Анализ остаточных напряжений в поверхностно упрочненных вращающихся призматических элементах с полукруглыми надрезами в условиях высокотемпературной ползучести

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Разработан численный метод для расчета релаксации остаточных напряжений во вращающемся поверхностно упрочненном призматическом образце с полукруглым надрезом в условиях высокотемпературной ползучести. Задача моделирует напряженно-деформированное состояние образца, у которого одна грань закреплена на вращающемся с постоянной скоростью диске.
Методика включает в себя следующие этапы:
– реконструкцию полей остаточных напряжений и пластических деформаций после предварительного поверхностного пластического деформирования;
– расчет релаксации остаточных напряжений в процессе ползучести вращающегося призматического стержня.
Выполнен детальный анализ задачи для призматического образца размером 150 $\times$ 10 $\times$ 10 мм из сплава ЭП742. Одна из граней этого образца была упрочнена с помощью механического ультразвукового упрочнения. Решение задачи рассматривалось для образца с полукруглыми надрезами радиусами 0.1 и 0.3 мм, расположенными на расстоянии 2 и 75 мм от жестко закрепленной грани.
В области надрезов после опережающего поверхностного пластического деформирования задачи решались как в упругой, так и в упруго-пластической постановках. Полученные начальные поля остаточных напряжений и пластических деформаций использовались в качестве исходных данных для решения задачи ползучести.
Анализ влияния радиусов надрезов, их расположения, угловой скорости и начальных полей остаточных напряжений на релаксацию остаточных напряжений проводился при температуре 650 °C на основе феноменологической теории течения, построенной на известных экспериментальных данных для данного сплава.
Результаты показали, что для определения начального напряженно-деформированного состояния после предварительного пластического деформирования для надреза радиусом 0.1 мм необходимо использовать упруго-пластическое решение, тогда как для радиуса 0.3 мм различия между упругими и упруго-пластическими решениями незначительны.
Исследование релаксации остаточных напряжений проводилось при угловых скоростях 1500 и 2000 об/мин в течение 100 часов. Несмотря на заметную релаксацию остаточных напряжений для образцов с надрезами радиусом 0.1 и 0.3 мм, после полной температурно-силовой разгрузки в области надрезов все же наблюдается значительный уровень остаточных сжимающих напряжений. Это свидетельствует о высокой эффективности поверхностного упрочнения при эксплуатации в условиях высокотемпературной ползучести.

Об авторах

Владимир Павлович Радченко

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: radchenko.vp@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4168-9660
SPIN-код: 1823-0796
Scopus Author ID: 7004402189
ResearcherId: J-5229-2013
http://www.mathnet.ru/person38375

доктор физико-математических наук, профессор; заведующий кафедрой; каф. прикладной математики и информатики

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Михаил Николаевич Саушкин

Самарский государственный технический университет

Email: saushkin.mn@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0002-8260-2069
SPIN-код: 9740-1416
Scopus Author ID: 35318659800
ResearcherId: A-8120-2015
https://www.mathnet.ru/person38368

кандидат физико-математических наук, доцент; доцент; каф. прикладной математики и информатики

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Дмитрий Михайлович Шишкин

Сызранский филиал Самарского государственного технического университета

Email: shishkin.dim@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3205-2262
https://www.mathnet.ru/person164459

кандидат технических наук; доцент; каф. общетеоретических дисциплин

Россия, 446001, Самарская обл., Сызрань, ул. Советская, 45

Список литературы

  1. Биргер И. А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.
  2. Гринченко И. Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1971. 120 с.
  3. Иванов С. И., Шатунов М. П., Павлов В. Ф. Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом / Вопросы прочности элементов авиационных конструкций, Вып. 1. Куйбышев: КуАИ, 1974. С. 88–95.
  4. Кудрявцев И. В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1969. 100 с.
  5. Ножницкий Ю. А., Фишгойт А. В., Ткаченко Р. И., Теплова С. В. Разработка и применение новых методов упрочнение деталей ГТД, основанных на пластическом деформировании поверхностных слоев // Вестн. двигател., 2006. №2. С. 8–16.
  6. Сулима А. М., Шувалов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
  7. Buchanan D. J., John R. Relaxation of shot-peened residual stresses under creep loading // Scripta Materialia, 2008. vol. 59, no. 3. pp. 286–289. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2008.03.021.
  8. Кравченко Б. А., Круцило В. Г., Гутман Г. Н. Термопластическое упрочнение — резерв повышения прочности и надежности деталей машин. Самара: СамГТУ, 2000. 216 с.
  9. Hereñú S., Strubbia R., Rubio-González C., et al. High cycle fatigue life improvement of superferritic stainless steel by laser shock peening without coating // Optics Laser Tech., 2022. vol. 152, 108083. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108083.
  10. Chen M., Xing S., Liu H., et al. Determination of surface mechanical property and residual stress stability for shot-peened SAF2507 duplex stainless steel by in situ X-ray diffraction stress analysis // J. Mater. Res. Technol., 2022. vol. 9, no. 4. pp. 7644–7654. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.05.028.
  11. Peng X., Liang Y., Qin X., Gu J. The effect of ultrasonic surface rolling process on tensiontension fatigue limit of small diameter specimens of Inconel 718 superalloy // Int. J. Fatigue, 2022. vol. 162, 106964. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.106964.
  12. Zhao J., Zhou W., Tang J., et al. Analytical and experimental study on the surface generation mechanism in shot peening // Archiv. Civ. Mech. Eng., 2022. vol. 22, 111. DOI: https://doi.org/10.1007/s43452-022-00431-7.
  13. Митряев К. Ф., Егоров В. И., Мальков Г. Ф. [и др.] Повышение усталостной прочности жаропрочных материалов алмазным выглаживанием поверхности детали / Остаточные напряжения, Вып. 53. Куйбышев: КуАИ, 1971. С. 151–159.
  14. Радченко В. П., Морозов А. П. Экспериментальное исследование влияния пневмодробеструйной обработки, температурных выдержек и многоцикловых усталостных испытаний на физико-механическое состояние упрочнённого слоя цилиндрических образцов из сплавов В95 и Д16Т // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2010. №5. С. 222–228. EDN: NCTNON. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu829.
  15. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Иванов В. Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений. Самара: Самар. науч. центр РАН, 2008. 64 с.
  16. Радченко В. П., Саушкин М. Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. М.: Машиностроение-1, 2005. 226 с. EDN: RXLJLN.
  17. Радченко В. П., Павлов В. Ф., Саушкин М. Н. Исследование влияния анизотропии поверхностного пластического упрочнения на распределение остаточных напряжений в полых и сплошных цилиндрических образцах // Вестн. Перм. нац. иссл. политехн. ун-та. Механика, 2015. №1. С. 130–147. EDN: TVSBYV. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.09.
  18. Павлов В. Ф., Букатый А. С., Семенова О. Ю. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей с концентраторами напряжений // Вестн. машиностроения, 2019. №1. С. 3–7. EDN: VTAEPK.
  19. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. Самара: Самар. науч. центр РАН, 2012. 125 с.
  20. Bag A., Lévesque M., Brochu M. Effect of shot peening on short crack propagation in 300M steel // Int. J. Fatigue, 2020. vol. 131, 105346. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105346.
  21. Fleury R., Nowell D. Evaluating the influence of residual stresses and surface damage on fatigue life of nickel superalloys // Int. J. Fatigue, 2017. vol. 105. pp. 27–33. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.08.015.
  22. Foss B., Gray S., Hardy M., et al. Analysis of shot-peening and residual stress relaxation in the nickel-based superalloy RR1000 // Acta Materialia, 2013. vol. 61, no. 7. pp. 2548–2559. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.01.031.
  23. Soyama H. Comparison between shot peening, cavitation peening, and laser peening by observation of crack initiation and crack growth in stainless steel // Metals, 2019. vol. 10, no. 1, 63. DOI: https://doi.org/10.3390/met10010063.
  24. Takahashi K., Osedo H., Suzuki T., Fukuda S. Fatigue strength improvement of an aluminum alloy with a crack-like surface defect using shot peening and cavitation peening // Eng. Fract. Mech., 2018. vol. 193. pp. 151–161. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2018.02.013.
  25. You C., Achintha M., He B. Y., Reed P. A. S. A numerical study of the effects of shot peening on the short crack growth behaviour in notched geometries under bending fatigue tests // Int. J. Fatigue, 2017. vol. 103. pp. 99–111. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.05.023.
  26. Zhao X., Sun Z., Xu D., Liu Y. Local fatigue strength evaluation of shot peened 40Cr notched steel // Metals, 2018. vol. 8, no. 9, 681. DOI: https://doi.org/10.3390/met8090681.
  27. Радченко В. П., Шишкин Д. М. Метод реконструкции остаточных напряжений в призматическом образце с надрезом полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического деформирования // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика, 2020. Т. 20, №4. С. 478–492. EDN: ZPKSUN. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2020-20-4-478-492.
  28. Радченко В. П., Шишкин Д. М. Численный метод расчета напряженно-деформированного состояния в призматическом поверхностно упрочненном образце с надрезом в упругой и упругопластической постановках // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика, 2021. Т. 21, №4. С. 503–519. EDN: KNHHLG. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2021-21-4-503-519.
  29. Радченко В. П., Кирпичев В. А., Лунин В. В. Влияние термоэкспозиции на остаточные напряжения образцов из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Техн. науки, 2012. №3. С. 147–154. EDN: PYUQNV.
  30. Радченко В. П., Саушкин М. Н., Бочкова Т. И. Математическое моделирование и экспериментальное исследование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести // Вестн. Перм. нац. иссл. политехн. ун-та. Механика, 2016. №1. С. 93–112. EDN: VQTAHL. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.1.07.
  31. Радченко В. П., Либерман А. Е., Блохин О. Л. Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненном вращающемся цилиндре в условиях ползучести // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2022. Т. 26, №1. С. 119–139. EDN: GFBZBC. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1884.
  32. Радченко В. П., Бербасова Т. И., Саушкин М. Н., Акинфиева М. М. Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненных вращающихся призматических элементах конструкций в условиях ползучести // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика, 2023. Т. 23, №4. С. 512–530. EDN: TAEGBQ. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2023-23-4-512-530.
  33. Радченко В. П., Еремин Ю. А. Реологическое деформирование и разрушение материалов и элементов конструкций. М.: Машиностроение-1, 2004. 265 с. EDN: QNATSX.
  34. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. 752 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема нагружения поверхностно упрочненного образца с полукруглыми надрезами

Скачать (72KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Данные для компоненты $\sigma_x=\sigma_x(y)$ после УЗУ поверхности призматического образца с размерами $150{\times}10{\times}10$ мм из сплава ЭП742: экспериментальные данные (маркеры) [28, 32], расчетные данные по аппроксимации (6) (сплошная линия) и для термоупругой задачи (штриховая линия)

Скачать (87KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Кривые упругопластического деформирования сплава ЭП742 при температуре 20 °C: 1 — экспериментальные данные [23], 2 — расчет в координатах $\sigma _{0}$ – $\varepsilon$, 3 — расчет в координатах $\sigma$ – $\varepsilon$

Скачать (82KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Экспериментальные (точки) и расчетные (сплошные линии) кривые ползучести сплава ЭП742 при температуре 650 °C: 1 — $\sigma=588.6$ МПа, 2 — $\sigma=637.6$ МПа, 3 — $\sigma=686$ МПа

Скачать (109KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x}$ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 1500 об/мин в сечении $x=75$ мм, полученные для гладкого образца с помощью МКЭ (a) и методом сеток (b) [32]

Скачать (269KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x}$ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 2000 об/мин в сечении $x=0$ мм, полученные для гладкого образца с помощью МКЭ (a) и методом сеток (b) [32]

Скачать (280KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x}$ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 1500 об/мин в сечении $x=2$ мм для $\rho=0.1$ мм, полученные при упругом (a) и упругопластическом (b) решении

Скачать (279KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x}$ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 1500 об/мин в сечении $x=75$ мм для $\rho=0.1$ мм, полученные при упругом (a) и упругопластическом (b) решении

Скачать (281KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x}$ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 2000 об/мин в сечении $x=2$ мм для $\rho=0.1$ мм, полученные при упругом (a) и упругопластическом (b) решении

Скачать (293KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x}$ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 2000 об/мин в сечении $x=75$ мм для $\rho=0.1$ мм, полученные при упругом (a) и упругопластическом (b) решении

Скачать (282KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x} $ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 1500 об/мин в сечении $x=2$ мм для $\rho=0.3$ мм, полученные при упругом (a) и упругопластическом (b) решении

Скачать (266KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x}$ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 1500 об/мин в сечении $x=75$ мм для $\rho=0.3$ мм, полученные при упругом (a) и упругопластическом (b) решении

Скачать (282KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x}$ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 2000 об/мин в сечении $x=2$ мм для $\rho=0.3$ мм, полученные при упругом (a) и упругопластическом (b) решении

Скачать (283KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Данные кинетики компоненты $\sigma _{x}$ в условиях ползучести при угловой скорости вращения 2000 об/мин в сечении $x=75$ мм для $\rho=0.3$ мм, полученные при упругом (a) и упругопластическом (b) решении

Скачать (278KB)
Метаданные

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).