Skip to main content
Erschienen in: Experimental Mechanics 3/2016

28.10.2015

Incremental Hole Drilling for Residual Stress Analysis of Strongly Textured Material States – A New Calibration Approach

verfasst von: S. Schuster, J. Gibmeier

Erschienen in: Experimental Mechanics | Ausgabe 3/2016

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

Technical components produced via sheet metal forming often obtain characteristic crystallographic textures and process induced residual stress distributions. Knowledge of the local residual stress states is essential for the proper components’ dimensioning. We report about the expansion of the incremental hole drilling technique for residual stress analysis to highly textured material states. A new evaluation approach using the differential evaluation algorithm is proposed, which bases on the calculation of multiple case specific calibration functions under consideration of the local orientation distribution function of the textured material. Systematic finite element (FE) simulations of incremental hole-drilling experiments are conducted regarding defined ideal nickel single crystal orientations (cube, Goss and brass). Multiple case-specific calibration functions, which consider the materials elastic anisotropy, are calculated and applied for stress calculation. In addition, the influence of a rosette misorientation between stress measurement and FE calibration is investigated. Using this new evaluation strategy a significant improvement of (residual) stress calculation on strongly textured materials is achieved. Finally, the capability of the proposed evaluation approach is experimentally validated for an uniaxially loaded CMSX-4 (nickel base super alloy) single crystal. The investigation clearly proved that in case of strongly anisotropic materials the evaluation using multiple case-specific calibration functions leads to a significant improvement in stress analysis compared to a conventional evaluation.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat Kocks UF, Tomé CN, Wenk HR (1998) Texture and Anisotropy. Cambridge University Press, CambridgeMATH Kocks UF, Tomé CN, Wenk HR (1998) Texture and Anisotropy. Cambridge University Press, CambridgeMATH
2.
Zurück zum Zitat Macherauch E, Müller P (1961) Das sin2ψ-verfahren der röntgenographischen spannungsmessung. Z Phys 13:340–345 Macherauch E, Müller P (1961) Das sin2ψ-verfahren der röntgenographischen spannungsmessung. Z Phys 13:340–345
3.
Zurück zum Zitat Hauk V, Herlach D, Sesemann H (1975) Über nichtlineare gitterebenenabstandsverteilungen in stählen, ihre entstehung, berechnung und berücksichtigung bei der spannungsermittlung. Z Metallkde 66:734–737 Hauk V, Herlach D, Sesemann H (1975) Über nichtlineare gitterebenenabstandsverteilungen in stählen, ihre entstehung, berechnung und berücksichtigung bei der spannungsermittlung. Z Metallkde 66:734–737
4.
Zurück zum Zitat Eigenmann B, Macherauch E (1995) Röntgenographische untersuchung von spannungszuständen in werkstoffen – teil I. Mat-wiss u Werkstofftech 26:148–160CrossRef Eigenmann B, Macherauch E (1995) Röntgenographische untersuchung von spannungszuständen in werkstoffen – teil I. Mat-wiss u Werkstofftech 26:148–160CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Hauk V, Vaessen G (1985) Eigenspannungen in kristallitgruppen texturierter stähle. Z Metallkde 76:102–107 Hauk V, Vaessen G (1985) Eigenspannungen in kristallitgruppen texturierter stähle. Z Metallkde 76:102–107
6.
Zurück zum Zitat Hauk V, Oudelhoven R (1988) Eigenspannungsanalyse an kaltgewalztem nickel. Z Metallkde 79:41–49 Hauk V, Oudelhoven R (1988) Eigenspannungsanalyse an kaltgewalztem nickel. Z Metallkde 79:41–49
7.
Zurück zum Zitat Behnken H, Hauk V (1991) Berechnung der röntgenographischen spannungsfaktoren texturierter werkstoffe – vergleich mit experimentellen ergebnissen. Z Metallkde 82:151–158 Behnken H, Hauk V (1991) Berechnung der röntgenographischen spannungsfaktoren texturierter werkstoffe – vergleich mit experimentellen ergebnissen. Z Metallkde 82:151–158
8.
Zurück zum Zitat Moore MG, Evans WP (1958) Mathematical correction for stress in removed layers in X-Ray diffraction residual stress analysis. SAE Trans 66:340–345 Moore MG, Evans WP (1958) Mathematical correction for stress in removed layers in X-Ray diffraction residual stress analysis. SAE Trans 66:340–345
9.
Zurück zum Zitat Wang YD, Wang XL, Stoica AD, Richardson JW (2002) Measurement of grain-orientation-dependent stress and stored energy using a spallation neutron source. Mater Sci Forum 408–412:179–184CrossRef Wang YD, Wang XL, Stoica AD, Richardson JW (2002) Measurement of grain-orientation-dependent stress and stored energy using a spallation neutron source. Mater Sci Forum 408–412:179–184CrossRef
10.
Zurück zum Zitat ASTM E837-08. Standard Test Method for Determining Residual Stresses by Hole-Drilling Strain-Gage method ASTM E837-08. Standard Test Method for Determining Residual Stresses by Hole-Drilling Strain-Gage method
11.
Zurück zum Zitat Schwarz T (1996) Beitrag zur Eigenspannungsermittlung an isotropen, anisotropen sowie inhomogenen, schichtweise aufgebauten Werkstoffen mittels Bohrlochmethode und Ringkernverfahren. Dissertation, University of Stuttgart Schwarz T (1996) Beitrag zur Eigenspannungsermittlung an isotropen, anisotropen sowie inhomogenen, schichtweise aufgebauten Werkstoffen mittels Bohrlochmethode und Ringkernverfahren. Dissertation, University of Stuttgart
12.
Zurück zum Zitat Schajer GS, Yang L (1994) Residual-stress measurement in orthotropic materials using the hole-drilling method. Exp Mech 34:324–333CrossRef Schajer GS, Yang L (1994) Residual-stress measurement in orthotropic materials using the hole-drilling method. Exp Mech 34:324–333CrossRef
13.
Zurück zum Zitat Schuster S, Gibmeier J (2014) Residual stress analysis of strongly textured materials by means of the incremental hole-drilling method – survey on the application limits. Mater Test 56:915–922CrossRef Schuster S, Gibmeier J (2014) Residual stress analysis of strongly textured materials by means of the incremental hole-drilling method – survey on the application limits. Mater Test 56:915–922CrossRef
14.
Zurück zum Zitat Mathar J (1933) Ermittlung von eigenspannungen durch messung von bohrloch-verformungen. Arch Eisenhuttenwes 7:277–281 Mathar J (1933) Ermittlung von eigenspannungen durch messung von bohrloch-verformungen. Arch Eisenhuttenwes 7:277–281
15.
Zurück zum Zitat Nelson DV, Makino A, Schmidt T (2006) Residual stress determination using hole drilling and 3D image correlation. Exp Mech 46:31–38CrossRef Nelson DV, Makino A, Schmidt T (2006) Residual stress determination using hole drilling and 3D image correlation. Exp Mech 46:31–38CrossRef
16.
Zurück zum Zitat Lord JD, Penn D, Whitehead P (2008) The application of digital image correlation for measuring residual stress by incremental hole drilling. Appl Mech Mater 13–14:65–73CrossRef Lord JD, Penn D, Whitehead P (2008) The application of digital image correlation for measuring residual stress by incremental hole drilling. Appl Mech Mater 13–14:65–73CrossRef
17.
Zurück zum Zitat Nicoletto G (1991) Moiré interferometry determination of residual stresses in the presence of gradients. Exp Mech 31:252–256CrossRef Nicoletto G (1991) Moiré interferometry determination of residual stresses in the presence of gradients. Exp Mech 31:252–256CrossRef
18.
Zurück zum Zitat Wu Z, Lu J, Han B (1998) Study of residual stress distribution by a combined method of moiré interferometry and incremental hole drilling, part I: theory. J Appl Mech 65:837–843CrossRef Wu Z, Lu J, Han B (1998) Study of residual stress distribution by a combined method of moiré interferometry and incremental hole drilling, part I: theory. J Appl Mech 65:837–843CrossRef
19.
Zurück zum Zitat Schwarz RC, Kutt LM, Papazian JM (2000) Measurement of residual stress using interferometric moire: a new insight. Exp Mech 40:271–281CrossRef Schwarz RC, Kutt LM, Papazian JM (2000) Measurement of residual stress using interferometric moire: a new insight. Exp Mech 40:271–281CrossRef
20.
Zurück zum Zitat Makino A, Nelson DV (1994) Residual-stress determination by single-axis holographic interferometry and hole drilling - part I: theory. Exp Mech 34:66–78CrossRef Makino A, Nelson DV (1994) Residual-stress determination by single-axis holographic interferometry and hole drilling - part I: theory. Exp Mech 34:66–78CrossRef
21.
Zurück zum Zitat Steinzig M, Ponslet E (2003) Residual stress measurement using the hole drilling method and laser speckle interferometry: part I. Exp Techniques 27:43–46CrossRef Steinzig M, Ponslet E (2003) Residual stress measurement using the hole drilling method and laser speckle interferometry: part I. Exp Techniques 27:43–46CrossRef
22.
Zurück zum Zitat Schajer GS (2010) Advances in hole-drilling residual stress measurements. Exp Mech 50:159–168CrossRef Schajer GS (2010) Advances in hole-drilling residual stress measurements. Exp Mech 50:159–168CrossRef
23.
Zurück zum Zitat Schajer GS (2010) Hole-drilling residual stress measurement at 75: origin, advances, opportunities. Exp Mech 50:245–253CrossRef Schajer GS (2010) Hole-drilling residual stress measurement at 75: origin, advances, opportunities. Exp Mech 50:245–253CrossRef
24.
Zurück zum Zitat Schajer GS (1988) Measurement of non-uniform residual stresses using the hole-drilling method part I. Stress calculation procedures. J Eng Mater-T ASME 110:338–343CrossRef Schajer GS (1988) Measurement of non-uniform residual stresses using the hole-drilling method part I. Stress calculation procedures. J Eng Mater-T ASME 110:338–343CrossRef
25.
Zurück zum Zitat Schajer GS (1988) Measurement of non-uniform residual stresses using the hole-drilling method part II. Practical application of the integral method. J Eng Mate-T ASME 110:344–349CrossRef Schajer GS (1988) Measurement of non-uniform residual stresses using the hole-drilling method part II. Practical application of the integral method. J Eng Mate-T ASME 110:344–349CrossRef
26.
Zurück zum Zitat Schwarz T, Kockelmann H (1993) Die bohrlochmethode - eine für viele anwendungsbereiche optimales verfahren zur experimentellen ermittlung von eigenspannungen. Messtechnische Briefe 29:33–38 Schwarz T, Kockelmann H (1993) Die bohrlochmethode - eine für viele anwendungsbereiche optimales verfahren zur experimentellen ermittlung von eigenspannungen. Messtechnische Briefe 29:33–38
27.
Zurück zum Zitat König G (1991) Ein Beitrag zur Weiterentwicklung teilzerstörender Eigenspannungsmeßverfahren. Dissertation University of Stuttgart König G (1991) Ein Beitrag zur Weiterentwicklung teilzerstörender Eigenspannungsmeßverfahren. Dissertation University of Stuttgart
28.
Zurück zum Zitat Rendler NJ, Vigness I (1966) Hole-drilling strain-gage method of measuring residual stresses. Exp Mech 6:577–586CrossRef Rendler NJ, Vigness I (1966) Hole-drilling strain-gage method of measuring residual stresses. Exp Mech 6:577–586CrossRef
29.
Zurück zum Zitat von Mirbach D (2014) Experimental validation of the calibration function of the hole drilling method and ring core method for residual stress measurement. Mater Test 56:184–190CrossRef von Mirbach D (2014) Experimental validation of the calibration function of the hole drilling method and ring core method for residual stress measurement. Mater Test 56:184–190CrossRef
30.
Zurück zum Zitat Sobolevski EG, Nau A, Scholtes B (2011) Residual stress analysis using the hole-drilling method and geometry-specific calibration functions. Mater Sci Forum 681:159–164CrossRef Sobolevski EG, Nau A, Scholtes B (2011) Residual stress analysis using the hole-drilling method and geometry-specific calibration functions. Mater Sci Forum 681:159–164CrossRef
31.
Zurück zum Zitat Obelode E, Gibmeier J (2013) Residual stress analysis on thick film systems by the incremental hole-drilling method – simulation and experimental results. Exp Mech 53:965–976CrossRef Obelode E, Gibmeier J (2013) Residual stress analysis on thick film systems by the incremental hole-drilling method – simulation and experimental results. Exp Mech 53:965–976CrossRef
32.
Zurück zum Zitat Landolt-Börnstein (1992) Group III Condensed Matter, Table 3. Cubic system. Elements, 29a:14, Springer Landolt-Börnstein (1992) Group III Condensed Matter, Table 3. Cubic system. Elements, 29a:14, Springer
33.
Zurück zum Zitat Voigt W (1928) Lehrbuch der kristallphysik. Teubner, LeipzigMATH Voigt W (1928) Lehrbuch der kristallphysik. Teubner, LeipzigMATH
34.
Zurück zum Zitat Reuss A (1929) Berechnung der fließgrenze von mischkristallen auf grund der plastizitätsbedingung für einkristalle. Z Angew Math Mech 9:49–58CrossRefMATH Reuss A (1929) Berechnung der fließgrenze von mischkristallen auf grund der plastizitätsbedingung für einkristalle. Z Angew Math Mech 9:49–58CrossRefMATH
35.
Zurück zum Zitat Hill R (1952) The elastic behaviour of a crystalline aggregate. Proc Phys Soc A 65:349–354CrossRef Hill R (1952) The elastic behaviour of a crystalline aggregate. Proc Phys Soc A 65:349–354CrossRef
36.
Zurück zum Zitat Kröner E (1958) Berechnung der elastischen konstanten des vielkristalls aus den konstanten des einkristalls. Z Phys 151:504–518CrossRef Kröner E (1958) Berechnung der elastischen konstanten des vielkristalls aus den konstanten des einkristalls. Z Phys 151:504–518CrossRef
Metadaten
Titel
Incremental Hole Drilling for Residual Stress Analysis of Strongly Textured Material States – A New Calibration Approach
verfasst von
S. Schuster
J. Gibmeier
Publikationsdatum
28.10.2015
Verlag
Springer US
Erschienen in
Experimental Mechanics / Ausgabe 3/2016
Print ISSN: 0014-4851
Elektronische ISSN: 1741-2765
DOI
https://doi.org/10.1007/s11340-015-0104-3

Weitere Artikel der Ausgabe 3/2016

Experimental Mechanics 3/2016 Zur Ausgabe

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.