The effect of elevated temperature and tensile force loading on the relaxation of residual stresses in surface-hardened elements of the rod structure under creep conditions


Cite item

Full Text

Abstract

A mathematical model for the relaxation of residual stresses in surface-hardened cylindrical elements of statically indefinable rod systems under creep conditions with elevated temperature and tensile force loading was developed. The following problems were solved during the modeling: reconstruction of the stress-strain state in a cylindrical rod after the surface treatment by microspheres; consideration of the influence of temperature loading on the magnitude and the fields of residual stresses due to the temperature dependence of Young's modulus; calculation of relaxation of residual stresses in hardened elements of the system under the influence of elevated temperature and tensile force loading under creep conditions; analysis of the final residual stresses after creep and reduced temperature and tensile force unloading. @@The problems were solved within the first two stages of creep of the system of material elements. For a detailed analysis a three-element statically indefinable system with hardened elements at the temperature of 20°C and an operating temperature of 675°C made of ZhS6U alloy was used. @@To implement the solutions of the problems mentioned, numerical algorithms were developed using discretization by spatial and temporal coordinates and using the method of time steps. For a posteriori estimation of the convergence and stability of the numerical method the numerical results were compared for large values of the calculation time with the asymptotic values of the stress-strain state characteristics corresponding to the steady-state creep stage obtained by the analytical method. The results obtained by both approaches are consistent. @@The results of calculations were illustrated the kinetics of residual stresses in all three rods of the system during creep under the influence of elevated temperature and tensile force loading, starting from the moment of their formation after hardening. It was shown that a stepwise change in the magnitude and the distribution of residual stresses occurs only due to the “instantaneous” temperature heating of the elements of the rod structure due to the temperature dependence of the Young's modulus. It was also established by calculations that the relaxation of residual stresses in the most loaded rods system is much slower than in less loaded ones. To illustrate the main results obtained in this paper, we plotted the distribution of residual stresses along the depth of the hardened layer.

About the authors

Vladimir Pavlovich Radchenko

Samara State Technical University; Lomonosov Moscow State University

Email: radchenko.vp@samgtu.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation; 1, Michurinsky prospekt, Moscow, 119192, Russian Federation

Ekaterina E Derevyanka

Samara State Technical University

Email: derevyanka.ee@samgtu.ru
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

  1. Altenberger I., Nalla R. K., Sano Y., et. al., "On the effect of deep-rolling and laser-peening on the stress-controlled low- and high-cycle fatigue behavior of Ti-6Al-4V at elevated temperatures up to 550$^circ$C", Intern. J. Fatigue, 44 (2012), 292-302
  2. Dai K., Shaw L., "Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation", Intern. J. Fatigue, 30:8 (2008), 1398-1408
  3. James M. N., Hughes D. J., Chen Z., et al., "Residual stresses and fatigue performance", Engng Failure Anal., 14:2 (2007), 384-395
  4. Majzoobi G. H., Azadikhah K., Nemati J., "The effects of deep rolling and shot peening on fretting fatigue resistance of Aluminum-7075-T6", Mater. Sci. Engng: A, 516:1-2 (2009), 235-247
  5. McClung R. C., "A literature survey on the stability and significance of residual stresses during fatigue", Fatigue Fract. Engng Mater. Struct., 30:3 (2007), 173-205
  6. Soady K. A., "Life assessment methodologies incorporating shot peening process effects: mechanistic consideration of residual stresses and strain hardening. Part 1. Effect of shot peening on fatigue resistance", Mater. Sci. Technol., 29:6 (2013), 637-651
  7. Terres M., Laalai N., Sidhom H., "Effect of nitriding and shot-peening on the fatigue behavior of 42CrMo4 steel: Experimental analysis and predictive approach", Mater. Design., 35:6 (2013), 741-748
  8. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С., Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям, Сам. научн. центр РАН, Самара, 2012, 125 с.
  9. Ножницкий Ю. А., Фишгойт А. В., Ткаченко Р. И., Теплова С. В., "Разработка и применение новых методов упрочнения деталей ГТД, основанных на пластическом деформировании поверхностных слоев (обзор)", Вестн. двигателестроения, 2 (2006), 8-16
  10. Биргер И. А., Остаточные напряжения, Mashgiz, М., 1963, 262 с.
  11. Кравченко Б. А., Круцило В. Г., Гутман Г. Н., Термопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности деталей машин, СамГТУ, Самара, 2000, 216 с.
  12. Радченко В. П., Саушкин М. Н., Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях, Машиностроение-1, М., 2005, 226 с.
  13. Колотникова О. В., "Эффективность упрочнения методами поверхностного пластического деформирования деталей, работающих при повышенных температурах", Пробл. прочности, 15:2 (1983), 112-114
  14. Цейтлин В. И., Колотникова О. В., "Релаксация остаточных напряжений в деталях турбины ГТД в процессе эксплуатации", Пробл. прочности, 12:8 (1980), 46-48
  15. Foss B. J., Gray S., Hardy M. C., et al., "Analysis of shot-peening and residual stress relaxation in the nickel-based superalloy RR1000", Acta Materialia, 61:7 (2013), 2548-2559
  16. Hoffmann J., Scholtes B., Vohringer O., et al., "Thermal relaxation of shot peening residual stresses in the differently heat treated plain carbon steel Ck 45", Shot Peening: Sci., Technol., Appl., 61:7 (1987), 239-246
  17. Khadraoui M., Cao W., Castex L., "Experimental investigations and modeling of relaxation behavior of shot peening residual stresses at high temperature for nickel base superalloys", Materials Science and Technology, 13:4 (1997), 360-367
  18. Xie L., Jiang C., Ji V., "Thermal relaxation of residual stresses in shot peened surface layer of (TiB + TiC)/Ti-6Al-4V composite at elevated temperatures", Materials Science and Engineering: A, 528:21 (2011), 6478-6489
  19. Захарова Т. П., Розанов М. А., Теплова С. В., "Влияние условий эксплуатации на релаксацию остаточных напряжений сжатия в наклепанных пазах хвостовиков лопаток ТВД из жаропрочных монокристаллических никелевых сплавов", Вестник УГАТУ, 19:3 (69) (2015), 21-27
  20. Радченко В. П., Кочеров Е. П., Саушкин М. Н., Смыслов В. А., "Экспериментальное и теоретическое исследование влияния растягивающей нагрузки на релаксацию остаточных напряжений в упрочненном цилиндрическом образце в условиях ползучести", ПМТФ, 56:2 (2015), 169-177
  21. Buchanan D. J., John R., "Relaxation of shot-peened residual stresses under creep loading", Scripta Materialia, 59:3 (2008), 286-289
  22. Evans A., Kim S-B., Shackleton J., et al., "Relaxation of residual stress in shot peened Udimet 720Li under high temperature isothermal fatigue", Int. J. Fatigue, 27:10-12 (2005), 1530-1534
  23. Kim J.-C., Cheong S.-K., Noguchi H., "Residual stress relaxation and low- and high-cycle fatigue behavior of shot-peened medium-carbon steel", Int. J. Fatigue, 56 (2013), 114-122
  24. Benedetti M., Fontanari V., Scardi P., Ricardo C. L. A., Bandini M., "Reverse bending fatigue of shot peened 7075-T651 aluminium alloy: The role of residual stress relaxation", Int. J. Fatigue, 31:8 (2009), 1225-1236
  25. Радченко В. П., Саушкин М. Н., "Прямой метод решения краевой задачи релаксации остаточных напряжений в упрочненном изделии цилиндрической формы при ползучести", ПМТФ, 50:6 (2009), 90-99
  26. Радченко В. П., Саушкин М. Н., Цветков В. В., "Влияние термоэкспозиции на релаксацию остаточных напряжений в упрочненном цилиндрическом образце в условиях ползучести", ПМТФ, 57:3 (2016), 196-207
  27. Радченко В. П., Саушкин М. Н., Бочкова Т. И., "Математическое моделирование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести", Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2016, № 1, 93-112
  28. Радченко В. П., Деревянка Е. Е., "Моделирование ползучести и релаксации остаточных напряжений в поверхностно упрочненных элементах статически не определимых стержневых систем", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 22:4 (2018), 647-668
  29. Самарин Ю. П., Уравнения состояния материалов со сложными реологическими свойствами, Куйб. гос. ун-т, Куйбышев, 1979, 84 с.
  30. Радченко В. П., Цветков В. В., "Напряженно-деформированное состояние цилиндрического образца из сплава Д16Т в условиях осевого растяжения и кручения при ползучести", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2013, № 3(32), 77-86
  31. Радченко В. П., Павлов В. Ф., Саушкин М. Н., "Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния в поверхностно упрочненных втулках с учетом остаточных касательных напряжений", Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2019, № 1, 138-150

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2019 Samara State Technical University

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».