собой делительную сетку. Наибольшее распространение

получили сетки таких типов: нормальные, представляющие собой два семейства взаимно перпендикулярных линий, направление ко­ торых ориентируется по направлению главных напряжений и де­ формаций (рис. 68, а); касательные, формируемые из системы взаимно перпендикулярных линий, направление которых совпадает в исход­ ном состоянии с направлением максимальных касательных напря­ жений и сдвигов (рис. 68, б); сетки из системы соприкасающихся окружностей одинакового диаметра (рис. 68, в) и комбинированныесетки, содержащие в себе элементы первых трех типов (рис. 68, г). Кроме этих основных сеток для измерений применяются сетки, об­ разованные из концентрических окружностей, сетки с постоянным или переменным шагом, сетки радиальных линий и т. п. [43].

Сетки первого типа с постоянным шагом получили наибольшее распространение при исследовании больших деформаций на поверх­ ностях, характеризующихся близким к однородному напряженным состоянием и отсутствием значительных градиентов напряжений и деформаций. Они отличаются простотой получения и удобны при об­ работке результатов эксперимента, но не всегда эффективны при изу­ чении местных пластических деформаций и не позволяют учитывать, влияние искривления поверхности тела на результаты измерений.

Сетки второго типа в условиях плоской деформации имеют пре­ имущество перед нормальными сетками, так как позволяют регистри­ ровать пластический сдвиг по изменению угла ячейки и менее чувст­ вительны к влиянию кривизны поверхности на результаты изме­ рений.

Сетки третьего типа удобны в тех случаях, когда направлениеглавных напряжений заранее неизвестно; ячейки-окружности та­ ких сеток при деформировании трансформируются в эллипсы, на­ правление осей которых ориентируется по направлению главных напряжений. Эти сетки рекомендуется применять также для иссле­ дования деталей и элементов конструкций с концентраторами на­ пряжений, так как с их помощью можно не только определять на­ правление наибольших удлинений, но и измерять пластический сдвиг, исследовать распределение деформаций при больших градиептах и изучать кинетику разориентировки главных и наибольших дефор­ маций. С помощью сопряженных окруяшостей можно также восста­ новить исходное положение сетки.

Комбинированные сетки являются универсальными и позволяют выполнять все необходимые исследования, которые можно осуще­ ствлять с помощью каждой из сеток первых трех типов в отдельнос­ ти, но они являются более мелкими, наносятся на объект исследо­ вания по достаточно сложной технологии и поэтому используются при точных измерениях, когда применяются микроскопы с большим, увеличением.

Для практической реализации возможностей метода делитель­ ных сеток при постановке эксперимента и регистрации первичных опытных данных необходимо удовлетворить ряд специфических требований. Практика показывает, что при правильной организа­ ции технологии нанесения сеток и техники проведения исследований

можно получить надежные экспериментальные данные с необходи­ мой точностью. В качестве примера рассмотрим случай нанесения координатной сетки на плоскость действия главных деформаций. Компоненты главных деформаций наиболее просто определить, ког­ да их направления известны и не изменяются в процессе нагружения. При таких условиях круг, вписанный в квадратную ячейку сетки, преобразуется в эллипс, а ячейка — в прямоугольник (рис. 69, а). Главные деформации эллипса рассчитываются по формулам [19]

ёх = In ; е2 = In , (VI.6)

где r„, гг, г2 — соответственно радиус круга и главные полуоси эл­

Главные компоненты деформаций и е2 определяют по формулам {V I.6). Все величины, входящие в соотношения (VI.6) — (VI .8), опреде­ ляются по результатам обмеров сеток в исходном и деформированном состоянии с помощью микроскопа обычно с фотоотпечатков. Точность измерений зависит от размеров ячеек, толщины линий и, как правило, определяется технологией и способом нанесения сетки на исследуе­ мый объект.

Известны следующие методы нанесения сеток: кернения, на­ царапывания лилий алмазным либо другим режущим инструментом, фотолитографический метод, метод травленных сеток, метод напы­ ленных сеток, метод накатанных сеток (тангиров и клише).

Основными недостатками методов кернения и нацарапывания являются их повреждающее воздействие на материал поверхности и низкая точность. В настоящее время эти методы используются толь­ ко при грубых качественных оценках напряженно-деформирован­ ного состояния, так как нанесенные таким образом риски представ­ ляют собой концентраторы напряжений, которые искажают по­

ле деформаций внутри ячеек и для малопластичпых высокопрочных материалов могут вызывать преждевременное разрушение.

Фотолитографический метод лишен отмеченных недостатков. Он основывается на применении для измерений стандартных се­ ток, воспроизводимость размеров которых обеспечивается для сколь угодно большого количества деталей. Нанесенные на специально подготовленную поверхность тонкие линии комбинированной сетки позволяют измерять деформацию до 0,2 %. При очевидных метро­ логических преимуществах этот метод отличается сложной техноло­ гией и необходимостью применения специального оборудования для нанесения слоя эмульсии, его обработки, экспопировапия и трав­ ления.

Фотолитографическим методом изготавливают делительные сет­ ки с шагом от 0,025 до 1 мм и шириной штриха 15—20 мкм. При соб­ людении всех требований технологического процесса погрешность исполнения штрихов сетки по шагу составляет не более 0,25 мкм. Этим методом можно также получать жаростойкие сетки, если вмес­ то окрашивания на позитиве свободных от эмульсии участков сетки осуществлять их хромирование.

Для получения износостойких сеток, пригодных для исполь­ зования при высоких температурах, находит применение метод травления. Технология паиесения сеток этим методом значительно проще, чем при использовании фотолитографического метода, од­ нако в этом случае обеспечивается п значительно более низкая точ­ ность измерения деформаций, так как используются сетки с разме­ рами ячеек 10— 13 мм.

Метод напыленных сеток используется для нанесения сеток с базой 0,4—0,04 мм. При этом толщина напыленного слоя состав­ ляет всего 0,1—0,005 мм. Преимуществом таких сеток является то, что поверхность исследуемого металла не подвергается повреж­ дению. При нанесении сетки на полированную и обезжиренную по­ верхность устанавливается трафаретная сетка из меди, никеля или другого металла, а затем деталь помещается в вакуумную печь, предназначенную для напыления металлов, имеющих невысокую температуру плавления, таких, как золото или сурьма.

Метод накатывания сеток с помощью тангиров основан на исполь­ зовании широко применяемых в полиграфической промышленности тангиров, представляющих собой рамку с натянутой на нее тонкой желатиновой пленкой, яа которую нанесена рельефная сетка. Мини­ мальный шаг такой сетки составляет до 150 мкм, а толщина линий находится в пределах 20—60 мкм. Используя медленно сохнущие типографские краски, можно получить делительные сетки, которые сохраняют пластичность в течение нескольких месяцев. Накатанные сетки деформируются вместе с образцом, сохраняя непрерывность и четкость линий при любой степеии деформации. Метод тангиров можно применять только для полированных плоских поверхностей. Недостаток метода заключается в трудоемкости процесса накатыва­ ния и большой его чувствительности к фиксированию положения тангира и детали.

Метод накатывания делительных сеток с помощью металличе­ ских матриц, представляющих собой клише сетки с заданным рисун­ ком, позволяет получать сетки с шагом 0,25— 5 мм и толщиной ли­ ний 20 — 80 мкм. Преимущество этого метода в том, что сетку можно наносить не только на плоскую, но и на криволинейную поверхность, для чего применяются узкие ролики различного диаметра или валики определенной конфигурации.

Качество нанесения сетки обычно контролируется с помощью мик­ роскопа. Сетка считается хорошей, если при 50-кратном увеличении ее линии сохраняют четкость, равнотолщиниость и непрерывность, а углы пересечения линий не размыты.

Диапазон измеряемых методом делительных сеток деформаций при одинаковых условиях нанесения сетки выбранного типа и ре­ гистрации измерений зависит от размера ячейки сетки и степени неравномерности распределения деформаций. Максимальная доступ­ ная для измерения неоднородная деформация определяется прибли­ женным выражением [48] em;n = 1,65 (1— 2a0m), где a0 — размер ячейки недеформированной сетки; т — показатель степени неод­ нородности поля деформаций. Минимальная доступная для измере­ ния неоднородная деформация определяется из такого соотношения:

Точность измерения деформаций методом делительных сеток за­ висит от точности нанесения базовых линий сетки, которые, как было показано, могут наноситься различными способами, а также от точности оптических приборов, применяемых для определения

увеличивается точность измерения деформаций, но уменьшается разрешающая способность метода в зонах с высокими градиентами деформаций. Повышение точности измерений при исследовании объектов с существенно неоднородным папряжепно-деформирован- ным состоянием требует использования делительных сеток с как можно меньшими размерами ячеек и толщиной линий. Выбор из­ мерительного инструмента должен согласовываться со способом на­ несения сетки, так как использование микроскопов с высокой разре­ шающей способностью для измерения грубо нанесенных сеток не дает увеличения точности измерения.

К основным недостаткам метода следует отнести его невысокую точность при измерении малых деформаций, возможность появления погрешности в определении деформаций в результате нарушения регулярной структуры сетки, а также сложность математической обработки результатов обмера искаженных в процессе деформиро­ вания ячеек сетки, приводящую к усреднению компонент деформа­ ции на базе ячейки.

Одним из вариантов метода сеток является зеркально-оптический

бесконтактный метод исследования напряженно-деформированного состояния плоских деталей и элементов конструкций при изгибе [19]. В соответствии с этим методом исследуемый объект с нолироваиной до зеркального блеска поверхностью устанавливается в нагружающее устройство. На некотором расстоянии от поверхности объекта па­ раллельно его плоскости размещают экран, на котором нанесена сетка. В исходном состоянии полированная поверхность отражает линии экрана без искажения. После нагружения объект деформи­ руется, а его полированная поверхность искривляется. При этом линии экрана отражаются от деформированной поверхности с иска­ жениями. Отражение сетки в исходном и в искаженном состоянии фотографируется на одну и ту же пленку и на негативе фиксируется совмещенная картина отраженных линий до и после деформации де­ тали. По искаженному отражению сетки оценивается деформирован­ ное состояние исследуемого объекта. Применение бесконтактного зеркально-оптического метода весьма эффективно для исследования кинетики деформирования при высоких температурах, когда при­ менение других методов затруднено. Этот метод отличается высокой чувствительностью и точностью измерений, сравнительной просто­ той проведения эксперимента и обработки результатов.

8. Метод линий скольжения

Этот метод не обеспечивает получения первичной информации, достаточной для количественного анализа напряженно-деформирован­ ного состояния объектов исследования и поэтому используется сов­ местно с другими экспериментальными методами. Суть метода линий скольжения заключается в том, что при пластическом деформиро­ вании на поверхности металлов возникают так называемые линии Чернова—Людерса, искажающие первоначальный рельеф поверх­ ности. Так как развитие пластических деформаций в металлах обус­ ловлено действием касательных напряжений, то образующиеся линии скольжения представляют собой семейство линий, совпадающих с траекториями максимальных касательных напряжений. Наблюдение за образованием и распространением этих линий позволяет изучать закономерности пластического деформирования металлов и опреде­ лять место и границы очагов деформации при неоднородном напря­ женном состоянии. Анализ линий скольжения при плоскохМ дефор­ мированном состоянии позволяет определять направление макси­ мальных касательных и главных напряжений, а при использовании в качестве вспомогательных методов муара или оптически чувстви­ тельных покрытий позволяет также получать количественные зна­ чения напряжений и деформаций.

Известно, что в любой точке тела, подверженного действию внеш­ них сил, существуют главные площадки, где касательные напря­ жения равны нулю, и расположенные к ним под углом 45° взаимно перпендикулярные площадки, на которых действуют максимальные касательные напряжения. Следовательно, траектории главных на­ пряжений всегда расположены под углом 45° к траекториям макси­

мальных касательных напряжений. Поэтому, используя сетку взаим­ но перпендикулярных линий скольжения, можно с высокой точностью определять в любой зоне исследуемого элемента конструкции харак­ тер поля напряжений и деформации, и с помощью управлений сопро­ тивления материалов и теории пластического течения по известным

Техника реализации метода линий скольжения связана с необ­ ходимостью использования деформируемых поверхностей низкой шероховатости, которая достигается за счет применения таких фи­ нишных операций механической обработки, как шлифование и по­ лировка. Линии скольжения, появляющиеся на полированной по­ верхности в результате изменения ее рельефа при пластическом де­ формировании, могут наблюдаться и фотографироваться только при соответствующем освещении. Если эта поверхность в исходном со­ стоянии была оптически плоской, для регистрации линий скольже­ ния рекомендуется использовать интерферометр отраженного света. Для определения линий скольжения можно также использовать оптически чувствительные покрытия, в этом случае по полю изоклин строят траектории максимальных касательных напряжений, по ко­ торым предсказывают начальную картину пластического течения. При развитом пластическом течении изохромы вытягиваются вдоль линий скольжения.

Линии скольжения могут быть выявлены с помощью травления. При пластическом деформировании происходит изменение физико­ химических свойств материала и подбором соответствующего раство­ ра можно добиться хорошего контраста темных линий сетки на светлом фоне. Так, для армко-железа рекомендуется травитель, пред­ ставляющий собой раствор хлорного железа — 100 г и концентри­ рованной серной кислоты — 4 г в 1000 мл воды, продолжительность травления в котором составляет 16—18 ч.

Линии скольжения на поверхности детали можно также получить с использованием хрупких пленок или с помощью муаровых полос. Выбор способа получения полей линий скольжения зависит от це­ лей и условий проведения эксперимента. Способ наклонного осве­ щения отличается простотой и доступностью, однако наблюдаемые при использовании этого способа линии не всегда достаточно конт­ растны. Способ травления применим только для некоторых металлов и сплавов. С помощью хрупких покрытий получают достаточно конт­ растную сетку линий, но они не долговечны. Область применения оптически чувствительных покрытий для исследования линий сколь­ жения ограничивается только областью комнатных температур.

Метод линий скольжения в основном используется для качест­ венной оценки напряженно-деформированного состояния деталей и элементов конструкций, его техническая реализация связана с ря­ дом методических трудностей, и поэтому он не получил достаточного распространения в практике эксперимента,