Применение метода дифракции рентгеновских лучей для изучения напряжённого состояния поверхности металла при статическом и ударном деформировании

Изучение поля напряжений в пластическом отпечатке и вокруг него имеет большое прикладное значение. Процессы, подобные вдавливанию индентора, используются при дробеструйной обработке для упрочнения поверхности материалов и генерации сжимающих напряжений в поверхностных слоях. Целью работы являлось изучение изменения напряжённо-деформированного состояния в области пластического отпечатка при увеличении нагрузки, при переходе от малых деформаций к большим, а также изменения напряжения при различных скоростях деформации.

Методом дифракции рентгеновских лучей изучено поле остаточных напряжений, сгенерированных на поверхности пластически деформированной области – в зоне отпечатка, образующегося при вдавливании в металл сферического индентора. Проанализировано изменение распределения напряжений при увеличении нагрузки в диапазоне глубин пластического отпечатка 10–60 мкм для сталей и алюминия. Изучено влияние скорости нагружения, при нормальном контакте соударяющихся тел, на изменение значений остаточных напряжений. Показано, что распределение напряжений имеет сложный характер с областями сжатия и растяжения металла и определяется соотношением глубины отпечатка к его диаметру.

Полученные экспериментальные данные позволяют определять выбор оптимальных режимов дробеструйной обработки, в том числе для повышения предела выносливости изделий.

1. Kobayashi M., Matsui T., Murakami Y. Mechanism of creation of compressive residual stress by shot peening. International Journal of Fatigue, 1998, vol. 20, no. 5, pp. 351‒357.

2. Goulmy J.P., Boyer V., Retraint D., Kanoute P., Toualbi L., Rouhaud E. Modeling of the shot peening of a nickel alloy with the consideration of both residual stresses and work hardening. International Journal of Solids and Structures, 2023, vol. 264, p. 112120. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2023.112120

3. Mahmoudi A.H., Ghasemi A., Farrahi G.H., Sherafatnia K. A comprehensive experimental and numerical study on redistribution of residual stresses by shot peening. Materials & Design, 2016, vol. 90, pp. 478‒487. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.10.162

4. Feng G., Qu S., Huang Y., Nix W.D. An analytical expression for the stress field around an elastoplastic indentation/contact. Acta Materialia, 2007, vol. 55, iss. 9, pp. 2929‒2938. DOI: 10.1016/j.actamat.2006.12.030

5. Gang Feng, Shaoxing Qu, Yonggang Huang, William D. Nix. A quantitative analysis for the stress field around an elastoplastic indentation/contact. Journal of Materials Research, 2009, vol. 24, iss. 3, pp. 704–718. DOI: 10.1557/jmr.2009.0097

6. Munawar Chaudhri M. Subsurface plastic strain distribution around spherical indentations in metals. Philosophical Magazine A, 1996, vol. 74, iss. 5, pp. 1213‒1224. DOI: 10.1080/01418619608239721

7. Boyce B.L., Chen X., Hutchinson J.W., Ritchie R.O. The residual stress state due to a spherical hardbody impact. Mechanics of Materials, 2001, vol. 33, iss. 8, pp. 441‒454. DOI: 10.1016/S0167-6636(01)00064-3

8. Kren A., Delendik M., Machikhin A. Non-destructive evaluation of metal plasticity using a single impact microindentation. International Journal of Impact Engineering, 2022, vol. 162, p. 104141. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2021.104141

9. Kren A., Machikhin A., Marchenkov A. Impact indentation of metals in the transition region from the elastic to plastic state. Journal of Materials Science, 2023, vol. 58(2), pp. 961–970. DOI: 10.1007/s10853-022-08122-7