Салихова Н.К., Дудин Д.С., Келлер И.Э., Петухов Д.С., Гачегова Е.А., Максимов А.Б. Собственные деформации и остаточные напряжения после градиентной термомеханической обработки толстолистовой стали: численное моделирование и эксперимент // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2024. № 3(61). С. 70-91. DOI: https://doi.org/10.37972/chgpu.2024.61.3.007. EDN: OAHMYD.

Автор(ы)

Салихова Н.К. — Институт механики сплошных сред УрО РАНORCIDeLibrary

Дудин Д.С. — Институт механики сплошных сред УрО РАНORCIDeLibrary

Келлер И.Э. — Институт механики сплошных сред УрО РАНORCIDeLibrary

Петухов Д.С. — Институт механики сплошных сред УрО РАНORCIDeLibrary

Гачегова Е.А. — Институт механики сплошных сред УрО РАНORCIDeLibrary

Максимов А.Б. — Керченский государственный морской технологический университетORCIDeLibrary

Название статьи

Собственные деформации и остаточные напряжения после градиентной термомеханической обработки толстолистовой стали: численное моделирование и эксперимент

Название (англ.): Eigenstrains and residual stresses after gradient thermomechanical treatment of thick-sheet steel: numerical modelling and experiment

Индекс(ы) УДК

539.319

DOI

10.37972/chgpu.2024.61.3.007

EDN

OAHMYD

Ключевые слова

градиентная термомеханической обработка; ускоренное одностороннее охлаждение; судовая сталь; собственные деформации; остаточные напряжения; метод разрезания; численное моделирование

Аннотация

Выполнено численное моделирование трех вариаций процесса градиентной термомеханической обработки стальной плиты для понимания закономерностей формирования распределения по толщине собственных деформаций и остаточных напряжений в зависимости от параметров технологического процесса. Один из таких процессов заключался в нагреве и выдержке заготовки при температуре аустенизации с последующим односторонним ускоренным охлаждением; в двух других заготовку предварительно подвергали пластическому изгибу фиксированной величины положительного либо отрицательного знака, а после одностороннего ускоренного и полного охлаждения —– изгибу противоположного знака для правки заготовки. Численное решение задачи выполнено в пакете COMSOL Multiphysics. На первом этапе решалась задача теплопроводности (ускоренного одностороннего, и затем медленного полного охлаждения заготовки), далее решалась задача термоупругопластичности для моделирования эволюции упругих и пластических деформаций и остаточных напряжений при изменении температуры заготовки. В этой задаче учитывалась зависимости упругих и пластических констант от температуры. Изгиб плиты моделировался заданием подходящего распределения по толщине собственных деформаций. Для подтверждения результатов расчета были выполнены натурные эксперименты для листа судовой стали А32 толщиной 14 мм, для чего использована установка ускоренного одностороннего охлаждения горячей заготовки, созданная на базе Керченского судостроительного завода. Предложен способ определения распределения по толщине листа собственных деформаций и остаточных напряжений, развивающий метод разрезания, с помощью которого были определены данные распределения в трех заготовках, подвергнутых градиентной термомеханической обработке, и одного контрольного образца. Результаты эксперимента подтверждают полученное в расчете наблюдение, что все использованные методы градиентной термомеханической обработки обеспечивают сжимающие остаточные напряжения на обеих сторонах листа, величина которых превосходит фоновые значения, полученные на контрольном образце.

Даты

Поступила: 10.09.2024; Принята: 29.11.2024; Опубликована: 24.12.2024

Страницы

70-91

Полная версия статьи

Скачать PDF

QR-код EDN

1. Максимов А.Б., Шевченко И.П., Ерохина И.С. Толстолистовой прокат с изменяющимися механическими свойствами по толщине // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62 (8). С. 587-593. DOI: 10.17073/0368-0797-2019-8-587-593 EDN: FZXNQE
2. Максимов А.Б., Пронина Ю.Г. Исследование изгиба толстолистового проката с градиентом прочностных свойств по толщине // Известия вузов. Черная металлургия. 2022. Т. 52 (1). С. 5-10. DOI: 10.3103/S0967091222010181 EDN: YLOUXG
3. Максимов А.Б. Исследование разрушения на модельном материале с градиентом прочности по толщине // Вестник КГМТУ. 2024. № 2. С. 147-1530. EDN: ZZTUNE
4. Максимов А.Б., Пронина Ю.Г., Ерохина И.С. Пат. 2790243 Российская Федерация, МПК C21D 8/02. Способ деформационно-термической обработки листового проката.
5. Келлер И.Э., Петухов Д.С., Дудин Д.С. и др. Пат. 2797771 Российская Федерация, МПК G01N 3/20. Способ определения остаточных напряжений в ребре на жестком основании.
6. Калакуцкий Н.В. Исследование внутренних напряжений в чугуне и стали. СПб: Типография А.М. Вольфа, 1887. 127 с.
7. Tebedge N., Alpsten G., Tall L. Residual-stress measurement by the sectioning method // Experimental Mechanics. 1973. Т. 13 (2). С. 88-96.  DOI: 10.1007/bf02322389 EDN: RDMIPW
8. Withers P.J., Bhadeshia H.K.D.H. Residual stress. Part 1 - Measurement techniques // Materials Science and Technology. 2001. Т. 17 (4). С. 355-365.  DOI: 10.1179/026708301101509980
9. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel / Под ред. G. Totten, M. Howes, T. Inoue. Ohio: Materials Park, 2002. 499 с.
10. Pekoz T., Bjorhovde R., Errera S.J. и др. Determination of residual stresses: Technical memorandum of ASCE No. 6 / Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures / Под ред. R.D. Ziemian. ASCE, 2010. С. 993-1002.
11. Rossini N.S., Dassisti M., Benyounis K.Y., Olabi A.G. Methods of measuring residual stresses in components // Materials and Design. 2012. Т. 35. С. 572-588.  DOI: 10.1016/j.matdes.2011.08.022 EDN: IVQAAU
12. Bamberg J., Hessert R. US Pat. 2015/0219444, B23K 26/34, B22F 3/105. Method and Apparatus for Determining Residual Stresses of a Component.
13. Davidenkov N.N. Bending deflection method // Zeitschrift fur Metallkunde. 1932. Т. 24 (2). С. 25-29.
14. Sachs G., Espey G. A new method for determination of stress distribution in thin-walled tubing // Transactions of the AIME. 1942. Т. 147. С. 348-360.
15. Биргер И.А. Остаточные напряжения. M.: Машгиз, 1963. 233 с.
16. Павлов В.Ф., Кирпичёв В.А., Вакулюк В.С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочнённых деталей по остаточным напряжениям. Самара: Издательство СНЦ РАН, 2012. 125 с. EDN: TAFJVZ
17. SAE Standard HS784. Residual stress measurement by X-ray diffraction. 2003.
18. ASTM E837-08. Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method. 2010.
19. Schajer G.S. Advances in hole-drilling residual stress measurements // Experimental Mechanics. 2010. Т. 50 (2). С. 159-168. DOI: 10.1007/s11340-009-9228-7 EDN: ZNWGUW
20. Махутов Н.А., Разумовский И.А., Косов В.С. и др. Исследования остаточных напряжений c применением электронной цифровой спекл-интерферометрии в натурных условиях // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74 (5). С. 47-51. EDN: JUHLPR
21. Махутов Н.А., Разумовский И.А. Методы анализа полей остаточных напряжений в пространственных деталях // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83 (1). С. 56-64. EDN: XUYZEX
22. COMSOL Multiphysics User Guide / COMSOL. 2012. 1292 с.
23. Korsunsky A.M. A teaching essay on residual stresses and eigenstrains. Oxford: ButterworthHeinemann, 2017. 197 с.  DOI: 10.1016/B978-0-12-810990-8.00008-2 EDN: YHGTTW
24. Petukhov D., Keller I. Exact reconstruction formulas for plastic strain distribution in the surface-treated plate and their applications // Acta Mechanica. 2020. Т. 231. С. 1849-1866.  DOI: 10.1007/s00707-020-02625-7 EDN: HHNNOP
25. Салихова Н.К., Дудин Д.С., Келлер И.Э. и др. Модель искривления стенки на подложке, наращиваемой проволочно-дуговой наплавкой, и ее экспериментальная апробация для алюминиевого сплава // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2023. № 3 (57). С. 5-24. DOI: 10.37972/chgpu.2023.56.2.012 EDN: DSOUBG
26. Dudin D.S., Keller I.E., Permyakov G.L., Trushnikov D.N. Modelling of residual stresses and distortions of the wall on a substrate built by wire-arc surfacing // Journal of Siberian Federal Universit. Mathematics and Physics. 2024. Т. 17 (1). С. 75-90. EDN: VUNMCP

1. Maksimov A.B., Shevchenko I.P., Erokhina I.S. Heavy plates with mechanical properties varying through the thickness. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Chernaya Metallurgiya, 2019, vol. 62, no. 8, pp. 587–593. DOI: 10.17073/0368-0797-2019-8-587-593. EDN: FZXNQE. (In Russian).
2. Maksimov A.B., Pronina Yu.G. Investigation of bending of heavy plates with a gradient of strength properties through the thickness. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Chernaya Metallurgiya, 2022, vol. 52, no. 1, pp. 5–10. DOI: 10.3103/S0967091222010181. EDN: YLOUXG. (In Russian).
3. Maksimov A.B. Investigation of fracture using a model material with a strength gradient through the thickness. Vestnik KGMTU, 2024, no. 2, pp. 147–1530. EDN: ZZTUNE. (In Russian).
4. Maksimov A.B., Pronina Yu.G., Erokhina I.S. Method for thermomechanical treatment of rolled sheets. Patent No. 2790243, Russian Federation, IPC C21D 8/02. (In Russian).
5. Keller I.E., Petukhov D.S., Dudin D.S., et al. Method for determining residual stresses in a rib on a rigid foundation. Patent No. 2797771, Russian Federation, IPC G01N 3/20. (In Russian).
6. Kalakutskii N.V. Investigation of Internal Stresses in Cast Iron and Steel. St. Petersburg, A.M. Wolf Printing House, 1887. 127 p. (In Russian).
7. Tebedge N., Alpsten G., Tall L. Residual-stress measurement by the sectioning method. Experimental Mechanics, 1973, vol. 13, no. 2, pp. 88–96. DOI: 10.1007/BF02322389. EDN: RDMIPW.
8. Withers P.J., Bhadeshia H.K.D.H. Residual stress. Part 1: Measurement techniques. Materials Science and Technology, 2001, vol. 17, no. 4, pp. 355–365. DOI: 10.1179/026708301101509980.
9. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. Ed. by G. Totten, M. Howes, T. Inoue. Materials Park, Ohio, 2002. 499 p.
10. Pekoz T., Bjorhovde R., Errera S.J., et al. Determination of residual stresses: Technical Memorandum of ASCE No. 6. Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures. Ed. by R.D. Ziemian. ASCE, 2010, pp. 993–1002.
11. Rossini N.S., Dassisti M., Benyounis K.Y., Olabi A.G. Methods of measuring residual stresses in components. Materials & Design, 2012, vol. 35, pp. 572–588. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.08.022. EDN: IVQAAU.
12. Bamberg J., Hessert R. Method and apparatus for determining residual stresses of a component. US Patent Application No. 2015/0219444, IPC B23K 26/34, B22F 3/105.
13. Davidenkov N.N. Bending deflection method. Zeitschrift für Metallkunde, 1932, vol. 24, no. 2, pp. 25–29.
14. Sachs G., Espey G. A new method for determination of stress distribution in thin-walled tubing. Transactions of the AIME, 1942, vol. 147, pp. 348–360.
15. Birger I.A. Residual Stresses. Moscow, Mashgiz Publ., 1963. 233 p. (In Russian).
16. Pavlov V.F., Kirpichev V.A., Vakulyuk V.S. Prediction of the Fatigue Resistance of Surface-Hardened Parts from Residual Stresses. Samara, Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences Publ., 2012. 125 p. EDN: TAFJVZ. (In Russian).
17. SAE Standard HS784. Residual Stress Measurement by X-Ray Diffraction. 2003.
18. ASTM E837-08. Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method. 2010.
19. Schajer G.S. Advances in hole-drilling residual stress measurements. Experimental Mechanics, 2010, vol. 50, no. 2, pp. 159–168. DOI: 10.1007/s11340-009-9228-7. EDN: ZNWGUW.
20. Makhutov N.A., Razumovskii I.A., Kosov V.S., et al. Investigation of residual stresses using electronic digital speckle interferometry under full-scale conditions. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov, 2008, vol. 74, no. 5, pp. 47–51. EDN: JUHLPR. (In Russian).
21. Makhutov N.A., Razumovskii I.A. Methods for analyzing residual stress fields in spatial components. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov, 2017, vol. 83, no. 1, pp. 56–64. EDN: XUYZEX. (In Russian).
22. COMSOL Multiphysics User Guide. COMSOL, 2012. 1292 p.
23. Korsunsky A.M. A Teaching Essay on Residual Stresses and Eigenstrains. Oxford, Butterworth-Heinemann, 2017. 197 p. DOI: 10.1016/B978-0-12-810990-8.00008-2. EDN: YHGTTW.
24. Petukhov D., Keller I. Exact reconstruction formulas for plastic strain distribution in the surface-treated plate and their applications. Acta Mechanica, 2020, vol. 231, pp. 1849–1866. DOI: 10.1007/s00707-020-02625-7. EDN: HHNNOP.
25. Salikhova N.K., Dudin D.S., Keller I.E., et al. Model of distortion of a wall on a substrate built by wire-arc surfacing and its experimental validation for an aluminum alloy. Vestn. Chuvash. Gos. Ped. Univ. im. I. Ya. Yakovleva. Ser.: Mekh. Pred. Sost., 2023, no. 3(57), pp. 5–24. DOI: 10.37972/chgpu.2023.56.2.012. EDN: DSOUBG. (In Russian).
26. Dudin D.S., Keller I.E., Permyakov G.L., Trushnikov D.N. Modelling of residual stresses and distortions of the wall on a substrate built by wire-arc surfacing. Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, 2024, vol. 17, no. 1, pp. 75–90. EDN: VUNMCP.

Авторские права и лицензия

© 2024 Автор(ы). Статья публикуется в открытом доступе на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» 4.0 Всемирная (CC BY 4.0), которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего указания авторства. Авторские права на статью сохраняются за авторами.