Relaxation of Residual Stresses in a Surface-Hardened Prismatic Specimen with a Stress Concentrator of a Semicircular Profile under Conditions of High-Temperature Creep

Abstract


The study presents a numerical method for analyzing the relaxation kinetics of residual stresses in a prismatic sample with semi-circular notches after prior vibro-impact ultrasonic surface plastic hardening by shot peening under high-temperature creep conditions, based on the finite element method. The method includes the stage of reconstructing (recovering) residual stresses in a smooth hardened specimen based on known experimental information, solving problems of stress redistribution after notch application, and calculating the kinetics of residual stresses under creep conditions. To illustrate the method, problems are solved for a prismatic sample of 100×10×10 mm with notch radii of 0.1 to 0.5 mm from EP742 alloy at a temperature of 650°C under thermal exposure for 300 hours. The compliance of the calculated data using the developed method with experimental data and grid method calculations was verified in the special case of a smooth specimen. The kinetics of residual stress distribution due to creep from the depth of the notch root into the sample at different time intervals over 300 hours was analyzed. Based on the calculation data, it was shown that the highest relaxation rate is observed in stress concentrators with ρ = 0.1 mm and ρ = 0.2 mm, but in all cases, after 300 hours of creep, compressive residual stresses are maintained in the area adjacent to the notch as well as away from the concentrator. It is shown that the notches practically do not affect the geometry of the samples compared to the hardened smooth samples, while a reduction in the deflection of the hardened samples is observed during the creep process.

Full Text

Тенденция развития современного энергетического машиностроения и авиадвига-телестроения предписывает разработку новых и глубокую модернизацию уже имеющихся технологий изготовления деталей газотурбинных двигателей (ГТД) с целью увеличения их ресурса. Несмотря на многолетний опыт проектирования и эксплуатации авиадвигателей, нерешенной остается проблема сравнительно частого выхода из строя наиболее ответственных деталей ГТД по причине наличия в них технически необходимых концентраторов напряжений технологического происхождения (пазов, отверстий, канавок, выточек, резьбы и т.д.) и возникающих при эксплуатации дефектов (царапин, сколов, вмятин, порезов и т.д.). В действительности присутствие любых несплошностей негативно сказывается на прочностной ресурс таких деталей по причине образования и последующего развития в них усталостных трещин, которые всегда имеют место при переменных циклических нагрузках. Тем не менее, избежать наличия концентраторов напряжений с позиции конструирования деталей ГТД без указанных конструктивных элементов практически нельзя, а появление в деталях эксплуатационных микро- и макро¬повреж¬дений зачастую обосновано попаданием в работающий агрегат посторонних предметов. Немаловажным фактором при этом является учет отрицательного влияния на детали высоких температур, действие которых на протяжении длительной работы в процессе эксплуатации приводят к ухудшению исходных механических свойств материалов деталей и изменению первоначальных габаритных параметров элементов конструкций вследствие высокотемпературной ползучести и коробления. Отметим, что подавляющее число случаев разрушения эксплуатируемых деталей, например, ГТД сводятся к развитию различного рода приповерхностных концентраторов напряжений в условиях действия нагрузок. Сопутствующим фактором при этом считается появление в работающих деталях значительных по величине эксплуатационных растягивающих напряжений, которые могут накапливаться в процессе нагружения. Частичное снижение их интенсивности возможно, например, в случае предварительной обработки деталей методами поверхностного пластического деформирования (ППД), в результате чего в приповерхностных слоях материала формируются компенсирующие сжимающие остаточные напряжения (ОН). Эффективность применения методов ППД подтверждается необозримым количеством научных работ, демонстрирующих повышение показателей статической и усталостной прочности, твердости, шероховатости, износостойкости и прочих характеристик, среди которых можно выделить «ранние» основополагающие работы [1–12], а также не менее значимые работы по упрочнению гладких «бездефектных» деталей [13–16] и деталей с концентраторами напряжений [2, 3, 9, 10, 14, 17–27]. Особый научно-практический интерес представляют вопросы о влиянии поверхностного упрочнения деталей авиадвигателестроения на сопротивляемость реологическим процессам при высокотемпературной ползучести. Это вызвано тем, что длительное действие повышенных температур в энергосиловых установках приводит к перераспределению и релаксации напряжений в материале комплектующих изделий ГТД, и как следствие, к ухудшению качества поверхностного слоя. Следовательно, возникает необходимость в анализе напряженно-деформированного состояния (НДС) как упрочненных, так и неупрочненных деталей, работающих в условиях температурно-силового воздействия. В подтверждение этому, в исследовательских работах [4, 7, 13, 16, 30, 33] затрагивается проблема снижения прочности гладких деталей авиадвигателестроения и энергомашиностроения по причине релаксации сжимающих ОН, предварительно наведенных упрочнением. Наиболее сложно ситуация обстоит в отношении упрочненных тел с концентраторами напряжений, о чем свидетельствуют, например, работы [30, 34], в связи с чем настоящая работа посвящена оценке релаксации ОН в предварительно упрочненном призматическом образце с надрезом полукруглого профиля.

About the authors

V. P Radchenko

Samara State Technical University, Samara, Russian Federation

M. N Saushkin

Samara State Technical University, Samara, Russian Federation

D. M Sishskin

Syzran Branch of Samara State Technical University, Syzran, Russian Federation

References

  1. 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.
  2. Xu, K. Effect of residual stress on fatigue behaviour of notches / K. Xu, J. He, H. Zhou // Interna-tional Journal of Fatigue. – 1994. – Vol. 16, no. 5. – P. 337–343. – doi: 10.1016/0142-1123(94)90272-
  3. 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.2006.07.16
  4. Buchanan, D.J. Relaxation of shot-peened residual stresses under creep loading / D.J. Bucha¬nan, R. John // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 59, no. 3. – P. 286–289. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2008.03.02
  5. 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.2008.07.04
  6. 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 // Internation-al Journal of Structural Integrity. – 2011. – Vol. 2, no. 1. – P. 34–41. – doi: 10.1108/1757986111110859
  7. 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.2013.01.03
  8. 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.2014.06.11
  9. Саушкин, М.Н. Метод расчета остаточных напряжений в надрезах с полукруглым профи-лем 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
  10. Гринченко, И.Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов/ И.Г. Грин-ченко. – М.: Машиностроение, 1971. – 120 с.
  11. Радченко, В. П. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочнённых кон-струкциях / В.П. Радченко, М.Н. Саушкин. – М.: Машиностроение-1, 2005. – 226 с
  12. Сулима, А.М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / А.М. Сулима, В.А. Шувалов, Ю.Д. Ягодкин. – М.: Машиностроение, 1988. – 240 с
  13. Колотникова, О.В. Эффективность упрочнения методами поверхностного пластического деформирования деталей, работающих при повышенных температурах / О.В. Колотникова // Проблемы прочности. – 1983. – № 2. – С. 112–114
  14. Павлов, В.Ф. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных дета-лей по остаточным напряжениям / В.Ф. Павлов, В.А. Кирпичев, В.С. Вакулюк. Самара: СНЦ РАН, 2012. 125 с
  15. Радченко, В.П. Исследование влияния анизотропии поверхностного пластического упроч-нения на распределение остаточных напряжений в полых и сплошных цилиндрических об-разцах / 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/2015.1.0
  16. Радченко, В.П. Математическое моделирование и экспериментальное исследование форми-рования 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 по-литехнического университета. Механика. – 2016. – № 1. – С. 93–112. – doi: 10.15593/perm.mech/2016.1.0
  17. 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 Engineer-ing. – 2012. – Vol. 20, no. 8. – P. 085003. – doi: 10.1088/0965-0393/20/8/08500
  18. 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.2016.01.02
  19. Fleury, R. Evaluating the influence of residual stresses and surface damage on fatigue life of nick-el superalloys / R. Fleury, D. Nowell // International Journal of Fatigue. – 2017. – Vol. 105. – P. 27–33. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2017.08.01
  20. Павлов, В.Ф. Прогнозирование предела выносливости поверхностно-упроч¬ненных деталей с концентраторами напряжений / В.Ф. Павлов, А.С. Букатый, О.Ю. Семенова // Вестник машиностроения. – 2019. – № 1. – С. 3–7
  21. Радченко, В.П. Метод реконструкции остаточных напряжений в призматическом образце с надрезом полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического де-формирования / В.П. Радченко, Д.М. Шишкин // Известия Саратовского университета. Но-вая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2020. – Т. 20, № 4. – С. 478-492. – doi: 10.18500/1816-9791-2020-20-4-478-49
  22. Сазанов, В.П. Исследование закономерностей остановки усталостной трещины в цилин-дрическом образце с надрезом / В.П. Сазанов // Вестник Самарского университета. Аэро-космическая техника, технологии и машиностроение. – 2018. – Т. 17, № 1. – С. 160–169. – doi: 10.18287/2541-7533-2018-17-1-160-16
  23. 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/met809068
  24. 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.2018.02.01
  25. 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.2019.10534
  26. 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 // Internation-al Journal of Fatigue. – 2017. – Vol. 103. – P. 99–111. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2017.05.02
  27. Soyama, H. Comparison between shot peening, cavitation peening, and laser peening by observa-tion of crack initiation and crack growth in stainless steel / H. Soyama // Metals. – 2019. – Vol. 10, no. 1. – P. 63. – doi: 10.3390/met1001006
  28. Silva, E.P. Finite element analysis of the phase transformation effect in residual stresses gene¬rated 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: 10.1243/030932405X77
  29. 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. Emanu¬elli, A. Molinari, L. Facchini, et al. // International Journal of Fatigue. – 2022. – Vol. 162. – P. 107009. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2022.10700
  30. 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 Engineer-ing: A. – 2011. – Vol. 528, no. 21. – P. 6478–6483. – doi: 10.1016/j.msea.2011.04.07
  31. 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.2017.05.02
  32. Notch fatigue behaviour of shot peened high-strength aluminium alloys: Experiments and predic-tions using a critical distance method/ M. Benedetti, V. Fontanari, C. Santus, M. Bandini // Interna-tional Journal of Fatigue. – 2010. – Vol. 32, no. 10. – P. 1600–1611. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2010.02.01
  33. Цейтлин, В.И. Релаксация остаточных напряжений в деталях турбин ГТД в процессе экс-плуатации / В.И. Цейтлин, О.В. Колотникова // Проблемы прочности. – 1980. – № 3. – С. 6–11
  34. Радченко, В.П. Влияние пневмодробеструйной обработки и термоэкспозиции на остаточ-ные напряжения и предел выносливости образцов с надрезами из сплавов В95 и Д16Т / В.П. Радченко, В.А. Кирпичев, В.В. Лунин // Вестник Самарского государственного техническо-го университета. Серия: Физико-математи¬ческие науки. – 2011. – № 3(24). – С. 181–184. – doi: 10.14498/vsgtu99
  35. Радченко, В.П. Влияние технологии поверхностного пластического упрочнения, остаточ-ных напряжений и граничных условий на выпучивание балки / В.П. Радченко, О.С. Афана-сьева, В.Е. Глебов // Вестник Пермского национального исследовательского политехниче-ского университета. Механика. – 2020. – № 1. – С. 87–98. – doi: 10.15593/perm.mech/2020.1.0
  36. Работнов, Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций / Ю.Н. Работнов. – М.: Наука, 1966. – 745

Statistics

Views

Abstract - 1

PDF (Russian) - 1

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Radchenko V.P., Saushkin M.N., Sishskin D.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies