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

  • Авторы: Радченко В.П1, Саушкин М.Н1, Шишкин Д.М2
  • Учреждения:
    1. Самарский государственный технический университет, Самара, Российская Федерация
    2. Филиал Самарского государственного технического университета в г. Сызрани, Сызрань, Российская Федерация
  • Выпуск: № 4 (2024)
  • Страницы: 43-55
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4336
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.4.05
  • Цитировать

Аннотация


Разработан численный метод анализа кинетики процесса релаксации остаточных напряжений в призматическом образце с надрезами полукруглого профиля после опережающего виброударного ультразвукового поверхностно пластического 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 часов. 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 часов. На основании данных расчета показано, что наибольшая скорость релаксации наблюдается в концентраторах напряжений при ρ = 0.1 мм и ρ = 0.2 мм, но во всех случаях после ползучести в течение 300 часов 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.

Полный текст

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.

Об авторах

В. П Радченко

Самарский государственный технический университет, Самара, Российская Федерация

М. Н Саушкин

Самарский государственный технический университет, Самара, Российская Федерация

Д. М Шишкин

Филиал Самарского государственного технического университета в г. Сызрани, Сызрань, Российская Федерация

Список литературы

  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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 7

PDF (Russian) - 7

Cited-By


PlumX


© Радченко В.П., Саушкин М.Н., Шишкин Д.М., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах