Как измерить остаточные напряжения в металлопрокате после обработки

01.08.2025

При выполнении операций резки, гибки, штамповки и других видов обработки в массиве металла происходят внутренние изменения, приводящие к возникновению остаточных напряжений. Эти напряжения сохраняются даже после завершения воздействия нагрузки, и в ряде случаев становятся причиной деформации или растрескивания.

Для оценки их уровня применяют разные способы, в том числе механические и физические. В основе большинства практических методов — регистрация изменений формы или параметров, вызванных снятием части материала или воздействием на структуру.

На производстве часто применяют метод сверления с тензометрическим контролем. Для проведения замера требуется установить на поверхность образца тензодатчики, фиксирующие микродеформации.

В центре области датчиков сверлится отверстие глубиной 1-2 мм, диаметр — 1,5-2 мм. При отсутствии напряжений перемещений не фиксируется. При наличии внутренних напряжений тензодатчики регистрируют изменение формы. Изменения перерасчитываются в значения в мегапаскалях через коэффициенты чувствительности и геометрические параметры.

Уравнение, применяемое в расчётах, имеет вид: σ = (E * Δε) / (1 - ν), где σ — искомое напряжение, Е — модуль Юнга, Δε — изменение деформации, ν — коэффициент Пуассона. Для стали с модулем 2,1·10¹¹ Па и коэффициентом 0,3 даже незначительное изменение формы даёт высокую числовую оценку.

Метод пригоден при толщине заготовок от 3 мм и выше, точность зависит от калибровки оборудования и состояния поверхности.

В случаях, когда использование тензодатчиков затруднено, применяют способ шлицевания. По сути, это прорезание узкой канавки определённой глубины с последующим измерением смещения краёв разреза.

Величина раскрытия зависит от распределения внутренних усилий. Чтобы повысить точность, применяют цифровые индикаторы часового типа с точностью до 1 мкм. Величина перемещения зависит от формы, условий фиксации и предыдущей обработки. Важно выбирать участки с однородной структурой и без заметных дефектов.

Методики шлицевания применимы при проверке поковок и прокатных заготовок. Для стального профиля 60×60 мм глубина прореза берётся 15-20 мм.

Параметры подбираются так, чтобы избежать полного ослабления сечения. При глубокой прорезке возможны неконтролируемые деформации, что затрудняет расчёты. Полученные перемещения подставляются в уравнение, связанное с модулем упругости и геометрией. Используются калибровочные коэффициенты, зависящие от формы заготовки и расположения канавки.

При контроле сварных соединений чаще применяется метод разрезания. В этом случае определённый участок отделяют от общего массива и оценивают возникающие деформации.

При разрезе балки или листа в направлении, перпендикулярном сварному шву, можно визуально наблюдать прогиб или смещение краёв. Эти значения фиксируются индикаторами, затем пересчитываются в напряжения. Для типового соединения из листа толщиной 10 мм разрез проводится на участке шириной 100 мм, а величины смещений достигают 0,1-0,3 мм.

В ряде случаев применяется метод травления и наблюдения за деформациями поверхности. Удаление слоя на 0,01-0,03 мм с одной стороны образца вызывает перераспределение внутренних напряжений, что проявляется в виде изгиба.

Радиус кривизны измеряется и сопоставляется с исходными данными. Метод пригоден при контроле деталей из алюминиевых и магниевых сплавов, где даже малое напряжение вызывает заметное изменение геометрии. Применение этого метода требует точной шлифовки и полировки поверхности, чтобы минимизировать погрешности.

В случае необходимости безразрушительного контроля на больших объектах прибегают к рентгенографическим способам. Основной принцип заключается в регистрации изменения расстояний между атомными плоскостями под действием внутренних усилий.

Угол отклонения рентгеновского луча зависит от напряжений в кристаллической решётке. Метод применим только для поверхностного слоя толщиной до 30 мкм. Для оценки более глубоких зон требуется использование нейтронного излучения, что требует специального оборудования.

Использование ультразвуковых методов основано на зависимости скорости распространения волн от напряжённого состояния материала. Измеряя разницу скоростей продольных и поперечных волн на участках с разной ориентацией, делают вывод о наличии и распределении напряжений.

Для листов толщиной 20-40 мм этот способ даёт хорошие результаты при точности приборов не ниже 0,5%. Аппаратура должна быть откалибрована на эталонных образцах, для чего применяются стандартные заготовки с заданными уровнями напряжений, полученные термической обработкой.

При контроле элементов после фрезеровки или токарной обработки удобно использовать метод микрошлифов. После последовательного удаления тонких слоёв и измерения остаточной деформации на каждом этапе строится распределение напряжений по глубине.

Шаг съёма — 0,05 мм, при этом на каждом уровне производится замер. Итоговые значения сводятся в график, позволяющий судить о характере перераспределения внутренних усилий. Такой подход удобен при исследовании зон с локальной обработкой, включая фаски и переходные радиусы.

Для объектов сложной формы применим метод голографической интерферометрии, при котором фиксируются малейшие смещения поверхности в результате частичного разреза. Лазерная установка позволяет сравнить изображения до и после воздействия.

Смещения порядка десятых микрона преобразуются в карту распределения. Метод чувствителен к вибрациям и требует исключения внешнего воздействия. Для алюминиевых заготовок с толщиной 5 мм этот способ позволяет получить детализированную картину распределения усилий.

При выборе способа анализа следует учитывать материал, его термообработку, геометрию и предполагаемый уровень напряжений. Точные методы требуют высокой квалификации исполнителей и соблюдения процедур.

Нарушения в подготовке поверхности, несоответствие геометрии образца или отклонения в параметрах инструмента существенно искажают результат. Для контрольных измерений допустимы отклонения в пределах 10%, при этом желательно производить сопоставление с теоретическими расчётами на основе данных термомеханической обработки.

Для проверки качества заготовок из стали 20, 40Х или 12Х18Н10Т подходят методы сверления и шлицевания. Для алюминиевых деталей с толщиной до 8 мм предпочтительнее использовать шлифование и наблюдение за искривлением.

Точные значения модуля упругости, коэффициента Пуассона и других характеристик можно найти в справочниках машиностроителя. Перед применением метода важно очистить поверхность от окалины, загрязнений и остатков СОЖ. Любые включения в зоне измерения влияют на точность.

Особое внимание уделяется температуре. Изменения выше 2–3°C от калибровочной температуры искажают значения.

По стандарту ISO 9513 калибровка тензодатчиков проводится при 20°C ± 1°C. Также необходимо обеспечить устойчивое крепление датчиков и повторяемость процедуры. При массовом контроле рекомендуется вести протокол с привязкой к координатам на заготовке. Для фиксации результатов применяются цифровые модули сбора данных с точностью не ниже 1 мкН/мм². При превышении допустимых значений следует производить повторную обработку или термическое снятие напряжений.

Рассказать друзьям:

Комментарии

Пока нет комментариев