Relaxation of residual stresses in a surface-hardened rotating cylinder under creep conditions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A technique for calculating the relaxation of residual stresses in a cantilevered rotating cylinder after the procedure of surface plastic deformation under creep conditions has been developed, taking into account the effect of a stepwise change in the parameters of temperature-force loading (unloading). The problem simulates the stress-strain state of a surface-hardened cylinder (rod), the end section of which is rigidly fixed on a disk rotating at a constant angular velocity.

The technique includes a method for reconstructing the fields of residual stresses and plastic deformations and a method for calculating the relaxation of residual stresses during creep of a rotating cylindrical rod. Since the tensile stresses caused by rotation along the length of the rod do not change in time, the problem of relaxation of residual stresses for a stretched rod at constant stress is solved in each cross section.

A detailed numerical study of the effect of the number of revolutions on the rate of relaxation of residual stresses was performed for a shot-hardened cylindrical sample with a radius of 3.76 mm made of EI698 alloy at a temperature of 700 ºC.

Analysis of the calculation results allowed to establish a non-trivial effect, which consists in the fact that the relaxation of residual stresses in sections subjected to axial tensile stresses due to rotation occurs less intensively than in the “tail” section, where the axial load from rotation is zero. The results obtained in this work can be useful in evaluating the effectiveness of surface-plastic hardening of parts under high-temperature creep conditions.

About the authors

Vladimir P. Radchenko

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: radchenko.vp@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4168-9660
SPIN-code: 1823-0796
Scopus Author ID: 7004402189
ResearcherId: J-5229-2013
http://www.mathnet.ru/person38375

Dr. Phys. & Math. Sci., Professor; Head of Dept.; Dept. of Applied Mathematics & Computer Science

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Aleksandr E. Liberman

Samara State Technical University

Email: aliberman740@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9185-2131
http://www.mathnet.ru/person181575

Postgraduate Student; Dept. of Applied Mathematics & Computer Science

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Oleg L. Blokhin

Zenia-AI

Email: olb940611@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0167-4758
http://www.mathnet.ru/person181576

Machine Learning Engineer

9, Kulman st., Minsk, 220100, Belarus

References

  1. Birger I. A. Ostatochnye napriazheniia [Residual Stresses]. Moscow, Mashgiz, 1963, 232 pp. (In Russian)
  2. Grinchenko I. G. Uprochnenie detalei iz zharoprochnykh i titanovykh splavov [Hardening Parts Made of High-Resistant and Titanium Alloys]. Moscow, Mashinostroenie, 1971, 120 pp. (In Russian)
  3. Sulima G. N., Shuvalov V. A., Yagodkin Yu. D. Poverkhnostnyi sloi i ekspluatatsionnye svoistva detalei mashin [Surface Layer and Performance of Machine Parts]. Moscow, Mashinostroenie, 1988, 240 pp. (In Russian)
  4. Nozhnitskii Yu. A., Fishgoit A. V., Tkachenko R. I., Teplova S. V. Development and application of new GTE parts hardening methods based on the plastic deformation of the surface layers, Vestn. Dvigatel., 2006, no. 2, pp. 8–16 (In Russian).
  5. Dai K., Shaw L. Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation, Intern. J. Fatigue, 2008, vol. 30, no. 8, pp. 1398–1408. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2007.10.010.
  6. James M. N., Hughes D. J., Chen Z., et al. Residual stresses and fatigue performance, Eng. Failure Anal., 2007, vol. 14, no. 2, pp. 384–395. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2006.02.011.
  7. Majzoobi G. H., Azadikhah K., Nemati J. The effect of deep rolling and shot peening on fretting fatigue resistance of Aluminum-7075-T6, Mater. Sci. Eng. A, 2009, vol. 516, no. 1–2, pp. 235–247. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.03.020.
  8. Soady K. A. Life assessment methodologies incorporating shot peening process effects: mechanistic consideration of residual stresses and strain hardening. 1. Effeact of shot peening on fatigue resistance, Mater. Sci. Technol., 2013, vol. 29, no. 6, pp. 673–651. https://doi.org/10.1179/1743284713Y.0000000222.
  9. Terres M. A., Laalai N., Sidhom H. Effect of nitriding and shot-peening on the fatigue behavior of 42CrMo4 steel: Experimental analysis and predictive approach, Mater. Design., 2012, vol. 35, pp. 741–748. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.09.055.
  10. Pavlov V. F., Kirpichev V. A., Vakuluk V. S. Prognozirovanie soprotivleniia ustalosti poverkhnostno uprochnennykh detalei po ostatochnym napriazheniiam [Prediction of Fatigue Resistance of Surface Reinforced Parts by Residual Stresses]. Samara, Samara Sci. Center of RAS, 2012, 125 pp. (In Russian)
  11. Radchenko V. P., Pavlov V. Ph., Saushkin M. N. Investigation of surface plastic hardening anisotropy influence on residual stresses distribution in hollow and solid cylindrical specimens, PNRPU Mechanics Bulletin, 2015, no. 1, pp. 130–147 (In Russian). https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.09.
  12. Radchenko V. P., Saushkin M. N., Bochkova T. I. Mathematical modeling and experimental study of forming and relaxation of residual stresses in plane samples made of EP742 alloy after ultrasonic hardening under high-temperature creep conditions, PNRPU Mechanics Bulletin, 2018, no. 3–4, pp. 88–98. https://doi.org/10.15593/perm.mech/eng.2018.3.09.
  13. Chen H., Wang S., Lu S., et al. Simulation and experimental validation of residual stress and surface roughness of high manganese steel after shot peening, Procedia CIRP, 2018, vol. 71, pp. 227–231. https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.05.066.
  14. Isa M. R., Sulaiman S. N., Zaroog O. S. Experimental and simulation method of introducing compressive residual stress in ASTM A516 grade 70 steel, Key Eng. Mater., 2019, vol. 803, pp. 27–31. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.803.27.
  15. Kiselev I. A., Zhukov N. A., Vasilyev B. E., Selivanov A. N. Modeling of residual stresses when calculating strength of lock joint elements. Part 1. Modeling of the shot peening process, Proceedings of Higher Educational Institutions. Machine Building, 2018, no. 11, pp. 49–59 (In Russian). https://doi.org/10.18698/0536-1044-2018-11-49-59.
  16. Meguid S. A., Maicic L. A. Finite element odeling of shot peening residual stress relaxation in turbine disk assemblies, J. Eng. Mater. Technol., 2015, vol. 137, no. 3, 031003. https://doi.org/10.1115/1.4030066.
  17. Gallitelli D., Boyer V., Gelineau M., et al. Simulation of shot peening: From process parameters to residual tress fields in a structure, Comptes Rendus Mécanique, 2016, vol. 344, no. 4–5, pp. 355–374. https://doi.org/10.1016/j.crme.2016.02.006.
  18. Zimmerman M., Klemenz M., Schulze V. Literature review on shot peening simulation, Int. J. Comput. Mater. Sci. Surf. Eng., 2010, vol. 3, no. 4, pp. 289–310. https://doi.org/10.1504/ijcmsse.2010.036218.
  19. Purohil R., Verma C. S., Rana R. S., et al. Simulation of shot peening process, Materials Today: Proceedings, 2017, vol. 4, no. 2 A, pp. 1244–1251. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.01.144.
  20. Jebahi M., Gakwaya A., Lévesque J., et al. Robust methodology to simulate real shot peening process using discrete-continuum coupling method, Int. J. Mech. Sci., 2016, vol. 107, pp. 21–33. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.01.005.
  21. Radchenko V. P., Saushkin M. N. Direct method of solving the boundary-value problem of relaxation of residual stresses in a hardened cylindrical specimen under creep conditions, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2009, vol. 50, no. 6, pp. 989–997. https://doi.org/10.1007/s10808-009-0133-8.
  22. Radchenko V. P., Kocherov E. P., Saushkin M. N., Smyslov V. A. Experimental and theoretical studies of the influence of a tensile load on the relaxation of residual stresses in a hardened cylindrical specimen under creep conditions, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2015, vol. 56, no. 2, pp. 313–320. https://doi.org/10.1134/S0021894415020170.
  23. Radchenko V. P., Tsvetkov V. V., Derevyanka E. E. Relaxation of residual stresses in a surface-hardened cylinder under creep conditions and rigid restrictions on linear and angular deformations, Mech. Solids., 2020, vol. 55, no. 6, pp. 898–906. https://doi.org/10.3103/S0025654420660024.
  24. Radchenko V. P., Tsvetkov V. V., Saushkin M. N. Residual stress relaxation in a hardened cylinder under creep, loaded by an axial force, torque and internal pressure, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2020, vol. 61, no. 4, pp. 583–592. https://doi.org/10.1134/S0021894420040124.
  25. Radchenko V. P., Saushkin M. N., Tsvetkov V. V. Effect of thermal exposure on the residual stress relaxation in a hardened cylindrical sample under creep conditions, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2016, vol. 57, no. 3, pp. 559–568. https://doi.org/10.1134/S00218944160302022.
  26. Saushkin M. N., Prosvirkina E. A. Relaxation of residual stresses in a surface-hardened layer of a solid rotating cylinder under creep conditions, In: Proceedings of the Third All-Russian Scientific Conference (29–31 May 2006). Part 1, Matem. Mod. Kraev. Zadachi. Samara, Samara State Technical Univ., 2006, pp. 192–199 (In Russian).
  27. Radchenko V. P., Saushkin M. N. Polzuchest’ i relaksatsiia ostatochnykh napriazhenii v uprochnennykh konstruktsiiakh [Creep and Relaxation of Residual Stresses in Hardened Structures]. Moscow, Mashinostroenie-1, 2005, 226 pp. (In Russian)
  28. Birger I. A., Shorr B. F., Iosilevich G. B. Raschet na prochnost’ detalei mashin [Calculation of the Strength of Machine Parts]. Moscow, Mashinostroenie, 1979, 702 pp. (In Russian)
  29. Samarin Yu. P. Uravneniia sostoianiia materialov so slozhnymi reologicheskimi svoistvami [Equation of State of Materials with Complex Rheological Properties]. Kuibyshev, Kuibyshev State Univ., 1979, 84 pp. (In Russian)
  30. Radchenko V. P., Eremin Yu. A. Reologicheskoe deformirovanie i razrushenie materialov i elementov konstruktsii [Rheological Deformation and Fracture of Materials and Structural Elements]. Moscow, Mashinstroenie-1, 2004, 265 pp. (In Russian)
  31. Radchenko V. P., Berbasova T. I., Shishkin D. M. Relaxation of residual stresses in a surface-hardened prismatic sample subjected to biaxial loading under creep conditions, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2021, vol. 62, no. 5, pp. 861–869. https://doi.org/10.1134/S0021894421050187.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. [Figure 1. Stretching of a solid cylinder from the action of centrifugal force N during rotation with angular velocity ω]

Download (81KB)
Indexing metadata
3. [Figure 2. Distributions of the axial load δ(z) along the length of the cylindrical sample on the angular velocity: ω: 1 — ω = 1500 rev/min; 2 — ω = 1750 rev/min; 3 — ω = 2000 rev/min; 4 — ω = 2250 rev/min; 5 — ω = 2500 rev/min]

Download (275KB)
Indexing metadata
4. [Figure 3. Calculated components of the residual stress tensor (solid lines) and experimental data (dots) for a hardened sample from EI698 (KhN73MBTYu) alloy over the depth of the hardened layer (h = α–r)]

Download (160KB)
Indexing metadata
5. [Figure 4. Kinetics of the residual stress component δθ(r,t) (calculated values) under creep conditions at ω = 2000 rev/min in sections z = 0 ( a), z = 75 mm (b), and z = 150 mm (c). Labels: 1 — after the hardening procedure at T = 26 at time t = 0 – 0; 2 — after temperature-force load at T = 700 at time t = 0 + 0; 3 — after temperature-force load at T = 700 under creep conditions at time t = 300 – 0 h; 4 — after temperature-force unloading at T = 26 at time t = 300 + 0 h]

Download (492KB)
Indexing metadata
6. [Figure 5. Kinetics of the residual stress component δθ(r,t) (calculated values) under creep conditions at ω = 2000 rev/min in sections z = 0 (a), z = 75 mm (b), and z = 150 mm (c). Labels: 1 — after the hardening procedure at T = 26 at time t = 0 – 0; 2 — after thermal load (T = 700) at time t = 0 + 0; 3 — after force load at T = 700 at time t = 0 + 0; 4 — after temperature-force load at T = 700 under creep conditions at time t = 300 – 0 h; 5 — after force unloading at T = 700 at time t = 300 + 0 h; 6 — after thermal unloading (T = 26) at time t = 300 + 0 h]

Download (596KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2022 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».