Исследование распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя после механической обработки методами сверления зондирующих отверстий и цифровой корреляции изображений

Цель – исследование распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя после обработки экспериментальных образцов методами свободного ортогонального резания и поверхностного пластического деформирования. Обработка резанием и поверхностным пластическим деформированием образцов, изготовленных из стали 45, проводилась на фрезерном станке с числовым программным управлением в условиях варьирования технологических факторов обработки. Для проведения сравнительного анализа выполнялось также моделирование процессов методом конечных элементов с использованием идентичных экспериментальных значений геометрических параметров и режимов обработки. Для получения распределений остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя проводилось сверление зондирующих отверстий глубиной 0,5; 0,75; 1; 1,5; и 2 мм соответственно. Путем дифференцирования измеренных с использованием метода цифровой корреляции изображений перемещений материальных частиц поверхности образца были определены радиальные деформации вокруг зондирующих отверстий. Далее по этим значениям определялись компоненты остаточных напряжений для каждого зондирующего отверстия, с использованием представленного в работе расчетного алгоритма осуществлялся расчет усредненных значений каждого компонента остаточных напряжений. Так, после поверхностного пластического деформирования образца с усилием 3400 Н экспериментальное значение компонента σx в диапазоне глубин 0,5…0,75 мм от поверхности составило -250 МПа. Получены модельные и экспериментальные распределения компонент тензора остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя после обработки двумя способами. Установлено, что экспериментальные значения остаточных напряжений в целом имеют хорошую сходимость между собой и с модельными распределениями на глубинах до 1 мм от обработанной поверхности при использованном диаметре сверла 1,7 мм. Предложенный авторами подход позволяет получить распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя путем сверления зондирующих отверстий различной глубины и оценки радиальных деформаций на поверхности образца с использованием метода цифровой корреляции изображений.

1. Kostylev V.I., Margolin B.Z. Determination of residual stress and strain fields caused by cladding and tempering of reactor pressure vessels // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2000. Vol. 77. P. 723–735. https://doi.org/10.1016/S0308-0161(00)00062-4.

2. Чирков А.В., Сазанов В.П., Самойлов В.А., Ларионова Ю.С. Моделирование перераспределения остаточных напряжений в упрочнённых цилиндрических образцах при опережающем поверхностном пластическом деформировании // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 3. С. 171–174. EDN: TVWGJH.

3. Покровский А.М. Расчет остаточных напряжений в биметаллических опорных прокатных валках после термической обработки // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2012. С. 186–196. EDN: QNUUYV.

4. Hassani-Gangarajab S.M., Carbonib M., Guaglianob M. Finite element approach toward an advanced understanding of deep rolling induced residual stresses, and an application to railway axles // Materials & Design. 2015. Vol. 83. Р. 689–703. http://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.06.026.

5. Lyubenova N., Baehre D. Finite element modelling and investigation of the process parameters in deep rolling of AISI 4140 steel // Journal of Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 5. Iss. 7-8. Р. 277–287. http://doi.org/10.17265/2161-6221/2015.7-8.004.

6. Kukielka L., Szczesniak M., et al. Analysis of the states of deformation and stress in the surface layer of the product after the burnishing cold rolling operation // Materials Science Forum. 2016. Vol. 862. Р. 278–287. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.862.278.

7. Радченко В.П., Саушкин М.Н., Бочкова Т.И. Математическое моделирование и экспериментальное исследование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Серия: Машиностроение, материаловедение. 2016. № 1. Р. 93–112. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.1.07. EDN: VQTAHL.

8. Saini S., Ahuja I.S., Sharma V.S. Modeling the effects of cutting parameters on residual stresses in hard turning of AISI H11 tool steel // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013. Vol. 65. Р. 667–678. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4206-0.

9. Huang Xiaoming, Sun Jie, Li Jianfeng. Finite element simulation and experimental investigation on the residual stressrelated monolithic component deformation // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 77. Iss. 5-8. Р. 1035–1041. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6533-9.

10. Su Jiann-Cherng, Young A. Keith, Ma Kong, Srivatsa Shesh, Morehouse B. John, Liang Y. Steven. Modeling of residual stresses in milling // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013. Vol. 65. Р. 717–733. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4211-3.

11. Ji Xia, Zhang Xueping, Liang Y. Steven Predictive modeling of residual stress in minimum quantity lubrication machining // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 70. Р. 2159–2168. https://doi.org/10.1007/s00170-013-5439-2.

12. Биргер И.А. Остаточные напряжения. Серия: Физико-математическое наследие: физика (механика). 2-е изд. М.: Ленанд, 2015. 234 с.

13. Давиденков Н.Н. Измерение остаточных напряжений в трубах // Журнал технической физики. 1931. Т. 1. № 1. С. 206–218.

14. Разумовский И.А. Экспериментальные методы исследования напряженно-деформированного состояния: история, проблемы, перспективы развития // Машиностроение и инженерное образование. 2018. № 2. С. 17–32. EDN: XZIJKH.

15. Елеонский С.И., Одинцев И.Н., Писарев В.С., Усов С.М. Определение остаточных напряжений и коэффициентов интенсивности напряжений на основе локального удаления материала // Ученые Записки ЦАГИ. 2017. Т. 48. № 4. С. 57–77. EDN: ZDMMQL.

16. Aniskovich E.V., Moskvichev V.V., Makhutov N.A., Razumovskii I.A., Apalkov A.A., Plugatar T.P. Evaluation of residual stresses in the impeller blades of hydraulic units // Power Technology and Engineering. 2019. Vol. 53. № 1. Р. 33–38. https://doi.org/10.1007/s10749-019-01030-y. EDN: SAKRHC.

17. Yonezu A., Kusano R., Hiyoshi T., Chen Xi. A method to estimate residual stress in austenitic stainless steel using a microindentation test // Journal of Materials Engineering and Performance. 2015. Vol. 24. Iss. 1. Р. 362–372. https://doi.org/10.1007/s11665-014-1280-5.

18. Венгринович В.Л., Винтов Д.А., Прудников А.Н., Подугольников П.А., Рябцев В.Н. Особенности измерения напряжений в ферромагнетиках методом эффекта Баркгаузена // Контроль. Диагностика. 2017. № 8. С. 10–17. https://doi.org/10.14489/td.2017.08.pp.010-017. EDN: ZCRNIJ.

19. Паньковский Ю.П. Аппаратная реализация некоторых магнитных методов неразрушающего контроля // Мир измерений. 2005. № 5. С. 9–12.

20. Улыбин А.В., Васильков С.Д. Использование резистивного электроконтактного метода для контроля напряжённо-деформированного состояния элементов стальных конструкций // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета. 2009. № 6. С. 155–160. EDN: QLMNUD.

21. Луценко А.Н., Одинцев И.Н., Гриневич А.В., Северов П.Б., Плугатарь Т.П. Исследование процесса деформации материала оптико-корреляционными методами // Авиационные материалы и технологии. 2014. № 14. С. 70–86. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2014-0-s4-70-86.

22. Дорофеев В.С., Зинченко А.В. Исследование напряженно-деформированного состояния изгибаемых элементов с учетом технологической поврежденности поляризационно-оптическим методом // European Cooperation. 2016. Vol. 19. Iss. 12. Р. 48–58.

23. Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Pappalettere C. A review of residual stress measurements by HDM and optical techniques // Machines. Technologies. Materials. 2017. Vol. 11. Iss. 1. Р. 27–29.

24. Meyer H., Epp J. In Situ x-ray diffraction analysis of stresses during deep rolling of steel // Quantum Beam Science. 2018. Vol. 2. Iss. 4. Р. 20. https://doi.org/10.3390/qubs2040020.

25. Одинцев И.Н., Щепинов В.П., Щиканов А.Ю. Применение голографической интерферометрии для измерения остаточных напряжений методом зондирующего отверстия // Журнал технической физики. 2003. Т. 73. Вып. 11. С. 106–110. EDN: TTEUVV.

26. Апальков А.А., Ларкин А.И., Осинцев А.В., Одинцев И.Н., Щепинов В.П., Щиканов А.Ю. [и др.]. Голографический метод исследования остаточных напряжений // Квантовая электроника. 2007. Т. 37. № 6. С. 590–59.

27. Махутов Н.А., Разумовский И.А., Косов В.С., Апальков А.А., Одинцев И.Н. Исследование остаточных напряжений с применением электронной цифровой спекл-интерферометрии в натуральных условиях // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. № 5. С. 47–51. EDN: JUHLPR.

28. Beghini M., Bertini L., Santus C. A procedure for evaluating high residual stresses using the blind hole drilling method, including the effect of plasticity // The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 2010. Vol. 45. Iss. 4. Р. 301–320. https://doi.org/10.1243/03093247JSA579.

29. Апальков А.А., Одинцев И.Н., Плотников А.С. Оценка диапазона достоверных измерений остаточных напряжений методом сверения отверстий // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 2. С. 47–52. EDN: VPIOUB.

30. Zhang Keming, Li Yong, Xu Min, Ke Youlong. Residual stress release characteristics of hole drilling determined by inplane three-directional optical interference moiré // Journal of Modern Optics. 2018. Vol. 65. Iss. 21. Р. 1362–3044. https://doi.org/10.1080/09500340.2018.1506519.

31. Baldi A. On the implementation of the integral method for residual stress measurement by integrated digital image correlation // Experimental Mechanics. 2019. Vol. 59. Iss. 7. Р. 1007–1020. https://doi.org/10.1007/s11340-019-00503-5.

32. Клименко И.С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. М.: Наука, 1985. 224 с.

33. Rickert T. Residual stress measurement by ESPI hole-drilling // 3rd CIRP Conference on Surface Integrity: Procedia CIRP. 2016. Vol. 45. Р. 203–206. https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.02.256.

34. Usov S.M., Razumovsky I.A., Odintsev I.A. Study of inhomogeneous fields of residual stresses using step-by-step enlarged crack method in combination with electronic speckle pattern interferometry // Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2021. Vol. 87. Iss. 9. Р. 50–58. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2021-87-9-50-58.

35. Zuev L.B., Barannikova S.A., Lunev A.G., Kolosov S.V., Zharmukhambetova A.M. Basic relationships of the autowave model of a plastic flow // Russian Physics Journal. 2019. Vol. 61. Р. 1709–1717. https://doi.org/10.1007/s11182-018-1591-3. EDN: PANUBB.

36. Barannikova S., Li Y., Zuev L. Research of the plastic deformation localization of bimetal // Metalurgija. 2018. Vol. 57. Iss. 4. Р. 275–278.

37. Zuev L.B., Barannikova S.A., Orlova D.V. Autowave criteria of fracture and plastic strain localization of zirconium alloys // Metals. 2022. Vol. 12. Iss. 1. Р. 95. https://doi.org/10.3390/met12010095. EDN: MUKZIO.

38. Блюменштейн В.Ю., Жирков А.А., Учайкин С.Е., Кречетов А.А., Махалов М.С. Разработка методик и средств технологического оснащения для исследования пластического течения металла в процессах обработки. Часть 1. Проектирование и изготовление специального настольно-фрезерного станка с ЧПУ для исследования пластического течения металла // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 7. С. 311–319. https://doi.org/10.36652/1813-1336-2022-18-7-311-319. EDN: JESJUB.

39. Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Козинцев В.М., Пономарев И.И. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. М.: Наука; Физматлит, 1996. 240 с.

40. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.

41. Чепа П.А. Технологические основы упрочнения деталей поверхностным деформированием. Минск: Наука и техника, 1981. 128 с.