Оценка ошибки измерения остаточных напряжений методом сверления отверстий

Разработана конфигурация образца с заданным по глубине распределением остаточных напряжений в целях отработки режимов исследования остаточных напряжений механическими и физическими методами. Способ формирования образца основан на неравномерном пластическом деформировании алюминиевой балки прямоугольного сечения по схеме чистого изгиба. Контроль деформированного состояния в процессе нагружения проводили на торцевой поверхности образца по полю нормальных деформаций, полученных с помощью системы корреляции цифровых изображений. Глубина пластически деформированного слоя составила 1,3 мм, получено симметричное относительно нейтральной оси образца напряженное состояние обратного знака. Теоретическое распределение остаточных напряжений, полученных в результате разгрузки пластически деформированного образца, определено по результатам численного расчета конечно-элементной модели с учетом физико-механических характеристик, упругопластического упрочнения, а также кривой деформирования в истинных координатах, полученной при одноосном растяжении элементарных образцов. Проведено исследование неоднородных по глубине остаточных напряжений методом сверления отверстий в соответствии с ASTM E837 на двух противоположных сторонах образца — областях растяжения при деформировании и сжатия. Контроль деформационного отклика в результате сверления фиксировали с помощью трехосевых тензометрических розеток. Результаты фактического измерения продольной компоненты остаточных напряжений были сопоставлены с их теоретическим распределением, полученным численным способом. Так, среднеквадратичная ошибка измерения остаточных напряжений относительно их теоретического распределения на образце из алюминиевого сплава достигает 18,7 МПа. Стоит отметить, что бóльшие ошибки измерения зафиксированы на малых глубинах, для которых характерны небольшие значения деформаций, сопоставимые с величиной дробового шума.

1. Каблов Е. Н., Дынин Н. В., Бенариеб И. и др. Изменение структуры и механических свойств при термической обработке алюминиевых сплавов типа ALSI10MG, полученных методом селективного лазерного сплавления / Металловедение и термическая обработка металлов. 2022. № 10(808). С. 20 – 28. DOI: 10.30906/mitom-2022-10-20-28

2. Каблов Е. Н., Бакрадзе М. М., Громов В. И. и др. Новые высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали для аэрокосмической техники разработки ФГУП «ВИАМ» (обзор) / Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1(58). С. 3 – 11. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-3-11

3. Медведев П. Н., Гуляев А. И. Анализ пространственного распределения трещин в жаропрочном никелевом сплаве, изготовленном по технологии СЛС / Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1(58). С. 12 – 18. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-12-18

4. Попов А. Л., Козинцев В. М., Челюбеев Д. А., Левитин А. Л. Метод отверстия в диагностике остаточных напряжений / Прикладная математика и механика. 2021. Т. 85. № 2. С. 210 – 238. DOI: 10.31857/S0032823521010069

5. Хлыбов А. А., Рябов Д. А., Минков К. А. Контроль остаточных напряжений в образцах из стали 5ХНМ акустическим методом / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 9. С. 30 – 36. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-9-30-36

6. Ноняк Д. В., Денисов И. В., Первухина О. Л. Влияние технологического цикла производства на изменение физико-механических характеристик биметалла со стыковым сварным соединением в плакирующем слое / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 7. С. 59 – 66. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-7-59-66

7. Luo Q. A modified X-ray diffraction method to measure residual normal and shear stresses of machined surfaces / The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. Vol. 119. P. 3595 – 3606. DOI: 10.3390/lubricants10030037

8. Schajer G. S., Abraham C. Residual Stress Measurements in Finite-Thickness Materials by Hole-Drilling / Experimental Mechanics. 2014. Vol. 54. N 9. P. 1515 – 1522. DOI: 10.1007/s11340-014-9935-6

9. Монахов А. Д., Яковлев Н. О., Автаев В. В., Котова Е. А. Разрушающие методы определения остаточных напряжений (обзор) / Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн., 2021. № 9. Ст. 10. DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-9-95-104

10. Монахов А. Д., Яковлев Н. О., Шершак П. В. Методы формирования образцов с искусственно созданным распределением остаточных напряжений (обзор) / Авиационные материалы и технологии. 2023. № 4(73). С. 122 – 132.

11. Valentini E., Benincasa A., Santus C. Bending test rig for validating the hole drilling method residual stress measurement / Materials Science Forum. 2014. Vols. 768 – 769. P. 150 – 157. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.768-769.150

12. Beghini M., Santus C., Valentini E., Benincasa A. Experimental verification of the hole drilling plasticity effect correction / Materials Science Forum. 2011. Vol. 681. P. 151 – 158. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.681.151

13. Zhang B., Zhu J. Residual Stress Measurement of an Interference Fit Specimen Based on Moiré Interferometry and Hole-Drilling Method / Optics. 2015. N 4(3 – 1). P. 1 – 4. DOI: 10.11648/j.optics.s.2015040301.11

14. Lefebvre F., Wasniewski E., Francois M. External reference samples for residual stress analysis by X-ray diffraction / Advanced Materials Research. 2014. Vol. 996. P. 221 – 227. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.996.221

15. Гринченко М. И. Методы и технологии создания эталонного образца механических напряжений / В мире неразрушающего контроля. 2018. Т. 21. № 1. С. 31 – 35.

16. Wang X. B. Residual Stress Distribution in Pure Bending Beam Subjected to Tensile Failure on One Side / Materials Science Forum. 2006. Vols. 524 – 525. P. 253 – 258. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.524-525.253

17. Монахов А. Д., Гуляев М. М., Гладышева Н. Е. и др. Применение метода корреляции цифровых изображений для построения диаграмм деформирования в истинных координатах / Известия вузов. Цветная металлургия. 2023. № 29(3). С. 79 – 88. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-3-79-88

18. Валиуллин А. Х. Предельный упругопластический изгиб балки / Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 2. С. 70 – 75.

19. Sutton M. A., Orteu J.-J., Schreier H. W. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. — Columbia, SC, USA: University of South Carolina, 2009. — 322 p.

20. Zabala J., Peñafiel R., Oscar S. On the Digital Image Correlation Technique / Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 49. Part 1. P. 79 – 84. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.07.476

21. Букеткин Б. В., Жуков В. С., Ширшов А. А. Поперечный изгиб заготовки прямоугольного сечения при больших пластических деформациях / Инженерный журнал: наука и инновации. 2022. № 2(122). DOI: 10.18698/2308-6033-2022-2-2150