Релаксация остаточных напряжений в поверхностно-упрочненном призматическом образце с концентратором напряжений полукруглого профиля в условиях высокотемпературной ползучести

Релаксация остаточных напряжений в поверхностно-упрочненном призматическом образце с концентратором напряжений полукруглого профиля в условиях высокотемпературной ползучести

Автор: Радченко В.П., Саушкин М.Н., Шишкин Д.М.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2024 года.

Бесплатный доступ

Разработан численный метод анализа кинетики процесса релаксации остаточных напряжений в призматическом образце с надрезами полукруглого профиля после опережающего виброударного ультразвукового поверхностнопластического упрочнения дробью в условиях высокотемпературной ползучести, базирующийся на методе конечных элементов. Метод включает этап реконструкции (восстановления) остаточных напряжений в гладком упрочненном образце по известной экспериментальной информации, решения задач о перераспределении напряжений после нанесения надреза и расчета кинетики остаточных напряжений в условиях ползучести. В качестве иллюстрации метода решены задачи для призматического образца 100×10×10 мм с радиусами надрезов 0,1÷0,5 мм из сплава ЭП742 при температуре 650°С в условиях температурной выдержки длительностью 300 ч. Выполнена проверка соответствия данных расчета по разработанному методу экспериментальным данным и данным расчета методом сеток в частном случае для гладкого образца. Проанализирована кинетика распределения остаточных напряжений вследствие ползучести по глубине от дна концентратора вглубь образца в различные моменты времени на интервале 300 ч. На основании данных расчетов показано, что наибольшая скорость релаксации наблюдается в концентраторах напряжений при ρ = 0,1 и 0,2 мм, но во всех случаях после ползучести в течение 300 ч сохраняются сжимающие остаточные напряжения как в области, прилегающей к надрезу, так и вдали от концентратора. Показано, что надрезы практически не оказывают влияния на изменение геометрии образцов, по сравнению с упрочненными гладкими образцами, при этом наблюдается уменьшение величины прогиба упрочненных образцов в процессе ползучести.

Еще

Призматический образец, опережающее поверхностное пластическое деформирование, надрез полукруглого профиля, остаточные напряжения, ползучесть, релаксация, температурная выдержка

Короткий адрес: https://sciup.org/146283046

IDR: 146283046   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.4.05

Список литературы Релаксация остаточных напряжений в поверхностно-упрочненном призматическом образце с концентратором напряжений полукруглого профиля в условиях высокотемпературной ползучести

  • Fatigue strength of non‐load‐carrying fillet welded joints: Effects of weld residual stresses and stress concentration/ I. Takahashi, T. Yoshii, H. Iidaka [et al.] // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. – 1993. – Vol. 16, no. 1. – P. 37–51. DOI: 10.1111/j.1460-2695.1993.tb00069.x
  • Xu, K. Effect of residual stress on fatigue behaviour of notches / K. Xu, J. He, H. Zhou // International Journal of Fatigue. – 1994. – Vol. 16, no. 5. – P. 337–343. DOI: 10.1016/0142-1123(94)90272-0
  • Influence of residual stresses and mean load on the fatigue strength of case-hardened notched specimens / T. Krug, K.H. Lang, T. Fett, D. Löhe // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 468. – P. 158–163. DOI: 10.1016/j.msea.2006.07.167
  • Buchanan, D.J. Relaxation of shot-peened residual stresses under creep loading / D.J. Buchanan, R. John // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 59, no. 3. – P. 286–289. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2008.03.021
  • Analytical modelling for residual stresses produced by shot peening / A.S. Franchim, V.S. de Campos, D.N. Travessa, C. de Moura Neto // Materials & Design. – 2009. – Vol. 30, no. 5. – P. 1556–1560. DOI: 10.1016/j.matdes.2008.07.040
  • Buchanan, D.J. Retained residual stress profiles in a laser shock‐peened and shot‐peened nickel base superalloy subject to thermal exposure / D.J. Buchanan, M.J. Shepard, R. John // International Journal of Structural Integrity. – 2011. – Vol. 2, no. 1. – P. 34–41. DOI: 10.1108/17579861111108590
  • Analysis of shot-peening and residual stress relaxation in the nickel-based superalloy RR1000 / B. Foss, S. Gray, M. Hardy [et al.] // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, no. 7. – P. 2548–2559. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.01.031
  • Buchanan, D.J. Residual stress redistribution in shot peened samples subject to mechanical loading / D.J. Buchanan, R. John // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 615. – P. 70–78. DOI: 10.1016/j.msea.2014.06.118
  • Саушкин, М.Н. Метод расчета остаточных напряжений в надрезах с полукруглым профилем в полом поверхностно упрочненном цилиндрическом образце / М.Н. Саушкин, В.П. Радченко, А.Ю. Куров // Прикладная механика и техническая физика. – 2013. – Т. 54, № 4(320). – С. 150–157.
  • Гринченко, И.Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов / И.Г. Гринченко. – М.: Машиностроение, 1971. – 120 с.
  • Радченко, В. П. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочнённых конструкциях / В.П. Радченко, М.Н. Саушкин. – М.: Машиностроение-1, 2005. – 226 с.
  • Сулима, А.М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / А.М. Сулима, В.А. Шувалов, Ю.Д. Ягодкин. – М.: Машиностроение, 1988. – 240 с.
  • Колотникова, О.В. Эффективность упрочнения методами поверхностного пластического деформирования деталей, работающих при повышенных температурах / О.В. Колотникова // Проблемы прочности. – 1983. – № 2. – С. 112–114.
  • Павлов, В.Ф. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям / В.Ф. Павлов, В.А. Кирпичев, В.С. Вакулюк. – Самара: СНЦ РАН, 2012. 125 с.
  • Радченко, В.П. Исследование влияния анизотропии поверхностного пластического упрочнения на распределение остаточных напряжений в полых и сплошных цилиндрических образцах / В.П. Радченко, В.Ф. Павлов, М.Н. Саушкин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – № 1. – С. 130–147. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.1.09
  • Радченко, В.П. Математическое моделирование и экспериментальное исследование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести / В.П. Радченко, М.Н. Саушкин, Т.И. Бочкова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2016. – № 1. – С. 93–112. DOI: 10.15593/perm.mech/2016.1.07
  • Ferro, P. Influence of phase transformations on the asymptotic residual stress distribution arising near a sharp V-notch tip / P. Ferro // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2012. – Vol. 20, no. 8. – P. 085003. DOI: 10.1088/0965-0393/20/8/085003
  • Residual stresses reconstruction in shot peened specimens containing sharp and blunt notches by experimental measurements and finite element analysis / M. Benedetti, V. Fontanari, B. Winiarski [et al.] // International Journal of Fatigue. – 2016. – Vol. 87. – P. 102–111. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2016.01.020
  • Fleury, R. Evaluating the influence of residual stresses and surface damage on fatigue life of nickel superalloys / R. Fleury, D. Nowell // International Journal of Fatigue. – 2017. – Vol. 105. – P. 27–33. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.08.015
  • Павлов, В.Ф. Прогнозирование предела выносливости поверхностно-упрочненных деталей с концентраторами напряжений / В.Ф. Павлов, А.С. Букатый, О.Ю. Семенова // Вестник машиностроения. – 2019. – № 1. – С. 3–7.
  • Радченко, В.П. Метод реконструкции остаточных напряжений в призматическом образце с надрезом полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического деформирования / В.П. Радченко, Д.М. Шишкин // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2020. – Т. 20, № 4. – С. 478–492. DOI: 10.18500/1816-9791-2020-20-4-478-492
  • Сазанов, В.П. Исследование закономерностей остановки усталостной трещины в цилиндрическом образце с надрезом / В.П. Сазанов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. – 2018. – Т. 17,№ 1. – С. 160–169. DOI: 10.18287/2541-7533-2018-17-1-160-169
  • Local fatigue strength evaluation of shot peened 40Cr notched steel / X. Zhao, Z. Sun, D. Xu, Y. Liu // Metals. – 2018. – Vol. 128, no. 9. – P. 681. DOI: 10.3390/met8090681
  • Fatigue strength improvement of an aluminum alloy with a crack-like surface defect using shot peening and cavitation peening / K. Takahashi, H. Osedo, T. Suzuki, S. Fukuda // Engineering Fracture Mechanics. – 2018. – Vol. 193. – P. 151–161. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.02.013
  • Bag, A. Effect of shot peening on short crack propagation in 300M steel / A. Bag, M. Lévesque, M. Brochu // International Journal of Fatigue. – 2020. – Vol. 131. – P. 105346. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.105346
  • A numerical study of the effects of shot peening on the short crack growth behaviour in notched geometries under bending fatigue tests / C. You, M. Achintha, B.Y. He, P.A.S. Reed // International Journal of Fatigue. – 2017. – Vol. 103. – P. 99–111. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.05.023
  • Soyama, H. Comparison between shot peening, cavitation peening, and laser peening by observation of crack initiation and crack growth in stainless steel / H. Soyama // Metals. – 2019. – Vol. 10, no. 1. – P. 63. DOI: 10.3390/met10010063
  • Silva, E.P. Finite element analysis of the phase transformation effect in residual stresses generated by quenching in notched steel cylinders / E.P. Silva, P.L. Pacheco, M.A. Savi // Journal of Strain Analysis for Engineering Design. – 2005. – Vol. 40, no. 2. – P. 151–160. DOI: 10.1243/030932405X775
  • Effect of heat treatment temperature and turning residual stresses on the plain and notch fatigue strength of Ti-6Al-4V additively manufactured via laser powder bed fusion / L. Emanuelli, A. Molinari, L. Facchini, et al. // International Journal of Fatigue. – 2022. – Vol. 162. – P. 107009. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2022.107009
  • Xie, L. Thermal relaxation of residual stresses in shot peened surface layer of (TiB+TiC)/Ti–6Al–4V composite at elevated temperatures / L. Xie, C. Jiang, V. Ji // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528, no. 21. – P. 6478–6483. DOI: 10.1016/j.msea.2011.04.075
  • Effect of residual stresses on notch toughness of the tempered martensitic steel F82H-MOD / N. Ilchuk, V. Davydov, P. Spätig, H.P. Seifert // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2017. – Vol. 90. – P. 244–250. DOI: 10.1016/j.tafmec.2017.05.023
  • Notch fatigue behaviour of shot peened high-strength aluminium alloys: Experiments and predictions using a critical distance method/ M. Benedetti, V. Fontanari, C. Santus, M. Bandini // International Journal of Fatigue. – 2010. – Vol. 32, no. 10. – P. 1600–1611. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2010.02.012
  • Цейтлин, В.И. Релаксация остаточных напряжений в деталях турбин ГТД в процессе эксплуатации / В.И. Цейтлин, О.В. Колотникова // Проблемы прочности. – 1980. – № 3. – С. 6–11.
  • Радченко, В.П. Влияние пневмодробеструйной обработки и термоэкспозиции на остаточные напряжения и предел выносливости образцов с надрезами из сплавов В95 и Д16Т / В.П. Радченко, В.А. Кирпичев, В.В. Лунин // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. – 2011. – № 3(24). – С. 181–184. DOI: 10.14498/vsgtu994
  • Радченко, В.П. Влияние технологии поверхностного пластического упрочнения, остаточных напряжений и граничных условий на выпучивание балки / В.П. Радченко, О.С. Афанасьева, В.Е. Глебов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – № 1. – С. 87–98. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.1.07
  • Работнов, Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций / Ю.Н. Работнов. – М.: Наука, 1966. – 745 с.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp