Введение к работе
Актуальность темы. В основу большинства теорий механики деформируемого твердого тела положены гипотезы об однородности и изотропности материала. Однако в действительности современные конструкционные материалы (металлы) имеют поликристаллическое строение, то есть состоят из совокупности небольших кристаллитов (зерен), случайно расположенных в массиве. Эти зерна, во-первых, имеют существенную анизотропию механических свойств, а, во-вторых, соединяются друг с другом по границам, имеющим произвольную конфигурацию и ориентацию. Поэтому даже при однородном макродеформиро-вании- поликристаллического объекта внутри микрообъемов (объемов соизмеримых с величиной зерна) должна ожидаться существенная неоднородность распределения деформаций. В зонах с повышенным значением деформаций возможно зарождение и развитие микроразрушения. Исследование этих процессов позволяет лучше понять природу деформирования поликристаллического объекта в упругой или упругопластической стадиях, а так же процессы накопления деформаций или повреждений при ползучести или усталости. Данные, полученные в результате подобного рода экспериментов, могут иметь особое значение для оценки пластических свойств металлических объектов, их долговечности и выносливости. Все это определяет актуальность поставленной задачи.
Существует множество экспериментальных методов определения деформаций в зернах металла (метод сеток, рисок, реперных точек, интерференционный и т.п.), среди которых метод фотоупругих покрытий занимает особое место. Он имеет по отношению к другим экспериментальным методам существенные преимущества: измерения производятся на натурных объектах на практически нулевой базе в реальном времени. Однако этот метод имеет и два существенных недостатка.
Первый связан с тем, что в эксперименте фиксируется деформации не на поверхности исследуемого объекта, а в промежуточной среде - фотоупругом покрытии, которое выступает в качестве регистратора деформаций. При этом в случае, когда ширина зоны деформирования на поверхности исследуемого объекта соизмерима или меньше толщины покрытия, деформации по толщине этого покрытия распределены существенно неравномерно. В результате, измеряемые по методу фотоупругих покрытий деформации могут значительно отличаться от деформаций на поверхности шлифа. Поэтому необходимо разработать методики, позволяющие в результате обработки фотоупругих картин восстанавливать уровни деформирования на поверхности исследуемого объекта.
Второй недостаток связан с трудностями измерения малых оптических разностей хода при небольших толщинах покрытия (от 30 до 80 мкм). Методы измерения малых оптических разностей хода известны, однако, используемые в эксперименте металлографические микроскопы, фиксируют фотоупругую картину целиком. Поэтому классические методы оптической компенсации (Тарди, Сенармона и др.) не могут напрямую быть использованы для проведения измерения (в этом случае невозможно добиться того, чтоб,ы в каждой точке фотоупругой картины параметр изоклины соответствовал бы выбранной схеме компенсации).
Кроме этого, параметры двулучепреломления можно определить, исполь-у*! методы фотометрированич, однако, на результаты измерения оказывает существенное влияние немонохроматичность используемого в эксперименте света.
Следовательно, применение метода фотоупругих покрытий для исследования деформаций в зернах металла, требует разработки методик измерения параметров двулучепреломления, в случае, когда фотоупругая картина имеет малые оптические разности хода и фиксируется фоторегистрирующим устройством целиком.-
Еще одна актуальная задача может быть решена с использованием методов оптической компенсации или фотометрирования. Речь идет об измерении эксплуатационных деформаций (напряжений или уровня внешней нагрузки), действующей в несущих элементах реальных конструкций.
Цель работы - развитие метода фотоупругих покрытий для исследования деформаций в микрообластях типа зерен металла, в том числе:
исследование влияния немонохроматичности источника света на формирование фотоупругой картины;
разработка методики оптической компенсации по полю модели в несбалансированном полярископе с получением значений оптической разности фаз, исследование погрешностей, возникающих в ходе оптической компенсации по полю модели;
дальнейшее развитие методики подготовки и техники проведения эксперимента, разработка нагрузочного устройства, прибора для измерения толщины покрытия без его разрушения в нужной точке модели; .
классификация концентраторов, наблюдаемых при использовании фотоупругих покрытий, изучение процессов накопления деформаций при статическом нагружении поликристаллического объекта и при ползучести;
разработка методики определения деформаций на поверхности шлифа; в частности, для одиночной полосы скольжения или регулярной системы полос скольжения получение параметров полосы скольжения: ее ширину и степень деформирования;
разработка методики измерения продольных температурных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути, которая позволяла бы получать значение продольной силы в полевых условиях с достаточной точностью.
Научная новизна. Решена задача о влиянии немонохроматичности источника света на формирование фотоупругой картины.
Рассмотрены методы оптической компенсации фотоупругой картины в несбалансированном полярископе по полю модели. Показано, что все полярископы, собранные для проведения оптической компенсации, можно подразделить на три большие группы: симметричные, квазисимметричные и несимметричные. Свойства полярископов, объединенных в одну группу, сходны.
Предложена методика расшифровки фотоупругой картины с получением параметров одиночной полосы скольжения: ее ширины и степени деформирования:
Решена задача измерения продольных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути в полевых условиях при помощи фотоупругих покрытий с использованием компенсатора в виде оптического клина.
Методика исследования. Решение задачи об измерении параметров двулучепреломления основано на представлении прохождения поляризованного света через полярископ с использованием элементов матричной фотоупругости и ко-л^римтрки Решение задачи по определению параметров полосы скольжения осуществлялась в рамках линейной теории упругости. Экспериментальная часть работы основана на методе фотоупругих покрытий: сюда входят проблемы под-
готовки и проведения эксперимента, методики обработки результатов эксперимента для получения конечного результата.
Достоверность результатов подтверждена аналитическими доказательствами, результатами тестовых экспериментов, сравнением с результатами, полученными другими исследователями.
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что понимание процессов возникновения и развития деформирования в зернах металлов позволяет лучше понять не только природу макродеформирования поликристаллического объекта в упругой или упругопластической стадиях, но и постичь процессы накопления деформаций или повреждений при ползучести или усталости, что имеет особое значение для оценки пластических свойств металлических объектов, их долговечности и выносливости. Разработанная методика с использованием оптического клина, как компенсатора, может быть использована для определения уровня нагрузок в элементах строительных конструкций, находящихся з условиях линейного напряженного состояния: в элементах ферменных конструкций, в потолочных балках, рамах и т.п.
Реализация исследований. Разработанные методы исследования микродеформаций использовались при выполнении двух научно-исследовательских тем; методы оптической компенсации по полю модели - двух научно-исследовательских тем; методика определения температурных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути - одной научно-исследовательской темы.
На защиту выносится:
методики определения параметров двулучепреломления с использованием фотометрирования, если в эксперименте применяется не вполне монохроматический свет, или методом оптической компенсации по полю модели в несбалансированном полярископе;
методика расшифровки фотоупругой картины на полосах скольжения и получением параметров полосы скольжения: ширины зоны возмущения и степени деформирования;
методика измерения продольных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути при помощи фотоупругих покрытий.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на семинарах «Интерференционно-оптические методы механики твердого тела и механики горных пород» (Новосибирск, 985г.), «Новые поляризационные методы для исследования напряженно-деформированного состояния и анализа состава молекулярной структуры вещества», (Ленинград, 1988 г.), международной конференции «Photomechanics'95», (Новосибирск, 1995 г.), на конференции «Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири» (Новосибирск, 1997 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 научных работ. Результаты исследований приведены в трех научных отчетах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, разбитых на шесть глав, и заключения. Общий объем диссертации - 249 страницы, в том числе 230 страниц машинописного текста, 109 рисунков, 3 таблицы и список литературы, включающий 2І1 наименование.