Метод сверления отверстий
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июнь 2015 г. ) |
Метод сверления отверстий – это метод измерения остаточных напряжений, [ 1 ] [ 2 ] в материале. Остаточные напряжения возникают в материале при отсутствии внешних нагрузок. Остаточные напряжения взаимодействуют с приложенной к материалу нагрузкой, влияя на общую прочность, усталостные и коррозионные характеристики материала. Остаточные напряжения измеряются экспериментально. Метод сверления отверстий является одним из наиболее часто используемых методов измерения остаточного напряжения. [ 3 ]
Метод сверления отверстий позволяет измерять макроскопические остаточные напряжения вблизи поверхности материала. Принцип основан на сверлении небольшого отверстия в материале. Когда материал, содержащий остаточное напряжение, удаляется, оставшийся материал достигает нового состояния равновесия. Новое состояние равновесия связано с деформациями вокруг просверленного отверстия. Деформации связаны с остаточными напряжениями в объеме материала, удаленного при сверлении. Деформации вокруг отверстия измеряются в ходе эксперимента с помощью тензодатчиков или оптических методов. Исходное остаточное напряжение в материале рассчитывается на основе измеренных деформаций. Метод сверления отверстий популярен благодаря своей простоте и подходит для широкого спектра применений и материалов.
К основным преимуществам метода сверления отверстий относятся быстрая подготовка, универсальность методики для разных материалов и надежность. И наоборот, метод сверления отверстий ограничен по глубине анализа и геометрии образца и, по крайней мере, является полуразрушающим.
История и развитие
[ редактировать ]Идея измерения остаточного напряжения путем сверления отверстия и регистрации изменения диаметра отверстия была впервые предложена Матаром в 1934 году. В 1966 году Рендлер и Виньис представили систематическую и повторяемую процедуру сверления отверстия для измерения остаточного напряжения. В последующий период метод получил дальнейшее развитие в части техники бурения, измерения снятых деформаций и самой оценки остаточных напряжений. Очень важной вехой является использование метода конечных элементов для расчета калибровочных коэффициентов и оценки остаточных напряжений на основе измеренных ослабленных деформаций (Schajer, 1981). Это позволило, в частности, оценить остаточные напряжения, которые не являются постоянными по глубине. Это также открыло дополнительные возможности использования метода, например, для неоднородных материалов, покрытий и т. д. Процедура измерения и оценки стандартизирована стандартом ASTM E837. [ 4 ] Американского общества испытаний и материалов, что также способствовало популярности этого метода. Сверление отверстий в настоящее время является одним из наиболее распространенных методов измерения остаточных напряжений. Для оценки используются современные вычислительные методы. Метод активно развивается с точки зрения техники бурения и возможностей измерения деформаций. Некоторые лаборатории, например компания MELIAD, предлагают услуги по измерению остаточных напряжений и продажу измерительного оборудования по стандарту ASTM E837. Сегодня этот метод внедрен в нескольких крупных компаниях энергетического и авиационного секторов.
Основополагающие принципы
[ редактировать ]Метод сверления отверстий для измерения остаточных напряжений основан на сверлении небольшого отверстия в поверхности материала. Это снимает остаточные напряжения и связанные с ними деформации вокруг отверстия. Снятые деформации измеряются как минимум в трех независимых направлениях вокруг отверстия. Затем исходное остаточное напряжение в материале оценивается на основе измеренных деформаций и с использованием так называемых калибровочных коэффициентов. Отверстие делается цилиндрической концевой фрезой или альтернативными методами. Деформации чаще всего измеряют с помощью тензорезисторов (тензорозеток).
Можно измерить двухосное напряжение в плоскости поверхности. Метод часто называют полуразрушающим из-за небольшого материального ущерба. Метод сравнительно прост, быстр, измерительное устройство обычно портативное. К недостаткам относятся разрушительный характер методики, ограниченная разрешающая способность и меньшая точность оценки в случае неравномерных напряжений или неоднородных свойств материала.
Так называемые калибровочные коэффициенты играют важную роль в оценке остаточного напряжения. Они используются для преобразования снятых деформаций в исходные остаточные напряжения в материале. Коэффициенты могут быть теоретически выведены для сквозного отверстия и однородного напряжения. Тогда они зависят только от свойств материала, радиуса отверстия и расстояния от отверстия. Однако в подавляющем большинстве практических приложений не выполняются предпосылки для использования теоретически выведенных коэффициентов, например, не учитывается интегральная деформация по площади тензометра, отверстие не сквозное, а глухое и т.п. При учете используются практические аспекты измерений. В основном они определяются численным расчетом с использованием метода конечных элементов. Они выражают связь между снимаемыми деформациями и остаточными напряжениями с учетом размера отверстия, глубины отверстия, формы тензометрической розетки, материала и других параметров.
Оценка остаточных напряжений зависит от метода их расчета по измеренным снятым деформациям. Все методы оценки построены на основных принципах. Они различаются условиями использования, требованиями к точности калибровочных коэффициентов или возможностью учета дополнительных влияний. Обычно отверстие делается последовательными шагами, и после каждого шага измеряются снятые деформации.
Методы оценки остаточного напряжения
[ редактировать ]Разработано несколько методов оценки остаточных напряжений от снятых деформаций. Фундаментальным методом является метод эквивалентного равномерного напряжения . Коэффициенты для конкретного диаметра отверстия, типа розетки и глубины отверстия опубликованы в стандарте ASTM E837. [ 4 ] Метод пригоден для постоянного или маломеняющегося напряжения по глубине. Его можно использовать в качестве ориентира для непостоянных напряжений, однако метод может давать сильно искаженные результаты.
Наиболее общим методом является интегральный метод . Он рассчитывает влияние снятого напряжения на заданной глубине, которое, однако, меняется в зависимости от общей глубины отверстия. Калибровочные коэффициенты выражаются в виде матриц. Оценка приводит к системе уравнений, решением которой является вектор остаточных напряжений на определенных глубинах. Для получения калибровочных коэффициентов необходимо численное моделирование. Интегральный метод и его коэффициенты определены в стандарте ASTM E837. [ 4 ]
Существуют и другие методы оценки, которые предъявляют меньшие требования к калибровочным коэффициентам и к самому процессу оценки. К ним относятся метод среднего напряжения и метод дополнительной деформации . Оба метода основаны на предположении, что изменение деформации вызвано исключительно снятием напряжения на пробуренном приросте. Они подходят только при небольших изменениях профилей напряжений. Оба метода дают численно правильные результаты для однородных напряжений.
Метод рядов степенных и метод сплайнов являются другими модификациями интегрального метода. Оба они учитывают как расстояние воздействия напряжения от поверхности, так и общую глубину отверстия. В отличие от интегрального метода, полученные значения напряжений аппроксимируются полиномом или сплайном. Метод степенных рядов очень стабилен, но он не может фиксировать быстро меняющиеся значения напряжения. Сплайн-метод более стабилен и менее подвержен ошибкам, чем интегральный метод. Он может лучше фиксировать фактические значения напряжения, чем метод степенных рядов. Основным недостатком являются сложные математические расчеты, необходимые для решения системы нелинейных уравнений.
Использование метода сверления отверстий
[ редактировать ]Метод сверления отверстий. Архивировано 22 февраля 2018 г. на Wayback Machine. Он находит применение во многих отраслях промышленности, связанных с производством и обработкой материалов. Наиболее важные технологии включают термическую обработку, механическую и термическую обработку поверхности, механическую обработку, сварку, нанесение покрытий или производство композитов. Несмотря на свою относительную универсальность, метод требует выполнения следующих фундаментальных предпосылок: возможности сверления материала, возможности применения тензометрических розеток (или других средств измерения деформаций) и знания свойств материала. Дополнительные условия могут повлиять на точность и повторяемость измерений. К ним относятся, в частности, размер и форма образца, расстояние измеряемой области от краев, однородность материала, наличие градиентов остаточных напряжений и т. д. Сверление отверстий может выполняться в лаборатории или в виде полевых измерений, что делает его идеальным. для измерения фактических напряжений в крупных компонентах, которые невозможно перемещать.
См. также
[ редактировать ]Внешние ссылки
[ редактировать ]- Измерение остаточных напряжений методом сверления отверстий, Западночешский университет, Научно-исследовательский центр «Новые технологии», кафедра «Термомеханика технологических процессов»
- Лабораторные и полевые измерения остаточного напряжения путем сверления отверстий. Архивировано 22 февраля 2018 г. на Wayback Machine.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Измерение остаточных напряжений | Термомеханика технологических процессов» . ttp.zcu.cz. Проверено 5 апреля 2019 г.
- ^ «Измерение остаточного напряжения путем сверления розеточных отверстий в соответствии с ASTM E 837» . Лаборатории G2MT . 05.04.2017. Архивировано из оригинала 28 июня 2018 г. Проверено 5 апреля 2019 г.
- ^ «Измерение остаточных напряжений | Термомеханика технологических процессов» . ttp.zcu.cz. Проверено 5 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с [ASTM E 837: Стандартный метод испытаний для определения остаточного напряжения с помощью тензометрического метода сверления отверстий, Стандарт ASTM, Американское общество по испытаниям и материалам]