The influence of surface plastic hardening on the geometric parameters of circular stress concentrators in plates

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A methodology for studying the influence of strengthening treatment on the shape of stress concentrators in the form of through circular holes in plates after surface-plastic deformation has been developed.
Two model problems have been considered:
– determination of the geometric configuration of a circular stress concentrator cut in a rectangular plate subjected to prior surface-plastic deformation;
– determination of the geometric configuration of a circular stress concentrator in a circular cylindrical plate whose surface has undergone surface-plastic deformation.
Phenomenological methods for restoring residual stress fields and plastic deformations in plates after the strengthening procedure are presented. Boundary problems of reconstructing the stress-strain state are reduced to well-posed fictitious thermoelasticity problems. The adequacy of the proposed approaches has been illustrated through computational modeling for a rectangular plate made of EP742 alloy and a circular cylindrical plate made of EI698 alloy.
Profiles of the generatrix of the stress concentrators in plates have been obtained. In the case of prior surface-plastic deformation of the upper surface of a square hinged-supported plate with a thickness of 10 mm, the maximum displacement of the generatrix relative to the initial configuration was approximately 4 μm. It has been shown that with a decrease in plate thickness, the maximum displacement of the formation decreases. In the case of surface strengthening of the circular stress concentrator in the cylindrical plate, the maximum displacement of the stress concentrator formation was approximately 1.4 μm for plates supported by hinges and with rigid fixation of the side surface. It has been demonstrated that with a decrease in the radius of the hole, the displacement of the formation increases.

About the authors

Victor E. Glebov

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: gve5770200@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4841-9786
SPIN-code: 8660-9105
Scopus Author ID: 57216920036
ResearcherId: AAJ-2941-2021

Postgraduate Student, Assistant, Dept. of Applied Mathematics & Computer Science

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

References

  1. Pavlov V. F., Bukaty A. S., Semyonova O. Yu. Forecasting of the endurance limit of surfacehardened parts with stress concentrators, Vestnik Mashinostroeniya, 2019, no. 1, pp. 43–53 (In Russian). EDN: VTAEPK.
  2. Altenberger I., Nalla R. K., Sano Y., et al. On the effect of deep-rolling and laser-peening on the stress-controlled low- and high-cycle fatigue behavior of Ti–6Al–4V at elevated temperatures up to 550 °C, Int. J. Fatigue, 2012, vol. 44, pp. 292–302. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2012.03.008.
  3. Brockman R. A., Braisted W. A., Olson S. E., et al. Prediction and characterization of residual stresses from laser shock peening, Int. J. Fatigue, 2012, vol. 36, no. 1, pp. 96–108. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2011.08.011.
  4. Dai K., Shaw L. Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation, Int. J. Fatigue, 2008, vol. 30, no. 8, pp. 1398–1408. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2007.10.010.
  5. James M. N., Hughes D. J., Chen Z., et all. Residual stresses and fatigue performance, Eng. Fail. Anal., 2007, vol. 14, no. 2, pp. 384–395. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2006.02.011.
  6. 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, 2009, vol. 516, no. 1/2, pp. 235–247. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.03.020.
  7. Soady K. A. Life assessment methodologies incorporating shot peening process effects: mechanistic consideration of residual stresses and strain hardening. 1. Effect of shot peening on fatigue resistance, Mater. Sci. Technol., 2013, vol. 29, no. 6, pp. 637-651. DOI: https://doi.org/10.1179/1743284713Y.0000000222.
  8. Radchenko V. P., Saushkin M. N., Bochkova T. I. Mathematical modeling and experimental study of forming and relaxation of the residual stresses in plane samples made of EP742 alloy after the ultrasonic hardening under the hightemperature creep conditions, PNRPU Mechanics Bulletin, 2016, no. 1, pp. 93–112 (In Russian). EDN: VQTAHL. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.1.07.
  9. Radchenko V. P., Saushkin M. N. Polzuchest’ i relaksatsiia ostatochnykh napriazhenii v uprochnennykh konstruktsiiakh [Creep and Relaxation of Residual Stresses in Hardened Structures]. Moscow, Mashinostroenie-1, 2005, 226 pp (In Russian). EDN: RXLJLN.
  10. Birger I. A. Ostatochnye napryazheniya [Residual stresses]. Moscow, Mashgiz, 1963, 232 pp. (In Russian)
  11. Pavlov V. F., Stolyarov A. K., Kirpichev V. A., Vakulyuk V. S. Raschet ostatochnykh napriazhenii v detaliakh s kontsentratorami napriazhenii po pervonachal’nym deformatsiiam [Calculation of Residual Stresses in Parts with Stress Concentrators by Initial Deformations]. Samara, Samara Scientific Center, Russian Academy of Sciences, 2008, 124 pp. (In Russian)
  12. Pavlov V. F., Kirpichev V. A., Vakuluk V. S. Ostatochnye napryazheniya i soprotivlenie ustalosti uprochnennykh detaley s kontsentratorami napryazheniy [Residual Stresses and Fatigue Resistance of Hardened Parts with Stress Concentrators]. Samara, Samara Scientific Center, Russian Academy of Sciences, 2012, 125 pp. (In Russian)
  13. Ivanov S. I. On determination of residual stresses in a cylinder by the method of rings and strips, Ostatochnye napriazheniia [Residual Stresses], 53. Kuibyshev, Kuibyshev Aviation Institute, 1971, pp. 32–42 (In Russian).
  14. Ivanov S. I. The study of residual tangential stresses in a cylindrical part by the ring method, Ostatochnye napriazheniia [Residual Stresses], 53. Kuibyshev, Kuibyshev Aviation Institute, 1971, pp. 107–115 (In Russian).
  15. Gallitelli D., Boyer V., Gelineau M., et al. Simulation of shot peening: From process parameters to residual stress fields in a structure, Comptes Rendus Mécanique, 2016, vol. 344, no. 4–5, pp. 355–374. DOI: https://doi.org/10.1016/j.crme.2016.02.006.
  16. Lechun X., Chengxi W., Liqiang W., et al. Numerical analysis and experimental validation on residual stress distribution of titanium matrix composite after shot peening treatment, Mech. Mat., 2016, vol. 99, pp. 2–8. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2016.05.005.
  17. Analysis of Residual Stress by Diffraction using Neutron and Synchrotron Radiation, eds. M. E. Fitzpatrick, Alain Lodini. London, CRC Press, 2003, 368 pp. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.1201/9780203608999.
  18. Sazanov V. P., Kirpichev V. A., Vakuluk V. S., Pavlov V. F The definition of initial deformations in the cylindrical parts surface layer by Finite Elements Modeling method using PATRAN/NASTRAN program complex, Vestn. Ufimsk. Gos. Aviats. Techn. Univ., 2015, vol. 19, no. 2, pp. 35–40 (In Russian). EDN: VYWUPR.
  19. Radchenko V. P., Afanaseva O. S., Glebov V. E. Influence of residual stresses on geometric parameters of surface-strengthened beam, Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Math. Mech. Inform., 2019, vol. 29, no. 4, pp. 464–478 (In Russian). EDN: YOWKNF. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2019-19-4-464-478.
  20. Radchenko V. P., Afanaseva O. S., Glebov V. E. The effect of surface plastic hardening technology, residual stresses and boundary conditions on the buckling of a beam, PNRPU Mechanics Bulletin, 2020, no. 1, pp. 87–98 (In Russian). EDN: IJMTQN. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.1.07.
  21. Keller I. E., Trofimov V. N., Vladykin A. V., et al. On the reconstruction of residual stresses and strains of a plate after shot peening, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2018, vol. 22, no. 1, pp. 40–64 (In Russian). EDN: UTXSLH. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1602.
  22. Radchenko V. P., Kurov A. Yu. Effect of anisotropy of surface plastic hardening on formation of residual stresses in cylindrical samples with semicircular notch, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2016, vol. 20, no. 4, pp. 675–690 (In Russian). EDN: YHPUXF. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1513.
  23. Radchenko V. P., Pavlov V. F., Saushkin M. N. Mathematical modeling of the stress-strain state in surface hardened thin-walled tubes with regard to the residual shear stresses, PNRPU Mechanics Bulletin, 2019, no. 1, pp. 138–150 (In Russian). EDN: XKSCQS. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2019.1.12.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Schematic representation of a rectangular plate with a through circular hole (stress concentrator)

Download (46KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. Components of residual stresses in a rectangular plate: markers — experimental data [8]; 1 — calculation by approximation (2); 2 — solution of a fictitious thermoelastic problem

Download (196KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. Calculated profiles of a circular stress concentrators for various values of plate thickness \(H\): 1 — 4 mm; 2 — 6 mm; 3 — 8 mm; 4 — 10 mm

Download (74KB)
Indexing metadata
5. Figure 4. Diagrams of the value \(\sigma_x=\sigma_x(z)\) for various values of distances \(\Delta\) from the boundary of the stress concentrator: 1 — 0.1 mm; 2 — 0.5 mm; 3 — 5 mm; 4 — 20 mm; 5 — 30 mm; 6 — for a plate without the stress concentrator

Download (90KB)
Indexing metadata
6. Figure 5. Schematic representation of a circular cylindrical plate with a through circular hole (stress concentrator)

Download (48KB)
Indexing metadata
7. Figure 6. Components of residual stresses in the section \(z=H/2\) of a round cylindrical plate after hardening the surface of a circular stress concentrator: markers—experimental data [9]; 1 — calculation by formulae (5)–(9); 2 — solution of a fictitious thermoelastic problem

Download (192KB)
Indexing metadata
8. Figure 7. Profile of the generatrix of the stress concentrator after hardening: \(R=10\) mm (1), \(R=7.5\) mm (2), \(R=5\) mm (3); a — when hinged support of the lower surface of the plate, b — when rigidly fixed to the side surface of the plate

Download (126KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

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».