ГИ сфокусированного изображения 1 страница

Несколько в стороне от описанных схем стоят ГИ, построенные по схеме голограмм сфокусированного изображения (ГСИ). Они также могут применяться и с рассеивателями и без них. Но применение рассеивателя в данном случае не целесообразно.

Дело в том, что интерферограммы, снятые по схеме ГСИ (рис.8.8) удобно восстанавливать в белом свете. Спекл-структура, зависящая только от свойств лазерного излучения и объектива, усредняется. В результате отдельных спеклов не видно и контраст интерференционных полос несколько повышается. Если же использовать рассеиватель, то на уже имеющееся спекл-поле накладывается дополнительное поле, сгенерированное рассеивателем. Ситуация ухудшается, особенно при малых размерах неоднородности.

Рис.8.8.	Здесь
BS	—	светоделитель
M1- M4	—	глухие зеркала
C1, C2	—	коллиматоры
L	—	объектив
H	—	голограмма

Какой пучок (расходящийся или плоский) использовать в качестве опорного - зависит от требований эксперимента и имеющихся оптических элементов. ГИ по схеме ГСИ позволяют исследовать тонкую структуру интерференционных полос, включая пересъемку через микроскоп. Для примера на рис.8.9 показана интерферограмма, а на рис.8.10 - ее увеличенный фрагмент.

Рис.8.9

Рис.8.10

Лекция 9

Оптико-геометрические методы измерения деформаций и перемещений

Оптико-геометрические методы применяют для бесконтактного исследования НДС на поверхности плоских и объемных деталей машин, моделей и образцов полуфабрикатов. Общий классификационный признак оптико-геометрических методов - наличие оптической бесконтактной связи объекта исследования с регистратором искажения (деформации) базового геометрического элемента, нанесенного на объект, спроецированного или зеркально отраженного в нем. Каждый из оптико-геометрических методов эффективен для определенной группы задач, имеет, как правило, несколько разновидностей и областей применения, различается видом базовых элементов, типом регистрации и обработки.

Метод делительных сеток

Исследования пластических деформаций при разрушении материалов методом делительных сеток, выполненные в 40—60-х годах прошлого столетия, показали влияние концентрации напряжений (отверстий и целевых надрезов) на прочность деталей из конструкционных материалов и рассмотрены технологические задачи деформирования тонкостенных деталей из алюминиевых сплавов. Развитие техники нанесения микросеток позволило исследовать упругопластические деформации в области вершины трещины при циклическом нагружении. Исключительно эффективным оказалось приложение метода делительных сеток к задачам пластического деформирования металлов при обработке давлением. Метод оказал значительное влияние на проектирование нового инструмента и режимов штамповки, прессования, вытяжки, прокатки и т.д. Современные технологические методы повышения усталостной прочности и вязкости разрушения (трещиностойкости) полуфабрикатов из штампованных заготовок и проката опираются на экспериментальные исследования, выполняемые методом делительных сеток и другими оптико-геометрическими методами.

Другое направление исследований — это изучение НДС в упругой области на резиновых и полимерных моделях при малых и больших деформациях (до 18 %). Пусть, например, в плоскости симметрии пластически деформируемой цилиндрической заготовки размещены ортогональные сетки с перфорированными отверстиями, центры которых совпадают с угловыми точками квадрата. Будем считать материал заготовки изотропным, несжимаемым, а деформации в пределах ячейки сетки однородными, причем вычисляемые компоненты деформаций отнесем к центру ячейки, считая их средними между базовыми точками.

Рис. 9.1. Схема штампа с цилиндрической поковкой и сетка в плоскости заусенца после деформирования: 1- штамп, 2- поковка с исходной высотой Н (мм), 3- плоскость сетки, 4- зависимость в сечении (исходная длина поковки мм)

Рассмотрим осесимметричную объемную задачу с тремя плоскостями симметрии, например конечные формоизменения при штамповке цилиндрической поковки с прямой горизонтальной осью (рис. 9.1). В методе сеток, когда размечены базовые элементы, удобно использовать главные деформации в логарифмической форме. Окружности сетки в плоскостях симметрии штамповки после деформирования преобразуются в эллипсы с осями по главным направлениям, поэтому

; ; , (9.1)

где - полуоси эллипсов; - радиусы исходных окружностей сетки.

В случае деформирования тел вращения по оси главные деформации в плоскости сетки определяются теми же зависимостями (9.1), но окружная деформация в меридиональном сечении

, (9.2)

где — расстояния от оси симметрии до рассматриваемой точки соответственно до и после деформирования.

Для вычисления осевой и радиальной логарифмической деформации используют зависимости

, , (9.3)

где находят экспериментально замером угла между направлением большой полуоси эллипса и осью заготовки.

Измерение деформаций и перемещений с помощью сетки с квадратными ячейками, когда в общем случае базовый элемент превращается в параллелепипед или четырехугольник, выполняют оптическими средствами с последующим вычислением абсолютных приращений граней параллелепипеда и соответствующих углов на основании достаточно громоздких формул, полученных из геометрических соотношений.

Расчет напряжений выполняют на основе гипотез теории пластичности. В зависимости от поставленной задачи и типа материала вычисления проводят по теориям малых упругопластических деформаций, пластического течения, сопротивления материалов пластическому деформированию.

Нанесение сеток, растров и фигур на образцы, детали и экраны

В зависимости от поставленных исследовательских задач, а также от материала детали, от заданных предельных деформаций и внешних условий (температуры, влагостойкости, контакта со средой и т.д.), разрабатывают технологию нанесения сеток, растров и фигур. При нанесении базовых фигур учитывают и метод измерения деформаций, поскольку контрастность воспроизведения или наблюдения, фактура материала, светопрозрачность, ширина черных и светлых линий и другие факторы влияют на точность и трудоемкость обработки результатов.

Царапание сеток и растров применяют при механических испытаниях материалов и при исследовании технологических задач обработки металлов давлением. Операцию проводят с помощью игл, специально заточенных победитовых резцов, корундовых и алмазных инденторов и наконечников. Растры с линеатурой до 10 линий/мм изготовляют на делительных машинах линованием парафинированной поверхности стекла, после чего выполняют химическое травление линий в стекле и заполнение их краской. Эталонные растры и сетки, изготовленные на прецизионных делительных машинах, служат в качестве шаблонов для снятия реплик и фотокопий, которые затем используются в качестве контрольных растров и сеток сначала для нанесения фотоспособом рабочего растра на детали, а затем в качестве базового для измерения методом сеток или методом муаровых полос.

В задачах обработки металлов давлением сетки и растры наносят иногда непосредственно на металл; в этом случае поверхность полированных образцов, как правило, перед царапанием покрывают тонким слоем контрастного металла способами вакуумного напыления или гальваническим, чтобы создать цветовое различие и контраст в линиях сетки. Хороший эффект получают, например, меднением стальных образцов.

Накатка координатных сеток, фигур и растров используется для нанесения базовых элементов при изучении пластических деформаций и разрушения. Оригинал сетки изготовляют в виде цинкового клише с рельефом сетки заданного рисунка. Для перенесения сетки с матрицы на деталь применяют упругие валики, в том числе сложной формы (для нанесения сеток на тела вращения и сложные поверхности). На зеркальное стекло или мраморную плиту валиком тонким слоем раскатывают типографскую краску и переносят ее на матрицу, а затем другим валиком переносят рисунок сетки на деталь. Шаг базовых фигур находится в пределах 0,25-5 мм при толщине линий в сетках 0,02—0,08 мм.

Офсетный способ изготовления формы-клише значительно упрощает технику нанесения сеток и растров и позволяет покрыть большую площадь на плоских и небольшой кривизны деталях из жестких и мягких материалов (каучук, резина). Офсетная печать основана на принципе избирательного смачивания формы — изображения сетки или растра, согласно которому печатающие элементы хорошо воспринимают типографскую краску, но отталкивают воду, а пробельные — наоборот. Перенос изображения с офсетной формы на исследуемую поверхность осуществляют, как и с цинкового клише, — эластичным резиновым цилиндрическим валиком. Офсетную форму изготовляют фотохимическим способом с применением эталонных пленочных фотонегативов по стандартной технологии.

Выдавливание или штампование сеток на поверхность пластических материалов осуществляют жесткой матрицей, затем материал отжигают и из заготовки с сеткой вырезают образцы.

Фотосетки и фоторастры — наиболее распространенные современные элементы оптико-геометрических методов. Изготовленные на стеклянных подложках, они являются эталонами при измерениях и репродуцировании. Фотокопии на пленке служат для контактной печати, а также для переноса эмульсии с растром по так называемому "способу расслаивающихся пленок".

Двойной экспозицией со сдвигом эталонного растра на 1/4 и 1/2 шага можно получить решетку с частотой линий вдвое большей, чем исходная; этим способом, например, получили сетку с размером ячейки 100 мкм и толщиной линий 10 мкм последовательной пересъемкой растра со сдвигом и поворотом на 90°.

Высокочастотные растры получают методом неподвижного интерференционного поля или голографического мультиплицирования на голографические фотопластинки. При правильном выборе фотопроцессов и материала возможно получение растров с частотой до 1000 линий/мм.

Зеркально-оптический метод

При исследовании изгиба пластин в полунатурном и модельном эксперименте зеркально-оптическим методом измеряют с помощью отраженной координатной сетки углы поворота нормали , у, прогибы и кривизны поверхности объекта. В этом случае плоская или почти плоская поверхность детали или модели должна быть зеркальной. Ортогональную сетку на плоском экране располагают параллельно плоскости объекта на некотором расстоянии от него. Отражение сетки в деформируемом объекте регистрируют фотокамерой или кинокамерой для процессов, происходящих во времени (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Схема зеркально-оптической установки: 1- модель, 2- экран с сеткой, 3- лампа,

4- фотокамера

Обычно на один негатив выполняют две экспозиции - до и после нагружения, а затем оба изображения обрабатывают, как и в методе делительных сеток, на измерительном микроскопе по специальной методике. Для регистрации нестационарных процессов, например, при сварочном нагреве алюминиевой пластины, искажение отраженной сетки от температурного коробления поверхности фотографируют во времени по мере продвижения электрода.

Зеркально-оптическая установка, схема которой показана на рис. 9.2, имеет зачерненный экран из оргстекла размером 1200 Х 1200 мм с прозрачными линиями ортогональной сетки 20 Х 20 мм и толщиной линий 2 мм. Сетка подсвечивается изнутри люминесцентными лампами для создания контрастного и яркого изображения квадратов.

Основная расчетная зависимость для плоского экрана выводится из геометрических соотношений:

. (9.4)

При малых углах поворота нормали . При отношении 0,1 - 0,25 и реальных соотношениях габаритного размера модели и оптического рычага формулу (9.4) упрощают:

. (9.5)

Погрешности будут допустимыми, если в сравнительных испытаниях углы поворота нормали к соответствующим осям вычислять по формулам

(9.6)

Погрешности при вводимых допущениях и конкретных параметрах установки оценивают несложными вычислениями и по номограммам.

Получив зависимости изменения угла поворота нормали по соответствующей координате, их дифференцируют для нахождения их кривизны или интегрируют для получения прогибов .

Следует отметить основные преимущества метода — простоту технической реализации и возможность бесконтактной регистрации нестационарных процессов деформирования с одной экспозиции.

Метод муаровых полос

Метод, использущий муаровый эффект для измерения деформаций и перемещений на поверхности плоских деталей и, реже, — в объемных прозрачных моделях, применяют при упругопластическом и пластическом деформировании металлов и для решения упругих задач на низкомодульных материалах. В задачах изгиба пластин, деформирования мембран и оболочек, а также изучения закритического поведения тонкостенных конструкций после потери устойчивости применяют другие разновидности метода муаровых полос, использующие принципы оптического рычага при отражении или проецировании растров. Используя стробоскопическое освещение и способ оптического совмещения растров с помощью муаровых картин, визуализируют формы колебаний пластин и оболочек. Метод применяют для технологического контроля формы поверхности крупных деталей малой и средней кривизны типа аэродинамических поверхностей, а в оптическом производстве — для контроля деталей оптики. Поточный контроль формы плоского проката и лент в металлургическом производстве осуществляют в темпе листовой прокатки непосредственно на стане. Известно применение муарового эффекта в растровых оптических приборах,

а также в муаровых датчиках положения, регистрирующих линейные и угловые перемещения в средствах автоматики.

Муаровый эффект — явление механической интерференции, возникает при наложении двух или более систем линий, сеток, растров или точек как картина чередующихся темных и светлых полос. Одно из замечательных свойств муарового эффекта как мерительного инструмента состоит в том, что он обладает большим и регулируемым коэффициентом передаточной функции, связывающей шаги (частоты) исходных растров с шагом (частотой, скоростью перемещения) муаровых полос. Этот коэффициент достаточно велик, что позволяет согласовать разрешающую способность зрения человека или инструмента, заменяющего его при визуальном наблюдении поля муаровых полос, с соответствующими микроперемещениями объектов.

Рис.9.3. Муаровый эффект при наложении растров: а- растры при небольшой разницей в шаге, б- одинаковые растры повернутые на угол , в- шаг линейного растра больше шага кругового растра

Муаровые полосы при наложении двух растров (рис. 9.3) образуются при малой разности в шагах, при малом относительном повороте двух растров, но не более чем на угол = 30°. При наложении кругового растра на линейный (рис. 9.3, в) особенно заметна область, где пропадает муаровый эффект и вместо него наблюдается сетка из четырехугольных элементов. Геометрический анализ и математическое описание интерференции проводят для любых видов растров, получая аналитические формулы, связывающие параметры исходных растров и муаровых полос. Наложением и относительными сдвигами растров пользуются как аналогами математических операций, выполняя, например, дифференцирование, интерполяцию, умножение.

Методы измерения деформаций и перемещений, основанные на муаровом эффекте, предполагают наличие эталонного, контрольного (базового) растра и растра, связанного с деталью, испытывающей деформацию. Наложение двух растров образуют поле муаровых полос, однозначно характеризующих линейные или угловые перемещения точек исследуемой детали (поверхности) по определенным направлениям.

Оптические схемы для исследования деформаций на плоских поверхностях непрозрачных деталей, а также в плоских срезах или сечениях прозрачных моделей из пластмасс, оргстекла, полиуретанов, используют три типа наложения растров (рис. 9.4). По схеме А реализуется способ двойной экспозиции одного растра на детали, выполняемой сначала до деформирования (контрольный растр) и затем после деформирования. Совмещение растров для упругих и упругопластических задач выполняют на одном негативе; для пластического деформирования - раздельной экспозицией по этапам. Базу крепления камеры при работе по способу двух экспозиций выбирают непосредственно на образце, обеспечивая ее постоянство относительно зоны измерения.

Рис. 9.4. Оптические схемы наложения растров и образования муаровых полос (рабочий растр нанесен на поверхность рабочей детали): 1- деталь, 2- рабочий растр, 3- фотокамера, 4- контрольный растр, 5- коллиматор, 6- объектив, 7- термокамера

По схеме Б используют контрольный растр, наложенный с весьма малым зазором на рабочий растр, нанесенный на деталь. Контрольный растр базируется непосредственно на образце по осям симметрии или в точках, где известны перемещения. Вариантом схемы Б является схема В, предназначенная для прозрачных объектов. В этом случае модель с рабочим растром освещается коллимационным пучком света; между контрольным и рабочим растром обычно вводят иммерсионную жидкость.

По схеме Г реализуют оптическое совмещение рабочего и контрольного растров с помощью длиннофокусного объектива и поворотного экрана. Эту схему применяют для бесконтактных измерений при повышенных температурах, в условиях динамических нагружений, в агрессивных средах, а также при исследовании объемных прозрачных моделей с вклеенными растрами.

Если по схемам Б, В и Г камера регистрирует муаровые полосы и к разрешающей способности задиафрагмированного объектива не предъявляется высоких требований, то для схемы А камерой фотографируют растры, а для схемы Г проекционный объектив должен обладать, кроме высокой разрешающей способности, свойствами телецентрической системы, т.е. при некотором изменении расстояния объектива до объекта незначительно изменять размер изображения и обладать достаточной глубиной резкости.

Независимо от схемы совмещения двух растров в плоских задачах (за исключением схемы А) применяют два способа отсчета муаровых полос: способ дифференциального муара и способ простого муара. В первом случае предварительно создают статическую исходную муаровую картину, например, с помощью малого поворота контрольного растра или изменения масштаба рабочего растра, чтобы вести относительный отсчет полос приращения. Во втором случае используют начальную нулевую картину муаровых полос, выявляющую в основном несовершенства модели или предварительную нагрузку на нее.

Муаровые полосы являются геометрическим местом точек, получающих одинаковое перемещение в направлении, перпендикулярном к линиям контрольного растра.

Обычные линейные, регулярные растры используют для измерений перемещений в декартовых координатах х, у; тогда муаровые полосы, полученные, например, при расположении линий растра параллельно оси у, будут соответствовать линиям уровня поверхности и разница в значениях и для соседних муаровых полос на плоскости будет равна шагу контрольного растра .

Метод хрупких тензочувствительных покрытий

Для исследования НДС на поверхности детали методом хрупких тензочувствптельных покрытий на нее наносят тонкое покрытие специального состава, которое под действием растягивающих напряжений-деформаций и остаточных технологических двухосных растягивающих напряжений в самом покрытии растрескивается по закону изостат, т.е. по линиям равных главных напряжений. Приближенно принимают, что трещины распространяются вдоль второго главного напряжения и

, (9.7)

где и Е — главное напряжение и модуль упругости материала детали соответственно; — предельная деформация в момент появления трещины, получаемая при градуировке покрытия.

Принимая различные теории прочности для хрупкого покрытия, можно получить другие соотношения, связывающие деформации в детали с предельной деформацией для покрытия, но обычно ограничиваются соотношением типа (9.7). Эксперимент проводят при плавном нагружении детали, наблюдая за появлением и распространением трещин. Иногда покрытие наносят в нагруженном (сжатом) состоянии детали, чтобы при разгрузке получить трещины от деформации растяжения в зонах концентрации напряжений. Применяют несколько типов покрытий: малостабильные покрытая для качественных исследований на основе обработанной канифоли, растворенной в сероуглероде; стабильные покрытия канифольного типа, наносимые газопламенным напылением, для количественных измерений НДС; высокотемпературные наклеиваемые оксидные и эмалевые покрытия.

Градуируют покрытия на плоских балочных образцах при чистом или поперечном изгибе, многократно повторяя градуировочный эксперимент и выполняя статистическую обработку результатов для снижения разброса данных в основном эксперименте. Точность эксперимента, проводимого методом хрупких тензочувствительных покрытий, обычно оценивают в 7-15 %. Обработку проводят для двухосного НДС в упругой и упругопластической области по известным уравнениям с учетом различия упругих постоянных детали и покрытия. Метод эффективно применяют в различных областях машиностроения.

Лекция 10

Методы неразрушающего контроля

Методы механики разрушения и неразрушающие методы контроля. Развитие механики разрушения явилось результатом постановки и анализа тонких экспериментов на образцах и конструкциях с трещинами. Прочность конструкции с трещинами существенным образом зависит от длины трещины, свойств материала, размеров и формы детали, исходного НДС, скорости деформации, среды и т.д. Материалы в разной степени обладают свойством трещиностойкости или вязкости разрушения, но объективные критерии оценки трещиностойкости были изучены и приняты только после отработки методики определения критических коэффициентов интенсивности напряжений К_с и К_1с, а для пластичных материалов — критических значений длины трещины и J-интеграла.

Одним из направлений в механике разрушения явилось развитие экспериментальных методов для нахождения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) с применением фотоупругости, метода каустик и интерферометрии. Получила развитие техника измерения скорости роста трещин усталости (СРТУ) и определения критической длины трещины а_к при циклическом нагружении. Изучение закономерностей СРТУ привело к обобщенной диаграмме усталостного разрушения (уравнению Париса) и к методике нахождения ее коэффициентов, на основании которых можно сравнивать свойства материалов с высокой достоверностью и полнотой. Развитие концепции о "критической длине трещин" или заложенном в конструкции дефекте определенного размера означало, что возможна безопасная эксплуатация машины или конструкции с трещинами, если трещины найдены и за их ростом до определенного размера можно наблюдать. Эта концепция привела к созданию целой отрасли приборостроения — технических средств неразрушающих методов контроля (НМК).

С появлением растрового электронного микроскопа, позволяющего вести высококачественное наблюдение и фотографирование структур изломов с разрешением до Х 10000, фрактография стала мощным средством выявления

структурных дефектов, динамики возникновения и развития микротрещин усталости, бороздок, зон долома и пластических деформаций. Анализ эксплуатационных повреждений и сложных разрушений при эксперименте стал научно обоснован и документален, а появление альбомов по фрактографии различных металлов и сплавов облегчило идентификацию изломов.

Методы обнаружения усталостаых трещин. Интенсивная эксплуатация машин потребовала объективных средств контроля изделий, обеспечивающих надежное обнаружение трещины, простоту и портативность в применении, универсальность различных типов приборов и методов. Требования повышения качества традиционных материалов и сплавов, а также значительное развитие новых видов неметаллических композиционных материалов и полуфабрикатов, определили создание методов и средств дефектоскопии применительно к современной технологии и производству новой продукции. Неразрушающие методы контроля (НМК) используют при обнаружении трещин и дефектов при технологическом и эксплуатационном контроле сварных, клеевых, болтовых и других соединений, конструкций и изделий, широко применяемых в судостроении, строительстве, авиастроении, энергетике, нефтегазовых трубопроводных системах и т.д.

Методы обнаружения трещин классифицируют по физическому принципу взаимодействия искателя с изделием. Их выбор, эффективность и область применения зависят от природы материала, геометрии изделия, места возникновения трещины, условий ее зарождения и роста, наличия коррозии, фреттинга и т.д.

Различают методы визуально-оптические, капиллярные, магнитные (электро-магнитные), вихревых токов, радиационные (радиографический, радиоскопический, радиометрический), ультразвуковые, акустической эмиссии, импедансный (вибрационный, звуковой), СВЧ-методы, интерферометрические (голографические), инфракрасные (тепловизионные).

Визуально-оптическим методом начинают, как правило, поиск и обнаружение трещин, если на это есть основания, и имеется возможность приложить к детали нагрузку, чтобы раскрыть трещину. Кроме простейших оптических приборов типа лупы и микроскопа, применяют бороскопы с местным подсвечиванием, эндоскопы с фотоприставками и гибкими световодами, которые значительно упрощают осмотры зон предполагаемых трещин в труднодоступных местах.

Капиллярный метод применяют для обнаружения поверхностных трещин в металлических и неметаллических изделий. Он основан на искусственном повышении контрастности зоны трещины или дефектов относительно неповрежденной области до такой степени, что трещина может наблюдаться невооруженным глазом. Это достигается заполнением трещин и других дефектных полостей на поверхности детали цветоконтрастными веществами вследствие капиллярных свойств малых дефектов. Применение люминофоров и красителей в сочетании со специальным освещением, например ультрафиолетовым, позволяет выявить поверхностный дефект по яркому свечению люминесцирующего раствора.