Skip to content
Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter October 1, 2014

Experimental Validation of the Calibration Function of the Hole Drilling Method and Ring Core Method for Residual Stress Measurement

Experimentelle Validierung der Kalibrierfunktionen für die Bohrloch- und Ringkernmethode zur Ermittlung von Eigenspannungen
David von Mirbach
From the journal Materials Testing

Abstract

Residual stresses in mechanical components can result in both detrimental but also beneficial effects on the strength and lifetime of the components. The most detailed knowledge of the residual stress state is of advantage or a pre-requisite for the assessment of the component performance. The mechanical methods for residual stress measurement are divided into the groups of non-destructive and destructive methods. Two commonly used mechanical methods for determination of residual stresses are the hole drilling method (HDM) and the ring core method (RCM) which can be regarded as semi-destructive. This investigation will experimentally determine the calibration functions for residual stress measurements of the HDM and RCM. These functions are used for RS analyses using the differential method. With a four point bending testing machine a defined stress can be triggered between the middle bearings. The strain in this area can be measured with strain gauges, so the stress is well-known. In this defined loading area, the strains in two load cases with HDM configuration and RCM configuration were measured using strain gauge rosettes. With these measured strains and the actually known stresses, the specific calibration functions can be calculated and were presented together with the numerical functions.

Kurzfassung

Eigenspannungen in mechanischen Komponenten können sowohl schädliche als auch positive Auswirkungen auf die Festigkeit und Lebensdauer haben. Die genaue Erkenntnis über den Zustand der Eigenspannungen in einem Bauteil ist von Vorteil, um die Betriebsfestigkeit eines Bauteils abzuschätzen. Die mechanischen Eigenspannungsermittlungsmethoden können in zerstörungsfreie und zerstörende Methoden aufgeteilt werden. Zwei sehr häufig eingesetzte Verfahren zur Ermittlung von Eigenspannungen sind die Bohrlochmethode (hole drilling method – HDM) und die Ringkernmethode (ring core method – RCM), sie zählen zu den teilzerstörenden Prüfmethoden. In diesem Beitrag werden die Kalibrierfunktionen für die HDM und RCM experimentell bestimmt. Diese Kalibrierfunktionen werden für die Eigenspannungsanalyse nach der Differentialmethode benötigt. Mit einer Vierpunktbiegevorrichtung kann zwischen den mittleren Lagern eine definierte Spannung eingestellt werden. Die Dehnungen in diesem Bereich können mit Dehnungsmessstreifen gemessen werden, wodurch der Spannungszustand in diesem Bereich bekannt ist. In diesem definierten Belastungsbereich wurden die Dehnungen mit einer HDM und RCM typischen Konfiguration bei zwei Laststufen gemessen. Mit diesen gemessenen Dehnungen und den bekannten Spannungen konnten die spezifischen Kalibrierfunktionen berechnet werden. Im Folgenden sind Sie zusammen mit numerisch berechneten Funktionen dargestellt.


* Correspondence Address, David von Mirbach, Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 32, 70569 Stuttgart, E-Mail:

Dipl.-Ing. David von Mirbach, born 1980, studied aerospace and space technology at Stuttgart University, Germany from 2002 to 2008. Since 2009 he is working as research assistant at the materials testing institute primarily specialized in analyses of residual stresses with mechanical methods. In June 2012 David von Mirbach became the head of the department “Loading Analyses”. He worked at the MPA in the unit “Experimental Stress Analysis” and temporarily in the unit “Sealing Technology”, there he could expand his knowledge in the field sectors of mechanical engineering and plant constructions.


References

1 ASTM Standard E 837-08 (2008), “Standard Test Method for Determining Residual Stresses By The Hole Drilling Strain-Gage MethodASTMSearch in Google Scholar

2 J.Gibmeierm, M.Kornmeier, B.Scholtes: Plastic deformation during application of the hole-drilling method, Materials Science Forum Vol. 347–349 (2000), pp. 13113610.4028/www.scientific.net/MSF.347-349.131Search in Google Scholar

3 H.Kockelmann: Mechanical methods of determining residual stresses, Deutsche Gesellschaft für Materialkunde (DGM) Informationsgesellschaft Verlag (1991), pp. 3752Search in Google Scholar

4 G.König: Ein Beitrag zur Weiterentwicklung teilzerstörender Eigenspannungsmeßverfahren, Dissertation Universität Stuttgart (1990)Search in Google Scholar

5 M.Kornmeier, J.Nobre, J.Gibmeier, B.Scholtes, A.Dias: Plasticity effect on residual stress results using different hole-drilling evaluation methods, ICRS6 (2000)Search in Google Scholar

6 J.Münker: Untersuchung und Weiterentwicklung der Auswertungsmethoden für teilzerstörende Eigenspannungsmessverfahren, Dissertation Universität Siegen (1995)Search in Google Scholar

7 A.Nau, B.Scholtes: Evaluation of the High-Speed Drilling Technique for Incremental Hole-Drilling Method, Society for Experimental Mechanics (2012) 10.1007/s11340-012-9641-1Search in Google Scholar

8 J.Nobre, M.Kornmeier, A.Dias, B.Scholtes: Comparative analysis of shot-peening residual stresses using hole-drilling and X-ray diffraction methods, Experimental Mechanics Vol. 347–349 (2000), pp.13814310.4028/www.scientific.net/MSF.347-349.138Search in Google Scholar

9 J.Nobre, A.Dias, J.Gibmeier, M.Kornmeier: Local stress-ratio criterion for incremental hole-drilling measurements of shot-peening stresses, Journal of Engineering Materials and Technology Vol. 128 (2006), pp. 19320110.1115/1.2172623Search in Google Scholar

10 G.Schajer: Use of displacement data to calculate strain gauge response in non-uniform stain fields, Strain (1993)10.1111/j.1475-1305.1993.tb00820.xSearch in Google Scholar

11 G.Schajer, M.Prime: Residual stress solution extrapolation for slitting method using equilibrium constrains, Journal of Engineering Materials and Technology Vol. 129 (2007), pp. 22723110.1115/1.2400281Search in Google Scholar

12 T.Schwarz: Beitrag zur Eigenspannungsermittlung an isotropen, anisotropen sowie inhomogenen, schichtweise aufgebauten Werkstoffen mittels der Bohrlochmethode und des Ringkernverfahrens, Dissertation Universität Stuttgart (1996)Search in Google Scholar

13 E.Sobolevski, B.Scholtes: Residual stress analysis of components with real geometries using the incremental hole-drilling technique and a differential evaluation method, Dissertation Universität Kassel (2007)Search in Google Scholar

14 H.-D.Tietz: Grundlagen der Eigenspannungen, VEB Deutscher Verlag für GrundstoffindustrieLeipzig (1982) 10.1007/978-3-7091-9505-5Search in Google Scholar

15 H.Wolf, W.Böhm: Das Ring-Kern-Verfahren zur Messung von Eigenspannungen und seine Anwendungen bei Turbinen und Generatorwellen, Mitteilung aus der Turbinenversuchs-abteilung der Kraftwerk Union AG, Mülheim/Ruhr; Arch. Eisenhüttenwesen, Vol. 42 Heft 3 (1971)10.1002/srin.197102583Search in Google Scholar

16 D.von Mirbach: Hole-drilling method for residual stress measurement – consideration of elastic-plastic material properties, Materials Science Forum Vol. 768–769 (2014), pp. 17418110.4028/www.scientific.net/MSF.768-769.174Search in Google Scholar

17 W.Young: Roak's formulas for stress and strain (seventh edition), McGraw-HillInternational Edition (2002)Search in Google Scholar

Published Online: 2014-10-01
Published in Print: 2014-03-03

© 2014, Carl Hanser Verlag, München

Scroll Up Arrow