Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

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


Для цитирования:

Радченко В. П., Глебов В. Е. Влияние геометрической формы надреза на релаксацию остаточных напряжений в поверхностно упрочненном цилиндре при термоэкспозиции // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2025. Т. 25, вып. 3. С. 391-405. DOI: 10.18500/1816-9791-2025-25-3-391-405, EDN: MQEXGM

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
29.08.2025
Полный текст:
(downloads: 730)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.376:621.787
EDN: 
MQEXGM

Влияние геометрической формы надреза на релаксацию остаточных напряжений в поверхностно упрочненном цилиндре при термоэкспозиции

Авторы: 
Радченко Владимир Павлович, Самарский государственный технический университет
Глебов Виктор Евгеньевич, Самарский государственный технический университет
Аннотация: 

Предложен метод расчета релаксации остаточных напряжений при высокотемпературной ползучести после опережающего поверхностного пластического деформирования сплошного цилиндра с надрезами квадратного и V-образного профилей. Выполнена серия параметрических расчетов для цилиндрических образцов из сплава ЭИ698 длиной 20 мм и радиусом 3.76 мм при различных геометрических параметрах надрезов: глубине $\{0.1; 0.3\}$ мм для квадратного надреза и глубине $\{0.1; 0.3\}$ мм при углах раскрытия $\{1^\circ, 5^\circ, 15^\circ\}$ для V-образного надреза. Установлено, что расчет полей остаточных напряжений после нанесения надрезов на упрочненный цилиндрический образец требует применения упругопластической постановки задачи. При моделировании релаксации остаточных напряжений при температуре 700$^\circ$C в течение 100 ч. использовался закон установившейся ползучести. Проведен параметрический анализ влияния геометрических характеристик надрезов на процесс релаксации напряжений. Результаты показывают, что после полного цикла нагружения «упрочняющая обработка при 20$^\circ$C — температурная нагрузка (нагрев) до 700$^\circ$C — ползучесть в течение 100 ч. при 700$^\circ$C — температурная разгрузка (охлаждение) до 20$^\circ$C», несмотря на релаксацию, сохраняются значительные величины сжимающих остаточных напряжений, что подтверждает эффективность поверхностного пластического упрочнения для деталей с исследуемыми типами надрезов в условиях высокотемпературной ползучести.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой 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. Гринченко И. Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. Москва : Машиностроение, 1971. 120 с.
  3. Кудрявцев И. В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием. Москва : Машиностроение, 1969. 100 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. (Обзор) // Вестник двигателестроения. 2006. № 2. С. 8–16.
  5. Сулима Г. Н., Шувалов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. Москва : Машиностроение, 1988. 240 с.
  6. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. Москва : Машиностроение, 1987. 328 с.
  7. Иванов С. И., Шатунов М. П., Павлов В. Ф. Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций / отв. ред. Х. С. Хазанов. Куйбышев : КуАИ, 1974. Вып. 1. С. 88–95.
  8. Митряев К. Ф., Егоров В. И., Мальков Г. Ф., Уланов Б. Н., Степанов В. В. Повышение усталостной прочности жаропрочных материалов алмазным выглаживанием поверхности деталей // Остаточные напряжения / отв. ред. С. И. Иванов. Куйбышев : КуАИ, 1971. Вып. 53. С. 151–159.
  9. Павлов В. Ф., Букатый А. С., Семенова О. Ю. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей с концентраторами напряжений // Вестник машиностроения. 2019. № 1. С. 3–7. EDN: VTAEPK
  10. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. Самара : Изд-во СЦН РАН, 2012. 125 с. EDN: TAFJVZ
  11. Сазанов В. П. Исследование закономерностей остановки усталостной трещины в цилиндрическом образце с надрезом // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. Т. 17, № 1. С. 160–169. DOI: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2018-17-1-160-169, EDN: UPOWMG
  12. Радченко В. П., Кирпичев В. А., Лунин В. В. Влияние пневмодробеструйной обработки и термоэкспозиции на остаточные напряжения и предел выносливости образцов с надрезами из сплавов В95 и Д16Т // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2011. № 3 (24). С. 181–184. EDN: OZDDCH
  13. You C., Achintha M., He B. Y., Reed P. A. S. A numerical study of the effects of shot peening on the short crack growth behaviour in notched geometries under bending fatigue tests // International Journal of Fatigue. 2017. Vol. 103. P. 99–111. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.05.023
  14. Soyama H. Comparison between shot peening, cavitation peening and laser peening by observation of crack initiation and crack growth in stainless steel // Metals. 2019. Vol. 10, iss. 1. Art. 63. DOI: https://doi.org/10.3390/met10010063, EDN: OLPPYZ
  15. Zhao X., Sun Z., Xu D., Liu Y. Local fatigue strength evaluation of shop peened 40Cr notched steel // Metals. 2018. Vol. 128, iss. 9. Art. 681. DOI: https://doi.org/10.3390/met8090681
  16. Takahashi K., Osedo H., Suzuki T., Fukuda S. Fatigue strength improvement of an aluminum alloy with a crack-like surface defect using shot peening and cavitation peening // Engineering Fracture Mechanics. 2018. Vol. 193. P. 151–161. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2018.02.013
  17. Fleury R., Nowell D. Evaluating the influence of residual stresses and surface damage on fatigue life of nickel superalloys // International Journal of Fatigue. 2017. Vol. 105. P. 27–33. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.08.015
  18. Bag A., Levesque M., Brochu M. Effect of shot peening on short crack propagation in 300M steel // International Journal of Fatigue. 2020. Vol. 131. Art. 105346. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105346, EDN: TDCZZK
  19. Nag Chaundhury J. Effect of heat treatment, pre-stress and surface hardening on fracture toughness of micro-alloyed steel // Journal of Materials Engineering and Performance. 2014. Vol. 23, iss. 1. P. 152–168. DOI: https://doi.org/10.1007/s11665-013-0709-6
  20. Радченко В. П., Морозов А. П. Экспериментальное исследование влияния пневмодробеструйной 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. EDN: NCTNON
  21. Lin D. J., Fuh L. J., Chen C. Y., Chen W. C., Lin J. H. C., Chen C. C. Rapid nano-scale surface modification on micro-arc oxidation coated titanium by microwave-assisted hydrothermal process // Materials Science and Engineering: C. 2019. Vol. 95. P. 236–247. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msec.2018.10.085, EDN: JOCCNC
  22. Maytorena-Sanchez A., Hernandez-Torres J., Lopez-Huerta F., Hernandez-Campos M. A., Zamora-Peredo L., Pacio-Castillo M., Serrano-De la Rosa L. E., Garcia-Gonzalez L. Analysis of the hardness and tribological properties of grade 2 titanium using the thermal oxidation process at different temperatures // Materials Letters. 2021. Vol. 282. Art. 128679. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128679, EDN: CQVOPZ
  23. Кравченко Б. А., Круцило В. Г., Гутман Г. Н. Термопластическое упрочнение– резерв повышения прочности и надежности деталей машин. Самара : Изд-во СамГТУ, 2000. 216 с. EDN: TTRVCB
  24. Chekalova E., Zhuravlev A. Improving the durability of titanium alloy products through a combined hardening technology // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 38, pt. 4. P. 1804–1809. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.413, EDN: RDCCGQ
  25. Guo W., Wang H., Peng P., Song B., Zhang H., Shao T., Huan H., Qiao H., Qu G., Zhu D., Yan J. Effect of laser shock processing on oxidation resistance of laser additive manufacture Ti6Al4V titanium alloy // Corrosion Science. 2020. Vol. 170. Art. 108655. DOI: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108655, EDN: GDQQDH
  26. Цейтлин В. И., Колотникова О. В. Релаксация остаточных напряжений в деталях турбин ГТД в процессе эксплуатации // Проблемы прочности. 1980. № 3. С. 6–11.
  27. Колотникова О. В. Эффективность упрочнения методами поверхностного пластического деформирования деталей, работающих при повышенных температурах // Проблемы прочности. 1983. № 2. С. 112–114.
  28. Радченко В. П., Саушкин М. Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. Москва : Машиностроение-1, 2005. 226 с.
  29. 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. DOI: https://doi.org/10.15372/PMTF20150217, EDN: TWGXHH
  30. 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. DOI: https://doi.org/10.15372/PMTF20200412, EDN: DOAXGA
  31. 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. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2023-23-2-227-240, EDN: VGQVUH
  32. Деревянка Е. Е., Радченко В. П., Цветков В. В. Релаксация остаточных напряжений в поверхностно упрочненном цилиндре в условиях ползучести при жестких ограничениях на линейные и угловые деформации // Известия РАН. Механика твердого тела. 2021. №3. С. 118–127. DOI: https://doi.org/10.31857/S057232992103003X, EDN: OVGDFF
  33. 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. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1884, EDN: GFBZBC
  34. Radchenko V., Glebov V. A method for calculating the relaxation of residual creep stresses in a surface-hardened cylinder with a series of periodically arranged semicircular incisions under thermal exposure conditions // Mechanics of Solids. 2024. Vol. 59, iss. 7. P. 3735–3746. DOI: https://doi.org/10.1134/S0025654424606293, EDN: UYGCLY
  35. Радченко В. П., Саушкин М. Н., Павлов В. Ф. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния в поверхностно упрочненных втулках с учетом остаточных касательных напряжений // Вестник ПНИПУ. Механика. 2019. № 1. С. 138–150. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2019.1.12, EDN: XKSCQS
  36. 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 УГАТУ. 2015. Т. 19, № 2 (68). С. 35–40. EDN: VYWUPR
  37. Сазанов В. П., Семенова О. Ю., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С. Математическое моделирование первоначальных деформаций в поверхностно упрочненных деталях при выборе образца-свидетеля // Вестник УГАТУ. 2016. Т. 20, № 3 (73). С. 31–37. EDN: XBGSHT
  38. Павлов В. Ф., Столяров А. К., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С. Расчет остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений по первоначальным деформациям. Самара : Изд-во СЦН РАН, 2008. 124 с.
  39. Радченко В. П., Шишкин Д. М., Саушкин М. Н. Численное решение задачи о напряженно-деформированном состоянии поверхностно упрочненного призматического образца с надрезом V-образного профиля в упругой и упругопластической постановках // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2023. Т. 27, № 3. С. 491–508. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu2017, EDN: CDEJKC
Поступила в редакцию: 
15.10.2024
Принята к публикации: 
20.11.2024
Опубликована: 
29.08.2025