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 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».