Метод сверления отверстий и установки тензодатчиков

для измерения остаточных напряжений материала

Метод сверления отверстий и установки тензодатчиков применяется для измерения остаточных напряжений вблизи поверхности изотропного линейно-упругого материала. Сущность метода заключается в установке специальных тензодатчиков на поверхность исследуемого образца и сверлении их с целью измерения конечной высвободившейся деформации.

Метод применяется для тестирования образцов металлических сплавов. Исследуемые материалы должны быть изотропными и должны обладать линейно-упругими свойствами. Образцы для тестирования могут быть как «тонкими» (в которых толщина образца значительно меньше диаметра просверливаемого отверстия), так и «толстыми» (толщина образца значительно превышает диаметр отверстия). В зависимости от этого варьируется диапазон измерений: для «тонких» образцов проводятся измерения только равномерных напряжений, а для «толстых» измеряют как равномерные, так и неравномерные напряжения.

Метод сверления отверстий относится к полудеструктивным методам контроля. Это означает, что повреждение материала образца при применении метода локально и часто не оказывает серьезного влияния на полезность материала в отличие от других методов измерения деформации, которые существенно повреждают образцы. Тем не менее данный метод следует применять в тех случаях, когда исследуемый образец можно выбросить, либо когда появление на его поверхности небольших отверстий не оказывает серьезного влияния на его свойства и полезность.

Для проведения испытаний на поверхности исследуемого образца выбирается плоский равномерный участок вдали от кромок и других неровностей. Поверхность образца должна быть гладкой (однако для обеспечения гладкости не следует применять обработку абразивом или шлифовку, отдавая предпочтение химическому травлению), тщательно очищена и обезжирена. На участке устанавливается розетка тензодатчика с тремя или более основными элементами, после чего в геометрическом центре розетки пошагово высверливается отверстие. На каждом шаге сверления происходит частичное снятие остаточных напряжений в материале. Измерение высвободившейся деформации происходит при определенной частоте шагов сверления с помощью соответствующих приборов для записи деформации.

После проведения испытания от полученных значений высвобождающейся деформации рассчитываются остаточные напряжения. Для этого используются математические соотношения, приведенные в стандарте метода ASTM E837-13a, основанные на теории линейной упругости.

Удовлетворительные результаты достигаются в том случае, если остаточные напряжения не превышают примерно 80% предела текучести материала для «толстых» образцов или примерно 50% для «тонких».

Применяемые для испытаний розетки должны содержать три единичных или парных сеток тензодатчиков, которые располагаются по круговой модели и равноудалены от центра розетки. Стандарт метода предполагает использование трех типов стандартизованных конструкций розеток: типов A, B и C. Розетка типа A имеет несколько типоразмеров и используется в общем случае. Сетки тензодатчиков у розетки типа A расположены по окружности. У розетки типа B сетки тензодатчиков располагаются на одной стороне. Этот тип используется при определении напряжений вблизи каких-либо помех. Розетка типа C на каждой стороне имеет три пары противоположных тензодатчиков, соединяемых как три полумоста. Этот тип используется в тех случаях, когда требуется большая чувствительность деформации и высокая термическая устойчивость.

Используемое для записи величин деформации контрольно-измерительное оборудование должно иметь разрешающую способность в отношении деформации, равную ±1×10-6, а стабильность и повторяемость измерения должны быть как минимум равны ±1×10-6. Провода от каждого тензодатчика должны быть как можно более короткими. С розетками типа A и B должна использоваться трехпроводная цепь компенсации температурных колебаний.

Сверление отверстий должно осуществляться приборами, способными высверливать отверстия, концентрично выровненные с кругом тензодатчика в заданных стандартом пределах, а также способными контролировать глубину отверстия. Технология сверления для большинства материалов предполагает использование твердосплавного бора или концевых фрез, приводимых в движение с помощью высокоскоростной воздушной турбины или электродвигателя со скоростью вращения 20-40 тысяч оборотов в минуту. Для наиболее твердых материалов возможно использовать абразивно-струйное фрезерование, при котором через сопло небольшого диаметра направляется высокоскоростная струя воздуха, содержащая мелкие абразивные частицы. Данный метод сверления применяется только для измерения неравномерного напряжения.

Метод сверления отверстий в основном хорошо применим при испытании углеродистых и нержавеющих сталей и может быть некорректен для других материалов, чьи характеристики механической обрабатываемости отличаются от аналогичных характеристик стали. Также технология эффективна для таких материалов как медь, алюминий, цирконий, стеллит.

Следует учитывать, что на качество измерений оказывают влияние такие факторы как квалификация и опыт оператора, несоосность сверла, отклонения в работе тензодатчиков, изменение условий среды, в которой проводятся испытания, и другие. В целом погрешность определения равномерных остаточных напряжений при применении метода не превышает 10%, у неравномерных напряжений погрешность может расти, особенно в шагах, близких к поверхности.