Математическое моделирование и экспериментальное исследование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести
Автор: Радченко В.П., Саушкин М.Н., Бочкова Т.И.
Статья в выпуске: 1, 2016 года.
Бесплатный доступ
Выполнено комплексное расчетно-экспериментальное исследование остаточных напряжений в призматических образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения и температурной выдержки без нагрузки при температуре 650 °С в течение 100 часов. Выяснены закономерности распределения остаточных напряжений по толщине поверхностно-упрочненного слоя. Экспериментально установлено, что обработка ультразвуковым упрочнением образцов вызывает появление в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, максимум которых наблюдается в подповерхностном слое, а спад - к поверхности. При температурной выдержке происходит релаксация наведенных сжимающих остаточных напряжений, уровень остаточных напряжений уменьшается в 1,4-1,6 раз и происходит смещение их максимума вглубь образца, однако толщина сжатого слоя сохраняется на уровне 200 мкм. Разработана математическая модель формирования остаточных напряжений в призматических образцах после поверхностного пластического деформирования и их релаксации в условиях высокотемпературной ползучести материала. Поскольку упрочненный слой достаточно тонкий, то для призматического образца в качестве модельного объекта использовано упрочненное полупространство. Для решения задачи введена декартова система координат: плоскость x 0 y совмещена с упрочненной поверхностью полупространства, а ось 0 z направлена по глубине упрочненного слоя. Введены гипотезы плоских сечений, параллельных плоскостям x 0 y и y 0 z. Теоретически показано, что релаксация остаточных напряжений может быть связана с ползучестью материала при температуре испытаний в условиях неоднородного напряженно-деформированного состояния. Задача ползучести упрочненного полупространства решена численно. Выполнена обстоятельная экспериментальная проверка математической модели при нормальной температуре и в условиях высокотемпературной ползучести при четырех режимах ультразвукового упрочнения, отличающихся длительностью ультразвуковых колебаний в зоне обрабатываемой микрошариками поверхности детали. Наблюдается удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных.
Ультразвуковое упрочнение, плоские образцы, остаточные напряжения, математическая модель, высокотемпературная ползучесть, релаксация остаточных напряжений, экспериментальные данные
Короткий адрес: https://sciup.org/146211605
IDR: 146211605 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.1.07
A 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 high-temperature creep conditions
The authors carried out a complex (computational and experimental) research of residual stresses in prismatic samples made of EP742 alloy after ultrasonic hardening and he temperature of 650 °С for 100 hours unloaded. The laws of residual stresses distribution over the thickness of the surface-hardened layer were discovered. The experiments proved that the ultrasonic hardening of the sample caused compression residual stresses in the surface layer. The maximum stresses were observed in the subsurface layer and they decreased on reaching the surface. When the temperature was exposed, the induced compression residual stresses became relaxed, the level of residual stresses decreased by 1.4-1.6 times and its maximum was displaced deep into the sample, but the thickness of the compressed layer was kept to about 200 micron. We developed the mathematical model of residual stresses forming in prismatic samples after surface plastic deformation and relaxation under high-temperature creep conditions. We used the hardened half-space as a model object for the prismatic sample, because the hardened layer was rather thin. We introduced Cartesian coordinate system, where x 0 y plane coincided with the half-space hardened surface, and 0 z axis was directed into the depth of the hardened layer.
Список литературы Математическое моделирование и экспериментальное исследование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести
- Биргер И.А. Остаточные напряжения. -М.: Машгиз, 1963. -262 с.
- Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Иванов В.Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений; Самар. науч. центр РАН. -Самара, 2008. -64 с.
- Остаточные напряжения и сопротивление усталости высоконагруженных резьбовых деталей/С.И. Иванов, В.Ф. Павлов, Б.В. Минин, В.А. Кирпичев, Е.П. Кочеров, В.В. Головкин; Самар. науч. центр РАН. -Самара, 2015. -170 с.
- Кравченко Б.А., Круцило В.Г., Гутман Г.Н. Термопластическое упрочнение -резерв повышения прочности и надежности деталей машин. -Самара: Изд-во Самар. гос. техн. ун-та, 2000. -216 с.
- Сулима Г.Н., Шувалов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. -М.: Машиностроение, 1988. -240 с.
- Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. -М.: Машиностроение, 1989. -237 с.
- Prediction and characterization of residual stresses from laser shock peening/R.A. Brockman, W.R. Braisted, S.E. Olson, R.D. Tenaglia, A.H. Clauer, K. Langer, M.J. Shepard//International Journal of Fatigue. -2012. -Vol. 36. -No. 1. -Р. 96-108. DOI: DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2011.08.011
- Dai K., Shaw L. Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation//International Journal of Fatigue. -2008. -Vol. 30. -No. 8. -Р. 1398-1408. DOI: DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2007.10.010
- Residual stresses and fatigue performance/M.N. James, D.J. Hughes, Z. Chen, H. Lombard, D.G. Hattingh, D. Asquith, J.R. Yates, P.J. Webster//Engineering Failure Analysis. -2007. -Vol. 14. -No. 2. -Р. 384-395. DOI: DOI: 10.1016/j.engfailanal.2006.02.011
- 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. -No. 1-2. -Р. 235-247. DOI: DOI: 10.1016/j.msea.2009.03.020
- 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 (United Kingdom). -2013. -Vol. 29. -No. 6. -Р. 637-651. DOI: DOI: 10.1179/1743284713Y.0000000222
- 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 and Design. -2012. -Vol. 35. -Р. 741-748. DOI: DOI: 10.1016/j.matdes.2011.09.055
- Применение ультразвука и взрыва при обработке и сборке/М.Ф. Вологин, В.В. Калашников, М.С. Нерубай, Б.Л. Штриков. -М.: Машиностроение, 2002. -264 с.
- Технологическое применение ультразвука в транспортном машиностроении/В.М. Приходько . -М.: Технополиграф центр, 2007. -112 с.
- Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование/В.Ф. Казанцев, Б.А. Кудряшов, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, Д.С. Фатюхин//Вестн. Харьк. нац. авт.-дорож. ун-та. -2009. -№ 46. -C. 7-9.
- Гребенников М.А., Заличихие С.Д., Стебельков И.А. Физика и технология упрочнения деталей в поле ультразвука//Вестн. двигателестроения. -2013. -№ 1. -С. 72-74.
- Александров М.К., Папшева Н.Д., Акушская О.Н. Ультразвуковое упрочнение деталей ГТД//Вестн. Самар. гос. аэрокосм. ун-та. -2011. -№ 3(27). -С. 271-276.
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Математические модели восстановления и релаксации остаточных напряжений в поверхностно упрочненном слое цилиндрических элементов конструкций при ползучести//Изв. вузов. Машиностроение. -2004. -№ 11. -С. 3-17.
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. -М.: Машиностроение-1, 2005. -226 с.
- Радченко В.П., Саушкин М.Н., Павлов В.Ф. Метод расчета остаточных напряжений и пластических деформаций в цилиндрических образцах с учетом анизотропии процесса поверхностного упрочнения//ПМТФ. -2011. -Т. 52, № 2. -С. 173-182.
- 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//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2015. -№ 1. -С. 130-147. DOI: DOI: 10.15593/perm.mech/2015.1.09
- On the effect of deeprolling and laser-peening on the stress-controlled low-and high-cycle fatigue behavior of Ti-6-Al-4V at elvated temperatures up to 550°C/I. Altenberber, R.K. Nalla, Y. Sano, L. Wagner, R.O. Ritchie//International Journal of Fatigue. -2002. -Vol. 44. -Р. 292-302. DOI: DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2012.03.008
- Колотникова О.В. Эффективность упрочнения методами поверхностного пластического деформирования деталей, работающих при повышенных температурах//Проблемы прочности. -1983. -№ 2. -С. 112-114.
- Цейтлин В.И., Колотникова О.В. Релаксация остаточных напряжений в деталях турбин ГТД в процессе эксплуатации//Проблемы прочности. -1980. -№ 3. -С. 6-11.
- Радченко В.П., Кирпичёв В.А., Лунин В.А. Влияние термоэкспозиции на остаточные напряжения образцов из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения//Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Техн. науки. -2012. -№ 3(35). -С. 147-154.
- Buchanan D.J., John R. Relaxation of shot-peened residual stresses under creep loading//Scripta Materialia. -2008. -No. 3. -Р. 286-289. DOI: DOI: 10.1016/j.scriptamat.2008.03.021
- Khadraoui M., Cao W., Castex L. Experimental investigations and modeling of relaxation behavior of shot peening residual stresses at high temperature for nickel base superalloys//Materials Science and Technology. -1997. -Vol. 13. -No. 4. -Р. 360-367. DOI: DOI: 10.1179/026708397790302359
- Xie L., Jiang C., Ji V. Thermal relaxation of residual stresses in shot peened surface layer of (TiB + TiC)/Ti-6Al-4V composite at elevated temperatures//Materials Science and Engineering: A. -2011. -Vol. 528. -No. 21. -Р. 6478-6489. DOI: DOI: 10.1016/j.msea.2011.04.075
- 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.
- Экспериментальное и теоретическое исследование влияния растягивающей нагрузки на релаксацию остаточных напряжений в упрочненном цилиндрическом образце в условиях ползучести/В.П. Радченко, Е.П. Кочеров, М.Н. Саушкин, В.А. Смыслов//ПМТФ -2015. -Т. 56, № 2. -С. 169-177. DOI: DOI: 10.15372/PMTF20150217
- Радченко В.П., Цветков В.В. Кинетика напряженно-деформированного состояния в поверхностно упрочненном цилиндрическом образце при сложном напряженном состоянии в условиях ползучести//Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. -2014. -№ 1(34). -С. 93-108. DOI: DOI: 10.14498/vsgtu1313
- Иванов С.И. Определение остаточных напряжений в пластинках методом полосок//Вопросы прочности элементов авиационных конструкций; Куйб. авиац. ин-т. -Куйбышев, 1971. -С. 139-152.
- Радченко В.П., Еремин Ю.А. Реологическое деформирование и разрушение материалов и элементов конструкций. -М.: Машиностроение-1, 2004. -264 с.
- Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. -М.: Наука, 1966. -752 с.
