Способ определения распределения остаточных напряжений по толщине металлоизделия с высокими поверхностными градиентами Российский патент 2025 года по МПК G01N19/06 G01N3/20 

Изобретение относится к методам разрушающего контроля материалов, а именно к разрушающим способам реконструкции распределения компонент остаточных напряжений в элементах конструкций.

Объектом исследования является образец в форме призматического бруса прямоугольного поперечного сечения, вырезанного из толстостенной листовой заготовки или профилированного металлопроката, имеющий распределение по толщине продольной компоненты остаточных напряжений, образовавшееся в результате процессов градиентной термомеханической обработки и характеризующееся высокими поверхностными градиентами остаточных напряжений.

Предлагаемый способ востребован в машиностроении для контроля остаточных напряжений, образующихся при изготовлении и термомеханической обработке металлоизделий.

Из известных методов контроля распределения остаточных напряжений в образце по его толщине можно выделить:

1. Метод полосок (метод Давиденкова – Биргера, Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 233 с.), заключающийся в измерении изменения прогиба полоски, вырезанной с поверхности детали, при последовательном удалении поверхностных слоев электрохимическим травлением и позволяющий определять по этим данным распределение остаточных напряжений по глубине до величин долей мм.

2. Метод сверления отверстий (стандарт ASTM E837-13a Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain Gage Method), заключающийся в измерении изменения поверхностных деформаций по мере сверления отверстия на поверхности детали и определения по этим данным распределения остаточных напряжений по глубине до величины, равной диаметру бура, приблизительно равной 1 мм.

3. Метод разрезания на полосы и измерения изменения их продольной деформации (Pekoz Т., Bjorhovde R., Errera S.J., Johnston B.G., Sherman D.R., Tall L. Determination of residual stresses: Technical memorandum of ASCE No. 6 // Guide To Stability Design Criteria For Metal Structures / Ed. R.D. Ziemian. 6th ed. 2010. P. 993-1002), заключающийся в измерении продольных деформаций полос, на которые нарезается брус, и определения по этим данным распределения остаточных напряжений по толщине бруса.

4. Метод разрезания на полосы и измерения их прогиба (патент РФ № 2797771), согласно которому с верхней грани бруса последовательно срезают тонкие параллельные полосы, измеряют прогибы срезанных полос () и оставшейся части бруса (), при этом процесс срезания полос прекращают, если прогибы отрезанных полос стабилизируются , или при отсутствии необходимости определения распределения собственных деформаций в оставшейся части бруса, определяют градиенты деформаций в полосах () и оставшейся части бруса ()

,

определяют распределение по толщине бруса собственных деформаций в виде кусочно-линейной функции со значениями в узлах с помощью конечно-разностных формул:

, ,

определяют распределение по толщине бруса остаточных напряжений с использованием формулы

,

, ,

где E - модуль Юнга, Н - высота бруса, h - толщина полосы и реза. Данный способ менее требователен к точности измерений, чем предыдущий.

Известные способы 1 и 2 подходят для определения распределения остаточных напряжений вблизи поверхностей по глубине до величин 1 мм.

Известные способы 3 и 4 подходят для определения распределения остаточных напряжений по всей толщине бруса-образца, вырезанного из металлоизделия, с шагом приблизительно 1 мм при использовании электроэрозионной резки, и поэтому неспособны воспроизводить градиентное распределение остаточных напряжений вблизи поверхностей, которые, как правило, имеют место при использовании различных методов механотермической обработки металлоизделия.

При этом из уровня техники не были выявлены комбинированные способы определения распределения остаточных напряжений с высокими поверхностными градиентами, которые могли бы воспроизводить их грубо по всей толщине металлоизделия и, точнее - вблизи поверхностей, поэтому сделать выбор ближайшего аналога к заявляемому объекту не представляется возможным.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение - реконструкция распределения компонент остаточных напряжений с высокими поверхностными градиентами в элементах конструкции либо металлоизделиях.

Технический результат, достигаемый предлагаемым решением, заключается в повышении точности определения распределения компонент остаточных напряжений с высокими поверхностными градиентами в образце в форме призматического бруса прямоугольного поперечного сечения, вырезанного из элемента конструкции либо металлоизделия.

Поставленный технический результат достигается предлагаемым способом определения распределения остаточных напряжений по толщине металлоизделия с высокими поверхностными градиентами, согласно которому для бруса с прямоугольным поперечным сечением, вырезанного из металлоизделия, сначала методом сверления отверстий определяют распределения продольной компоненты остаточных напряжений вблизи его верхней и нижней граней , где - координата по толщине бруса; затем методом разрезания на полосы и измерения их прогиба определяют распределение по толщине бруса продольной компоненты собственных деформаций на внутреннем отрезке ; далее вычисляют по этим данным недостающие фрагменты распределений по толщине бруса: продольной компоненты остаточных напряжений на внутреннем отрезке и продольной компоненты собственных деформаций и вблизи верхней и нижней поверхностей бруса соответственно с использованием следующих формул:

,

где - модуль Юнга,

- коэффициент Пуассона,

- толщина бруса,

- координата вдоль толщины бруса,

- координаты глубин отверстий, просверленных вблизи верхней и нижней поверхностей бруса,

и - фрагменты распределения продольной компоненты остаточных напряжений на отрезках и вблизи поверхностей бруса, определяемые методом сверления отверстий,

- фрагмент распределения продольной компоненты собственных деформаций на отрезке , определяемый методом разрезания бруса на полосы,

и - фрагменты распределения продольной компоненты собственных деформаций на отрезках и вблизи поверхностей бруса, реконструируемые теоретически,

- фрагмент распределения продольной компоненты остаточных напряжений на отрезке внутри бруса, реконструируемый теоретически,

- параметр, определяемый минимизацией невязки разрывов в точках между аппроксимацией и экспериментальными данными.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Метод разрезания бруса на полоски и метод сверления отверстий по отдельности показывают недостаточную точность определения остаточных напряжений в отношении массивных металлоизделий, подвергнутых градиентной термомеханической обработке и поэтому имеющих высокие поверхностные градиенты остаточных напряжений. Только за счет совокупности заявляемых операций предлагаемого способа и используемого нового математического аппарата имеется возможность обеспечить реконструкцию непрерывного распределения компонент остаточных напряжений с высокими поверхностными градиентами в образце, а значит, повысить точность.

Это обеспечивается за счет:

- реконструкции распределения продольной компоненты остаточных напряжений вблизи двух параллельных поверхностей образца в форме призматического бруса прямоугольного поперечного сечения методом сверления отверстий;

- реконструкции распределения продольной компоненты собственных деформаций между упомянутыми поверхностями образца методом разрезания на полосы и измерения их прогиба;

- и вычисления по этим данным распределений продольной компоненты собственных деформаций и остаточных напряжений по всей толщине металлоизделия с использованием заявленных оригинальных реконструктивных формул, которые были получены следующим образом.

Пусть призматический брус прямоугольного поперечного сечения имеет непрерывное распределение собственных деформаций вдоль одной из поперечных координат бруса:

, ,

где - толщина бруса,

- координата вдоль толщины бруса.

Предположение не влияет на прогиб бруса и распределение остаточных напряжений , имеющее вид

, .

Рассматривается задача реконструкции функций: , если они известны на определённых участках: на и на и , где - координаты глубин отверстий, просверленных вблизи верхней и нижней поверхностей бруса.

Такая ситуация возникает, если распределения остаточных напряжений определяют вблизи границ образца на глубине 1 мм методом сверления отверстий (согласно стандарта ASTM E837-13a Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain Gage Method), а собственные деформации реконструируются методом разрезания образца на полоски толщиной 1 мм и замера их прогибов (согласно патенту РФ № 2797771), который не имеет достаточного разрешения в приповерхностной области, где градиенты остаточных напряжений и собственных деформаций, как правило, велики.

Распределения остаточных напряжений и собственных деформаций связываются формулами (Petukhov D., Keller I. Exact reconstruction formulas for plastic strain distribution in the surface-treated plate and their applications. Acta Mechanica. 2020. Vol. 231. P. 1849-1866)

(1)

где - модуль Юнга, - коэффициент Пуассона, - константы.

Разделим функции на три участка, для каждой из которых собственные деформации и остаточные напряжения обозначаются как , , и , , соответственно и определяются выражениями (иллюстрация приведена в виде графического материала на фиг. 1):

, (2)

где известны, а требуется определить.

Выражения (2) подставляются в последние два выражения (1)

(3)

затем с помощью первых двух равенств (1) выражаются через и , в результате чего получаются выражения

(4)

которые подставляются в (3), откуда следуют точные выражения для констант :

(5)

с помощью которых по формулам (4) определяются , а по формуле (6)

определяется распределение .

Найденные функции (2) могут иметь разрывы в точках , источником которых служат погрешности экспериментальных данных, а также методологические различия используемых методов. Поэтому для повышения точности определения в формулах (4), (5) предусмотрен параметр , определяемый минимизацией невязки разрывов в точках между аппроксимацией и экспериментальными данными, определяемой следующим выражением:

(7)

где и - масштабирующие множители (максимальная разность остаточных напряжений или собственных деформаций при ).

Если остаточные напряжения определены только с одной стороны бруса, то участок или отсутствует, и в (5) следует положить или , а (2) примет соответствующий вид

или

Распределение собственных деформаций позволяет вводить их в численные расчеты напряженно-деформированного состояния в качестве источника остаточных напряжений и представляет собой альтернативу численного расчета технологического процесса, порождающего эти остаточные напряжения. Это обеспечивает повышение точности определения предлагаемым способом.

Заявляемый способ предусматривает использование в качестве исследуемого образца призматический брус прямоугольного поперечного сечения, для которого в работе Petukhov D., Keller I. Exact reconstruction formulas for plastic strain distribution in the surface-treated plate and their applications. Acta Mechanica. 2020. Vol. 231. P. 1849–1866 получены точные решения прямых и обратных задач реконструкции распределений остаточных напряжений и собственных деформаций по толщине.

Изобретение поясняется иллюстрирующими материалами, а именно: фиг.1, фиг.2 и фиг.3:

На фиг. 1 приведена схема распределения известных и искомых значений продольной компоненты остаточных напряжений и собственных деформаций по толщине образца.

На фиг. 2 – иллюстрация применения предлагаемого способа к реконструкции непрерывного распределения остаточных напряжений и собственных деформаций в толстолистовом прокате после одностороннего охлаждения при .

На фиг. 2 – иллюстрация применения предлагаемого способа к реконструкции непрерывного распределения остаточных напряжений и собственных деформаций в толстолистовом прокате после одностороннего охлаждения при .

Пример конкретного осуществления предлагаемого способа.

Для исследования использовали металлоизделие в виде образца листового проката судовой стали А32 толщиной 14 мм размерами 300х60х14 мм, подвергнутого выдержке в течении 21 мин. в печи при температуре аустенитизации 900°С, с последующим односторонним ускоренным охлаждением. Из середины указанного образца вырезали призматический брус с прямоугольным поперечным сечением размером 300х10х14 мм.

Далее посредством установки MTS3000-Restan (SINT Technology) на верхней и нижней поверхности бруса были просверлены отверстия на глубину до 1 мм и методом сверления отверстий были определены распределения остаточных напряжений на глубине до 1 мм с обеих сторон (фиг. 2, сплошные линии 1).

Затем посредством электроэрозионной установки исследуемый брус был разрезан на 11 полос толщиной 1 мм. Прогибы средних 9 полос были измерены электронным штангенрейсмусом и было определено распределение собственных деформаций согласно способу, описанному в патенте РФ № 2797771 (фиг. 2, сплошная линия 2).

По этим данным по формулам (4)-(6) со значениями констант были реконструированы недостающие фрагменты распределений собственных деформаций и остаточных напряжений, показанные на фиг. 2 соответственно штриховыми линиями 3 и 4.

На фиг. 3 показаны распределения собственных деформаций и остаточных напряжений, найденные с одновременной минимизацией невязки (7), в результате которой найдено .

Распределения на фиг. 3, в отличие от распределений на фиг. 2, являются непрерывными, а, следовательно, более физичными. Также можно убедиться, что распределения остаточных напряжений на фиг.2 и фиг.3 являются самоуравновешенными. Оба варианта демонстрируют значительные градиенты собственных деформаций и остаточных напряжений вблизи границ отрезка и плавное изменение этих величин во внутренней его части. Использованные методы сверления отверстий и разрезания на полосы по отдельности не способны воспроизвести данные особенности распределений, вызванные градиентной механотермической обработкой образца.

Изобретение относится к методам разрушающего контроля материалов, а именно к разрушающим способам реконструкции непрерывного распределения компонент остаточных напряжений в элементах конструкций. Сущность: для бруса с прямоугольным поперечным сечением, вырезанного из металлоизделия, сначала методом сверления отверстий определяют распределения продольной компоненты остаточных напряжений вблизи его верхней и нижней поверхностей , где - координата по толщине бруса; затем методом разрезания на полосы и измерения их прогиба определяют распределение по толщине бруса продольной компоненты собственных деформаций на внутреннем отрезке ; и далее вычисляют по этим данным недостающие фрагменты распределений по толщине бруса продольной компоненты остаточных напряжений на внутреннем отрезке и продольной компоненты собственных деформаций и вблизи верхней и нижней поверхностей бруса соответственно с использованием реконструктивных математических формул. Технический результат: повышение точности определения распределения компонент остаточных напряжений с высокими поверхностными градиентами в образце в форме призматического бруса прямоугольного поперечного сечения, вырезанного из элемента конструкции либо металлоизделия. 3 ил.

Способ определения распределения остаточных напряжений по толщине металлоизделия с высокими поверхностными градиентами, согласно которому для бруса с прямоугольным поперечным сечением, вырезанного из металлоизделия, сначала методом сверления отверстий определяют распределения продольной компоненты остаточных напряжений вблизи его верхней и нижней граней , где - координата по толщине бруса; затем методом разрезания на полосы и измерения их прогиба определяют распределение по толщине бруса продольной компоненты собственных деформаций на внутреннем отрезке ; далее вычисляют по этим данным недостающие фрагменты распределений по толщине бруса: продольной компоненты остаточных напряжений на внутреннем отрезке и продольной компоненты собственных деформаций и вблизи верхней и нижней поверхностей бруса соответственно с использованием следующих формул:

,

где - модуль Юнга,

- коэффициент Пуассона,

- толщина бруса,

- координата вдоль толщины бруса,

- координаты глубин отверстий, просверленных вблизи верхней и нижней поверхностей бруса,

и - фрагменты распределения продольной компоненты остаточных напряжений на отрезках и вблизи поверхностей бруса, определяемые методом сверления отверстий,

- фрагмент распределения продольной компоненты собственных деформаций на отрезке , определяемый методом разрезания бруса на полосы,

и - фрагменты распределения продольной компоненты собственных деформаций на отрезках и вблизи поверхностей бруса, реконструируемые теоретически,

- фрагмент распределения продольной компоненты остаточных напряжений на отрезке внутри бруса, реконструируемый теоретически,

- параметр, определяемый минимизацией невязки разрывов в точках между аппроксимацией и экспериментальными данными.