Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)

Для цитирования:

Радченко В. П., Бербасова Т. И., Саушкин М. Н., Акинфиева М. М. Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненных вращающихся призматических элементах конструкций в условиях ползучести // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2023. Т. 23, вып. 4. С. 512-530. DOI: 10.18500/1816-9791-2023-23-4-512-530, EDN: TAEGBQ

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2023
Полный текст:
скачать
(downloads: 617)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Механика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.376:621.787
DOI: 
10.18500/1816-9791-2023-23-4-512-530
EDN: 
TAEGBQ

Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненных вращающихся призматических элементах конструкций в условиях ползучести

Авторы: 
Радченко Владимир Павлович, Самарский государственный технический университет
Бербасова Татьяна Игоревна, Самарский государственный технический университет
Саушкин Михаил Николаевич, Самарский государственный технический университет
Акинфиева Мария Михайловна, Самарский государственный технический университет
Аннотация: 

Разработан метод решения краевых задач релаксации остаточных напряжений во вращающемся поверхностно упрочненном призматическом образце в условиях высокотемпературной ползучести. Задача моделирует напряженно-деформированное состояние поверхностно упрочненного призматического стержня, торцевое сечение которого закреплено на абсолютно жестком диске, вращающегося с постоянной угловой скоростью. На первом этапе решена задача реконструкции полей остаточных напряжений и пластических деформаций после процедуры упрочнения, играющих роль начального напряженно-деформированного состояния. На втором этапе решается задача релаксации остаточных напряжений в условиях ползучести. Выполнено детальное исследование влияния угловой скорости на интенсивность релаксации остаточных напряжений в различных сечениях по осевой координате для призматического образца $10{\times}10{\times}150$ мм из сплава ЭП742 при температуре 650$^\circ$C после ультразвукового механического упрочнения одной из его граней. Анализ результатов расчета позволил установить, что для угловой скорости, изменяющейся от 1500 до 2500 об/мин, наблюдается нетривиальный эффект, заключающийся в том, что релаксация остаточных напряжений в более нагруженных сечениях, находящихся под действием осевых растягивающих напряжений вследствие вращения, происходит менее интенсивно, чем в «хвостовом» сечении, где осевая нагрузка равна нулю. Полученные в работе результаты могут быть полезными при оценке эффективности поверхностно упрочненных вращающихся деталей в условиях высокотемпературной ползучести.

Ключевые слова: 
остаточные напряжения
поверхностное пластическое деформирование
вращающийся призматический образец
ползучесть
релаксация
Благодарности: 
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-29-00434, https://rscf.ru/project/23-29-00434/).
Список источников: 
  1. Биргер И. А. Остаточные напряжения. Москва : Машгиз, 1963. 232 с.
  2. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Иванов В. Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений. Самара : Самарский науч. центр РАН, 2008. 64 с.
  3. Сулима А. М., Шувалов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. Москва : Машиностроение, 1988. 240 с.
  4. Ножницкий Ю. А., Фишгойт А. В., Ткаченко Р. И., Теплова С. В. Разработка и применение новых методов упрочнения деталей ГТД, основанных на пластическом деформировании поверхностных слоев // Вестник двигателестроения. 2006. № 2. С. 8–16.
  5. Dai K., Shaw L. Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation // International Journal of Fatigue. 2008. Vol. 30, iss. 8. P. 1398–1408. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2007.10.010
  6. James M. N., Hughes D. J., Chen Z., Lombard H., Hattingh D. G., Asquith D., Yates J. R., Webster P. J. Residual stresses and fatigue performance // Engineering Failure Analysis. 2007. Vol. 14, iss. 2. P. 384–395. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2006.02.011
  7. Majzoobi G. H., Azadikhah K., Nemati J. The effect of deep rolling and shot peening on fretting fatigue resistance of Aluminum-7075-T6 // Materials Science and Engineering: A. 2009. Vol. 516, iss. 1–2. P. 235–247. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.03.020
  8. Soady K. A. Life assessment methodologies incorporating shot peening process effects: Mechanistic consideration of residual stresses and strain hardening. Part. 1. Effeact of shot peening on fatigue resistance // Materials Science and Technology. 2013. Vol. 29, iss. 6. P. 673–651. https://doi.org/10.1179/1743284713Y.0000000222
  9. Terres M. A., Laalai N., Sidhom H. Effect of nitriding and shot peening on the fatigue behavior of 42CrMo4 steel: Experimantal analysis and predictive approach // Materials & Design. 2012. Vol. 35. P. 741–748. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.09.055
  10. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. Самара : Самарский науч. центр РАН, 2012. 125 с. EDN: TAFJVZ
  11. Радченко В. П., Морозов А. П. Экспериментальное исследование влияния пневмо-дробеструйной обработки, температурных выдержек и многоцикловых усталостных испытаний на физико-механическое состояние упрочненного слоя цилиндрических образцов из сплавов В95 и Д16Т // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2010. № 5 (21). С. 222–228. https://doi.org/10.14498/vsgtu829, EDN: NCTNON
  12. 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. С. 93–112. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.1.07, EDN: VQTAHL
  13. 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. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.09, EDN: TVSBYV
  14. Радченко В. П., Саушкин М. Н. Математические модели восстановления и релаксации остаточных напряжений в поверхностно упрочненном слое цилиндрических элементов конструкций при ползучести // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2004. № 11. С. 3–17. EDN: SPETFD
  15. Радченко В. П., Саушкин М. Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. Москва : Машиностроение-1, 2005. 226 с. EDN: RXLJLN
  16. 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 расчетного комплекса PATRAN/ NASTRAN // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2015. Т. 19, № 2 (68). С. 35–40. EDN: VYWUPR
  17. Вакулюк В. С., Сазанов В. П., Шадрин В. К., Микушев Н. Н., Злобин А. С. Применение метода термоупругости при конечно-элементном моделировании остаточного напряженного состояния в поверхностно упрочненных деталях // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 4. С. 168–174. EDN: SZGRAD
  18. Ватульян А. О. Обратные задачи в механике деформируемого твердого тела. Москва : Физматлит, 2007. 223 с. EDN: UGLKIJ
  19. Ватульян А. О., Дударев В. В. О некоторых проблемах реконструкции неоднородного предварительно напряженного состояния в упругих телах // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2009. Т. 9, вып. 4, ч. 2. С. 25–32. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2009-9-4-2-25-32, EDN: KZFEQT
  20. Chen H., Wang S., Lu S., Qiao Y., Wang X., Fan N., Guo P., Niu J. Simulation and experimental validation of residual stress and surface roughhness of high manganese steel after shot peening // Procedia CIRP. 2018. Vol. 71. P. 227–231. https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.05.066
  21. Isa M. R., Sulaiman S. N., Zaroog O. S. Experimental and simulation method of introducing compressive residual stress in ASTM A516 grade 70 steel // Key Engineering Materials. 2019. Vol. 803. P. 27–31. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.803.27
  22. Киселев И. А., Жуков Н. А., Васильев Б. Е., Селиванов А. Н. Учет остаточных напряжений при расчетах прочности элементов замковых соединений. Часть 1. Моделирование дробеструйной обработки // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 11. С. 49–59. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2018-11-49-59, EDN: YOUZDF
  23. Meguid S. A., Maicic L. A. Finite element modeling of shot peening residual stress relaxation in turbine disk assemblies // Journal of Engineering Materials and Technology. 2015. Vol. 137, iss. 3. Art. 031003. https://doi.org/10.1115/1.4030066
  24. Gallitelli D., Boyer V., Gelineau M., Colaitis Y., Rouhaud E., Retraint D., Kubler R., Desvignes M., Barrallier L. Simulation of shot peening: From process parameters to residual stress fields in a structure // Comptes Rendus Mecanique. 2016. Vol. 344, iss. 4–5. ´ P. 355–374. https://doi.org/10.1016/j.crme.2016.02.006
  25. Zimmermann M., Klemenz M., Schulze V. Literature review on shot peening simulation // International Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering. 2010. Vol. 3, iss. 4. P. 289–310. https://doi.org/10.1504/ijcmsse.2010.036218
  26. Purohil R., Verma C. S., Rana R. S., Dwivedi R., Dwivedi S. Simulation of shot peening process // Materials Today: Proceedings. 2017. Vol. 4, iss. 2A. P. 1244–1251. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.01.144
  27. Радченко В. П., Саушкин М. Н. Прямой метод решения краевой задачи релаксации остаточных напряжений в упрочненном изделии цилиндрической формы при ползучести // Прикладная механика и техническая физика. 2009. Т. 50, № 6. С. 90–99. EDN: NRCYUX
  28. Радченко В. П., Кочеров Е. П., Саушкин М. Н., Смыслов В. А. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния растягивающей нагрузки на релаксацию остаточных напряжений в упрочненном цилиндрическом образце в условиях ползучести // Прикладная механика и техническая физика. 2015. Т. 56, № 2. С. 169–177. https://doi.org/10.15372/PTMF20150217, EDN: TWGXHH
  29. Радченко В. П., Цветков В. В., Саушкин М. Н. Релаксация остаточных напряжений в упрочненном цилиндре в условиях ползучести при нагружении осевой силой, крутящим моментом и внутренним давлением // Прикладная механика и техническая физика. 2020. Т. 61, № 4. С. 96–107. https://doi.org/10.15372/PTMF20200412, EDN: DOAXGA
  30. Радченко В. П., Саушкин М. Н., Цветков В. В. Влияние термоэкспозиции на релаксацию остаточных напряжений в упрочненном цилиндрическом образце в условиях ползучести // Прикладная механика и техническая физика. 2016. Т. 57, № 3. С. 196–207. https://doi.org/10.15372/PTMF20160320, EDN: WAIBFN
  31. Деревянка Е. Е., Радченко В. П., Цветков В. В. Релаксация в поверхностно упрочненном цилиндре в условиях ползучести при жестких ограничениях на линейные и угловые деформации // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2021. № 3. С. 118–127. https://doi.org/10.31857/S057232992103003X, EDN: OVGDFF
  32. Радченко В. П., Деревянка Е. Е. Кинетика остаточных напряжений в тонкостенных цилиндрических образцах после двухстороннего поверхностного упрочнения в условиях ползучести при жестких ограничениях на угловые и осевые линейные перемещения // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2023. Т. 23, вып. 2. С. 227–240. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2023-23-2-227-240, EDN: VGQVUH
  33. Радченко В. П., Деревянка Е. Е. Моделирование ползучести и релаксации остаточных напряжений в поверхностно упрочненных элементах статически не определимых стержневых систем // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2018. Т. 22, № 4. С. 647–668. https://doi.org/10.14498/vsgtu1631, EDN: YSDYYX
  34. Саушкин М. Н., Просвиркина Е. А. Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненном слое сплошного вращающегося цилиндра в условиях ползучести // Математическое моделирование и краевые задачи : Труды Третьей Всероссийской научной конференции (29–31 мая 2006 г.). Часть 1: Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций. Самара : СамГТУ, 2006. С. 192–199. https://www.mathnet.ru/rus/mmkz558
  35. Радченко В. П., Либерман А. Е., Блохин О. Л. Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненном вращающемся цилиндре в условиях ползучести // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2022. Т. 26, № 1. С. 119–139. https://doi.org/10.14498/vsgtu1884, EDN: GFBZBC
  36. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. Москва : Машиностроение, 1979. 702 с.
  37. Самарин Ю. П. Уравнения состояния материалов со сложными реологическими свойствами. Куйбышев : Куйбышевский гос. ун-т, 1979. 84 с.
  38. Радченко В. П., Еремин Ю. А. Реологическое деформирование и разрушение материалов и элементов конструкций. Москва : Машиностроение-1, 2004. 265 с. EDN: QNATSX
Поступила в редакцию: 
20.07.2023
Принята к публикации: 
28.09.2023
Опубликована: 
30.11.2023
  • 843 просмотра