The influence of the dimensions of the surface hardening region on the stress-strain state of a beam with a notch of a semicircular profile

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The influence of a size of the surface-plastic hardening region on the stress-strain state of a beam with a notch of a semicircular profile is investigated. The problem is reduced to a boundary value problem of fictitious thermoelasticity with the initial (plastic) deformations modeled by temperature anisrotropic deformations in an inhomogeneous temperature field. The solution is based on the finite element method. For model calculations, experimental data on the distribution of residual stresses in a smooth beam made of EP742 alloy after ultrasonic mechanical hardening were used as initial information. A variative numerical analysis of the effect of the notch radius and the size of the hardening zone of the beam face on the distribution of the components of the residual stress tensor in the smallest section from the bottom of the concentrator is carried out. It is shown that when the hardening zone is more than 16–20 % of the entire face area, the stress-strain state in the smallest section is practically stabilized. It was established that if the radius of the semicircular notch is less than the thickness of the hardened layer (the material compression area), an increase (in modulus) of the normal longitudinal component of the residual stress tensor occurs, and if the radius of the notch is greater than the thickness of the hardened layer, then a decrease (in modulus) of this value is observed in comparison with a similar component for a smooth reinforced beam for all values of the hardening zone more than 16–20 % of the entire face area of the beam. An experimental verification of the developed numerical method based on the finite element method for a beam with a fully hardened face is performed.

About the authors

Vladimir Pavlovich Radchenko

Samara State Technical University

Email: radchenko.vp@samgtu.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

Dmitry Mikhailovich Shishkin

Samara State Technical University

Email: shishkin.dim@yandex.ru

References

  1. Биргер И. А., Остаточные напряжения, Машгиз, М., 1963, 232 с.
  2. Гринченко И. Г., Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов, Машиностроение, М., 1971, 120 с.
  3. Сулима А. М., Шувалов В. А., Ягодкин Ю. Д., Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин, Машиностроение, М., 1988, 240 с.
  4. Кудрявцев И. В., Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием, Машиностроение, М., 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", Вестник двигателестроения, 2006, № 2, 8-16
  6. Brockman R. A., Braisted W. R., Olson S. E., et. al., "Prediction and characterization of residual stresses from laser shock peening", Intern. J. Fatigue, 36:1 (2012), 96-108
  7. Dai K., Shaw L., "Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation", Intern. J. Fatigue, 30:8 (2008), 1398-1408
  8. James M. N., Hughes D. J., Chen Z., et. al., "Residual stresses and fatigue performance", Eng. Fail. Analysis, 14:2 (2007), 384-395
  9. 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. Eng. A, 516:1-2 (2009), 235-247
  10. Soady K. A., "Life assessment methodologies incoroporating 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), 673-651
  11. 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, 35 (2012), 741-748
  12. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С., Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочнeнных деталей по остаточным напряжениям, Самар. науч. центр РАН, Самара, 2012, 125 с.
  13. Саушкин М. Н., Куров А. Ю., "Анализ напряженного состояния в надрезах полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического деформирования сплошных цилиндрических образцов", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2012, № 1(26), 133-140
  14. Радченко В. П., Куров А. Ю., "Влияние анизотропии поверхностного пластического упрочнения на формирование остаточных напряжений в цилиндрических деталях с надрезами полукруглого профиля", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 20:4 (2016), 675-690
  15. Сазанов В. П., "Исследование закономерностей остановки усталостной трещины в цилиндрическом образце с надрезом", Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 17:1 (2018), 160-169
  16. Doremus L., Cormier J., Villechaise P., et. al., "Influence of residual stresses on the fatigue crack growth from surface anomalies in a nickel-based superalloy", Mater. Sci. Eng. A, 644 (2015), 234-246
  17. Fleury R. M. N.., Nowell D., "Evaluating the influence of residual stresses and surface damage on fatigue life of nickel superalloys", Intern. J. Fatigue, 105 (2017), 27-33
  18. Павлов В. Ф., Букатый А. С., Семенова О. Ю., "Прогнозирование предела выносливости поверхностно-упрочненных деталей с концентраторами напряжений", Вестник машиностроения, 2019, № 1, 3-7
  19. Иванов С. И., Шатунов М. П., Павлов В. Ф., "Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом", Вопросы прочности элементов авиационных конструкций, т. 3, КуАИ, Куйбышев, 1974, 88-95
  20. Павлов В. Ф., Столяров А. К., Вакулюк В. С., Кирпичев В. А., Расчет остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений по первоначальным деформациям, Самар. науч. центр РАН, Самара, 2008, 124 с.
  21. Вакулюк В. С., Павлов В. Ф., Сазанов В. П., Семенов О. Ю., "Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости деталей в условиях концентрации напряжений", Материалы X Всероссийской конференции по механике деформируемого твердого тела (18-22 сентября 2017 г., Самара, Россия), т. 1, СамГТУ, Самара, 2017, 103-106
  22. Павлов В. Ф., Письмаров А. В., Сазанов В. П., Сургутанов Н. А., "Исследование зависимости коэффициента интенсивности напряжений от глубины трещины в деталях с надрезом", Материалы X Всероссийской конференции по механике деформируемого твердого тела (18-22 сентября 2017 г., Самара, Россия), т. 2, СамГТУ, Самара, 2017, 132-135
  23. 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
  24. 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. Математика. Механика. Информатика, 20:4 (2020), 478-492
  25. Вакулюк В. С., "Исследование влияния толщины упрочненного слоя на остаточные напряжения во впадине концентратора методом первоначальных деформаций", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2010, № 1(20), 222-225
  26. Сазанов В. П., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С., Павлов В. Ф., "Определение первоначальных деформаций в упрочненном слое цилиндрической детали методом конечно-элементного моделирования с использованием расчeтного комплекса PATRAN/NASTRAN", Вестн. Уфим. гос. авиац. техн. ун-та, 19:2 (2015), 35-40
  27. Радченко В. П., Афанасьева О. С., Глебов В. Е., "Влияние технологии поверхностного пластического упрочнения, остаточных напряжений и граничных условий на выпучивание балки", Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2020, № 1, 87-98

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2021 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».