Методика исследования распределений остаточных напряжений в образцах из листового проката

Представлена методика исследования распределения остаточных напряжений по толщине тонколистовых прокатных материалов. Испытывали образцы в виде узких полос, вырезаемых из заготовки вдоль и поперек направления проката. Напряжения в образце определяли методом постепенно углубляемой поперечной прорези-паза. В качестве регистрируемого отклика рассматривали угол возникающего взаимного поворота концевых частей образца. Для его надежной регистрации наиболее оптимальными следует считать бесконтактные оптические методы: электронной спекл-интерферометрии или корреляции цифровых изображений. Выбор одного из них определяют исходя из условий проведения испытаний. Процедура интерпретации первичной экспериментальной информации в терминах остаточных напряжений сформулирована как обратная задача механики деформируемого твердого тела. Рассмотрены два возможных математических подхода к обработке данных с учетом некорректности задачи. Стабилизация решения достигается в том числе за счет применения алгоритма регуляризации. Эффективность разработанного метода продемонстрирована на примере исследования распределений напряжений в образцах из тонколистового стального проката — продукции Новолипецкого металлургического комбината. Показано, что различные подходы к математической обработке дают практически идентичные результаты.

1. Колмогоров Г. Л., Кузнецова Е. В., Тиунов В. В. Технологические остаточные напряжения и их влияние на долговечность и надежность металлоизделий. — Пермь: Изд. Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. — 226 с.

2. Буркин С. П., Шимов Г. В., Андрюкова Е. А. Остаточные напряжения в металлопродукции. — Екатеринбург: Изд. Урал. ун-та, 2015. — 248 с.

3. Болобанова Н. Л., Антонов П. В., Котов К. А., Юсупов В. С. Моделирование и исследование формообразования стального листового проката и совершенствование процессов его производства. — Череповец: ЧГУ, 2023. — 262 с.

4. Kajal G., Tyagi M. R., Kumar G. A review on the effect of residual stresses in incremental sheet metal forming used in automotive and medical sectors / Mater. Today: Proc. 2023. Vol. 78. Part 3. P. 524 – 534. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.11.235

5. Стружанов В. В. Об остаточных напряжениях после прокатки и расслоении двухслойных полос / Вестник Самарского гос. техн. ун-та. Серия: Физико-математические науки. 2010. № 5(21). C. 55 – 63. DOI: 10.14498/vsgtu823

6. Максимов Е. А., Шаталов Р. Л., Шаламов В. Г. Разработка методики расчета остаточных напряжений и параметров пружинения листа на роликовой правильной машине / Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2021. № 64(1). С. 14 – 20. DOI: 10.17073/0368-0797-2021-1-14-20

7. Witek S., Milenin A. Numerical analysis of temperature and residual stresses in hot-rolled steel strip during cooling in coils / Arch. Civil Mech. Eng. 2018. Vol. 18. Issue 2. P. 659 – 668. DOI: 10.1016/j.acme.2017.11.002

8. Milenin A., Kuziak R., Lech-Grega M., et al. Numerical modeling and experimental identification of residual stresses in hot-rolled strips / Arch. Civil Mech. Eng. 2016. Vol. 16. Issue 1. P. 125 – 134. DOI: 10.1016/j.acme.2015.08.002

9. Díaz A., Cuesta I. I., Alegre J. M., et al. Residual stresses in cold-formed steel members: review of measurement methods and numerical modelling / Thin-Walled Structures. 2021. Vol. 159. DOI: 10.1016/j.tws.2020.107335

10. Каргапольцев С. К., Гозбенко В. Е., Большаков Р. С. К вопросу оценки наличия остаточных напряжений на алюминиевых плитах / Системы. Методы. Технологии. 2023. № 3(59). С. 52 – 58.

11. Пономарев К. Е., Стрельников И. В., Антонов А. А., Бондаренко А. А. Применение метода лазерной интерферометрии для выбора режимов вибрационной обработки по критерию уровня остаточных напряжений / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 2. С. 54 – 60. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-2-54-60

12. 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

13. Дегтярева С. П., Ворожцова Е. В., Пескишев С. А. Определение и моделирование макронапряжений в изделиях рентгенографическим методом / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 2. С. 38 – 42. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-2-38-42

14. Разумовский И. А., Одинцев И. Н., Плугатарь Т. П. Методология экспериментально-расчетного исследования остаточных напряжений в элементах конструкций / Актуальные вопросы машиноведения. 2022. Т. 11. С. 116 – 119.

15. Махутов Н. А., Разумовский И. А. Методы анализа полей остаточных напряжений в пространственных деталях / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 1. Ч. I. С. 56 – 64.

16. Монахов А. Д., Яковлев Н. О., Автаев В. В., Котова Е. А. Разрушающие методы определения остаточных напряжений (обзор) / Труды ВИАМ. 2021. Т. 103. № 9. С. 95 – 104. DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-9-95-104

17. Усов С. М., Разумовский И. А., Одинцев И. Н. Исследование полей остаточных напряжений с использованием трещин-индикаторов и метода электронной спекл-интерферометрии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 9. С. 50 – 58. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-9-50-58

18. Плотников А. С., Завойчинская Э. Б. Об особенностях идентификации неоднородного поля остаточных напряжений на основе метода сверления отверстий и обработки данных цифровой спекл-интерферометрии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 12. С. 60 – 73. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-12-60-73

19. Dreiera S., Denkenaa B. Determination of residual stresses in plate material by layer removal with machine-integrated measurement / Procedia CIRP 24. 2014. P. 103 – 107. DOI: 10.1016/j.procir.2014.07.137

20. Олейник Б. Д., Винокуров Н. В., Нуртдинов А. С. Определение остаточных поверхностных напряжений методом травления консольно-закрепленного образца / Деформация и разрушение материалов. 2015. № 4. С. 12 – 16.

21. Белоусов Ю. В. Определение остаточных напряжений при травлении консольно закрепленного образца / Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2016. № 1. С. 55 – 59.

22. Prime M. B. Residual stress measurement by successive extension of a slot: the crack compliance method / Appl. Mech. Rev. 1999. Vol. 52. No. 2. P. 75 – 96. DOI: 10.1115/1.3098926

23. Prime M. B., Hill M. R. Residual stress, stress relief, and inhomogeneity in aluminum plate / Scripta Mater. 2002. Vol. 46. No. 1. P. 77 – 82. DOI: 10.1016/s1359-6462(01)01201-5

24. Schajer G. S., Prime M. B. Use of inverse solutions for residual stress measurements / J. Eng. Mater. Technol. 2006. Vol. 128. No. 3. P. 375 – 382. DOI: 10.1115/1.2204952

25. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. — М.: Наука, 1979. — 288 с.

26. Plugatar T. P., Odintsev I. N., Plotnikov A. S. A study of residual stress distributions in case-hardened material layers / AIP conference proceedings. 14th Int. Conf. on Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures, MRDMS 2020. Vol. 2315. DOI: 10.1063/5.0037301

27. Одинцев И. Н., Плугатарь Т. П., Волков А. Н. Методика исследования остаточных напряжений в листовом прокате / Сб. трудов 7-й Международной научно-технической конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение». 2024. С. 261 – 268.

28. Разумовский И. А. Интерференционно-оптические методы механики деформируемого твердого тела. — М.: Изд. МГТУ, 2007. — 240 с.

29. Sutton M. A., Orteu J. J., Schreier H. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. — N.-Y.: Springer, 2009. — 332 p.

30. Корн Г. А., Корн Т. М. Справочник по математике. — М.: Наука, 1968. — 832 с.

31. Гончарский А. В., Тихонов А. Н., Ягола А. Г., Степанов В. В. Численные методы решения некорректных задач. — М.: Наука, 1990. — 232 с.

32. Себер Дж. Линейный регрессионный анализ. — М.: Мир, 1980. — 456 с.