Метод реконструкции остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего виброударного поверхностного упрочнения дробью
Автор: Радченко В.П., Павлов В.Ф., Бербасова Т.И., Саушкин М.Н.
Статья в выпуске: 2, 2020 года.
Бесплатный доступ
Предложен феноменологический метод реконструкции полей остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных цилиндрических трубках из стали Х18Н10Т в состоянии поставки и после одновременного двухстороннего поверхностного пластического упрочнения вибродробеструйной обработкой поверхности шариками на специальном вибростенде. К нему крепился цилиндрический контейнер, заполненный дробью диаметром 3 мм. Трубки заполнялись на 50 % объема шариками диаметром 1 мм и помещались внутрь контейнера. Оси трубки и контейнера совпадали. Пространство между трубкой и контейнером на 80 % было заполнено шариками. Частота колебаний стенда - 18,5 кГц, время упрочнения - 20 мин. Для обеспечения равномерного упрочнения трубка в контейнере вращалась. Методом колец и полосок с использованием процедуры послойного электрохимического травления упрочненных слоев определены экспериментальные значения остаточных напряжений σθ и σ z в приповерхностных слоях. Для этой цели использовались экспериментально измеряемые величины прогиба балки-полоски и угловое раскрытие разрезанного кольца (изменение диаметра). В математическую модель введен параметр анизотропии упрочнения, связывающий осевую и окружную компоненты пластической деформации. При решении поставленных задач используются гипотезы пластической несжимаемости материала, отсутствия вторичных пластических деформаций материала в области сжатия приповерхностного слоя, плоских сечений. Изложена методика решения данного типа краевых задач реконструкции напряженно-деформированного состояния, позволяющая определить недостающую компоненту σ r и все компоненты тензора остаточных пластических деформаций (недиагональные компоненты тензоров напряжений и деформаций не рассматривались). Методика реконструкции напряженно-деформированного состояния является универсальной, поскольку она показала свою работоспособность как при определении технологических полей остаточных напряжений и необратимых деформаций в образцах в состоянии поставки после механических операций, так и после двухстороннего поверхностного пластического деформирования. Выполнена проверка адекватности расчетных данных, полученных с использованием феноменологического метода реконструкции полей напряжений и деформаций, экспериментальных данных для образцов в состоянии поставки и после процедуры упрочнения. Наблюдается соответствие расчетных и экспериментальных данных. Приведены численные значения для параметра анизотропии, связывающего окружные и осевые необратимые деформации: для образцов в состоянии поставки его численное значение равно 0,1, а для упрочненных образцов - 4,2. Это свидетельствует о существенной анизотропии распределения осевых и окружных компонент тензора остаточных деформаций. Установлено, что в состоянии поставки в области, прилегающей к внутренней поверхности, наблюдаются сжимающие остаточные напряжения, а в слое на внешней поверхности - растягивающие напряжения. После упрочнения в обеих областях наблюдаются только сжимающие напряжения, по модулю существенно превосходящие аналогичные напряжения для образцов в состоянии поставки. Основные результаты работы иллюстрируются табличными данными и соответствующими эпюрами распределения остаточных напряжений по глубине упрочненного слоя.
Тонкостенные трубки, состояние поставки, двухстороннее упрочнение дробью, остаточные напряжения и деформации, экспериментальные исследования, феноменологическая модель
Короткий адрес: https://sciup.org/146281986
IDR: 146281986 | УДК: 539.3:621.787 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.2.10
The method of reconstruction of residual stresses and plastic deformations in thin-walled pipelines in the delivery state and after bilateral vibro-shock surface hardening with a shot
We suggest the phenomenological method of reconstructing the fields of residual stresses and plastic deformations in thin-walled cylindrical tubes made of Х18N10Т steel in the delivery state and after a simultaneous bilateral surface plastic hardening by the vibration-shot blasting of the surface with beads on a special vibrating stand. A cylindrical container filled with three-millimeter beads was attached to it. The tubes were 50 % filled with one-millimeter beads, and they were placed inside the container. The axis of the tube and the container coincided. The space between the tube and the container was 80 % filled with beads. The vibrational frequency of the stand was 18.5 KHz, the hardening time was 20 minutes. The tube in the container was rotated to ensure uniform hardening. We determined the experimental values of residual stresses σθ and σ z in the surface layers using the method of rings and strips with the procedure of the layer-by-layer electrochemical picking of the hardened layers. For this purpose, the experimentally measured values of the beam-strip deflection and the angular opening of the cut ring (changing the diameter) were used. The hardening anisotropy parameter which relates the axial and circumferential components of plastic deformation was introduced into the mathematical model. In solving the stated problems the hypotheses of plastic incompressibility of the material, the absence of secondary plastic deformations of the material in the compression region of the surface layer, as well as the hypothesis of flat sections and straight radii were used. We described the method aimed at solving this type of boundary value problems of reconstructing stress-strain states, which makes it possible to determine the missing component σ r and all the components of the tensor of residual plastic deformations (off-diagonal components of the tensors of stresses and deformations were not considered). The method of reconstructing the stress-strain state is universal, because it has shown its operability both in determining the technological fields of residual stresses, as well as the irreversible strains in the samples in the delivered state after mechanical operations, and after bilateral surface plastic deformation. The adequacy of the calculated data was verified, which was obtained using the phenomenological method of reconstructing the stress and strain fields of the experimental data for the samples in the delivery state and after hardening. The correspondence of the calculated and experimental data was matched. The numerical values are given for the anisotropy parameter connecting the circumferential and axial irreversible strains, for samples, in the delivery state, its numerical value is 0.1, and, for the hardened samples, it is 4.2. This indicates a significant anisotropy of the distribution of the axial and circumferential components of the residual strain tensor. It has been established that the compressive residual stresses are observed in the delivery state in the region adjacent to the inner surface, and the tensile stresses are observed in the layer on the outer surface. Only compressive stresses are observed in both regions after hardening, which significantly exceed in module similar stresses for the samples in the delivery state. The main results are illustrated by the tabular data and the corresponding diagrams of the distribution of residual stresses along the depth of the hardened layer.
Список литературы Метод реконструкции остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего виброударного поверхностного упрочнения дробью
- Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. Книга 1 / под ред. П.Н. Учаева. – М.: Машиностроение, 1988. – 623 с.
- Старцев Н.И. Трубопроводы газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 1976. – 271 с.
- Сапожников В.М. Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах. – М.: Машиностроение, 1972. – 271 с.
- Dounde A.A., Seemikeri C.Y., Tanpure P.R. Study of shot peening process and their effect on surface properties: A Review // International Journal of Engineering, Business and Enterprise Ap-plications (IJEBEA). – 2015. – Vol. 2, no. 12. – P. 104–107.
- Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. – М.: Машиностроение, 1993. – 304 с.
- Simulation of shot dynamics for ultrasonic shot peening: Effects of process parameters / J. Badreddine, E. Rouhaud, M. Micoulaut, S. Remy // International Journal of Mechanical Sciences. – 2014. – Vol. 82. – P. 179–190. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2014.03.006
- Liu Yu, Wang L., Wang D. Finite element modeling of ul-trasonic surface rolling process // Journal of Materials Processing Technology. – 2011. – Vol. 211, no. 12. – P. 2106–2113. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2011.07.009
- Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. – М.: Машиностроение, 1989. – 237 с.
- Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование / В.Ф. Казанцев, Б.А. Кудряшов, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, Д.С. Фатюхин // Вестн. Харьк. нац. автодо-рож. ун-та. – 2009. – № 46. – С. 7–9.
- Гребенников М.А., Заличихие С.Д., Стебельков И.А. Физика и технология упрочнения деталей в поле ультразвука // Вестник двигателестроения. – 2013. – № 1. – С. 72–74.
- Александров М.К., Папшева Н.Д., Акушская О.Н. Ультразвуковое упрочнение деталей ГТД // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та. – 2011. – № 3(27). – С. 271–276.
- 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 высо-котемпературной ползучести // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2016. – № 1. – С. 93–112. DOI: 10.15593/perm.mech/2016.1.07
- Analytical modeling for residual stresses produced by shot peening / A.S. Franchim, V.S. de Campos, D.N. Travessa, C. de Moura Neto // Materials and Design. – 2009. – Vol. 30, no. 5. – P. 1556–1560. DOI: 10.1016/j.matdes.2008.07.040
- 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, no. 7. – P. 309–321. DOI: 10.1016/j.msea.2016.01.070
- Davis J., Ramulu M. A study of the residual stress in-duced by shot peening for an isotropic material based on Prager’s yield criterion for combined stresses // Meccanica. – 2015. – Vol. 50, no. 6. – P. 1593–1604. DOI: 10.1007/s11012-015-0109-0
- Серебряков В.И. Формирование остаточных напря-жений при единичном ударе // Проблемы повышения качест-ва, надежности и долговечности деталей машин и инструмен-тов. – Брянск: Брян. ин-т транспортного машиностроения, 1992. – C. 68–72.
- Плихунов В.В. Численное моделирование осесим-метричной задачи одиночного удара дробинки с учетом физи-ко-механических свойств поведения металлов // Авиационная промышленность. – 2008. – №4. – C. 24–28.
- Simulation of shot peening: From process parameters to residual stress fields in a structure / D. Gallitelli, V. Boyer, M. Gelineau, Y. Colaitis, E. Rouhaud, D. Retraint, R. Kubler, M. Desvignes, L. Barrallier // Comptes Rendus Mechanique. – 2016. – Vol. 344, no. 4–5. – P. 355–374. DOI: 10.1016/j.crme.2016.02.006
- Zimmermann M., Klemenz M., Schulze V. Literature re-view on shot peening simulation // International Journal of Com-putational Materials Science and Surface Engineering. – 2010. – Vol. 3, no. 4. – P. 289–310. DOI: 10.1504/ijcmsse.2010.036218
- Simulation of shot peening process / R. Purohit, C.S. Verma, R.S. Rana [et al.] // Material Today: Proceedings. – 2017. – Vol. 4, no. 2. Part A. – P. 1244–1251. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.01.144
- Numerical analysis and experimental validation on re-sidual stress distribution of titanium matrix composite after shot peening treatment / L. Xie, Ch. Wang, L. Wang [et al.] // Mech. Mat. – 2016. – Vol. 99. – P. 2–8. DOI: 10.1016/j.mechmat.2016.05.005
- Robust methodology to simulate real shot peening pro-cess using discrete-continuum coupling method / M. Jebahi, A. Gakwaya, J. Lévesque [et al.] // Int. J. Mech. Sci. – 2016. – Vol. 107. – P. 21–33. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.01.005
- Бойцов В.Б., Скрипкин Д.Э., Чернявский А.О. Расчетный анализ образования остаточных напряжений при виб-роупрочнении // Динамика, прочность и износостойкость машин. – Челябинск: ИПМ АНСССР, 1985. – № 5. – C. 69–72.
- Копылов Ю.Р. Математическое моделирование процесса виброударного упрочнения деталей сложной формы // Упроч-няющие технологии и покрытия. – 2005. – № 11. – C. 3–8.
- Лебедев В.А., Чумак И.В. Кинетическая модель уп-рочнения поверхностного слоя деталей виброударными мето-дами ППД // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2008. – № 7. – C. 3–8.
- Макаров В.Ф. Оценка напряженно-деформирован-ного состояния поверхностного слоя детали при ультразвуковой упрочняющей финишной обработке деталей ГТД // Уп-рочняющие технологии и покрытия. – 2008. – № 5. – C. 49–52.
- Матлин М.М., Мосейко В.О., Мосейко В.В. Механи-ка силового контактного взаимодействия дроби с поверхно-стью упрочняемой детали // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2006. – № 10. – C. 45–52.
- Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М.: Машгиз, 1963. – 232 с.
- Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Вакулюк В.С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочнен-ных деталей по остаточным напряжениям / Самар. науч. центр РАН. – Самара, 2012. – 125 с.
- Определение первоначальных деформаций в упрочненном слое цилиндрической детали методом конечно-элементного моделирования с использованием расчетного комплекса PATRAN/NASTRAN / В.П. Сазанов, В.А. Кирпи-чев, В.С. Вакулюк, В.Ф. Павлов // Вестник Уфимского госу-дарственного авиационного технического университета. – 2015. – Т. 19, № 2. – С. 35–40.
- Математическое моделирование первоначальных деформаций в поверхностно упрочненных деталях при выборе образца-свидетеля / В.П. Сазанов, О.Ю. Семенова, В.А. Кир-пичев, В.С. Вакулюк // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2016. – Т. 20, № 3. – С. 31–37.
- К вопросу о реконструкции остаточных напряжений и деформаций пластины после дробеструйной обработки / И.В. Виндокуров, А.В. Владыкин, И.Э. Келлер, Д.С. Петухов, В.В. Плюснин, В.Н. Трофимов // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Серия: Физ.-мат. науки. – 2018. – Т. 22, № 3. – С. 40–64. DOI: 10.14498/vsgtu1602
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. – М.: Машиностроение-1, 2005. – 226 с.
- Радченко В.П., Павлов В.Ф., Саушкин М.Н. Иссле-дование влияния анизотропии поверхностного пластического упрочнения на распределение остаточных напряжений в по-лых и сплошных цилиндрических образцах // Вестник Перм-ского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – № 1. – С. 130–147. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.1.09
- 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. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.12
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Феноменологический метод расчета остаточных напряжений и пластических деформаций в полом поверхностно упрочненном цилиндрическом образце // Прикладная математика и механика. – 2013. – Т. 77. – № 1. – С. 143–152.
- Радченко В.П., Афанасьева О.С., Глебов В.Е. Исследование влияния остаточных напряжений на геометрические параметры поверхностно упрочненного бруса // Изв. Сарат. ун-та. нов. серия: Математика. Механика. Информатика. – 2019. – Т. 19, вып. 4. – С. 464–478. DOI: 10.18500/1816-9791-2019-19-4-464-478
- Иванов С.И. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндра // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций: сб. науч. тр. – Куйбышев: Изд-во КуАИ, 1971. – Вып. 48. – С. 153–168.
- Иванов С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок // Остаточные напряжения: сб. науч. тр. – Куйбышев: Изд-во КуАИ, 1971. – Вып. 53. – С. 32–42.
