Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненном вращающемся цилиндре в условиях ползучести

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Разработана методика расчета релаксации остаточных напряжений в консольно закрепленном вращающемся цилиндре после процедуры поверхностно-пластического деформирования в условиях ползучести, учитывающая влияние ступенчатого изменения параметров температурно-силового нагружения (разгрузки). Задача моделирует напряженно-деформированное состояние поверхностно упрочненного цилиндра (стержня), торцевое сечение которого жестко закреплено на диске, вращающегося с постоянной угловой скоростью.

Методика включает метод реконструкции полей остаточных напряжений и пластических деформаций и метод расчета релаксации остаточных напряжений в процессе ползучести вращающегося цилиндрического стержня. Поскольку вызванные вращением растягивающие напряжения по длине стержня не изменяются во времени, в каждом поперечном сечении решается задача о релаксации остаточных напряжений для растягиваемого стержня при постоянном напряжении.

Выполнено детальное численное исследование влияния количества оборотов на скорость релаксации остаточных напряжений для упрочненного дробью цилиндрического образца радиусом 3.76 мм из сплава ЭИ698 при температуре 700 ºC.

Анализ результатов расчетов позволил установить нетривиальный эффект, заключающийся в том, что релаксация остаточных напряжений в сечениях, находящихся под действием осевых растягивающих напряжений вследствие вращения, происходит менее интенсивно, чем в «хвостовом» сечении, где осевая нагрузка от вращения равна нулю. Полученные в работе результаты могут быть полезными при оценке эффективности поверхностно-пластического упрочнения деталей 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

Александр Евгеньевич Либерман

Самарский государственный технический университет

Email: aliberman740@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9185-2131
http://www.mathnet.ru/person181575

аспирант; каф. прикладной математики и информатики

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Олег Леонидович Блохин

Зения АИ

Email: olb940611@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0167-4758
http://www.mathnet.ru/person181576

инженер по машинному обучению

Республика Беларусь, 220100, Минск, ул. Кульман, 9

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. Сулима А. М., Шувалов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
  4. 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. С. 8–16.
  5. Dai K., Shaw L. Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation // Intern. J. Fatigue, 2008. vol. 30, no. 8. pp. 1398–1408. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2007.10.010.
  6. James M. N., Hughes D. J., Chen Z., et al. Residual stresses and fatigue performance // Eng. Failure Anal., 2007. vol. 14, no. 2. pp. 384–395. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2006.02.011.
  7. Majzoobi G. H., Azadikhah K., Nemati J. The effect of deep rolling and shot peening on fretting fatigue resistance of Aluminum-7075-T6 // Mater. Sci. Eng. A, 2009. vol. 516, no. 1–2. pp. 235–247. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.03.020.
  8. Soady K. A. Life assessment methodologies incorporating shot peening process effects: mechanistic consideration of residual stresses and strain hardening. 1. Effeact of shot peening on fatigue resistance // Mater. Sci. Technol., 2013. vol. 29, no. 6. pp. 673–651. https://doi.org/10.1179/1743284713Y.0000000222.
  9. 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., 2012. vol. 35. pp. 741–748. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.09.055.
  10. 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.
  11. 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. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.09.
  12. Radchenko V. P., Saushkin M. N., Bochkova T. I. Mathematical modeling and experimental study of forming and relaxation of residual stresses in plane samples made of EP742 alloy after ultrasonic hardening under high-temperature creep conditions // PNRPU Mechanics Bulletin, 2018. no. 3–4. pp. 88–98. https://doi.org/10.15593/perm.mech/eng.2018.3.09.
  13. Chen H., Wang S., Lu S., et al. Simulation and experimental validation of residual stress and surface roughness of high manganese steel after shot peening // Procedia CIRP, 2018. vol. 71. pp. 227–231. https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.05.066.
  14. Isa M. R., Sulaiman S. N., Zaroog O. S. Experimental and simulation method of introducing compressive residual stress in ASTM A516 grade 70 steel // Key Eng. Mater., 2019. vol. 803. pp. 27–31. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.803.27.
  15. Киселев И. А., Жуков Н. А., Васильев Б. Е., Селиванов А. Н. Учет остаточных напряжений при расчетах прочности элементов замковых соединений. Часть 1. Моделирование дробеструйной обработки // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018. № 11. С. 49–59. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2018-11-49-59.
  16. Meguid S. A., Maicic L. A. Finite element odeling of shot peening residual stress relaxation in turbine disk assemblies // J. Eng. Mater. Technol., 2015. vol. 137, no. 3, 031003. https://doi.org/10.1115/1.4030066.
  17. Gallitelli D., Boyer V., Gelineau M., et al. Simulation of shot peening: From process parameters to residual tress fields in a structure // Comptes Rendus Mécanique, 2016. vol. 344, no. 4–5. pp. 355–374. https://doi.org/10.1016/j.crme.2016.02.006.
  18. Zimmerman M., Klemenz M., Schulze V. Literature review on shot peening simulation // Int. J. Comput. Mater. Sci. Surf. Eng., 2010. vol. 3, no. 4. pp. 289–310. https://doi.org/10.1504/ijcmsse.2010.036218.
  19. Purohil R., Verma C. S., Rana R. S., et al. Simulation of shot peening process // Materials Today: Proceedings, 2017. vol. 4, no. 2 A. pp. 1244–1251. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.01.144.
  20. Jebahi M., Gakwaya A., Lévesque J., et al. Robust methodology to simulate real shot peening process using discrete-continuum coupling method // Int. J. Mech. Sci., 2016. vol. 107. pp. 21–33. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.01.005.
  21. 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.
  22. 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 // ПМТФ, 2015. Т. 56, № 2. С. 169–177. https://doi.org/10.15372/PMTF20150217.
  23. 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. https://doi.org/10.31857/S057232992103003X.
  24. 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 // ПМТФ, 2020. Т. 61, № 4. С. 96–107. https://doi.org/10.15372/PMTF20200412.
  25. Радченко В. П., Саушкин М. Н., Цветков В. В. Влияние термоэкспозиции на релаксацию остаточных напряжений в упрочненном цилиндрическом образце в условиях ползучести // ПМТФ, 2016. Т. 57, № 3. С. 196–207. https://doi.org/10.15372/PMTF20160320.
  26. Просвиркина Е. А., Саушкин М. Н. Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненном слое сплошного вращающегося цилиндра в условиях ползучести / Труды Третьей Всероссийской научной конференции (29–31 мая 2006 г.). Часть 1: Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций / Матем. моделирование и краев. задачи. Самара: СамГТУ, 2006. С. 192–199.
  27. Радченко В. П., Саушкин М. Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. М.: Машиностроение-1, 2005. 226 с.
  28. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 702 с.
  29. Самарин Ю. П. Уравнения состояния материалов со сложными реологическими свойствами. Куйбышев: Куйб. гос. унив., 1979. 84 с.
  30. Радченко В. П., Еремин Ю. А. Реологическое деформирование и разрушение материалов и элементов конструкций. М.: Машиностроение-1, 2004. 265 с.
  31. Радченко В. П., Бербасова Т. И., Шишкин Д. М. Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненном призматическом образце в условиях ползучести при двухосном нагружении // ПМТФ, 2021. Т. 62, № 5. С. 184–194. https://doi.org/10.15372/PMTF20210518.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Растяжение сплошного цилиндра от действия центробежной силы N при вращении с угловой скоростью ω

Скачать (81KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределения осевой нагрузки δ(z) по длине цилиндрического образца от угловой скорости ω: 1 — ω = 1500 об/мин; 2 — ω = 1750 об/мин; 3 — ω = 2000 об/мин; 4 — ω = 2250 об/мин; 5 — ω = 2500 об/мин

Скачать (275KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Расчетные компоненты тензора остаточных напряжений (сплошные линии) и экспериментальные данные (точки) для упрочненного образца из сплава ЭИ698 (ХН73МБТЮ) по глубине упрочненного слоя h = α–r

Скачать (160KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кинетика компоненты остаточных напряжений δθ(r,t) в условиях ползучести при ω = 2000 об/мин в сечениях z = 0 (a), z = 75 мм ( b) и z = 150 мм ( c). Маркеры: 1 — после процедуры упрочнения при T = 26 в момент времени t = 0 – 0; 2 — после температурно-силовой нагрузки при T = 700 в момент времени t = 0 + 0; 3 — после ползучести при температурно-силовой нагрузке при T = 700 в момент времени t = 300 – 0 ч; 4 — после температурно-силовой разгрузки при T = 26 в момент времени t = 300 + 0 ч

Скачать (492KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Кинетика компоненты остаточных напряжений δθ(r,t) в условиях ползучести при ω = 2000 об/мин в сечениях z = 0 ( a), z = 75 мм ( b) и z = 150 мм ( c). Маркеры: 1 — расчетные значения после процедуры упрочнения при T = 26 в момент времени t = 0 – 0; 2 —после температурной нагрузки (T = 700) в момент времени t = 0 + 0; 3 — после силовой нагрузки при T = 700 в момент времени t = 0 + 0; 4 — после ползучести при температурно-силовой нагрузке при T = 700 в момент времени t = 300 – 0 ч; 5 — после силовой разгрузки при T = 700 в момент времени t = 300 + 0 ч; 6 — после температурной разгрузки (T = 26) в момент времени t = 300 + 0 ч

Скачать (596KB)
Метаданные

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2022

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».