Исследование влияния анизотропии поверхностного пластического упрочнения на распределение остаточных напряжений в полых и сплошных цилиндрических образцах
- Авторы: Радченко ВП1, Павлов ВФ2, Саушкин МН1
- Учреждения:
- Самарский государственный технический университет
- Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)
- Выпуск: № 1 (2015)
- Страницы: 130-147
- Раздел: Статьи
- URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/278
- DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.09
- Цитировать
Аннотация
Предложены математические модели для расчета остаточных напряжений и пластических деформаций в сплошных и полых поверхностно упрочненных цилиндрических образцах. Рассмотрены варианты упрочнения, приводящие к изотропии (гидродробеструйная обработка) и анизотропии (обкатка роликом) пластических деформаций в поверхностном слое. В математическую модель введен параметр анизотропии упрочнения, связывающий осевую и окружную компоненты тензора остаточных пластических деформаций. В качестве исходной информации используются определенные экспериментально осевая и/или окружная компоненты тензора остаточных напряжений. Введены гипотезы малости недиагональных компонент тензоров остаточных напряжений и пластических деформаций, пластической несжимаемости материала, отсутствия вторичных пластических деформаций материала в области сжатия приповерхностного слоя. Приведено решение краевых задач оценки напряженно-деформированного состояния в упрочненном слое после процедуры упрочнения для сплошных и полых цилиндрических изделий. Предложена методика идентификации параметров математической модели в соответствии с условиями самоуравновешенности остаточных напряжений. Детально описана методика экспериментального определения остаточных напряжений методом колец и полосок. Выполнен цикл экспериментальных исследований по упрочнению сплошных и полых образцов из стали 40Х (с различным отношением внешних и внутренних диаметров) в режимах обкатки роликом и гидродробеструйной обработки и определению остаточных напряжений. Выполнена проверка адекватности математической модели экспериментальным данным. Наблюдается хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных. Приведены численные расчетные значения параметра анизотропии упрочнения. Показано, что процедура анизотропного упрочнения поверхности (обкатка роликом) приводит к существенному расслоению эпюр окружных и осевых остаточных напряжений по глубине упрочненного слоя, в отличие от случая изотропного упрочнения (гидродробеструйная обработка), где они практически совпадают. Экспериментально и расчетным путем показано, что для образцов с одинаковой геометрией упрочнение роликом приводит к более высоким значениям (по модулю) сжимающих напряжений, которые более чем на 30% превосходят напряжения, формирующиеся после гидродробеструйной обработки. Основные результаты работы иллюстрируются данными таблиц и соответствующими эпюрами распределения остаточных напряжений.
Об авторах
В П Радченко
Самарский государственный технический университет
В Ф Павлов
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)
М Н Саушкин
Самарский государственный технический университет
Список литературы
- Altenberger I., Nalla R.K., Sano Y., Wagner L., Ritchie R.O. On the effect of deep-rolling and laser-peening on the stress-controlled low- and high-cycle fatigue behavior of Ti-6Al-4V at elevated temperatures up to 550 °С// International Journal of Fatigue. - 2012. - Vol. 44. - Р. 292-302. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2012.03.008
- Prediction and characterization of residual stresses from laser shock peening / R.A. Brockman, W.R. Braisted, S.E. Olson, R.D. Tenaglia, A.H. Clauer, K. Langer, M.J. Shepard // International Journal of Fatigue. - 2012. - Vol. 36. - No. 1. - P. 96-108. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2011.08.011
- Dai K., Shaw L. Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation // International Journal of Fatigue. - 2008. - Vol. 30. - No. 8. - P. 1398-1408. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2007.10.010
- Residual stresses and fatigue performance / M.N. James, D.J. Hughes, Z. Chen, H. Lombard, D.G. Hattingh, D. Asquith, J.R. Yates, P.J. Webster // Engineering Failure Analysis. - 2007. - Vol. 14. - No. 2. - P. 384-395. doi: 10.1016/j.engfailanal.2006.02.011
- Majzoobi G.H., Azadikhah K., Nemati J. The effects of deep rolling and shot peening on fretting fatigue resistance of Aluminum-7075-T6 // Materials Science and Engineering A. - 2009. - Vol. 516. - No. 1-2. - P. 235-247. doi: 10.1016/j.msea.2009.03.020
- McClung R.C. A literature survey on the stability and significance of residual stresses during fatigue // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. - 2007. - Vol. 30. - No. 3. - P. 173-205. doi: 10.1111/j.1460-2695.2007.01102.x
- Soady K.A. Life assessment methodologies incoroporating shot peening process effects: Mechanistic consideration of residual stresses and strain hardening: Part 1 - Effect of shot peening on fatigue resistance // Materials Science and Technology (United Kingdom). - 2013. - Vol. 29. - No. 6. - P. 637-651. doi: 10.1179/1743284713Y.0000000222
- Terres M.A., Laalai N., Sidhom H. Effect of nitriding and shot-peening on the fatigue behavior of 42CrMo4 steel: Experimental analysis and predictive approach // Materials and Design. - 2012. - Vol. 35. - P. 741-748. doi: 10.1016/j.matdes.2011.09.055
- Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963. - 232 с.
- Иванов С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок / Остаточные напряжения. - Куйбышев: Куйбышев. авиац. ин-т, 1974. - Вып. 53. - С. 32-42.
- Иванов С.И., Шатунов М.П., Павлов В.Ф. Определение дополнительных остаточных напряжений в надрезах на цилиндрических деталях // Вопросы прочности элементов конструкций. - Куйбышев: Куйбышев. авиац. ин-т, 1973. - Вып. 60. - C. 160-170.
- Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Иванов В.Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений. - Самара: Изд-во Самар. науч. центра РАН, 2008. - 64 с.
- Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Вакулюк В.С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. - Самара: Изд-во Самар. науч. центра РАН, 2012. - 125 с.
- Methods of measuring residual stresses in components (Review) / N.S. Rossini, M. Dassisti, K.Y. Benyounis, A.G. Olabi // Materials and Design. - 2012. - Vol. 35. - Р. 572-588. doi: 10.1016/j.matdes.2011.08.022
- Recent advances in residual stress measurement / P.J. Withers, M. Turski, L. Edwards, P.J. Bouchard, D.J. Buttle // International Journal of Pressure Vessels and Piping. - 2008. - Vol. 85. - No. 3. - Р. 118-127. doi: 10.1016/j.ijpvp.2007.10.007
- Wern H. A new approach to triaxial residual stress evaluation by the hole drilling method // Strain. - 1997. - Vol. 33. - No. 4. - P. 121-125. doi: 10.1111/j.1475-1305.1997.tb01059.x
- Wern H., Cavelius R., Schläfer D. A new method to determine triaxial non-uniform residual stresses from measurements using the hole drilling method // Strain. - 1997. - Vol. 33. - No. 2. - P. 39-45. doi: 10.1111/j.1475-1305.1997.tb01037.x
- Бойцов В.Б., Скрипкин Д.Э., Чернявский А.О. Расчетный анализ образования остаточных напряжений при виброупрочнении // Динамика, прочность и износостойкость машин. - 1988. - № 10. - С. 69-72.
- Gambin W. Plastic analysis of metal surface layers undergoing the roller burnishing process // Rozprawy Inzynierskie - Traité d’Ingénierie = Engineering Transactions. - 1996. - Vol. 44. - No. 3-4. - Р. 471-481.
- Gambin W. Estimation of residual stresses in metal surface layers after the roller burnishing process // Mechanika Teoretyczna i Stosowana = Journal of Theoretical and Applied Mechanics (Warsaw). - 1997. - Vol. 35. - No. 1. - Р. 43-55.
- Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах / Г.Н. Чернышев, А.Л. Попов, В.М. Козинцев, И.И. Пономарев. - М.: Физматлит, 1996. - 240 с.
- Denis S., Sjöström S., Simon A. Coupled temperature, stress, phase transformation calculation // Metallurgical Transactions A. - 1987. - Vol. 18. - No. 7. - Р 1203-1212. doi: 10.1007/BF02647190
- Кравченко Б.А., Круцило В.П., Гутман Г.Н. Термопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности машин. - Самара: Изд-во Самар. гос. техн. ун-та, 2000. - 216 с.
- Rohde J., Jeppsson A. Literature review of heat treatment simulations with respect to phase transformation, residual stresses and distortion // Scandinavian Journal of Metallurgy. - 2000. - Vol. 29. - No. 2. - Р. 47-62. doi: 10.1034/j.1600-0692.2000.d01-6.x
- Consequences of transformation plasticity on the development of residual stresses and distortions during martensitic hardening of SAE 4140 steel cylinders / G. Besserdich, B. Scholtes, H. Müller, E. Macherauch // Steel Research. - 1994. - Vol. 65. - No. 1. - Р. 41-46.
- A numerical model for induction heating processes coupling electromagnetism and thermomechanics / F. Bay, V. Labbe, Y. Favennec, J.L. Chenot // International Journal for Numerical Methods in Engineering. - 2003. - Vol. 58. - No. 6. - Р. 839-867. doi: 10.1002/nme.796
- Stutz D.E., Semiatin S.L. Induction Heat Treatment of Steel. Ohio: American Society for Metals, Metals Park, 2006. - 308 р.
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. - М.: Машиностроение-1, 2005. - 226 с.
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Математические модели восстановления и релаксации остаточных напряжений в поверхностно упрочненном слое цилиндрических элементов конструкций при ползучести // Изв. вузов. Машиностроение. - 2004. - № 11. - С. 3-17.
- Схема расчeта полей остаточных напряжений в цилиндрическом образце с учeтом организации процесса поверхностного пластического деформирования / М.Н. Саушкин, О.С. Афанасьева, Е.В. Дубовова, Е.А. Просвиркина // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2008. - № 1(16). - С. 85-89. doi: 10.14498/vsgtu577.
- Радченко В.П., Павлов В.Ф., Саушкин М.Н. Определение параметра анизотропии упрочнения и остаточных напряжений в цилиндрическом образце из стали после обкатки роликом // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2011. - № 4. - С. 93-100.
- Саушкин М.Н., Радченко В.П., Павлов В.Ф. Метод расчета полей остаточных напряжений и пластических деформаций в цилиндрических образцах с учетом анизотропии процесса поверхностного упрочнения // ПМТФ. - 2011. - Т. 52, № 2. - С. 173-182.
- 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., Саушкин М.Н. Прямой метод решения краевой задачи релаксации остаточных напряжений в упрочненном изделии цилиндрической формы при ползучести // ПМТФ. - 2009. - Т. 50, № 6. - С. 90-99.
- Саушкин М.Н., Радченко В.П. Приближенный метод оценки релаксации остаточных напряжений в поверхностно упрочненной лопатке в поле массовых сил в условиях ползучести // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2013. - № 3. - С. 49-57.
- Jeelani Shaik, Bailey J.A. Residual stress distribution in machining annealed 18 percent nickel maraging steel // J. Eng. Mater. Technol. - 1986. - Vol. 108. - No. 2. - Р. 93-98. doi: 10.1115/1.3225865