The influence of the dimensions of the surface hardening region on the stress-strain state of a beam with a notch of a semicircular profile
- Authors: Radchenko V.P.1, Shishkin D.M.1
-
Affiliations:
- Samara State Technical University
- Issue: Vol 24, No 4 (2020)
- Pages: 663-676
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/1991-8615/article/view/60879
- DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1828
- ID: 60879
Cite item
Full Text
Abstract
The influence of a size of the surface-plastic hardening region on the stress-strain state of a beam with a notch of a semicircular profile is investigated. The problem is reduced to a boundary value problem of fictitious thermoelasticity with the initial (plastic) deformations modeled by temperature anisrotropic deformations in an inhomogeneous temperature field. The solution is based on the finite element method. For model calculations, experimental data on the distribution of residual stresses in a smooth beam made of EP742 alloy after ultrasonic mechanical hardening were used as initial information. A variative numerical analysis of the effect of the notch radius and the size of the hardening zone of the beam face on the distribution of the components of the residual stress tensor in the smallest section from the bottom of the concentrator is carried out. It is shown that when the hardening zone is more than 16–20 % of the entire face area, the stress-strain state in the smallest section is practically stabilized. It was established that if the radius of the semicircular notch is less than the thickness of the hardened layer (the material compression area), an increase (in modulus) of the normal longitudinal component of the residual stress tensor occurs, and if the radius of the notch is greater than the thickness of the hardened layer, then a decrease (in modulus) of this value is observed in comparison with a similar component for a smooth reinforced beam for all values of the hardening zone more than 16–20 % of the entire face area of the beam. An experimental verification of the developed numerical method based on the finite element method for a beam with a fully hardened face is performed.
Full Text
##article.viewOnOriginalSite##About the authors
Vladimir Pavlovich Radchenko
Samara State Technical University
Email: radchenko.vp@samgtu.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor
Dmitry Mikhailovich Shishkin
Samara State Technical University
Email: shishkin.dim@yandex.ru
References
- Биргер И. А., Остаточные напряжения, Машгиз, М., 1963, 232 с.
- Гринченко И. Г., Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов, Машиностроение, М., 1971, 120 с.
- Сулима А. М., Шувалов В. А., Ягодкин Ю. Д., Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин, Машиностроение, М., 1988, 240 с.
- Кудрявцев И. В., Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием, Машиностроение, М., 1969, 100 с.
- 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, 8-16
- Brockman R. A., Braisted W. R., Olson S. E., et. al., "Prediction and characterization of residual stresses from laser shock peening", Intern. J. Fatigue, 36:1 (2012), 96-108
- Dai K., Shaw L., "Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation", Intern. J. Fatigue, 30:8 (2008), 1398-1408
- James M. N., Hughes D. J., Chen Z., et. al., "Residual stresses and fatigue performance", Eng. Fail. Analysis, 14:2 (2007), 384-395
- 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, 516:1-2 (2009), 235-247
- 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", Mater. Sci. Technol., 29:6 (2013), 673-651
- 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, 35 (2012), 741-748
- Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С., Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочнeнных деталей по остаточным напряжениям, Самар. науч. центр РАН, Самара, 2012, 125 с.
- Саушкин М. Н., Куров А. Ю., "Анализ напряженного состояния в надрезах полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического деформирования сплошных цилиндрических образцов", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2012, № 1(26), 133-140
- Радченко В. П., Куров А. Ю., "Влияние анизотропии поверхностного пластического упрочнения на формирование остаточных напряжений в цилиндрических деталях с надрезами полукруглого профиля", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 20:4 (2016), 675-690
- Сазанов В. П., "Исследование закономерностей остановки усталостной трещины в цилиндрическом образце с надрезом", Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 17:1 (2018), 160-169
- Doremus L., Cormier J., Villechaise P., et. al., "Influence of residual stresses on the fatigue crack growth from surface anomalies in a nickel-based superalloy", Mater. Sci. Eng. A, 644 (2015), 234-246
- Fleury R. M. N.., Nowell D., "Evaluating the influence of residual stresses and surface damage on fatigue life of nickel superalloys", Intern. J. Fatigue, 105 (2017), 27-33
- Павлов В. Ф., Букатый А. С., Семенова О. Ю., "Прогнозирование предела выносливости поверхностно-упрочненных деталей с концентраторами напряжений", Вестник машиностроения, 2019, № 1, 3-7
- Иванов С. И., Шатунов М. П., Павлов В. Ф., "Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом", Вопросы прочности элементов авиационных конструкций, т. 3, КуАИ, Куйбышев, 1974, 88-95
- Павлов В. Ф., Столяров А. К., Вакулюк В. С., Кирпичев В. А., Расчет остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений по первоначальным деформациям, Самар. науч. центр РАН, Самара, 2008, 124 с.
- Вакулюк В. С., Павлов В. Ф., Сазанов В. П., Семенов О. Ю., "Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости деталей в условиях концентрации напряжений", Материалы X Всероссийской конференции по механике деформируемого твердого тела (18-22 сентября 2017 г., Самара, Россия), т. 1, СамГТУ, Самара, 2017, 103-106
- Павлов В. Ф., Письмаров А. В., Сазанов В. П., Сургутанов Н. А., "Исследование зависимости коэффициента интенсивности напряжений от глубины трещины в деталях с надрезом", Материалы X Всероссийской конференции по механике деформируемого твердого тела (18-22 сентября 2017 г., Самара, Россия), т. 2, СамГТУ, Самара, 2017, 132-135
- Радченко В. П., Саушкин М. Н., Бочкова Т. И., "Математическое моделирование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести", Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2016, № 1, 93-112
- 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. Математика. Механика. Информатика, 20:4 (2020), 478-492
- Вакулюк В. С., "Исследование влияния толщины упрочненного слоя на остаточные напряжения во впадине концентратора методом первоначальных деформаций", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2010, № 1(20), 222-225
- Сазанов В. П., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С., Павлов В. Ф., "Определение первоначальных деформаций в упрочненном слое цилиндрической детали методом конечно-элементного моделирования с использованием расчeтного комплекса PATRAN/NASTRAN", Вестн. Уфим. гос. авиац. техн. ун-та, 19:2 (2015), 35-40
- Радченко В. П., Афанасьева О. С., Глебов В. Е., "Влияние технологии поверхностного пластического упрочнения, остаточных напряжений и граничных условий на выпучивание балки", Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2020, № 1, 87-98
Supplementary files

