Влияние остаточных напряжений на зарождение и развитие поврежденности в металлических образцах после лазерной ударной проковки

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10168

НазваниеВлияние остаточных напряжений на зарождение и развитие поврежденности в металлических образцах после лазерной ударной проковки

Руководитель Изюмова Анастасия Юрьевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук , Пермский край

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова Лазерная ударная проковка, поле остаточных напряжений, скорость роста трещины, тепловой поток, акустическая эмиссия, инфракрасная термография, теория критических дистанций

Код ГРНТИ30.19.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Конструкторские методы обеспечения прочности и надежности на сегодняшний день, по-видимому, исчерпали свои возможности. Им на смену приходят технологические методы повышения ресурса изделий, которые широко применяются в различных отраслях промышленности (авиастроении при производстве деталей для газотурбинных двигателей, строительстве нефте- и газопроводов, судостроении для обработки сварных соединений). Одним из таких методов является лазерная ударная проковка (ЛУП). Преимущества метода – управляемый источник тепла, небольшая тепловая нагрузка на материал, возможность применения на различной геометрии образцов – делают эту методику наиболее конкурентоспособной с экономической и практической точки зрения. Суть технологии заключается в модификации свойств поверхностного слоя и создание поля остаточных напряжений. Пространственная конфигурация поля остаточных напряжений играет значительную роль в зарождении дефектов и развитии поврежденности материала. Открытым остается вопрос контроля получаемого остаточного деформированного состояния и его влияния на прочностные свойства материала и скорость распространения трещины в модифицированном слое. Существует целый ряд методик для построения эпюр остаточных напряжений (метод колец и полосок, замеров прогибов и деформаций, сверления, метод Закса). Все они не дают полной информации о распределении полей остаточных напряжений по объему, поскольку позволяют экспериментально определить лишь одну или две компоненты остаточных напряжений, причем только в области, прилегающей к поверхности. Целью проекта является оценка влияния поля остаточных напряжений, создаваемых в результате ЛУП, на развитие поврежденности металлических образцов на основе термодинамических и экустико-эмиссионных характеристик материала в процессе деформирования. Полученные результаты, верифицированные структурными исследованиями, позволят выявить основные особенности распространения трещины в модифицированном слое. В частности, косвенно оценить эффективность остаточных напряжений, связать количественные (максимальная величина сжимающих напряжений) и пространственные (толщина модифицированного слоя) характеристики поля остаточных напряжений с прочностью, скоростью роста трещины, интенсивностью теплового потока и энергии сигнала акустической эмиссии в области процесса. Одной из актуальных задач проекта так же является оценка применимости теории критических дистанций (ТКД) для прогнозирования прочности металлических материалов после ЛУП. ТКД широко используется в зарубежной практике как быстрый и экономичный способ определения момента отказа детали. Нерешенной остается вопрос влияния наведенных полей остаточных напряжений в металлическом образце с концентратором после ЛУП на величину критической дистанции и, как следствие, точности прогнозирования отказа. В связи с этим, в рамках проекта планируется решить актуальную задачу о связи величины критической дистанции с величиной максимальных сжимающих напряжений и глубины, на которой остаточные напряжения равны нулю.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Костина А.А., Изюмова А.Ю., Плехов О.А. Numerical Modeling of Energy Dissipation during Fatigue Crack Propagation in Metals Procedia Structural Integrity, V. 42, pp. 425–432 (год публикации - 2022)
10.1016/j.prostr.2022.12.054

2. Изюмова А.Ю., Желнин М.С., Костина А.А., Вшивков А.Н., Гачегова Е.А., Плехов О.А., Сваруп С. Fatigue life investigation of notched TC4 specimens subjected to different patterns of laser shock peening Frattura ed Integrità Strutturale (год публикации - 2023)

3. Изюмова А.Ю., Вшивков А.Н., Плехов О.А. Развитие экспериментальной методики оценки эволюции усталостной трещины в титановых сплавах на основе энергетического подхода Физическая мезомеханика, Т. 26. – №5. – С. 61-70 (год публикации - 2023)
10.55652/1683-805X_2023_26_5_61

4. Изюмова А., Вшивков А., Пантелеев И., Мубассарова В., Плехов О., Давыдов Д. Structural, thermal and acoustic aspects of crack propagation in titanium alloys Engineering Fracture Mechanics, V. 295. – P. 109735 (год публикации - 2024)
10.1016/j.engfracmech.2023.109735

5. Желнин М., Костина А., Изюмова А., Вшивков А., Гачегова Е., Плехов О.,Сваруп С. Fatigue life investigation of notched TC4 specimens subjected to different patterns of laser shock peening Frattura ed Integrità Strutturale, V. 65. – P. 100-111 (год публикации - 2023)
10.3221/IGF-ESIS.65.08

6. Сабиров Р., Изюмова А., Вшивков А., Гачегова Е., Пантелеев И., Плехов О. The effect of laser shock peening on the thermophysical parameters of metals REVIEWS ON ADVANCED MATERIALS AND TECHNOLOGIES, Vol. 5. – No. 4. – Pp. 1–5 (год публикации - 2023)
10.17586/2687-0568-2023-5-4-1-5

7. Вшивков А.Н., Изюмова А.Ю., Гачегова Е.А., Плехов О.А. Structural and fatigue features of titanium alloy Ti64 after different laser shock peening modes Russian Physics Journal, V. 67, P. 287-295 (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03120-5

8. Вшивков А.Н., Изюмова А.Ю., Пантелеев И.А., Плехов О.А. О методе оценки распределения пластической деформации в области вершины усталостной трещины на основе решения задачи линейной теории упругости Вестник ПНИПУ. Механика, №6, С. 41-49 (год публикации - 2023)
10.15593/perm.mech/2023.6.04

9. Изюмова А.Ю., Желнин М.С., Костина А.А., Вшивков А.Н., Гачегова Е.А., Плехов О.А. Effect of laser shock peening patterns on fatigue life of notched TC4 specimens Science Talks, V. 9, P. 100290 (год публикации - 2024)
10.1016/j.sctalk.2023.100290

10. Вшивков А.Н., Изюмова А.Ю., Гачегова Е.А., Бартоломей М.Л., Плехов О.А., Угольников М.В., Ильиных А.В., Вильдеман В.Э. Crack Propagation Under Residual Stress Field Induced by Laser Shock Peening Russian Physics Journal, V. 67. – N. 9. – P. 1449-1455 (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03267-1

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения третьего этапа проекта изучалась применимость теории критических дистанций для оценки прочности цилиндрических образцов из технического титана ВТ1-0, подвергнутых лазерной ударной обработке. Основной задачей стало сравнение данных микроструктурного анализа поперечного сечения обработанных образцов и толщины слоя со сжимающими остаточными напряжениями с величиной критической дистанции, полученной численными методами. Был выполнен комплекс экспериментальных исследований, в частности, механические испытаний по квазистатическому растяжению базовых и обработанных лазерным ударом цилиндрических образцов из технического титана ВТ1-0 при скоростях деформирования 0,01–5 мм/с, микроструктурный анализ поперечного сечения образцов методом дифракции обратного рассеяния электронов, а также проведено численное моделирование полей остаточных напряжений и численный эксперимент по определению напряженно-деформированного состояния образцов после статического растяжения при наличии в поверхностном слое поля остаточных напряжений. В результате экспериментальных работ, в ходе которых был испытан 61 образец, включая гладкие и ослабленные кольцевыми надрезами с радиусами 0,1 мм и 1 мм, была сформирована база данных по разрушающей нагрузке, времени разрушения и скорости нагружения. Результаты численного моделирования показали, что критическая дистанция, определяющая зону влияния концентратора напряжений, увеличивается с 0,3 мм (базовые образцы) до 0,7 мм после обработки. Это может быть связано с формированием поля сжимающих остаточных напряжений, что подтверждается расчётами распределения полей остаточных напряжений и оценкой толщины слоя со сжимающими остаточными напряжениями (порядка 0,34–0,75 мм). Микроструктурный анализ выявил в приповерхностном слое (до 150 мкм) повышенную плотность двойников деформации, указывающую на пластические деформации, вызванные слабой ударной волной в процессе высокоэнергетического короткоимпульсного лазерного воздействия. Максимальные сжимающие напряжения (500–650 МПа) локализованы на глубине 0,05–0,15 мм, что коррелирует с зоной повышенной плотности двойников. Таким образом, применение метода точки в рамках теории критических дистанций для оценки величины критической дистанции на образцах после лазерной ударной обработки показало возможность ее использования при учёте поля остаточных напряжений. Лазерная ударная обработка увеличивает критическую дистанцию более чем в 2 раза. Микроструктурные исследования указывают на корреляцию между глубиной сжимающих остаточных напряжений и величиной критической дистанции. Для уточнения результатов необходимо расширить статистику экспериментов и применить теорию критических дистанций для оценки влияние лазерной ударной обработки на усталостные характеристики. Полученные результаты демонстрируют потенциал теории критических дистанций в сочетании с численными методами для оптимизации технологий поверхностной обработки материалов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты исследований по оптимизации лазерной ударной обработки (ЛУО) титановых сплавов Вт6 и Вт1-0 создают основу для внедрения инновационных методов упрочнения материалов в стратегических отраслях, таких как авиастроение, энергетика и медицина. Предложенные режимы ЛУО позволяют увеличить усталостный ресурс конструктивно-подобных образцов из титанового сплава Вт6 в 8 раз (с 130 тыс. до 3,1 млн циклов), что показывает потенциал ЛУО для снижения эксплуатационных расходов за счет сокращения частоты замены критических деталей в авиационных двигателях, медицинских имплантатах и оборудовании для экстремальных условий. Это способствует импортозамещению и открывает экспортные возможности для высокотехнологичной продукции. Создание экспериментальной базы данных, включающей параметры усталостных испытаний, профили остаточных напряжений и микроструктурные характеристики, формирует основу для цифровизации материаловедения, прогнозирования долговечности конструкций и разработки цифровых двойников, что соответствует целям технологической модернизации промышленности. В социальном аспекте повышение безопасности транспортных и энергетических систем за счет увеличения надежности компонентов снижает риски аварий. Таким образом, реализация результатов проекта способна обеспечить значительную экономию средств, повысить конкурентоспособность отечественных технологий и улучшить качество жизни населения через безопасность инфраструктуры и создание высокотехнологичных рабочих мест.