Kinetics of residual stresses in thin-walled cylindrical specimens after bilateral surface hardening under creep conditions with rigid constraints on angular and axial linear displacements

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A method for solving the problem of relaxing residual stresses after bilateral surface hardening of a hollow cylinder under creep conditions with rigid constraints on the initially specified axial deformation and twist angle is presented. The solution is developed for complex loading regimes including pure thermal exposure, axial loading, torque, internal pressure, and their combinations. A numerical simulation was conducted on a thin-walled cylindrical specimen comprised of X18N10T steel, subjected to a temperature of $T\!=\!600\,^\circ$C, with the inner and outer surfaces subjected to ultrasonic peening. The reconstruction of the initial fields of residual stresses and plastic deformations was carried out based on the known experimental information on the distribution of axial and circumferential stress components in thin surface-hardened areas on the inner and outer surfaces. A phenomenological model of creep of steel alloy X18N10T at $T\!=\!600\,^\circ$C is constructed. The rheological deformation problem within the first two stages of creep was numerically solved using time and radius discretization. The calculations established that the presence of rigid constraints on angular and linear axial displacements resulted in a decrease in the rate of relaxation of residual stresses compared to the case where these constraints are absent. Graphs illustrating the kinetics of residual stresses with respect to the sequence of temperature and loading forces at different timestamps are presented.

About the authors

Vladimir P. Radchenko

Samara State Technical University

Russia, 443100, Samara St. Molodogvardeyskaya, 244

Ekaterina Evgenevna Derevyanka

Samara State Technical University

Russia, 443100, Samara St. Molodogvardeyskaya, 244

References

  1. Кузнецов Н. Д., Цейтлин В. И., Волков В. И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. Москва : Машиностроение, 1993. 304 с.
  2. Биргер И. А. Остаточные напряжения. Москва : Машгиз, 1963. 233 с.
  3. Сулима А. М., Шулов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. Москва : Машиностроение, 1988. 197 с.
  4. Кудрявцев И. В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием. Москва : Машиностроение, 1969. 214 с.
  5. 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 // Materials Science and Technology. 2013. Vol. 29, iss. 6. P. 637–651. https://doi.org/10.1179/1743284713Y.0000000222
  6. 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 // Materials & Design. 2012. Vol. 35. P. 741–748. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.09.055
  7. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. Самара : Изд-во СНЦ РАН, 2012. 125 с.
  8. 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. EDN: VTAEPK
  9. Majzoobi G. H., Azadikhah K., Nemati J. The effects of deep rolling and shot peening on fretting fatigue resistance of Aluminum-7075-T6 // Materials Science and Engineering: A. 2009. Vol. 516, iss. 1. P. 235–247. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.03.020
  10. Старцев Н. И. Трубопроводы газотурбинных двигателей. Москва : Машиностроение, 1976. 272 с.
  11. Радченко В. П., Бербасова Т. И., Цветков В. В., Саушкин М. Н. Математическое моделирование релаксации остаточных напряжений в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего поверхностного упрочнения при ползучести // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2021. № 3. С. 117–128. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2021.3.11
  12. 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 // Известия РАН. Механика твердого тела. 2021. № 3. С. 118–127. https://doi.org/10.31857/S057232992103003X
  13. 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. С. 138–150. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2019.1.12
  14. Радченко В. П., Цветков В. В. Кинетика напряженно-деформированного состояния в поверхностно упрочненном цилиндрическом образце при сложном напряженном состоянии в условиях ползучести // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2014. № 1 (34). С. 93–108. https://doi.org/10.14498/vsgtu1313
  15. 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 // Прикладная механика и техническая физика. 2015. Т. 56, № 2. С. 169–177. https://doi.org/10.15372/PMTF20150217
  16. Радченко В. П., Цветков В. В., Саушкин М. Н. Релаксация остаточных напряжений в упрочненном цилиндре в условиях ползучести при нагружении осевой силой, крутящим моментом и внутренним давлением // Прикладная механика и техническая физика. 2020. Т. 61, № 4. С. 96–107. https://doi.org/10.15372/PMTF20200412
  17. Sherafatnia K., Farrahi G. H., Mahmoudi A. H., Ghasemi A. Experimental measurement and analytical determination of shot peening residual stresses considering friction and real unloading behavior // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 657, iss. 7. P. 309–321. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.01.070
  18. Xie L., Wang Ch., Wang L., Wang Z., Jiang Ch., Lu W., Ji V. Numerical analysis and experimental validation on residual stress distribution of titanium matrix composite after shot peening treatment // Mechanics of Materials. 2016. Vol. 99. P. 2–8. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2016.05.005
  19. Gallitelli D., Boyer V., Gelineau M., Colaitis Y., Rouhaud E., Retraint D., Kubler R., Desvignes M., Barrallier L. Simulation of shot peening: From process parameters to residual stress fields in a structure // Comptes Rendus Mechanique. 2016. Vol. 344, iss. 4. P. 355–374. https://doi.org/10.1016/j.crme.2016.02.006
  20. Zimmermann M., Klemenz M., Schulze V. Literature review on shot peening simulation // International Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering. 2010. Vol. 3, iss. 4. P. 289–310. https://doi.org/10.1504/ijcmsse.2010.036218
  21. Лебедев В. А., Чумак И. В. Кинетическая модель упрочнения поверхностного слоя деталей виброударными методами ППД // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 7. С. 3–8. EDN: JWEXDN
  22. Радченко В. П., Павлов В. Ф., Бербасова Т. И., Саушкин М. Н. Метод реконструкции остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего виброударного поверхностного упрочнения дробью // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. № 2. С. 123–133. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.2.10
  23. Можаровская Т. Н., Можаровский В. Н., Штефан Н. И. О зависимости времени до разрушения и установившейся скорости деформаций ползучести конструкционных материалов // Вiсник Нацiонального Технiчного Унiверситету Украiни Киiвський Полiтехнiчний Iнститут. Серiя: Машинобудування. 2010. № 59. С. 37–40. EDN: VAXUEV
  24. Самарин Ю. П. Уравнения состояния материалов со сложными реологическими свойствами. Куйбышев : Куйбышевский госуниверситет, 1979. 84 с.
  25. Радченко В. П., Еремин Ю. А. Реологическое деформирование и разрушение материалов и элементов конструкций. Москва : Машиностроение-1, 2004. 265 с.


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies