Некоторые результаты проверки поляризационно-акустического метода определения остаточных напряжений

Введение. Остаточные напряжения по своей природе весьма неоднородные и при наличии зон высокой их концентрации в твердых материалах, в том числе горных породах, и в случаях нарушения их равновесия, существенно влияют на процессы деформации и разрушения. В горных породах остаточные напряжения в удароопасных и сейсмоактивных зонах определяют общее напряженное состояние массива горных пород. Для определения удароопасных и сейсмоопасных зон массива горных пород требуется надежное определения напряжений, в том числе остаточных, так как они в локальных участках часто являются очагами внезапных динамических разрушений горных пород. Существующие методы определения остаточных напряжений весьма трудоемкие и имеют не высокую точность, за исключением поляризационнооптического метода и метода рентгеноскопии. Поляризационно-оптический метод применяется только для прозрачных материалов, а метод ренгеноскопии позволяет определять только приповерхностные напряжения, так как глубина проникновения рентгеновских лучей в плотных твердых материалах ис- числяется миллиметрами. Нами на основе закономерности изменения относительной величины скорости поперечной поляризованной ультразвуковой волны от механического напряжения [3] был предложен поляризационноакустический метод определения напряжений в твердых материалах [1,2].

Результаты исследования. Для проверки предложенного метода нами были проведены измерения остаточных напряжений, сформированных при сварке стали и в прозрачном материале, где картину распределения напряжений можно было визуально наблюдать поляризационно-оптическим методом. Эти исследования проводились с целью сопоставления результатов определения остаточных напряжений предложенным поляризационно-акустическим методом с известными данными, полученными другими авторами и другими методами.

Фундаментальные исследования остаточных напряжений выполненные в Институте электросварки им. Е.О. Патона свидетельствуют о том, что при сварке формируются значительные остаточные напряжения (рис. 1).

Рис. 1. Эпюры остаточных напряжений в образце с наплавкой, измеренных ультразвуком (1) и методом разгрузки (2); сталь 09Г2С (Институт сварки имени

Е. О. Патона) [4]

На рисунке 1 представлены графики остаточных напряжений в плоском образце, изготовленной из стали 09Г2С, полученные по результатам ультразвуковых (1) и тезометрических (метод разгрузки) измерений [4,5]. Различия в значениях напряжений, наблюдающиеся при измерении без разрушения (ультразвуком) и тензодатчиками с разрезкой образца, могут быть объяснены неполным снятием напряжений при разрезке.

Нами, для сравнения результатов, была изготовлена стальная плита (размеры: 220х245х20 мм) со сварным швом в центральной части. Прозвучи-вание стальной плиты проводилось поляризованной поперечной ультразвуковой волной вдоль ширины плиты параллельно к сварному шву.

По данным скорости прохождения поперечной поляризованной ультразвуковой волны и с помощью следующей формулы (Закон Кушбакали) [3]:

^ X = ( V OZ- - 1) K z              ^ = ( V SOX- - 1) K x

V SZ                               V SX

;;

^ Z = ( VF - 1) K y

V SY

σσσ

где ^X , ^Y , ^Z - компоненты нормального напряжения по направлению X, Y, Z соответственно; KX, KY,

KZ – волновой модуль напряжения (название модуля наше) по соответствующим направлениям; VSX, VSY, VSZ – скорости распространения ультразвуковой поперечной поляризованной волны через представительную базу напряженного (нагруженного или с остаточными напряжениями) материала по соответствующим направлениям; VSOX , VSOY , VSOZ - скорости распространения ультразвуковой поперечной поляризованной волны по направлениям X, Y, Z соотственно при отсутствии напряжения (не нагруженное состояние, без остаточных напряжений), были получены значения остаточных напряжений в стальной плите со сварным швом (рис.2).

Результаты исследований остаточных напряжений в стальной плите со сварным швом поляризационнооптическим методом показали, что в зоне и вблизи сварочного шва имеются значительные растягивающие остаточные напряжения. С удалением от сварочного шва растягиваюшее остаточное напряжение уменьшается и переходит в сжимающее, причем тоже далее уменьшается с удалением от шва и по мере приближения к сободной боковой поверхности, а в близи свободной поверхности наблюдается снова растягивающее напряжение (рис. 2).

Стальная плита со сварочным швом (сталь 3, правая часть, 220х245x20 мм)

Рис. 2. График остаточного напряжения в правой от сварного шва части стальной плиты

Наши результаты определения сварочных остаточных напряжений (рис. 2), полученные путем прозвучивания поляризованной поперечной (сдвиговой) волной и на основе установленной закономерности хорошо согласуется с данными сварочных остаточных напряжений полученными в Институте электросварки им. Е.О. Патона методом разгрузки, а также ультразвукового прозвучивания и теоретических расчетов [4,5] (рис. 1).

На рисунке 3 представлены результаты определения остаточных напряжений по указанной выше формуле поляризационно-акустическим методом. Как визуально видно из рисунка 3 по картине изохром известного поляризационно-оптического метода в участке 1 образца №60 (органическое стекло) остаточные напряжения практически отсутствуют, в участке 2 имеются относительно не высокие напряжения, а в уча- стке 3 имеются значительные остаточные напряжения. Из картины следует, что в участке 3 концентрация остаточных напряжений создана путем сжатия раздельных частей образца органического стекла при высокой температуре.

Результаты определения остаточных напряжений поляризационноакустическим методом показали соответствие распределения остаточных напряжений по сечению образца по направлениям X и Y в участках 1, 2 и 3 с картиной изохром поляризационнооптического метода. По данным ультразвукового прозвучивания поляризованной сдвиговой волной в участке 3 действительно по направлению Y имеются значительные сжимающие остаточные напряжения, а в участке 2 по направлению Y имеются минимальные остаточные напряжения, по направлению X остаточные напряжения практически отсутствуют.

Рис. 3. Распределение остаточного напряжения по поперечному сечению образца органического стекла (поляризованный свет, обр.№60, Н=70мм.)

По поляризационно-акустическому методу в участке 1 остаточные напряжения практически отсутствуют, так как разность значений скорости сдвиговой поляризованной волны по взаимно перпендикулярным направлениям – по Х и по У минимальная, практически равна нулю и единичные значения скоростей находятся в пределах разброса данных (в пределах доверительного интервала) и по взаимно перпендикулярным направлениям V SO =1647,83м/с, то есть - o_x1 = 0; a_y i = 0; в участке 2 по формуле - 0 x2 =( ^Ц^-1) *(-0,7745)10⁴ МПа =0; σ y2 = 0,00141 *(-0,7745)10⁴ МПа = -10,92 МПа; в участке 3 - σ x3 = 0,00155 *(-0,7745)10⁴ МПа = -

12 МПа; σ y3 = 0,00753 *(-0,7745)10⁴ МПа = -58,34 МПа.

Полученные по поляризационноакустическому методу результаты согласуются с картиной изохром, т.е. с данными известного поляризационно -оптического метода. На рисунке 4 представлена картина поперечного сечения образца органического стекла (эталонный образец №19, органическое стекло, Н=60мм) на поляризованном свете, согласно которой по поляризационно-оптическому методу в данном образце остаточные напряжения в участках 1; 2; 3 и по X и Y отсутствуют. Это подтверждается результатами ультразвукового прозвучивания данного образца поляризованной сдвиговой волной (таблица 1).

Рис. 4. Вид поперечного сечения образца органического стекла (эталонный образец №19 без остаточных напряжений, органическое стекло, Н=60мм) на поляризованном свете

По скорости сдвиговой поляризованной ультразвуковой волны (по поляризационно-акустическому методу) в участке 1, 2, 3 остаточные напряжения практически отсутствуют, так как отклонения значений скорости сдвиговой поляризованной волны по взаимно перпендикулярным направлениям – по X и по Y для всех точек практически одинаковы и находятся в пределах разброса данных. Среднее значение скорости сдвиговой поляризованной ультразвуковой волны по всем направлениям практически составляет VSO =1543,61 м/с.

Таблица 1. Данные скорости поляризованной сдвиговой (поперечной) волны (эталонный образец №19 без остаточных напряжений, органическое стекло, Н=60мм)

Номер точки замера	Время прохождения поляризованной сдвиговой (поперечной) волны, мкс		Скорость поляризованной сдвиговой (поперечной) волны, м/с
	вектор поляризации по X	вектор поляризации по Y(I I)	вектор  поляризации по X	вектор  поляриза ции по Y(I I)
1	38,87	38,87	1543,61	1543,61
	38,87	38,88	1543,61	1543,21
	38,88	38,87	1543,21	1543,61
	38,88	38,88	1543,21	1543,21
	38,88	38,87	1543,21	1543,61
Сред. значение	38,88	38,87	1543,37	1543,45
2	38.86	38.88	1544,0	1543,21
	38.86	38.88	1544,0	1543,21
	38.88	38.89	1543,21	1542,81
	38.88	38.88	1543,21	1543,21
	38.87	38.87	1543,61	1543,61
Сред. значение	38.87	38.88	1543,61	1543,21
3	38.86	38.87	1544,0	1543,61
	38.85	38.88	1544,4	1543,21
	38.88	38.87	1543,21	1543,61
	38.88	38.88	1543,21	1543,21
	38.88	38.87	1543,21	1543,61
Сред. значение	38.87	38.87	1543,61	1543,61

Заключение. Результаты экспериментальных исследований остаточных напряжений, сформированных при электросварке стали и термомеханическом воздействии на органическое стекло показали, что величины и знаки напряжений в этих разных по механическим свойствам материалах, установленные поляризационно-акустическим методом, качественно согласуются с данными, полученными в указанных материалах методами разгрузки, ультразвуковых исследований и расчетов, а также картиной изохром поляризационно-оптического метода. Для дальнейшей широкой проверки поляризационно-акустического метода определения остаточных напряжений необходимо экспериментально устанавливать значения волнового модуля напряжений раз- ных твердых материалов, в том числе горных пород.