METODY I URZÑDZENIA POMIAROWE Metody pomiaru napr eƒ szczàtkowych Napr enia szczàtkowe powstajà w materiale w procesach produkcji i obróbki elementów, które polegajà na zmianie kszta tu lub w aêciwoêci materia u. Ich êród em mogà byç równie obcià enia dzia ajàce w czasie eksploatacji danego elementu konstrukcji. Napr enia szczàtkowe mogà byç na tyle du e, aby wywo aç lokalne p yni cie materia u oraz odkszta cenie plastyczne zarówno w skali mikro-, jak i makroskopowej. WielkoÊç i rozk ad napr eƒ szczàtkowych sà wa nymi czynnikami podczas eksploatacji danego urzàdzenia lub elementu, dlatego powinny byç uwzgl dniane przy jego projektowaniu. JeÊli w elemencie wyst pujà np. napr enia szczàtkowe rozciàgajàce, to powinny byç one zrównowa one wyst powaniem napr eƒ Êciskajàcych. Wyst powanie napr eƒ szczàtkowych na powierzchni materia u jest na ogó niepo àdane, gdy sà one przyczynà p kania zm czeniowego, p kania w trakcie hartowania i p kania sezonowego (korozyjnego). Wyst powanie szczàtkowych napr eƒ Êciskajàcych w warstwie powierzchniowej jest uznawane za korzystne, poniewa prowadzi do zwi kszenia odpornoêci zm czeniowej oraz odpornoêci na p kanie sezonowe, a tak e wzrostu wytrzyma oêci na zginanie kruchej ceramiki i szk a. Ogólnie mo na stwierdziç, e obecnoêç napr eƒ szczàtkowych w materiale jest korzystna, jeêli dzia ajà one w p aszczyênie przy o enia obcià enia i sà przeciwnego znaku, np. napr enia szczàtkowe sà Êciskajàce, przy o one obcià enie jest rozciàgajàce. èród a napr eƒ szczàtkowych w materiale Napr enia generowane mechanicznie sà przewa nie wynikiem procesów obróbki, które wywo ujà nierównomierne odkszta cenie plastyczne materia u. Mogà byç te wprowadzone celowo, dla uzyskania odpowiedniego stanu napr eƒ w materiale. Operacje obróbki, które wprowadzajà rozciàgajàce napr enia szczàtkowe lub gradient napr eƒ, to m.in.: operacje ciàgnienia drutu (g bokie odkszta cenie), spawanie, frezowanie, toczenie, szlifowanie. Napr enia Êciskajàce sà generowane podczas: Êrutowania, przepr ania (samowzmacniania) zbiorników ciênieniowych, hartowania szk a. Napr enia generowane termicznie w skali makro generowane cieplnie napr enia szczàtkowe sà wynikiem nierównomiernego ogrzewania lub ozi biania materia u, co powoduje wyst powanie gradientu temperatury w materiale i powstanie znacznych napr eƒ wewn trznych. Przyk adowo, podczas odlewania stali lub stopów aluminium powstajà na powierzchni materia u napr enia Êciskajàce, kompensowane napr eniami rozciàgajàcymi wewnàtrz elementu. Napr enia szczàtkowe w skali mikro mogà byç generowane przez procesy obróbki lub wytwarzania jako konsekwencja niedopasowania wspó czynników rozszerzalnoêci cieplnej ró nych faz stopu. Napr enia generowane chemicznie sà wynikiem zmian obj toêci materia u na skutek reakcji chemicznej, procesów przesycania lub przemian fazowych. Chemiczna obróbka powierzchniowa oraz nak adanie pow ok mogà prowadziç do powstania znacznych gradientów napr - eƒ szczàtkowych w warstwie wierzchniej. Przyk adowo, azotowanie generuje napr enia Êciskajàce w obszarze dyfuzji, co jest spowodowane ekspansjà sieci krystalicznej i przesycaniem azotkami. Napr enia szczàtkowe Êciskajàce mierzone na powierzchni rozdzia u termicznych pow ok barierowych (antykorozyjnych) osiàgajà wartoêci rz du 6 8 GPa. Napr enia szczàtkowe mogà wyst powaç w skali makroi mikroskopowej. Makroskopowe napr enia szczàtkowe (I rodzaju) sà to napr enia wyst pujàce w materiale w skali wi kszej ni wielkoêç ziarna krystalicznego. Mikroskopowe napr enia szczàtkowe (II i III rodzaju) powstajà na skutek wyst powania ró nic w mikrostrukturze materia u. Napr enia II rodzaju wyst pujà w skali ziarna krystalicznego. W materia ach jednofazowych sà wynikiem anizotropii krystalitów, w materia ach wielofazowych wynikiem ró nic w aêciwoêci poszczególnych faz. Napr enia III rodzaju generowane sà na poziomie atomowym i sà wynikiem istnienia dyslokacji i innych defektów struktury krystalograficznej. Metody pomiarowe Metoda nawiercania otworów (ang. hole drilling) Metoda nawiercania otworów jest jednà z najcz Êciej stosowanych metod pomiaru napr eƒ szczàtkowych. Jest ona relatywnie atwa, szybka, tania i uniwersalna. Mo e byç stosowana w laboratoriach lub w warunkach polowych dla szerokiego zakresu materia ów i elementów. Technika polega na wydrà eniu niewielkiego otworu w elemencie, w którym wyst pujà napr enia szczàtkowe, a nast pnie na pomiarach lokalnych odkszta ceƒ. Napr - enia szczàtkowe sà wyznaczane analitycznie z wykorzystaniem zale noêci napr eƒ od odkszta ceƒ oraz za pomocà metody elementów skoƒczonych. Otwór jest nawiercany za pomocà specjalnego przyrzàdu w kszta cie 56
Rys. 1. Przyrzàd do nawiercania otworów rozety (rys. 1). Na dok adnoêç metody wp yw majà: ograniczona czu oêç pomiaru odkszta ceƒ, b dy zwiàzane z wymiarami otworu (Êrednica, wspó ÊrodkowoÊç, profil, g bokoêç), chropowatoêcià powierzchni, p askoêcià oraz przygotowanie próbki. Stosujàc metod nawiercania otworów zak ada si, e materia próbki jest izotropowy i liniowo spr ysty, co powoduje, e napr enia nie zmieniajà si znaczàco z g bokoêcià otworu, a ich zmiany wewnàtrz otworu sà niewielkie. Podstawowa analiza napr eƒ tà metodà ma sens tylko wtedy, gdy wartoêç napr eƒ szczàtkowych nie przekracza po owy wartoêci granicy plastycznoêci dla danego materia u. W przypadku stosowania techniki nawiercania otworów konieczne jest przygotowanie powierzchni badanego elementu w celu osiàgni cia dobrego przylegania przyrzàdu pomiarowego do powierzchni, jednak nale y uwa aç, aby nie usunàç zbyt du ej warstwy materia u, zw aszcza gdy istotny jest pomiar napr eƒ szczàtkowych wyst pujàcych przy powierzchni. Dost pne sà przyrzàdy pomiarowe o ró nym kszta cie (rys. 2). W aêciwy dobór kszta tu i rozmiaru przyrzàdu jest wa ny, poniewa wielkoêci te okreêlajà g bokoêç otworu. Stosowana jest ona do pomiarów napr eƒ szczàtkowych w elementach o du ych przekrojach. Metoda polega na wydrà eniu w materiale niewielkiego otworu (dla spawanych elementów Êrednica wynosi 3,175 mm), a nast pnie na usuni ciu fragmentu (kolumny) materia u ze Êrodka otworu. Po usuni ciu materia u nast puje relaksacja napr eƒ, co powoduje zmian wymiarów zarówno otworu, jak i usuni tego fragmentu materia u. Na podstawie zmian wymiarów mo na wyliczyç wartoêç napr eƒ szczàtkowych. Dyfrakcja rentgenowska Metoda rentgenowska wykorzystuje do pomiarów wewn trznych napr eƒ spr yste odkszta cenia wewnàtrz materia u polikrystalicznego. Na skutek odkszta cenia zmieniajà si odleg oêci mi dzyp aszczyznowe d hkl proporcjonalnie do przy o onego napr enia. Próbka ma kszta t p ytki, która jest ustawiona w osi goniometr. W czasie ekspozycji jest obracana wokó tej osi, dzi ki czemu przyjmuje ró ne po o enia kàtowe w stosunku do wiàzki promieniowania. JednoczeÊnie z ruchem próbki po okr gu pomiarowym przesuwa si detektor z dwukrotnie wi kszà pr dkoêcià kàtowà. Refleksy dyfrakcyjne odbijajà si od p aszczyzn krystalicznych poszczególnych krystalitów, które sà ustawione pod kàtem spe niajàcym równanie Bragga: 2 d hkl sinθ hkl = nλ gdzie: d hkl odleg oêci mi dzyp aszczyznowe, hkl indeksy Millera, ogólny symbol p aszczyzny krystalograficznej, λ d ugoêç fali promieniowania X, θ hkl kàtowa pozycja linii dyfrakcyjnych spe niajàcych prawo Bragga, n rzàd odbicia/ugi cia. Podczas pomiaru (rys. 3) próbka jest poddana dzia aniu wysokoenergetycznego promieniowania X, a detektor rejestruje kàtowe po o enia wiàzki promieniowania oraz jego Rys. 2. Typowe kszta ty rozety stosowane do nawiercania otworów W zale noêci od g bokoêci otworu mo na uzyskaç ró norodne informacje. Ma e przyrzàdy pomiarowe stosuje si w przypadku zlokalizowanych pomiarów, jednak sà one trudniejsze w zastosowaniu oraz dajà ograniczonà informacj o napr eniach zmieniajàcych si z g bokoêcià, w tym wypadku istnieje te wi ksze prawdopodobieƒstwo wystàpienia b dów zwiàzanych z nieregularnoêcià powierzchni. Pomimo wad metoda nawiercania otworów pozostaje popularnà technikà pomiaru napr eƒ szczàtkowych, a ostatnie osiàgni cia w tej dziedzinie koncentrowa y si na zaprojektowaniu rozety o nowym kszta cie, wykorzystaniu laserowej interferometrii plamkowej, interferometrii Moire a oraz holografii, zastosowaniu tej metody do cienkich warstw oraz do materia ów z nierównomiernym rozk adem i du ym gradientem napr eƒ. Odmian tej metody stanowi metoda nawiercania g bokich otworów lub trepanacyjna (deep hole drilling). Rys. 3. Dyfraktometr rentgenowski intensywnoêç. W ten sposób powstaje dyfraktogram (intensywnoêç w funkcji, 2θ), na którym znajdujà si refleksy (piki) dyfrakcyjne. Do pomiarów odkszta ceƒ nale y wybraç refleks o mo liwie najwi kszej wartoêci kàta 2θ. Odkszta cenie wyznacza si przez porównanie d hkl odkszta conej i nieodkszta conej próbki. Mo na tego dokonaç za pomocà kilku metod: podwójnej ekspozycji (wykonuje si dwa naêwietlania pod ró nymi kàtami), pomiaru wiàzkami równoleg ymi, odchylania p aszczyzn w z owych próbki w trakcie wykonywania ekspozycji, metody sin 2 ψ (ψ kàt pomi dzy normalnà do próbki i normalnà do p aszczyzny odb ysku (rys. 4)). Najcz Êciej stosowana jest ostatnia metoda sin 2 ψ (sin kwadrat psi). Jest to metoda podwójnej ekspozycji, przy czym p aszczyzna sieciowa próbki jest przesuni ta o pewien kàt w stosunku do pierwszej ekspozycji. Otrzymuje si zale noêç sin 2 ψ 57
Rys. 4. Schemat pomiaru odkszta ceƒ za pomocà dyfrakcji rentgenowskiej: oznaczenia: d φψ odleg oêç mi dzyp aszczyznowa po odkszta ceniu, d 0 odleg oêç mi dzyp aszczyznowa w nieodkszta conym materiale, φ kàt pomi dzy ustalonym kierunkiem na p aszczyênie próbki i kierunkiem projekcji na t p aszczyzn normalnej do p aszczyzny dyfrakcji, ψ kàt pomi dzy normalnà do próbki i normalnà do p aszczyzny dyfrakcji (dzieli promieƒ padajàcy i odbity), ε φψ odkszta cenie mierzone w kierunkach pomiarowych zdefiniowanych przez kàty φ i ψ, ν liczba Poissona, E modu spr ystoêci, σ φ napr enie dzia ajàce w wybranym kierunku, tzn. pod kàtem φ do σ 1 w funkcji odleg oêci mi dzyp aszczyznowej d hkl lub kàta 2θ hk, wówczas napr enia wyznacza si z nachylenia linii lub z funkcji eliptycznych uwzgl dniajàcych odpowiednie sta e spr ystoêci zgodnie z równaniem: Rys. 6. Pomiar napr eƒ szczàtkowych w rurze gazociàgu po trz sieniu ziemi (fot. Proto) Dok adnoêç pomiaru po o enia piku jest podstawowym czynnikiem warunkujàcym precyzj pomiaru odkszta ceƒ i napr eƒ i zale y od kszta tu piku, który jest z kolei zale ny od sposobu zbierania danych pomiarowych (np. wielkoêci kroku, czasu zliczania). Na rys. 5 pokazany jest wykres zale noêci d hkl sin 2 ψ w przypadku wyst powania napr eƒ Êcinajàcych powstajàcych podczas np. szlifowania powierzchni. Rys. 7. Laboratoryjny dyfraktometr XRD dostosowany do automatycznego tworzenia map napr eƒ (fot. Proto) Dyfrakcja rentgenowska jest nieniszczàcà technikà badawczà stosowanà do pomiaru napr eƒ na powierzchni materia u i mo e byç po àczona z metodà usuwania warstw (metoda niszczàca). Jednà z niedogodnoêci metody rentgenowskiej sà ograniczenia wynikajàce z wymiarów i geometrii próbki. Geometria powinna byç taka, aby wiàzka promieni X mog a omiataç badany fragment powierzchni, a tak e ulegaç ugi ciu. Przeszkodà mo e byç zbyt chropowata powierzchnia. Obecnie dost pne sà dyfraktometry przenoêne dostosowane do pomiarów polowych w przypadku takich elementów, jak: rurociàgi (rys. 6), mosty, konstrukcje spawane. Sà one montowane bezpoêrednio na badanym elemencie. Dost pne sà tak e urzàdzenia z mo liwoêcià automatycznego tworzenia map napr eƒ (rys. 7). Na rys. 8 pokazano map napr eƒ otrzymanà dla spawanej laserowo rury ze stali nierdzewnej w obszarze spoiny i w materiale do niej przylegajàcym. Na mapie napr eƒ widoczne sà rozciàgajàce napr enia szczàtkowe zlokalizowane w Êrodku spoiny. SzybkoÊç pomiaru za pomocà dyfrakcji rentgenowskiej zale y od wielu czynników, takich jak: rodzaj badanego materia u, rodzaj êród a promieniowania X oraz dok adnoêç pomiaru. Przestrzenna dok adnoêç pomiaru metodà dyfrakcji rentgenowskiej wynosi 1 2 mm do dziesiàtych cz Êci µm, g bokoêç penetracji wynosi oko o 10 30 µm w zale noêci od rodzaju materia u i êród a promieniowania. Rys. 5. Wykres sin 2 ψ w sytuacji wyst powania napr eƒ Êcinajàcych (TEC Materials Testing Division) Rys. 8. Mapa napr eƒ wyst pujàcych w spoinie rurociàgu (fot. Proto) 58
Wykorzystanie promieniowania synchrotronowego Promieniowanie synchrotronowe lub inaczej twarde promieniowanie X o du ej energii (rz du GeV). W tym wypadku g bokoêç penetracji promieni X wynosi ok. 50 mm (dla aluminium). Wi ksze g bokoêci wnikania promieni X w materia powodujà, e pomiary z u yciem promieniowania synchrotronowego cechujà si wi kszà rozdzielczoêcià, mo liwoêcià tworzenia trójwymiarowych map rozk adu odkszta ceƒ. Zwi kszona g bokoêç penetracji jest jednà z zalet promieniowania synchrotronowego w porównaniu z konwencjonalnà dyfrakcjà rentgenowskà. Innà zaletà jest mo liwoêç uzyskania wàskiej wiàzki o szerokoêci 1 mm 10 µm. To sprawia, e rozdzielczoêç nie jest ograniczana przez urzàdzenie, a przez wielkoêç ziarna krystalicznego w próbce. Jest to te metoda znacznie szybsza ni konwencjonalna metoda rentgenowska. Dyfrakcja neutronów Metoda oparta jest na tej samej zasadzie jak w przypadku dyfrakcji promieni X. Najwi kszà zaletà dyfrakcji neutronów jest, znacznie wi ksza ni w przypadku promieniowania X, g bokoêç penetracji pozwalajàca na dokonywanie pomiarów na powierzchni do g bokoêci maksymalnie ok. 0,2 mm oraz w obj toêci powy ej 100 mm w aluminium (25 mm w stali). Technika dyfrakcji neutronów oraz translacyjne i rotacyjne ruchy badanego elementu dajà mo liwoêç tworzenia trójwymiarowych map odkszta ceƒ ze znacznà rozdzielczoêcià. Dyfrakcja neutronów pozwala na zebranie du ej liczby danych z du ej powierzchni i g bokoêci, co sprawia, e jest to metoda doskonale nadajàca si do tworzenia teoretycznych i numerycznych modeli. W porównaniu ze zwyk à metodà dyfrakcji rentgenowskiej dyfrakcja neutronów jest technikà relatywnie kosztownà. Jest wykorzystywana przy optymalizacji nowych procesów àczenia materia ów w celu zminimalizowania ryzyka wystàpienia napr eƒ szczàtkowych w po àczeniach oraz do wykrywania cementytu w stalach w glowych. Metoda usuwania warstwy i pomiar krzywizny Metoda ta jest cz sto stosowana do wyznaczania napr eƒ szczàtkowych w próbkach o prostej geometrii. Jest to metoda szybka i wymaga wykonania jedynie prostych obliczeƒ napr eƒ w funkcji krzywizny materia u. Zdj cie warstwy materia u z powierzchni badanego elementu sprawia, e napr enia w elemencie zostanà niezbilansowane, co powoduje jego odkszta cenie (ugi cie). Krzywizna tego ugi cia zale y od poczàtkowego rozk adu napr eƒ w usuni tej warstwie materia u oraz od jego w aêciwoêci spr ystych. Pomiary krzywizny pozwalajà na ustalenie poczàtkowego rozk adu napr eƒ w badanej próbce. Pomiar krzywizny mo e byç dokonywany ró nymi metodami, np. mikroskopii optycznej, skanowania laserem, pomiaru odkszta ceƒ, profilometrii. Omawiana metoda pomiaru napr eƒ szczàtkowych mo e byç stosowana w przypadku tworzyw polimerowych, Charakterystyka metod pomiarowych Nazwa G bokoêç Typ Stan Gradient NiepewnoÊç Obszar techniki RozdzielczoÊç penetracji napr eƒ napr eƒ napr eƒ pomiaru pomiaru Uwagi Nawiercanie 50 100 µm g bokoêç makro jedno- + trudny do zmienia si 1 2 mm otworów otworu i dwuosiowy interpretacji g bokoêcià Êrednica 1 2 mm g bokoêç Dyfrakcja 20 µm 5 µm dla Ti makro jedno- zale y od Rozdzielrentge- g bokoêç 50 µm dla Al i mikro i dwuosiowy wielu czoêç dla nowska 1 mm 1 mm cienka + czynników 0,1 1 mm 2 stali 1 mm poprzecznie warstwa 0,05 0,1 mm Êrednica (min.) 15 µm g bokoêç Synchrotron 20 µm >500 µm makro jedno-, dwu- + zale y od 0,1 mm 3 Mierzy bezpoprzeczna 100 mm dla Al i mikro i trójosiowy ziarnistoêci poêrednio wiàzka, 1 mm próbki tylko odwiàzka kszta cenie. równoleg a Rzadko stosowana do pomiaru napr eƒ. Dyfrakcja 500 µm 100 mm dla Al makro jedno-, dwu- + zale y od >1 mm 3 neutronów 25 mm dla Fe i mikro i trójosiowy liczby 4 mm dla Ti zliczeƒ Pomiar zale y od - makro jedno- + Usuwanie krzywizny rodzaju i dwuosiowy warstwy materia u mo e byç i metody po àczone ze pomiaru stosowaniem innych metod pomiarowych np. dyfrakcji rentgenowskiej lub magnetycznych. Magnetyczne 1 mm 20 300 µm makro jedno- - >2 mm 3 Wra liwa na (met. i dwuosiowy mikrostruk- Barkhausena) tur, anizotropi i tekstur. Ultradêwi - 5 mm >100 mm makro jedno- - 1 400 mm 3 kowe wzd u próbki i dwuosiowy Raman/ 0,5 µm powierzch- makro jednofluorescencja niowa i dwuosiowy 59
kompozytów i cienkich warstw. Wykorzystuje si jà tylko do pomiarów p askich elementów. Metody magnetyczne Metody te wykorzystujà zale noêci pomi dzy w aêciwoêciami magnetycznymi materia ów ferromagnetycznych a stanem napr eƒ materia u, b dàce konsekwencjà wyst powania magnetostrykcji i efektu magnetospr ystego. Ich zaletà jest niski koszt, prostota i fakt, e sà to badania nieniszczàce. Jest to metoda bardzo szybka pomiar trwa kilka sekund, sprz t jest ca kowicie przenoêny, nadaje si do pomiaru napr eƒ dwuosiowych na g bokoêci 6 10 mm. Wadà jest ograniczona liczba materia ów, które mogà byç badane tà metodà. Magnetostrykcja jest to proces, w którym nast puje odkszta canie si domen magnetycznych w kierunku atwego magnesowania, a to skutkuje zmianà wymiarów próbki. Zmiana poziomu napr eƒ powoduje zmian liczby domen u o- onych w kierunkach atwego magnesowania, co wywo uje zmniejszenie wartoêci energii magnetospr ystej. Oprócz napr eƒ tà metodà mo na mierzyç równie inne parametry materia owe, np. tekstur, wielkoêç ziarna itd. Metody ultradêwi kowe Metody ultradêwi kowe wykorzystujà zale noêç cz stotliwoêci fal ultradêwi kowych przemieszczajàcych si w materiale od poziomu napr eƒ w nim wyst pujàcych. Zale noêç ta przejawia si w zmianach pr dkoêci przemieszczania si fal ultradêwi kowych. Poniewa zmiany cz stotliwoêci fal sà nieznaczne i silnie zale à od tekstury materia u, w pomiarach wykorzystuje si praktycznie czasy przejêcia fali przez materia. Metody ultradêwi kowe umo liwiajà pomiar napr eƒ szczàtkowych w skali makro w du ej obj toêci materia u, jednak wyst powanie tekstury (uprzywilejowana orientacja krystalitów) zmniejsza rozdzielczoêç tej metody. Zaletami sà atwoêç stosowania i dost pnoêç przenoênej aparatury. Spektroskopia Ramana Spektroskopia Ramana wykorzystuje zjawisko niespr - ystego rozpraszania Êwiat a. Próbka jest naêwietlana monochromatycznym Êwiat em lasera. Cz Êç kwantów promieniowania oddzia ujàc z próbkà zmienia energi oscylacji czàsteczek materia u próbki i przez to zwi ksza lub zmniejsza swojà energi. Widmo ramanowskie zawiera informacje o drganiach charakterystycznych czàsteczek badanego materia u, a wi c o chemicznej strukturze i fizycznych w aêciwoêciach. Jest to nieniszczàca i nieinwazyjna technika pomiaru napr eƒ o du ej rozdzielczoêci (1 µm i mniej). Linie fluorescencyjne widma Ramana przemieszczajà si liniowo na skutek zmian wartoêci napr enia hydrostatycznego w próbce. Jest to metoda pomiaru odkszta ceƒ i napr eƒ powierzchniowych w materia ach i pozwala na pomiary w obszarach podpowierzchniowych. Metoda spektroskopii Ramana jest stosowana do pomiaru napr eƒ szczàtkowych w takich materia ach, jak: w glik krzemu, ceramika aluminiowo-cyrkonowa oraz kompozyty umacniane w óknami. Opracowanie: dr in. Martyna Jachimowicz W opracowaniu wykorzystano materia y firm National Physical Laboratory (Wlk. Brytania) A Review of Residual Stress Measurement Methods A Guide to Technique Selection, 2001; materia y informacyjne firm Proto (USA) oraz TEC Materials Testing Division. 60