Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния очага деформации заготовки из УМЗ Ti Grade 4, подвергнутой безабразивной ультразвуковой финишной обработке

Эффективным подходом к повышению сопротивления усталости металлических изделий является создание на поверхности изделия сжимающих остаточных напряжений с помощью его обработки методами поверхностного пластического деформирования (ППД). Один из эффективных методов ППД – процесс безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО). Также известным подходом к повышению механических характеристик, в том числе усталостного сопротивления, является создание в изделии ультрамелкозернистого (УМЗ) структурного состояния. Настоящая работа посвящена исследованию с помощью конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния УМЗ-заготовки, подвергнутой ППД методом БУФО. В качестве материала заготовки выбран технически чистый титан марки Grade 4 в УМЗ-состоянии, полученный методом равноканального углового прессования по схеме «Конформ» (РКУП-К). В ходе исследования проведен анализ напряженно-деформированного состояния очага деформации после однократного удара индентора с последующей разгрузкой в упругопластической постановке задачи. Рассмотрено влияние амплитуды колебаний индентора и его геометрических характеристик на радиальные остаточные напряжения, в том числе глубину их залегания, среднее нормальное напряжение и интенсивность деформации. Установлено, что с увеличением радиуса индентора снижается значение интенсивности деформации (e). Характер распределения параметра e – градиентный, с уменьшением значений от поверхности к центру заготовки. Анализ результатов моделирования показывает, что радиальные остаточные напряжения в области очага деформации являются преимущественно сжимающими и, соответственно, позволят повысить сопротивление усталости готового изделия. Выявлено, что с увеличением амплитуды колебаний индентора возрастают и значения сжимающих радиальных остаточных напряжений – их максимум достигает 540 МПа при амплитуде 75 мкм с глубиной залегания этих напряжений до 0,3 мм. Увеличение радиуса индентора, т.е. фактически площади контакта, ведет к повышению величины сжимающих радиальных остаточных напряжений, причем практически линейно.

1. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. М.: Наука, 2002.

2. Brunette D.M., Tengvall P., Textor M., Thomsen P. Titanium in medicine. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2001.

3. Elias C.N., Lima J.H.C., Valiev R., Meyers M.A. Biomedical applications of titanium and its alloys. JOM. 2008. Vol. 60. P. 46—49. DOI: 10.1007/s11837-008-0031-1.

4. Lowe T., Valiev R.Z. Investigations and applications of severe plastic deformation: NATO Science Partnership Subser. 3. Springer Science & Business Media, 2000.

5. Zehetbauer M.J., Valiev R.Z. Nanomaterials by severe plastic deformation. John Wiley & Sons, 2006.

6. Segal V.M. Materials processing by simple shear. Mater. Sci. Eng. A. 1995. Vol. 197. P. 157—164.

7. Эрдеди А.А., Медведев Ю.А., Эрдеди Н.А. Техническая механика: Теоретическая механика. Сопротивление материалов. М.: Высш. шк., 1991.

8. Pande C.S., Imam M.A., Srivatsan T.S. Fundamentals of fatigue crack initiation and propagation: A review. In: Fatigue of materials advances and emergences in understanding. TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2010. P. 1—18.

9. Li L., Kim M., Lee S., Bae M., Lee D. Inflence of multiple ultrasonic impact treatments on surface roughness and wear performance of SUS301 steel. Surf. Coat. Technol. 2016. Vol. 307. P. 517—524.

10. Liu C.S., Liu D.X., Zhang X.H., Liu D., Ma A.M., Ao N., Xu X.C. Improving fatigue performance of Ti—6Al—4V alloy via ultrasonic surface rolling process. J. Mater. Sci. Technol. 2019. Vol. 35. P. 1555—1562.

11. Федчишин О.В., Трофимов В.В., Клименов В.А. Влияние ультразвуковой обработки на структуру и физико-механические свойства титана ВТ1-0. Сиб. мед. журн. 2009. No. 6. С. 189—192.

12. Zhang H., Chiang R., Qin H.F., Ren Z.C., Hou X.N., Lin D., Doll G.L., Vasudevan V.K., Dong Y.L., Ye C. The effects of ultrasonic nanocrystal surface modifiation on the fatigue performance of 3D-printed Ti64. Int. J. Fatigue. 2017. Vol. 103. P. 136—146.

13. Liu J., Suslov S., Ren Z.C., Dong Y.L., Ye C. Microstructure evolution in Ti64 subjected to laser-assisted ultrasonic nanocrystal surface modifiation. Int. J. Mach. Tools. Manuf. 2019. Vol. 136. P. 19—33.

14. Холопов Ю.В. Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов — технология ХХI века. Металлообработка. 2002. No. 4. С. 46—48.

15. Александров М.К., Папшева Н.Д., Акушская О.М. Ультразвуковое упрочнение деталей ГТД. Вестн. Самар. гос. аэрокосм. уни-та. 2011. No. 3 (27). C. 271—276.

16. Козлов Э.В., Громов В.Е., Коваленко В.В., Попова Н.А. Градиентные структуры в перлитной стали. Новокузнецк: СибГИУ, 2004.

17. Иванов Ю.Ф., Ефимов О.Ю., Попова Н.А., Коваленко В.В., Коновалов С.В., Громов В.Е., Козлов Э.В. Формирование градиентных структурно-фазовых состояний на наномасштабном уровне в прокатных валках. Фундам. пробл. соврем. материаловедения. 2008. No. 4. C. 55—58.

18. Lu K. Making strong nanomaterials ductile with gradients. Science. 2014. Vol. 345. P. 1455—1456.

19. Kattoura M., Telang A., Mannava S.R., Qian D., Vasudevan V.K. Effect of ultrasonic nanocrystal surface modifiation on residual stress, microstructure and fatigue behavior of ATI 718Plus alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2018. Vol. 711. P. 364—377.

20. Liu D., Liu D.X., Zhang X.H., Liu C.S., Ao N. Surface nanocrystallization of 17-4 precipitation-hardening stainless steel subjected to ultrasonic surface rolling process. Mater. Sci. Eng. A. 2018. Vol. 726. P. 69—81.

21. Müller M., Lebedev A., Svobodová J., Náprsková N., Lebedev P. Abrasive-free ultrasonic finishing of metals. Manuf. Technol. 2014. Vol. 14 (3). P. 366—370.

22. Aleš Z., Pavlů J., Hromasová M., Svobodová J. Tribological properties of brass surfaces machined by abrasive — free ultrasonic finishing process. Manuf. Technol. 2019. Vol. 19 (1). P. 3—8.

23. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Каминский П.П., Шаркеев Ю.П., Лотков А.И. Ультразвуковая поверхностная обработка — перспективный способ повышения ресурса работы деталей железнодорожного транспорта. Вестн. СНУ им. В. Даля. 2010. Т. 152. No. 10. С. 117—121.

24. Klimenov V.A., Kovalevskaya Zh.G., Kaminskii P.P., Sharkeev Yu.P., Lotkov A.I. Ultrasonic surface treatment — a promising way to increase the service life of railway transport parts. Bull. Dahl Nat. Res. Univ. 2010. Vol. 152. No. 10. P. 117—121 (In Russ.).

25. Ковалевская Ж.Г., Иванов Ю.Ф., Перевалова О.Б., Клименов В.А., Уваркин П.В. Исследование микроструктуры поверхностных слоев малоуглеродистой стали после точения и ультразвуковой финишной обработки. Физика металлов и металловедение. 2013. Т. 114. No. 1. С. 47—60.

26. Kovalevskaya Zh.G., Ivanov Yu.F., Perevalova O.B., Klimenov V.A., Uvarkin P.V. Investigation of microstructure of surface layers of low-carbon steel after turning and ultrasonic finishing. Fizika metallov i metallovedenie. 2013. Vol. 114. No. 1. P. 47—60 (In Russ.).

27. Chao Guo, Wang Zhijiang, Wang Dongpo, Hu Shengsun. Numerical analysis of the residual stress in ultrasonic impact treatment process with single-impact and twoimpact models. Appl. Surf. Sci. 2015. Vol. 347. P. 596—601.

28. Gunderov D.V., Polyakov A.V., Churakova A.A., Semenova I.P., Raab G.I., Valiev R.Z., Gemaletdinova E., Sabirov I., Segurado J., Sitdikov V.D., Alexandrov I.V., Enikeev N.A. Evolution of microstructure, macrotexture and mechanical properties of commercially pure Ti during ECAP-Conform. Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 562. P. 128—136. DOI: 10.1016/j.msea.2012.11.007.

29. Sibum H., Güther V., Roidl O., Habashi F., Uwe H., Wolf H., Siemers C. Titanium, titanium alloys, and titanium compounds. In: Ullmann’s encyclopedia of industrial chemistry. 2017. P. 1—35.

30. Meier L., Schaal N., Wegener K. In-process measurement of the coefficient of friction on titanium. Procedia CIRP. 2017. Vol. 58. P. 163—168.

31. Morikage Y., Igi S., Oi K., Jo Y., Murakami K., Gotoh K. Effect of compressive residual stress on fatigue crack propagation. Procedia Eng. 2015. Vol. 130. P. 1057—1065.

32. Kodama S., Misawa H., Ohsumi K. Compressive residual stress on fatigue fractured surface. In: Int. Conf. on residual stresses. Dordrecht: Springer, 1989.