Relaxation of residual stresses in rotating cylinders with incisions of various shapes under creep conditions
- Авторлар: Radchenko V.P.1, Glebov V.E.1
-
Мекемелер:
- Samara State Technical University
- Шығарылым: Том 89, № 6 (2025)
- Беттер: 1057-1072
- Бөлім: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0032-8235/article/view/364155
- DOI: https://doi.org/10.7868/S3034575825060139
- ID: 364155
Дәйексөз келтіру
Аннотация
The problem of relaxation of residual stresses under conditions of high-temperature creep in surface-hardened cylinders with incisions of semicircular, square and V-shaped profiles cantilevered on an absolutely rigid rotating disk is considered and numerically solved. A series of variable calculations has been performed for cylinders made of EI698 alloy with a radius of 3.76 mm and a length of 150 mm, hardened by shot peening: smooth, with a semicircular incision with a radius of 0.1 and 0.3 mm, a square incision with a depth of 0.1 mm, with a V-shaped incision with a depth of 0.1 mm and an opening angle of 5°, 10°, 20° and 30°. In accordance with the technology of advanced surface plastic deformation, the incisions were applied to a pre-hardened smooth sample. First, the stress-strain state in a smooth sample was determined, and then the problem of redistributing residual stresses after incision application was solved in the elastic formulation for a semicircular incision and in the elastoplastic formulation for cylinders with square and V-shaped incisions. When solving boundary value relaxation problems of residual stresses, the rotation speed and the location of the incision varied — the distance from it to the cantilevered end of the cylinder. The relaxation of residual stresses was calculated on a time base of 300 hours for a smooth cylinder for comparison with a similar solution based on the grid method and on a time base of 100 hours for cylinders with incisions. The flow theory was chosen as the law of creep. The parameters of the law are determined from experimental data on creep deformation for the EI698 alloy at a temperature of 700 °C. The stages of solving the problem correspond to the full loading cycle: “hardening at 20 °C — force load from rotation — temperature load up to 700 °C — creep for 100/300 hours — force unloading — temperature unloading up to 20 °C”. When solving all the boundary value problems, at the end of the loading cycle, a significant level of compressive residual stresses is observed on the incision surface, which is a positive fact of using plastic surface deformation technology even under conditions of high-temperature creep. The results of calculations of the kinetics of residual stresses during creep are presented in graphical and tabular forms.
Авторлар туралы
V. Radchenko
Samara State Technical University
Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: radchenko.vp@samgtu.ru
Samara, Russia
V. Glebov
Samara State Technical University
Email: glebov.ve@samgtu.ru
Samara, Russia
Әдебиет тізімі
- Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.
- Гринченко И.Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1971. 120 с.
- Кудрявцев И.В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1969. 100 с.
- Ножницкий Ю.А., Фишгойт А.В., Ткаченко Р.И. и др. Разработка и применение новых методов упрочнения деталей ГТД, основанных на пластическом деформировании поверхностных слоев // Вестник двигателестроения, 2006. № 2. С. 8–16.
- Сулима Г.Н., Шувалов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
- Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.
- Иванов С.И., Шатунов М.П., Павлов В.Ф. Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций, Т. 1. Куйбышев: КуАИ, 1974. С. 88–95.
- Митряев К.Ф., Егоров В.И., Мальков Г.Ф. и др. Повышение усталостной прочности жаропрочных материалов алмазным выглаживанием поверхности деталей // Остаточные напряжения, Выпуск №53. Куйбышев: КуАИ, 1971. С. 151–159.
- Павлов В.Ф., Букатый А.С., Семенова О.Ю. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей с концентраторами напряжений // Вестник машиностроения, 2019. № 1. С. 3–7.
- Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Вакулюк В.С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. Самара: Изд-во СЦН РАН, 2012. 125 с.
- Сазанов В.П. Исследование закономерностей остановки усталостной трещины в цилиндрическом образце с надрезом // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2018. Т. 17. № 1. С. 160–169. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2018-17-1-160-169
- Радченко В.П., Кирпичев В.А., Лунин В.В. Влияние пневмодробеструйной обработки и термоэкспозиции на остаточные напряжения и предел выносливости образцов с надрезами из сплавов В95 и Д16Т // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Серия: Физ.-мат. науки. 2011. Т. 3. № 24. С. 181–184.
- You C., Achintha M., He B.Y. et al. A numerical study of the effects of shot peening on the short crack growth behaviour in notched geometries under bending fatigue tests // Int. J. of Fatigue. 2017. V. 103. P. 99-111. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.05.023
- Soyama H. Comparison between Shot Peening, Cavitation Peening and Laser Peening by Observation of Crack Initiation and Crack Growth in Stainless Steel // Metals. 2019. V. 10. № 1. P. 63. http://dx.doi.org/10.3390/met10010063
- Zhao X., Sun Z., Xu D. et al. Local Fatigue Strength Evaluation of Shop Peened 40Cr notched Steel // Metals. 2018. V. 128. № 9. Р. 681. http://dx.doi.org/10.3390/met8090681
- Takahashi K., Osedo H., Suzuki T. et al. Fatigue strength improvement of an aluminum alloy with a crack-like surface defect using shot peening and cavitation peening // Engineering Fracture Mechanics. 2018. V. 193. P. 151–161. http://dx.doi.org/10.1016/j.engfracmech.2018.02.013
- Fleury R., Nowell D. Evaluating the influence of residual stresses and surface damage on fatigue life of nickel superalloys // Int. J. Fatigue. 2017. V. 105. pp. 27–33. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.08.015
- Bag A., Levesque M., Brochu M. Effect of shot peening on short crack propagation in 300M steel // Int. J. of Fatigue. 2020. V. 131. P. 105346. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105346
- Nag Chaundhury J. Effect of heat treatment, pre–stress and surface hardening on fracture toughness of micro–alloyed steel // J. of Materials Engin.&Perform. 2013. V. 123. № 1. Р. 152–168. http://dx.doi.org/10.1007/s11665-013-0709-6
- Радченко В.П., Морозов А.П. Экспериментальное исследование влияния пневмодробеструйной обработки температурных выдержек и многоцикловых усталостных испытаний на физико–механическое состояние упрочненного слоя цилиндрических образцов из сплавов В95 и Д16Т // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Серия: Физ.-мат. науки. 2010. Т. 5. № 21. С. 222–228.
- Радченко В.П., Морозов А.П., Лунин В.В. Исследование кинетики физико– механических параметров упрочненных образцов из сплавов В95 и Д16Т вследствие температурных выдержек и многоцикловых усталостных испытаний // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Серия: Физ.-мат. науки, 2012. № 1 (26). С. 123–131.
- Wildeis A., Christ H.-Y., Brandt R. Influence of Residual Stresses on the Crack Initiation and Short Crack Propagation in a Martensitic Spring Steel // Metals. 2022. V. 12. № 7. Р. 1085. http://dx.doi.org/10.3390/met12071085
- Wang C., Lai Y., Wang L. et al. Dislocation-based study on the influences of shot peening on fatigue resistance // Surf.&Coatings Techn. 2020. V. 383. № 7. P. 125247. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125247
- Qu S., Duan C., Hu X. et al. Effect of shot peening on microstructure and contact fatigue crack growth mechanism of shaft steel // Materials Chemistry& Physics. 2021. V. 274. № 9. P. 125116. http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.125116
- Łach Ł. Recent Advances in Laser Surface Hardening: Techniques, Modeling Approaches, and Industrial Applications // Crystals. 2024. V. 14. № 8. Р. 726. http://dx.doi.org/10.3390/cryst14080726
- Czupryński A., Janicki D., Górka J. et al. High-Power Diode Laser Surface Transformation Hardening of Ferrous Alloys // Materials. 2022. V. 15. № 5. Р. 1915. http://dx.doi.org/10.3390/ma15051915
- Rifky I., Dian P., Mohammad T. et al. Induction Hardening of Carbon Steel Material: The Effect of Specimen Diameter // Advanced Materials Research. 2014. V. 911. P. 210-214. http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.911.210
- Świetlicki A., Szala M., Walczak M. Effects of Shot Peening and Cavitation Peening on Properties of Surface Layer of Metallic Materials—A Short Review // Materials. 2022. V. 15. № 7. P. 2476. http://dx.doi.org/10.3390/ma15072476
- Jin J., Wang W., Chen X. Microstructure and Mechanical Properties of Ti + N Ion Implanted Cronidur30 Steel // Materials. 2019. V. 12. № 3. P. 427. http://dx.doi.org/10.3390/ma12030427
- Das S., Yu H., Tarleton E. et al. Hardening and Strain Localisation in Helium-Ion-Implanted Tungsten // Sci Rep. 2019. V. 9. P. 18354. https://www.nature.com/articles/s41598-019-54753-3
- Колотникова О.В. Эффективность упрочнения методами поверхностного пластического деформирования деталей, работающих при повышенных температурах // Проблемы прочности. 1983. № 2. С. 112–114.
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Прямой метод решения краевой задачи релаксации остаточных напряжений в упрочненном изделии цилиндрической формы при ползучести // ПМТФ. 2009. Т. 50. № 6. С. 90–99.
- Радченко В.П., Кочеров Е.П., Саушкин М.Н. и др. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния растягивающей нагрузки на релаксацию остаточных напряжений в упрочненном цилиндрическом образце в условиях ползучести // ПМТФ. 2015. Т. 56. № 2. С. 169–177.
- Радченко В.П., Деревянка Е.Е. Кинетика остаточных напряжений в тонкостенных цилиндрических образцах после двухстороннего поверхностного упрочнения в условиях ползучести при жестких ограничениях на угловые и осевые линейные перемещения // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2023. Т. 23. № 2. С. 227–240.
- Деревянка Е.Е., Радченко В.П., Цветков В.В. Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненном цилиндре в условиях ползучести при жестких ограничениях на линейные и угловые деформации // Изв. РАН. МТТ. 2021. № 3. С. 118–127. http://dx.doi.org/10.31857/S057232992103003X
- 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. http://dx.doi.org/10.14498/vsgtu1884
- Радченко В.П., Цветков В.В., Саушкин М.Н. Релаксация остаточных напряжений в упрочненном цилиндре в условиях ползучести при нагружении осевой силой, крутящим моментов и внутренним давлением // ПМТФ. 2020. Т. 61. № 4. С. 96–107. http://dx.doi.org/10.15372/PMTF20200412
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. М.: Машиностроение-1, 2005. 226 с.
- Radchenko V., Glebov V. A Method for Calculating the Relaxation of Residual Creep Stresses in a Surface-Hardened Cylinder with a Series of Periodically Arranged Semicircular Incisions under Thermal Exposure Conditions // Mechanics of Solids. 2024. V. 59. № 7. P. 3735–3746. http://dx.doi.org/10.1134/S0025654424606293
- Влияние геометрической формы надреза на релаксацию остаточных напряжений в поверхностно упрочненном цилиндре при термоэкспозиции // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2025. Т. 25, вып. 3. С. 391–405. doi: 10.18500/1816-9791-2025-25-3-391-405, EDN: MQEXGM
- Сазанов В.П., Семенова О.Ю., Кирпичев В.А. и др. С. Математическое моделирование первоначальных деформаций в поверхностно упрочненных деталях при выборе образца–свидетеля // Вестник УГАТУ. 2016. Т. 20. № 3. С. 31–37.
- Павлов В.Ф., Столяров А.К., Кирпичев В.А., Вакулюк В.С. Расчет остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений по первоначальным деформациям. Самара: Изд-во СЦН РАН, 2008. 124 с.
- Радченко В.П., Шишкин Д.М. Численный метод расчета напряженно– деформированного состояния в призматическом поверхностно упрочненном образце с надрезом в упругой и упругопластической постановках // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2021. Т. 21. № 4. С. 503–519.
- Радченко В.П., Шишкин Д.М., Саушкин М.Н. Численное решение задачи о напряженно–деформированном состоянии поверхностно упрочненного призматического образца с надрезом V-образного профиля в упругой и упругопластической постановках // Вестн. СамГТУ. Сер. Физ.-мат. науки. 2023. Т. 27. № 3. С. 491–508. https://doi.org/10.14498/vsgtu2017
- Булыгин И.П., Власова П.Т., Горбодей А.Т. и др. Атлас диаграмм растяжения при высоких температурах, кривых ползучести и длительной прочности сталей и сплавов для двигателей. М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1957. 173 с.
- Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. 752 с.
- Радченко В.П., Еремин Ю.А. Реологическое деформирование и разрушение материалов и элементов конструкций. М.: Машиностроение-1, 2004. 265 с.
Қосымша файлдар

