Численный анализ остаточных напряжений при двухстороннем симметричном лазерном ударном упрочнении тонких пластин из титанового сплава ВТ6
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2024.17.4.33Ключевые слова:
лазерное ударное упрочнение, остаточные напряжения, конечно-элементное моделирование, титановые сплавыАннотация
Технология лазерного ударного упрочнения позволяет создать на глубину более 1 мм остаточные напряжения первого рода (по Давиденкову) в приповерхностной зоне изделий, изготовленных из металлов и сплавов. Широкие экспериментальные исследования показывают, что лазерное ударное упрочнение существенно улучшает их механические свойства, повышает усталостный ресурс, защищает от коррозии. Однако при применении данной технологии к изделиям достаточно малой толщины (например, кромкам турбинных лопаток, лезвиям режущих инструментов) необходимо подбирать такие параметры лазерного импульсного воздействия, которые не вызовут формоизменения. В данной статье представлен подход к численному моделированию процесса формирования полей остаточных напряжений в результате лазерного ударного упрочнения при уменьшении толщины изделий с 3 до 0.35 мм с варьированием величины и последовательности приложения лазерного импульса. Для моделирования распространения упругопластических волн использовалось определяющее соотношение Джонсона-Кука. Далее осуществлялся статический расчет распределения остаточных напряжений с учетом созданных полей пластических деформаций. Полученные поля остаточных напряжений сравнивались между собой при разных условиях воздействия на изделие: с одной стороны; при последовательной обработке с двух сторон; при двухсторонней симметричной обработке. Проведенный анализ рассчитанных полей напряжений показал, что для образования поля сжимающих остаточных напряжений в приповерхностной зоне изделий, толщина которых менее 1 мм, эффективно применение двухстороннего симметричного воздействия. При таком упрочнении удается избежать выгибания изделий и формирования полей растягивающих напряжений. Выявлено, что увеличение интенсивности энергии лазерного удара позволяет, с одной стороны, повысить (по модулю) величину минимального главного остаточного напряжения (сжимающего) в зоне обработки, а с другой стороны, увеличить максимальное главное остаточное напряжение (растягивающее, уравновешивающее) на удалении от зоны воздействия.
Скачивания
Библиографические ссылки
Askar’yan G.A., Moroz É.M. Pressure on evaporation of matter in a radiation beam // Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1963. Vol. 43. P. 1638–1639.
White R.M. Elastic Wave Generation by Electron Bombardment or Electromagnetic Wave Absorption // Journal of Applied Physics. 1963. Vol. 34. P. 2123–2124. DOI:10.1063/1.1729762
Peyre P., Fabbro R. Laser shock processing: a review of the physics and applications // Optical and Quantum Electronics. 1995. Vol. 27. P. 1213–1229. DOI:10.1007/BF00326477
Peyre P., Scherpereel X., Berthe L., Fabbro R. Current trends in laser shock processing // Surface Engineering. 1998. Vol. 14, no. 5. P. 377–380. DOI:10.1179/sur.1998.14.5.377
Clauer A.H. Laser Shock Peening, the Path to Production // Metals. 2019. Vol. 9, no. 6. 626. DOI:10.3390/met9060626
Clauer A.H. A historical perspective on laser shock peening // Metal Finishing News. 2009. Vol. 10. P. 18–19.
Gujba A.K., Medraj M. Laser Peening Process and Its Impact on Materials Properties in Comparison with Shot Peening and Ultrasonic Impact Peening // Materials. 2014. Vol. 7. P. 7925–7974. DOI:10.3390/ma7127925
Поздеев А.А., Няшин Ю.И., Трусов П.В. Остаточные напряжения: теория и приложения. М.: Наука, 1982. 109 с.
Tang Z., Gao J., Xu Z., Guo B., Jiang Q., Chen X., Weng J., Li B., Chen J., Zhao Z. Effect of Laser Shock Peening on the Fatigue Life of 1Cr12Ni3Mo2VN Steel for Steam Turbine Blades // Coatings. 2023. Vol. 13. 1524. DOI: 10.3390/coatings13091524
Давиденков Н.Н. К вопросу о классификации и проявлении остаточных напряжений // Заводская лаборатория. 1959. № 3. С. 318-319.
Биргер А.И. Остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1963. 223 с.
Pan X., Li X., Zhou L., Feng X., Luo S., He W. Effect of Residual Stress on S-N Curves and Fracture Morphology of Ti6A14V Titanium Alloy after Laser Shock Peening without Protective Coating // Materials. 2019. Vol. 12, no. 22. 3799. DOI:10.3390/mal2223799
Ouyang P., Luo X., Dong Z., Zhang S. Numerical Prediction of the Effect of Laser Shock Peening on Residual Stress and Fatigue Life of Ti-6A1-4V Titanium Alloy // Materials. 2022. Vol. 15, no. 16. 5503. DOI: 10.3390/mal5165503
Bakhtiari M., Fayazi Khanigi A., Seyed-Salehi M., Farnia A. Ti6A14V Bone Implants: Effect of Laser Shock Peening on Physical, Mechanical, and Biological Properties // Journal of Materials Engineering and Performance. 2023. DOI:10.1007/sll665-023^08511-2
Cao Z., Xu H., Zou S., Che Z. Investigation of Surface Integrity on ТС 17 Titanium Alloy Treated by Square-spot Laser Shock Peening//Chinese Journal of Aeronautics. 2012. Vol. 25. P. 650-656. DOI:10.1016/S1000-9361(11)60429-9
Kallien Z., Keller S., Ventzke V., Kashaev N., Klusemann B. Effect of Laser Peening Process Parameters and Sequences on Residual Stress Profiles // Metals. 2019. Vol. 9. 655. DOI: 10.3390/met9060655
Sun R., He G., Bai H., Yan J., Guo W. Laser Shock Peening of Ti6A14V Alloy with Combined Nanosecond and Femtosecond Laser Pulses // Metals. 2022. Vol. 12. 26. DOI:1Q.3390/met12010026
Achintha M., Nowell D. Residual stress in geometric features subjected to laser shock peening // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2014. Vol. 229, no. 11. P. 1923-1938. DOI: 10.1177/0954406214550511
Ballard P., Fournier J., Fabbro R., Frelat J. Residual stresses induced by laser-shocks // Le Journal de Physique IV. 1991. Vol. 1. p. 487-494. DOI:1Q.1051/jp4:1991369
Канелъ Г. И., Гаркушин Г.В., Разоренов С.В. Температурно-скоростные зависимости напряжения течения и сопротивления разрушению титанового сплава ВТ6 в условиях ударного нагружения при температурах 20 и 600 °C // Журнал технической физики. 2016. Т. 86, № 8. С. 111-117.
Fan Y., Wang Y., Vukelic S., Yao Y.L. Numerical Investigation of Opposing Dual Sided Microscale Laser Shock Peening // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2007. Vol. 129, no. 2. P. 256-264. DOI:10.1115/1.2540771
Staden S.N, Polese C., Glaser D., Nobre J. -P, Venter A.M., Marais D., Okasinski J., Park J. -S. Measurement of residual stresses in different thicknesses of laser shock peened aluminium alloy samples // Materials Research Proceedings (MRP). 2018. Vol. 4. P. 117-122. DOI:10.21741/9781945291678-18
Багмутов В.П., Денисович Д.С., Захаров И.Н., Захаров И.Н. Моделирование связанных процессов формирования остаточных напряжений в металлическом сплаве с учетом трансформации структуры при импульсном термосиловом поверхностном упрочнении // Вычислительная механика сплошных сред. 2022. Т. 15, №4. С. 449-465. DOI:10.7242/1999-6691/2022.15.4.35
Кузькин В.А., Михалюк Д.С. Применение численного моделирования для идентификации параметров модели Джонсона-Кука при высокоскоростном деформировании алюминия // Вычислительная механика сплошных сред. 2010. Т. 3, № 1. С. 32-43. DOI:10.7242/1999-6691/2010.3.1.4
Kuliiev R., Keller S., Kashaev N. Identification of Johnson-Cook material model parameters for laser shock peening process simulation for AA2024, Ti-6A1-4V and Inconel 718 // Journal of Materials Research and Technology. 2024. Vol. 28. P. 1975-1989. DOI:10.1016/j.jmrt.2023.11.168
Fabbro R., Fournier J., Ballard P., Devaux D., Virmont J. Physical study of laser-produced plasma in confined geometry // Journal of Applied Physics. 1990. Vol. 68. P. 775-784. DOI: 10.1063/1.346783
Kostina A., Zhelnin M., Swaroop S., Vedernikova A., Bartolomei M. Finite-element simulation of residual stresses induced by laser shock peening in TC4 samples structurally similar to a turbine blade // Frattura ed Integrita Strutturale. 2024. Vol. 18, no. 67. P. 1-11.DOI: 10.3221/IGF-ESIS. 67.01
Rendler N.J., Vigness I. Hole-drilling strain-gage method of measuring residual stresses // Experimental Mechanics. 1966. Vol. 6. P. 577-586. DOI: 10.1007/BF02326825
Tang Y., Li S., Liao Y., Ma Y., Wu X., Chi Y., Lin C., Zhang Y. Improvement of fatigue life of Ti-6Al-4V alloy treated by double-sided symmetric oblique laser shock peening // Materials Today Communications. 2024. Vol. 39. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2024.11091211
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.