Конспект урока на тему: "Напряжение и деформация"

Мaзмұны

Кіріспе

Курстық жұмыстың өзектілігі – деформация мен механикалық кернеулерді өлшеу материалдардың физикалық қасиеттерін зерттеу кезінде және әр түрлі бөлшектердің, машиналардың, құрылыс конструкциялары мен ғимараттарын беріктікке сынау кезінде кең қолданылады. Сонымен қатар, жер қыртысын және тау жыныстарын зерттеуде де пайдаланылады.

Объектілерді зерттеу арқылы олардың кернеулі-деформацияланған күйі жайлы ақпарат алуға болады. Соның арқасында апатты жағдайлардың алдын-алуға болады. Сонымен қатар, деформация мен механикалық кернеулерді өлшеу әдістерін пайдалана отырып, бөлшектерді, конструкцияларды сынау арқылы олардың жетілдірілген үлгісін жасауға мүмкіндік болады. Сондықтан, таңдап алынған курстық жұмыстың тақырыбы өзекті болып табылады.

Курстық жұмыстың мақсаты – Механикалық кернеу мен деформацияны өлшеу әдістері мен аспаптарын қарастыру. Яғни, деформация мен кернеуге жалпы сипаттама беру, әдістерді талдау, аспаптардың қолданылу мысалдарын қарастыру.

Курстық жұмыстың зерттеу есебі – Термосерпімді әдісіне, поляризационды-оптикалық әдісіне, рентгендік тензометрия әдісіне, магнитоанизотропты әдісіне, акустосерпімді әдісіне сипаттама беру. Тензометрлердің және ИН-5101 А заманауи аспабының жұмысымен танысу.

Курстық жұмыстың зерттеу пәні және объектісі – Механикалық кернеу мен деформацияны өлшеу әдістері. Тензометрлер және ИН-5101 А заманауи аспабы.

Курстық жұмыстың құрылымы – Курстық жұмыс кіріспеден, үш бөлімнен, қорытындыдан, пайдаланылған әдебиеттер тізімінен тұрады және 28 бетті құрайды, кестелер саны – 2, суреттер саны – 26.

1 Механикалық кернеу мен деформация

1.1 Механикалық кернеуге жалпы сипаттама

Механикалық кернеу – әр түрлі факторлардың әсерінен деформацияланатын денеде пайда болатын, ішкі күштердің өлшемі.

Механикалық кернеу, кез-келген қимасына серпiмдiлiк күштер әсер ететiн, деформацияланатын дененiң кернеулiк күйiн сипаттайды. Бұл, деформация кезiнде дене бөлшектерiнiң орын ауыстыруына қарсылық жасайтын молекулалардың артық тартылыс және тебiлiс күштерi.

Механикалық кернеу деп F_сер серпiмдiлiк күшi шамасының дененiң көлденең қимасының S ауданына қатынасын атайды (1.1):

(1.1)

мұндағы – механикалық кернеу, Па;

– серпiмдiлiк күшi, Н ;

– дененің көлденең қимасының ауданы, м².

СИ жүйесiнде кернеудiң өлшем бiрлiгi ретiнде, қысымдағыдай 1 Па = 1 Н/м² - ты қабылдайды.

Гук заңы. Стерженнiң созылуы кернеу σ - ның салыстырмалы ұзару ε - ға тәуелдiлiгiн сипаттайды. Бұндай тәуелдiлiктiң графигi созылу диаграммасы деп аталады (1.1-сурет). Деформация аз болғанда, кернеу салыстырмалы ұзаруға тура пропорционал болады.

(1.2)

мұндағы – Юнг модулi, Па;

– салыстырмалы ұзару.

Бұл формула (1.2) біржақты созылу (сығылу) үшін Гук заңының жазылуының бір түрі болып табылады. Бұл формулада ұзару модуль бойынша алынған, себебі, ол оң және теріс болуы мүмкін.

Гук заңы әлi де болса орындалатын кернеудiң барынша үлкен мәнi пропорционалдық шегi деп аталады. Егер кернеудi сәл ғана үлкейтсек, онда деформация сызықты болмайды. Пропорционалдық шегінен әрі (А нүктесі) кернеу салыстырмалы ұзаруға пропорционалды болмайды; белгілі бір кернеуге дейін жүктемені алғаннан соң, дененің өлшемдері толықтай қалпына келеді. Бұндай деформация серпімді деп аталады. Әлi де болса қалдық деформациялар туындамайтындай, кернеудiң барынша үлкен мәнi серпiмдiлiк шегi (В нүктесі) деп аталады. Серпiмдiлiк шегi пропорционалдық шегiнен сәл ғана асады. Егер сыртқы жүктеме серпiмдiлiк шегiнен асса, онда оны алып тастағаннан кейiн үлгi деформацияланады. Жүктеменiң ұлғаю шамасына қарай, деформация да тезiрек өседi. Диаграмммадағы С нүктесiне сәйкес келетiн кернеудiң кейбiр мәнiнде, жүктеменiң ұлғаюынсыз-ақ ұзару болады. Бұл құбылыс материалдың аққыштығы деп аталады (диаграммадағы СD көлденең бөлiгi). Деформацияның одан әрi ұлғаюы, тағы да өзiнiң барынша үлкен мәнiне Е нүктесiнде жететiн кернеудiң өсуiмен байланысты, сонан соң үлгiнiң қирауына сай келiп (К нүктесі), кернеу күрт азаяды. Кернеудiң, материалды қирауға ұшырататын, ақырғы барынша үлкен мәнi берiктiк шегi (Е нүктесіне сәйкес келетін кернеу) деп аталады.

– пропорционалдық шегі; – серпімділік шегі; – беріктік шегі; – кернеу; – салыстырмалы ұзару

1.1-сурет – Созылу диаграммасы

Гук заңына енетiн пропорционалдық коэффициентi Е серпiмдiлiк модулi немесе Юнг модулi деп аталады. Көптеген материалдар үшiн Юнг модулi тәжiрибе жүзiнде анықталған. Басқа шарттары бiрдей бола тұрғанымен, неғұрлым Юнг модулi үлкен болса, соғұрлым стержень аз деформцияланады. Юнг модулінің өлшем бірлігі Па.

Гук заңын басқаша, мына түрде көрсетуге болады. (1.2) қатынасына (1.1)-шi өрнектi және - ды қоя отырып мынаны аламыз (1.3):

(1.3)

Бұдан

(1.4)

немесе

(1.5)

Мұнда мынадай енгiзу жасалған (1.6):

(1.6)

Бұл формуладағы физикалық шамасы материалдың қатаңдығы деп аталады.

1.2 Деформацияға жалпы сипаттама

Қатты денелер әрқашанда өздерiнiң сыртқы пiшiндерiн сақтап тұра алмайды. Сыртқы күштердiң әсерiнен олардың геометриясы мен көлемi өзгеруi мүмкiн.

Сыртқы күштердiң әсер етуiнiң нәтижесiнде дененiң сыртқы пiшiнi мен көлемiнiң өзгеруi деформация (ағылш. deformation) деп аталады

Дененiң әртүрлi бөлшектерi сыртқы күштердiң әсерiнен әртүрлi орын ауыстыру жасайтын болса, онда ол жағдайда қашанда деформация пайда болады. Сыртқы күштердiң әсерi тоқтатылғаннан кейiн жоғалып кететiн деформациялар – серпiмдi деформациялар деп, ал жоғалмайтын деформациялар – пластикалық деформациялар деп аталады.

Денеге әсер ететін күштердің сипатына қарай деформацияны келесі түрлерге жіктейді:

• созылу деформациясы;

• сығылу деформациясы;

• ығысу деформациясы;

• иілу деформациясы;

• бұралу (майыстыру) деформациясы.

Ең қарапайым деформация түрлері:созылу деформациясы, сығылу деформациясы және ығысу деформациясы болып табылады.

Сығылу және созылу деформациясы. Егер бiртектi металл стерженнiң екi ұшына шамасы жағынан тең, бағыттары жағынан қарама – қарсы күштермен әсер етсек, онда стерженнiң деформациясы созылу деформациясы (1.2-сурет) деп аталады.

1.2-сурет  Үлгінің созылу сұлбасы

Созылу деформациясы мынадай екi шамамен сипатталады: абсолютті және салыстырмалы.

Абсолюттi ұзару(1.7):

(1.7)

Салыстырмалы ұзару (1.8):

(1.8)

мұндағы – стерженнiң бастапқы ұзындығы, м;

– соңғы ұзындығы, м.

Егер осы стерженге бiр – бiрiне бетпе-бет бағытталған күштермен әсер етсек, онда стержень сығылу деформациясына (1.3-сурет) ұшырайды Бұл жағдайда абсолюттiк және салыстырмалы ұзарулар терiс таңбалы болады.

1.3-сурет  Үлгінің сығылу сұлбасы

Көптеген қатты денелердiң деформациялары аз ғана созылуға және сығылуға ұшырағанда (Δll₀) серпiмдi болып келедi.

Ығысу (жылжу) деформациясы. Деформацияның бұл түрi, тiк қабаттар белгiлi бiр бұрышқа бұрылғанда, жазық қабаттардың өзара бiр-бiрiмен параллель күйде жылжуымен сипатталады.

Дене қабаттарының бiр-бiрiмен салыстырмалы түрде ығысуына әкелiп соғатын деформацияны ығысу деформациясы (1.4-сурет) деп атаймыз.

Үлкен бұрыштарға жылжуы дененiң сынуына – сызаттың пайда болуына әкелiп соғады. Ол қайшымен, қашаумен және т.б. жұмыс iстеген кезде пайда болады.

1.4-сурет  Үлгінің ығысу сұлбасы

Иiлу және бұралу. Бұлар деформацияның күрделi түрлерiне жатады. Әлбетте, иiлу және бұралу бiртектi емес созылу (сығылу) және бiртектi емес ығысу деформацияларына келтiрiледi. Мысалы, жүктелiнген бөрене(балка) иiлу деформациясына ұшырайды. Бұранданы бұрағанда, машина бiлiгiн, бұрғыны және т.б. айналдырғанда бұралу деформациясына ұшырайды.

Иілу деформациясы (1.5-сурет) кезінде дененің негізгі осінің біртектілігі бұзылады. Иілу деформациясы бір немесе бірнеше тіректерде ілінген барлық денелерде орын алады.

1.5-сурет  Үлгінің иілу сұлбасы

Бұралу деформациясы – дене осінің перпендикуляр жазықтығында әсер ететін күштермен пайда болатын айналу моментінің денеге әсері орын алатын деформация түрі (1.6-сурет).

1.1-кестеде деформацияның белгілері көрсетілген.

1.6-сурет  Үлгінің бұралу сұлбасы

1.1-кесте  Деформациялардың белгілері

2 Механикалық кернеу мен деформацияны өлшеу әдістері

2.1 Термосерпімді әдіс

Қарастырылатын әдіс - серпімді дененің деформациясы кезінде оның температурасының өзгерісі орын алатын термосерпімді эффектіге негізделген. Серпімді дененің деформациясы оның температуралық өрісінің қайтадан таралуын тудырады. Серпімді дененің беттік температурасының өзгерісі негізгі механикалық кернеуледің қосындысынан сызықты тәуелді болады. Бұл жағдай деформацияны емес, механикалық кернеуді тікелей өлшеуге мүмкіндік береді. Механикалық кернеуді тікелей өлшеу осы әдістің артықшылығы, себебі, көптеген басқа әдістер деформацияны өлшегеннен кейін сол бойынша механикалық кернеулердің анықталуына негізделеді. Әдіс тек қана айнымалы механикалық кернеулерді өлшеуге пайдаланылады. Себебі, температуралық эффектінің әсерінен температураның өзгерісі салыстырмалы аз болады және зерттелінетін объектінің жалпы температуралық өрісінің фонында жылулық сәлеленудің айнымалы құрамын бөліп алу арқылы ғана анықталады. Температуралардың салыстырмалы өзгеруі механикалық кернеулердің жиіліктеріне тәуелді болмайды да, тек қана материалдың қасиеттерімен және механикалық кернеулердің мәндерімен келесі формула бойынша анықталынады (2.1):

(2.1)

мұндағы  термосерпімділіктің коэффициенті.

Сызықты кеңеюдің оң коэффициентіне ие серпімді материалдар (мысалы, металдар) термосерпімділіктің теріс коэффициентіне ие болады. Жүктеудің адиабаталық шарттары сақталған кезде, осындай материалдардан жасалған денелердің беттік температурасы механикалық кернеулердің өсуі кезінде төмендейді.

Механикалық кернеулердің термосерпімді әдіспен анықтау сезімтал инфрақызыл пирометрлердің (тепловизорлардың) көмегімен зерттелетін объектінің температуралық өрісінің параметрлерін өлшеу арқылы жүзеге асады. Неғұрлым заманауи аспаптарда сезімталдық шегі 0,005 - 0,01  С.

Термосерпімді әдіс статикалық кернеулерді өлшеу үшін жарамсыз. Термосерпімді әдістің тағы да бір кемшілігі зерттелетін деформациялардың бағыттары мен компоненттері жайлы ақпаратты алудың мүмкін болмауы. Себебі, температураның өзгеруі басты деформациялардың қосындысына пропорционал және олардың бағыттарына тәуелді емес.

Термосерпімді әдіске негізделген өлшеуіш жүйенің құрамы: зерттелінетін беттің кескін жаймасын қамтамасыз ететін қос айналы сканерлеуші құрылғы, жарықты бөлгіш, детектор. Тіркелетін инфрақызыл сәуле жарықты бөлгіштен шығып, 16-түсті дисплейдің экранында кескінді тіркеу және визуалдау каналына беріледі. Бұл зерттелінетін объектінің бетінің екі осьті күйінің өрісін байқауға мүмкіндік береді.

Термосерпімді әдіс механикалық кернеулерді өлшеудің болашығы мол жанаспайтын әдісі болып табылады.

2.2 Поляризационды-оптикалық әдіс

Кернеулерді (фотосерпімді әдіс) зерттеудің поляризационды-оптикалық әдісі - оптикалық сезімтал материалдардан жасалған, мөлдір моделдердегі машина элементтері мен конструкциялардың кернеулі-деформацияланған күйін тәжірибелі зерттеу әдісі. Дефромация кезінде көптеген мөлдір изотропты материалдарың (шыны, целлулоид, желатин, пластмассалар – оптикалық сезімтал немесе пьезооптикалық материалдар) оптикалық анизотропты болу қасиетіне негізделген. Яғни, жасанды қосарлы сәуленің сынуының пайда болуы. Оптикалық анизотропия – ортаның оптикалық қасиетінің ондағы жарықтың және оның поляризациясының таралу бағытына тәуелділікпен ерекшеленуі. Ортаның оптикалық анизотропиясын сыну көрсеткіштерінің эллипсоидімен толық сипаттауға болады. Сынудың n₁, п₂, п₃ үш көрсеткіші бағыттары кернеулер тензорының негізгі остерінің s₁, s₂, s₃ бағыттарымен сәйкес келетін эллипсоидтың үш жарты осін құрайды (2.2, 2.3, 2.4):

(2.2)

(2.3)

(2.4)

мұндағы  кернеулі дененің сыну коэффициенті;

және  берілген материал үшін қосарлы сәуленің сынуы мен кернеулі күйдің арасындағы тәуелділікті сипаттайтын оптикалық коэффициенттер.

Өз жазықтығында жүктелген, қалыпты бағытталған s₃ кернеу пластинкада нөлге тең. Сонымен қатар, оптикалық симметрияның басты жазықтықтарының бірі оның жазықтығымен сәйкес келеді. Пластинканың жазықтығына перпендикуляр түсетін жарық үшін теңдеу келесідей болады (2.5 және 2.6):

(2.5)

(2.6)

Оптикалық әдіспен жазық есептерді шешу кезінде салыстырмалы оптикалық жол айырымы немесе , яғни Вертгейм теңдеуі негізгі болып табылады (d – пластинканың қалыңдығы, С – кернеулердің салыстырмалы оптикалық коэффициенті).

D  диафрагма; Е  экран; S – жарық көзі; Р – поляризатор; – толқын ұзындығының төрттен бір бөлігі; А – талдағыш

2.1-сурет  Полярископтың сұлбасы

Жүктелген пластинканың оптикалық қасиеттерін полярископта сәуле түсіру арқылы анықтайды. Полярископтар шеңберлі және сызықтық (жазық) болып ажыратылады. Шеңберлі полярископ (2.1-сурет): S – жарық көзі (монохроматты – жарықты сүзгіші бар газ қуатсыздану шамдары немесе ақ жарықтың көздері – қызу шамдары), Р поляризаторды өткеннен соң, жарық сызықты поляризацияланған болады; толқын ұзындығының төрттен бір бөлігі болатын пластинка – сызықты поляризацияланған жарықты шеңбер бойынша поляризацияланған жарыққа түрлендіреді; линзалар жүйесі – параллель жарық шоғырын береді; толқын ұзындығының төрттен бір бөлігі болатын компенсациялайтын пластинкадан жарық өткен кезде қайтадан сызықты поляризацияланған жарықты аламыз; А талдағышы (анализатор) – жарық векторының тербелістерін тек қана бір бағытымен жарықты өткізеді; линзалар жүйесі – бейнені экранға түсіреді. Толқын ұзындығының төрттен бір бөлікті пластинкалар арасындағы кеңістікте (шеңберлі полярископтың жұмыс аймағы) щеңбер бойынша поляризацияланған параллель жарық шоғыры бар болады. Егер де шеңберлі полярископта толқын ұзындығының төрттен бір бөлікті пластинкаларын алып тастаса, онда жұмыс аймағында сызықты поляризацияланған жарықтың параллель шоғырын аламыз, яғни, жазық полярископ. Полярископ:

• түйіскен поляризацияланушы сәулелердің интерференциясын қолданатын жарық поляризациясын зерттеуге арналған оптикалық құрал;

• поляризацияланған сәулелердің интерференциясын бақылау жолымен мөлдір денедегі механикалық кернеудің таралуын зерттеуге арналғаноптикалық құрал.

Оптикалық сезімтал жабындардың көмегімен бұйымның кернеулі күйін визуалды зерттеуге мүмкіндік беретін шағын өлшемді ИГ-86 поляриметрінің сұлбасы 2.2-суретте көрсетілген. Бұл поляриметр – жазық және шеңберлі поляризация жағдайларында интерференционды көріністі байқауға және түстерді салыстыру әдісі арқылы да, компенсационды әдісі арқылы да жолдың оптикалық айырымын өлшеуге мүмкіндік береді.

1 – жарықтың көзі; 3 – объективтің фокусы; 2, 7 және 12 – кірдің аспапқа тиюінен қорғайтын қорғаушы шынылар; 4 – поляризатор; 8 – жартылай күңгірт айна; 6 – оптикалық сезімтал жабын; 5 – зерттелетін обьект; 9 – компенсатор; 10 – талдауыш; 11 – объективтін фокалды жазықтығы; 13 – көздік (окуляр); 15 – шығу қарашығы; 14 – жарықты сүзгіш

2.2-сурет  Шағын өлшемді ИГ-86 поляриметрінің оптикалық сұлбасы

Жолдың оптикалық айырымын өлшеудің шегі 0-ден 5-ке дейінгі интерференционды реттерге тең. Өлшеудің қателігі 0,05 интерференционды реттерге тең.

Кернеулер мен деформацияларды зерттеуде әр түрлі есептерді шешуде поляризационды-оптикалық әдістің қолданылу ерекшеліктеріне байланысты, осы әдістің негізгі үш бағыты бар. Олар: фотосерпімді әдіс, фотосозылмалылық әдіс, оптикалық сезімтал жабындар әдісі.

Фотосерпімді әдіспен серпімді аймақта жұмыс істейтін бұйымдар үшін жазық және көлемді есептерді шешеді. Бұл мақсаттар үшін эпоксидті шайыр негізіндегі материалдардан бөлшектердің мөлдір модельдерін дайындайды. Серпімді материалдар үшін изохроматиялық жолақтың мөлшерін, Юнг модулін және Пуассон коэффициентін білу жеткілікті.

Фотосозылмалылық әдісті сыртқы жүктеулердің әсерінен метал пішінінің пластикалық өзгеруі орын алатын есептерді қарастырғанда пайдаланады.Фотосозылмалылықта қолданылатын оптикалық сезімтал материалдарға зерттеудің нақты мақсаттарымен байланысты арнайы талаптар қойылады. Бұл талаптар фотосерпімділікте қолданылатын материалдарға қарағанда қатаңдау болып келеді.

Олар келесідей болады:

• механикалық және оптикалық біртектілік;

• жоғары созылмалылық;

• модельдің материалының реологиялық қасиеттерінің нақты материалдың қасиеттеріне сәйкес келуі;

• оптикалық эффекті мен кернеулер, деформациялар, температура, т.б. арасында белгілі бір байланыстың болуы.

Фотосозылмалылық модельдерді дайындау үшін целлулоид, полистирол, поликарбонатты шайыр және т.б. пайдаланылады.

Зерттелінетін объектінің бетіне жағылатын оптикалық сезімтал жабындар әдісінің негізі - оптикалық сезімтал қабаттың объекті бетінің деформациясын көшіріп алуында болып табылады.

2.3 Рентгендік тензометрия әдісі

Бұл әдіс поликристаллды материалдардан жасалған объектілердің құрылымы мен кернеулі күйін зерттеу үшін қолданылады. Бұл әдіс поликристаллды материалдар торының жазықтығында рентгендік сәулелердің дифракция құбылысын қолдану арқылы жазықтық аралық қашықтықты өлшеуге негізделген. Поликристаллды үлгінің торын монохроматты рентгендік сәулелермен сәулелендіру кезінде, рентгендік сәулелену режимінде атомдар тербеледі және тербелістердің корпускулярлы генераторы ретінде әсер етеді. Олардың сәулеленуі ішкі геометриялық шарттарға байланысты интерфериялайды және Брегг теңдеуімен анықталынады (2.7):

(2.7)

мұндағы – рентгендік сәулеленудің толқын ұзындығы, м;

– дифракция бұрышы;

hkl – тордың жазықтықтары үшін Миллер индекстері.

Поликристаллды үлгіде ішкі кернеулер болмаса, онда торлардың сәйкес жазықтықтары арасындағы қашықтық бірдей болады және үлгіде осы жазықтықтардың орналасуына тәуелсіз болады. 2.3 а-суретте үлгідегі механикалық кернеулерден еркін индекстері тең болатын торлардың бірнеше жазықтықтарының таралуы көрсетілген. 2.3 б-суретте осьтердің бірінің бойында _x ұзару кернеуі болғандағы таралу. Сыртқы және ішкі кернеулермен шартталған серпімді деформациялар торлардың жазықтықтарының арасндағы қашықтықтың өзгеруіне әкеледі. Деформацияланған кристаллдағы ішкі кернеулердің таралуы - (d/d)_hkl берілген кристталлографиялық бағытта тор периодының салыстырмалы өзгеруінің эксперименталды өлшенген мәндері бойынша және атомды жазықтықтардың микроскопиялық қисығы бойынша табылуы мүмкін.

Рентгендік тензометрия әдісін 2.3-суреттен көруге болады.

а) Механикалық кернеулерден еркін, индекстері тең болатын торлардың бірнеше жазықтықтарының таралуы

б) Осьтердің бірінің бойында _x ұзару кернеуі болғандағы таралу

2.3-сурет  Рентгендік тензометрия әдісі

в) Рентгендік тензометрия әдісін жүзеге асыру

2.3-сурет (жалғасы)

Рентгендік тензометрия әдісін жүзеге асыру 2.3 в-суретінде түсіндіріледі. Ренттгендік сәулелену көзден (1) лимба ортасында (3) орналастырылған зерттелінетін үлгіге(2) бағытталады, одан сәулелену интерферияланғаннан кейін, сцинтиляционды санағышқа (4) шағылады. Дискінің жазықтығына перпендикуляр, үлгі мен санағышты ось бойынша бұру арқылы  дифракция бұрышын анықтайды. Дифракциялық максимумдарға сәйкес келетін өлшенген бұрыштардың мәндері арқылы және сәулеленудің белгілі толқын ұзындығы бойынша тордың жазықтықтарының арасындағы қашықтықты анықтайды. Олар кристаллдық тордың құрылымы, асимметриясы және деформациясы жайлы ақпарат береді. Осындай өлшеуіштік құрылғының көмегімен – 65 -тан +65-қа дейінгі тордың жазықтығы мен үлгі беті арасындағы  бұрышы кезінде дифракция бұрыштары 25-тан 82-қа дейінгі дифракциялық сызықтарды зерттеуге болады.

Рентгендік интерференция негізінде өлшеу үдерісін автоматтандыруға болады. Әр түрлі бөлшектердегі серпімді деформациялар мен кернеулерді анықтау үшін ЭЕМ-да (электронды есептеуіш машина) алынған ақпаратты өңдеу үшін типтік бағдарламалар жасалынған.

Әдіс статикалық және динамикалық кернеулерді өлшеуге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, ұсақ кристаллды материалдарда сызықтық өлшемдері ондаған микрометрлерден аспайтын, өте аз аймақтардағы кернеулердің градиентін өлшеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, объектінің бетіне 0 -тан 65-қа дейінгі бұрыштарды нормалмен жасайтын кез келген бағыттағы деформацияны өлшеуге болады.

Бұл жұқа қабықтағы деформация мен кернеулердің таралуының микро құрылымын табуға мүмкіндік береді.

2.4 Магнитоанизотропты әдіс

Механикалық кернеулердің өрісін зерттеу үшін кернеуді электромагниттік өлшеу тобына жататын аспаптар қолданылады. Олардың жұмыс істеу принципі магнитсерпімді эффектіге негізделген. Магнитсерпімді эфффект дегеніміз - механикалық кернеулердің әсерінен ферромагнитті материалдардың магнит күйін өзгерту қасиеті. Магнитсерпімді эффектіге магнитсерпімді және магнитоанизотропты түрлендіргіштердің жұмыс істеу принципі негізделген.

Стандарт бойынша есептерді шешу кезінде кететін қателіктердің көп болуы және кейбір физикалық құбылыстарды ескермеу көп уақыт бойы тәжірибеде электромагниттік әдістерді қолдануға кедергі болды. Металдың жоғары қабаты (0.2 мм-ге дейін) конструкцияға сай келмейтін кернеулі күйде (тойтарма, азоттандыру, кірігу, механикалық микро сызаттар, т.б.) болады. Электромагниттік өрістер көмегімен механикалық кернеулерді бақылау дәлдігінің нашар болуының тағы да себептері магнитомеханикалық гистерезис және гистерезис тұзағының (2.4-сурет) параметрлерінің бірі бойынша (мысалы, коэрцитивті күш бойынша ғана немесе қалдық индукция бойынша ғана) нәтижені алу талпынысы.

Гистерезис тұзағы - дененің күйі сыртқы шарттан бір мәнді емес тәуелді болғанда, сыртқы шартты сипаттайтын физикалық шама мерзімді өзгерткен кездегі, дененің күйін сипаттайтын физикалық шаманың соңғыға тәуелділігінің графиктік кескіні.

Құбылыстың физикалық табиғатын толық қарастыру және гистерезис тұзағының бірнеше параметрлерінде пайдалы ақпараттың болу фактісін ескеру Stressvision аспаптарын жасауға мүмкіндік берді.

Магнитоанизотропты түрлендіргіштер өзара перпендикуляр П-тәрізді магнит өткізгіш ретінде болады. Магнит өткізгіштің бірінде қоздыру орамасы, бірінде өлшеуіш орамасы орналасқан. Түрленіргіштер сыртқы күшпен жүктеу кезінде ферромагнетикте пайда болатын магниттік қасиеттердің анизотропиясын пайдаланады және магнитсерпімді түрлендіргіштерді пайдаланатын аспаптардың кемшіліктерінен тәуелсіз.

Механикалық кернеулер мен ортаның магниттік қасиеттерінің арасындағы байланыс магнитсерпімді сезімталдықпен сипатталады (2.8):

(2.8)

мұндағы – магнит индукциясы (әрекеттің шамасымен және бағытымен сипатталады );

– механикалық кернеу.

2.4-сурет  Гистерезис тұзағы

Магнитоанизотропты түрлендіргіштің жұмыс істеу принципі өлшеулер аймағында бастапқы орамамен жасалатын магнит индукция векторының бұрылу эффектісіне негізделген. Магнитоанизотропты әдісті қолдану мысалы 2.5-суретте көрсетілген.

Толық талдау магнитоанизотропты түрлендіргіштен шығатын сигнал бірден (яғни, қандайда бір өңдеуге дейін) басты механикалық кернеулердің айырымына пропорционал сигнал беретінің көрсетеді (2.9):

(2.9)

Алынған нәтиже өте маңызды, себебі, беріктіктің үшінші критериіне сәйкес материалдың бұзылуы келесі жағдайда болады (2.10):

_(2.10)

2.5-сурет  Магнитоанизотропты әдісті қолдану мысалы

2.5 Акустосерпімді әдіс

Акустосерпімді әдіс - механикалық кернеулердің мембранды мәндерін (материал қалыңдығы бойынша орташаландырылған) өлшеуге мүмкіндік беретін бұзбайтын бақылаудың жалғыз әдісі. Басқа әдістер (рентгендік дифрактометрия, лазерлік және магниттік әдістер, дәстүрлі тензометрия) тек қана беттік кернеулерді өлшеуді қамтамасыз етеді. Ол кернеулер әсіресе, қалың қабырғалы конструкциялар үшін жиі жабдықтың беріктік сипаттамаларын анықтайтын мемранды мәндермен сәйкес келмейді. Мембранды кернеулерді өлшеудің өзектілігін анықтайтын қосымша фактор - коррозиялы ортамен тікелей жанасатын құбыр өткізгіштер мен ыдыс (сосуд) элементтерінің ішкі қабырғасындағы кернеулерді бағалауға мүмкіндік беруі болып табылады.

Акустосерпімді әдіс конструкционды материалдарда әрекет ететін механикалық кернеулерге серпімді толқындардың таралу жылдамдығының тәуелділігіне негізделген.

Механикалық кернеулерді бұзбайтын бақылау әдістерінің арасында акустосерпімділік әдісі маңызды орын алады. Оның негізі серпімдіакустикалық эффект болып табылады. Акустосерпімді эффект дегеніміз серпімді толқындар жылдамдығының механикалық кернеулерге сызықтық тәуелді болуы. Осы тәуелділіктің коэффициенттерін қатты дененің серпімділігінің сызықтық емес теориясы анықтайды.

Акустосерпімділік кернеулерді өлшеу әдісі ретінде «делдалсыз механика» болып табылады. Өлшеудің және есептеудің барлық кезеңдері табиғаты басқа өрістер мен толқындардың қатысынсыз сызықты емес механика аясында жүргізіледі: серпімді толқындар - қатты денелерде таралатын жоғары жиілікті механикалық тербелістер. Жылдамдықтың өзгеруі жайлы ақпарат беретін серпімді толқындардың таралу уақытын өлшеу (материалда кешігуі) үшін қарапайым есептерде тексерілген (дефектоскопия, қалыңдықты өлшеу) ультрадыбысты эхо-импульсті әдіс қолданылады.

Кернеуді анықтау үшін негізгі болып ығысушы толқындар табылады. Оларда қатты ортаның бөлшектері толқынның таралу бағытына перпендикуляр бағытта тербеледі. Қатты орталарды зерттеу тұрғысынан олар ақпараттық болып келеді: серпімді тербелістердің бағыты - толқын таралуының бірдей бағыты кезінде, кернеудің бір немесе басқа компонентінің бойымен болуы мүмкін.

Барлық үш толқындар кернеулердің әсер ету жазықтығына перпендикулярлы бағытта таралады (материал қалыңдығы бойы бойынша дыбысталу, яғни құбыр бетінің нормалы бойынша).

Акустосерпімділік әдісі бір осьті және екі осьті кернеулердің шамаларын жоғары дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік береді, яғни ферромагнитті немесе серпімдіден басқа физико-механикалық қасиеттерінің болуына тәуелді болмайтын конструкциондық материалдың тегіс кернеулі күйін сандық анықтайды.

Тегіс кернеулі күйді анықтау қысым түсетін кезде жұмыс жасайтын жұқа қабырғалы металл конструкцияларды бақылау кезінде өзекті болып табылады: магистралды және технологиялық құбыр өткізгіштер, қысым ыдыстары және т.б.

Акустосерпімді әдістің негізгі артықшылығы бір осьті кернеулерді өлшеуден екі осьті кернеулерді өлшеуге көшудің салыстырмалы жеңіл болуында. Бұл әдістің басқа да артықшылықтары бар. Ол артықшылықтарды басқа әдістермен салыстыру арқылы көрсетуге болады. Акустикалы мөлдір материалдарда кернеулерді өлшеу дәлдігі электротензометриямен салыстырмалы және кей жағдайларда басым болады. Рентгендік әдіспен ірі құрылымды материалдар мен ірі габаритті металл конструкциялар үшін қызықты болмайтын беттік микродеформацияларды өлшейді. Материал бетінің таза болуына қатал талаптар қойылады. Ультрадыбысты әдіспен қалыңдығы бойынша орташаланған кернеулер өлшенеді. Әдетте, бұларды ірі габаритті конструкциялардың кернеулі-деформацияланған күйін соңғы элементтер әдісімен есептеу кезінде табады. Сондықтан бұндай есептеулердің тәжірибелік тексеруін акустосерпімді әдіспен жүргізген ыңғайлы. Магнитті әдістермен салыстырғанда ультрадыбысты әдістің артықшылығы серпімді қасиеттерден басқа ерекеше қасиеттердің немесе ферромагнитті қасиеттердің бар болуына қарамайтын кез келген конструкционды материалдардағы кернеулердің өлшеуін жүргізуде. Акустосерпімді әдісті тәжірибелік жүзеге асыру нұсқалары 2.6-суретте көрсетілген.

а) Кернеулерді бақылау – дәстүрлі тензометрияға сәйкес келеді

б) Акустикалық тензометрия – өлшеуден өлшеуге өту кезінде датчиктерді материалдың бетінен алып тастауға болу мүмкіндігімен ерекшеленеді

в) Нөлсіз акустикалық тензометрия – кернеулі конструкциядағы «in situ» кернеулерді өлшеу.

2.6-сурет  Акустосерпімді әдісті тәжірибелік жүзеге асыру нұсқалары

Осы акустосерпімді әдіске негізделген ИН-5101 А аспабы құрастырылған. Оның үш режимі бар. Олар:

1. Акустикалық тензометрия – бастапқы күйіне қатысты механикалық кернеулердің өзгеру динамикасын бақылау. Бұл режим пайдалану үдерісі кезіндегі немесе объектілерді тексеру кезінде механикалық кернеулердің өзгеру динамикасын тіркеу мен бақылауды қамтамасыз етеді. Объектіде датчиктер бақылау мерзімінің барлық кезеңінде үнемі орнатылуы және тек өлшеу кезінде ғана уақытша орнатылуы мүмкін.

2. Айырма акустикалық тензометрия – шартты-нөлдік нүктесін қолдану арқылы технологиялық әсерлердің нәтижесінде бақыланатын нүктеде пайда болатын механикалық кернеулерді өлшеу. Өлшенетін механикалық кернеулер шартты-нөлдік нүктеде және бақылау нүктесінде әсер ететін кернеулер айырымына сәйкес келеді.

3. Нөлсіз акустикалық тензометрия – кернеулердің абсолют мәндерін анықтау. Бұл режим ИН-5101 А аспабының дерекқорында сақталатын немесе пайдаланушының үлгілерде алынатын материалдардың акустикалық сипаттамаларын пайдаланумен жүзеге асады. Бұл режим іс жүзінде дәстүрлі тензометрия үшін ғана емес, сонымен бірге, кернеулерді бақылаудың көптеген физикалық әдістері үшін де қол жетімсіз болып келеді.

2.7-сурет  Акустосерпімді әдісті қолдану мысалы

Бұзбайтын бақылауда акутосерпімді эффектіге негізделген ИН-5101 А аспабының көмегімен келесідей объектілерді бақылауға болады:

• созылу, сығылу және иілу кезіндегі іші қуыс келетін жұқа қабырғалы метал конструкциялар (қысым түсірілген ыдыстар, құбыр өткізгіштер мен сұйық қоймалар және т.б.);

• созылу мен сығылу жайғдайларындағы метал конструкциялар ;

• жалпақ келген прокат (құрылымын және қалдық кернеулерді бақылау).

Акустосерпімді әдісті қолдану мысалы 2.7-суретте көрсетілген.

3 Механикалық кернеу мен деформацияны өлшеу аспаптары

3.1 Тензометрлер

Тензометр - бұйымның деформация шамасын локальды бөлігінде өлшеуге мүмкіндік беретін аспап. Алынған ақпарат бұйымдағы кернеуді анықтауға, одан жақсылау конструкцияларды жасауға, апатты жағдайлардың алдын-алуға мүмкіндік береді.

Құрылыста - бетон беріктігін өлшеуіштермен қатар, ғимараттардың, көпірлердің, бөгеттердің темірбетонды конструкцияларындағы ішкі кернеулерді анықтауға пайдаланылады. Машина жасауда - агрегаттардың бөлшектерін бақылау үшін қолданылады. Мысалы, турбинаның қалағы (лопатка).

Механикалық тензометрлер келесідей бөлінеді:

• кедергілі;

• ішекті;

• сыймдылықты (емкостные);

• индуктивті.

Механикалық тензометрлер (3.1-сурет). Механикалық тензометрдің жұмыс істеу принципі деформациялайтын жүктеменің әсері кезіндегі зерттелінетін үлгінің сызықтық ұзаруының бойлық қимасындағы кернеуге тура тәуелділігіне негізделеді.

1-үлгі; 2 - қозғалмалы призма; 3 - қозғалмайтын призма; 4 -иінтіректі жүйе; 5-көрсеткіш; 6-шкала

3.1-сурет  Иінтіректі типтегі механикалық тензометрдің сұлбасы

Кедергілі тензометр (3.2-сурет). Резистивті тензометрлер бақыланатын бұйымның созылуын немесе сығылуын бақылауға арналған көп қолданысқа ие әмбебап аспаптардың тобына жатады. Бұндай типті тензометрлерді сезімтал элемент ретінде тензорезисторлар қолданылады. Тензорезистордың жұмыс істеу принципі бұйыммен бірге деформацияланған кезде электрлік кедергінің өзгеруіне негізделеді.

а) Бастапқы күйдегі тензометр

б) Созғыш күштердің әсері

1 – білік; 2 және 3 – күшті қабылдаушы ернемектер; 5 – кабель; 4 және 2 – ұзарудан ернемектің кейінгі және бастапқы орналасулар

3.2-сурет  Кедергілі тензометрдің сұлбасы

Ішекті тензометрлер. Ішекті тензометрлердің сезімтал элементі ретінде бекітуші блоктармен шектеуші бүйір жағында түтіктің ішінде бекітілген болат сымның бір бөлігі болады.Тензометрдің жұмыс істеу принципі сымның тербеліс жиілігінің оның созылуына тәуелділігіне негізделген.

Ішекті тензометр 3.3-суретте көрсетілген.

Сыйымдылықты тензометрлері (3.4-сурет). Сыйымдылықты тензометрлерде сезімтал элемент ретінде айнымалы сыйымдылық конденсаторы қызмет етеді. Жұмыс істеу принципі пластинкалар арасындағы тесіктің шамасына конденсатор сыйымдылығының тәуелді болуына негізделеді.

Индуктивті тензометрлер. Сезімтал элемент ретінде қозғалмалы өзекшесі бар индуктивті катушка болады. Индуктивті катушканың электрлік параметрлерінің оның қозғалмалы элементінің орналасуына тәуелді болуы осы типті тензометрлердің негізі болып табылады.

3.3-сурет  Ішекті тензометр

1  бақылау объектісі; 2  нүктелі дәнекерлеу; 3  өлшеуіш конденсатор; 4  күш өлшегіш рамка

3.4-сурет  Сыйымдылықты тензометрдің сұлбасы

3.5-сурет  Механикалық тензометрдің қолданылу сұлбасы

Тензометрлердің қолданылу мысалдары 3.5 және 3.6-суреттерде көрсетілген.

3.6-сурет  Салмақ түсетін конструкцияларды бақылау үшін пайдаланылатын электрлік тензометр

3.1 ИН-5101 А аспабы

Аспаптың тағайындалуы. Жүктеу кезінде конструкцияның элементтерінде пайда болатын бір және екі осьті бірінші текті механикалық кернеулерді өлшеу (магистралыд құбыр өткізгіштер, АЭС агрегаттары, қысым әсер ететін ыдыстар, көтеруші құрылыс конструкциялары және т.б.).

ИН-5101 А аспабында акустосерпімді эффектінің қолданылуына негізделген механикалық кернеулерді өлшеудің жаңа технологиясы жүзеге асырылған (3.7-сурет). ИН-5101 А аспабын қолдану 3.8-суретте көрсетілген.

3.7-сурет  ИН-5101 А аспабы

Аспаптың жұмыс істеу принципі ультрадыбысты зондтаушы импульстердің генерациясына және бақыланатын объектінің материалында қозатын шағылған серпімді толқындардың параметрлерін тіркеуге негізделген.

3.8-сурет  ИН-5101 А аспабын қолдану

ИН-5101 А аспабының қолданылу аясы:

1 Ірі габаритті бұйымдар мен конструкцияларды жасау, монтаждау және эксплуатациялау кезінде пайда болатын кернеулерді өлшеу, соның ішінде:

• жабық ыдыстарды (емкостей) гидравликалық және басқа да сынау кезінде екі осьті кернеулердің акустикалық тензометриясы;

• монтаждау және дәнекерлеу жұмыстары кезінде көп секционды конструкциялардың, құбыр өткізгіш жүйелерінің кернеулі күйлерінің өзгеруін жедел бағалау;

• конструкциялардың элементтері мен жауапты бөліктерінде әрекет ететін екі осьті кернеулерді оларды уақытылы жөндеу немесе ауыстыру үшін өлшеу;

• ішкі және сыртқы қолайсыз әсер етулер мен жоғары жүктеулер жағдайларында ұзақ уақыт бойы пайдаланылатын конструкциялардағы қауіпті қалдық кернеулердің шамасын анықтау;

• әрекет ететін кернеулердің рұқсат етілген шамалардан асып кетуіне байланысты конструкцияның кернеулі элементтерінде мүмкін болатын бұзылуларды табу;

• қалдық технологиялық кернеулерді өлшеу.

2 Соңғы элементтер әдісімен кернеулі-деформацияланған күйді есептеуді тәжірибелі тексеру үшін ірі габаритті конструкциялардың бақыланатын нүктелеріндегі екі осьті кернеулердің шамасын өлшеу:

• қалдық ресурсын бағалау үшін жоспарланған зерттеуді жүргізу кезінде ұзақ уақыт бойы пайдаланылатын объектілердің кернеулі күйінің өзгерісін сандық бағалау;

• көп секционды конструкциялардың беріктік есептеулерін тексеру үшін бақылау нүктелерінде эквивалентті кернеулердің шамасын анықтау.

3 Аспапты қолдану кезінде шешілетін қосымша есептер:

• ультрадыбысты қалыңдық өлшегіштер мен дефектоскоптардың жұмыс істеу қабілетін тексеру;

• материалдың өзіндік акустикалық анизотропиясының шамасын анықтау.

• ИН-5101 А аспабының техникалық сипаттамалары 3.1-кестеде көрсетілген.

3.1-кесте  ИН-5101 А аспабының техникалық сипаттамалары

Қорытынды

Бұл жұмыста механикалық кернеу мен деформацияны өлшеу әдістері туралы жалпы мәліметтер және олардың жүргізілуі туралы ақпарат беріліп, механикалық кернеу мен деформацияны өлшеу аспаптарының қолданылуы қарастырылды.

Бірінші бөлімде механикалық кернеу мен деформацияға жалпы сипаттама беріліп, деформацияның түрлері қарастырылды.

Екінші бөлімде механикалық кернеу мен деформацияны өлшеу әдістерінің негізі, артықшылықтары және кемшіліктері қарастырылды. Қарастыру барысында механикалық кернеу мен деформацияны өлшеуде термосерпімді әдіс, поляризационды-оптикалық әдіс, рентгендік тензометрия әдісі, магнитоанизотропты әдіс, акустосерпімді әдіс кең қолданысқа ие екендігі анықталынды. Әдістерді қарастыру кезінде зерттелінетін үлгіге байланысты әдістерді таңдау керектігі анықталынды. Әрбір әдістің өз артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Алайда бұзбайтын бақылауда акутосерпімді эффектіге негізделген әдіс пайдалануға тиімдірек.

Үшінші бөлімде механикалық кернеу мен деформацияны өлшеуге арналған тензометрлер мен ИН-5101 А аспабы заманауи аспабының мүмкіншіліктері қарастырылды. ИН-5101 А аспабының көмегімен келесідей объектілерді бақылауға болады:

• созылу, сығылу және иілу кезіндегі іші қуыс келетін жұқа қабырғалы метал конструкциялар (қысым түсірілген ыдыстар, құбыр өткізгіштер мен сұйық қоймалар және т.б.);

• созылу мен сығылу жайғдайларындағы метал конструкциялар ;

• жалпақ келген прокат (құрылымын және қалдық кернеулерді бақылау).

ИН-5101 А аспабының өлшеу режимдері:

• акустикалық тензометрия-бастапқы күйіне қатысты механикалық кернеулердің өзгеру динамикасын бақылау;

• айырма акустикалық тензометрия- шартты-нөлдік нүктесін қолдану арқылы технологиялық әсерлердің нәтижесінде бақыланатын нүктеде пайда болатын механикалық кернеулерді өлшеу;

• нөлсіз акустикалық тензометрия-кернеулердің абсолют мәндерін анықтау.

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

1. Жуков С. В., Копица Н. Н. Исследование полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами «Комплекс-2» /
   С. В. Жуков, Н. Н. Копица // Сб. научн. Трудов отд-я «Специальные проблемы транспорта» Росс. Академии транспорта. 1998. – №3. – С. 214– 222.

2. Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин / Е. С. Левшина, П. В Новицкий / Измерительные преобразователи. – Л. : Энергоатомиздат, 1983. – 320 с.

3. Никитина Н. Е. Акустоупругость / Н. Е. Никитина / Опыт практического применения. – Н. : ТАЛАМ, 2005. – 208 с.

4. Никитина Н. Е., Камышев А. В., Смирнов В. А., Борщевский А. В., Шарыгин Ю. М. Определение осевых и окружных напряжений в стенке закрытой трубы ультразвуковым методом на основе явления акустоупругости / Н. Е. Никитина, А. В. Камышев, В. А. Смирнов, А. В. Борщевский, Ю. М. Шарыгин // Дефектоскопия. 2006. – № 3. – С. 49-54.

5. Никитина Н. Е., Камышев А. В., Смирнов В. А., Петров О. Е. Измерение двухосных напряжений в трубопроводах методом акустоупругости / Н. Е. Никитина, А. В. Камышев, В. А. Смирнов, О. Е. Петров // Мир измерений. 2006. – № 11. – С. 4-9.

6. Сокол А. Н., Макаров Ю. В., Берман А. В. Технические требования нефтегазовой промышленности к трубам и трубопроводам и проблемы коррозии / А. Н. Сокол, Ю. В. Макаров, А. В. Берман / Территория НЕФТЕГАЗ. 2006. – № 11. – С. 56-57.

7. Спектор С. А. Электрические измерения физических величин /
   С. А. Спектор : Методы измерений : Учеб. Пособие для вузов. – Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. – 320 с.

8. Файн Г. М., Макаров Е. М. Состояние и перспективы производства и применения труб нефтепромыслового сортамента из алюминиевых сплавов / Г. М. Файн, Е. М. Макаров / Территория НЕФТЕГАЗ. 2007. – № 5. – С. 66–68.

9. Информационная система «DeviceSearch» [Электронный ресурс]. URL: http://devicesearch.ru – (дата обращения: 10.10.2016)

10. Информационная система Инженерная фирма «ИНКОТЕС» [Электронный ресурс]. URL: http://encotes.ru – (дата обращения: 10.10.2016)