Investigation of residual stresses in steel plates after shot-impact treatment by high spatial resolution neutron diffraction

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Using high-spatial-resolution (~0.2 mm) neutron diffraction, we examined the residual stresses in structural alloyed steel (Cr, Si, Mn) plates, 5 mm in thickness, following shot peening. The analysis revealed that residual stresses form not only near the treated surface but throughout the entire thickness of the plate. Compressive stress zones appear near both treated and untreated surfaces, while tensile stress zones emerge in the middle region. The intensity of the shot peening affects the width of these zones and the magnitude of the maximum stresses. Neutron experiments were conducted to measure stresses near the treated surface of the plates, employing the sin2ψ method. Results obtained via the sin2ψ neutron method were consistent with those from traditional three-component strain measurement techniques. The sin2ψ neutron method proves to be advantageous for measuring stresses near the surfaces of thick samples, since it lacks the limitations of traditional measurement techniques on the thickness of the sample.

全文:

受限制的访问

作者简介

I. Karpov

National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: vtem9@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

V. Em

National Research Center “Kurchatov Institute”

编辑信件的主要联系方式.
Email: vtem9@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

E. Nikolaeva

Irkutsk National Research Technical University

Email: vtem9@mail.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk

I. Sergeichev

Skolkovo Institute of Science and Technology, Center for Materials Technologies

Email: vtem9@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

B. Voloskov

Skolkovo Institute of Science and Technology, Center for Materials Technologies

Email: vtem9@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

P. Mikula

Nuclear Physics Institute CAS

Email: vtem9@mail.ru
捷克共和国, Řež

参考

  1. Prevéy P.S. X-ray Diffraction Residual Stress Techniques // Metals Handbook. 10. Metals Park: American Society for Metals. 1986. P. 380–392.
  2. Prevey P.S. X-Ray Diffraction Characterization of Residual Stresses Produced by Shot Peening. Lambda Research Inc., 1111 Harrison Avenue, Cincinnati, OH 4.5214. 2001. P. 81–93.
  3. Николаева Е.П., Гридасова Е.В., Герасимов В.В. Применение рентгеноструктурного анализа и шумов Баркгаузена для исследования конструкционной стали 30ХГСА после дробеударной обработки // Изв. Самарского научного центра Российской академии наук. 2007. Т. 17. № 2. C. 125–132.
  4. Santana Y.Y., Renault P.O., Sebastiani M., La Barbera J.G., Lesage J., Bemporad E., Le Bourhis E., Puchi-Cabrera E.S., Stai M.H. Characterization and residual stresses of WC–Co thermally sprayed coatings // Surf. Coat. Technol. 2008. V. 202. P. 4560–4565.
  5. Moore M.C., Evans W.P. Mathematical Corrections for Stress in Removed Layers in X-ray Diffraction Residual Stress Analysis // SAE Trans. 1958. V. 66. P. 340–345.
  6. Hutchings M.T., Withers P.J., Holden T.M., Lorentzen N. Introduction to the characterization of residual stress by neutron diffraction. 1-st ed. Tailor and Francis. London, 2005. 434 p.
  7. Ezeilo A., Webster G., Webster P.J., Webster P.S. Comparison of shot peening residual stress distributions in selection of materials / in: D. Kirk (Ed.). International Conference on Shot Peening, Christ Church, Oxford University. UK, 1993. P. 274–281.
  8. Webster P.J., Mills G., Wang X.D., Kang W.P., Holden T.M. Impediments to efficient through-surface strain scanning // J. Neutron Research. 1996. V. 3. P. 223–240.
  9. Evans A.D., King A., Pirling T., Bruno G., Withers P.J. Near surface residual stress determination of laser shock peening by neutron diffraction // J. Neutron Research. 2003. V. 1. № 4. P. 229–233.
  10. Bruno G., Fanara C., Hughes D.J., Ratel N. Procedures for interface residual stress determination using neutron diffraction: Mo-coated steel gear wheel // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2006. V. 246. P. 425–439.
  11. Šaroun J., Rebelo Kornmeier J., Hofmann M., Mikula P., Vrana M. Analytical model for neutron diffraction peak shifts due to the surface effect // J. Appl. Crystallogr. 2013. V. 46. P. 628–638.
  12. Rebelo Kornmeiera J., Hofmann M., Luzin V., Gibmeierd J., Saroune J. Fast neutron surface strain scanning with high spatial resolution // Mater. Characterization. 2019. V. 154. P. 53–60.
  13. Menig R., Pinsshovius L., Shulze V., Vohringer O. Depth profiles of macro residual stresses in thin shot peened steel plates determined by X-ray and neutron diffraction // Scripta Mater. 2001. V.45. P. 977–983.
  14. Luzin V., Vackel A., Valarezo A., Sampas S. Neutron Through-Thickness Stress Measurements in Coatings with High Spatial Resolution // Mater. Sci. Forum. 2017. V. 905. P. 165–173.
  15. Pirling T., Bruno G., Withers P.J. SALSA - A new instrument for strain imaging in engineering materials and components // Mater. Sci. Eng.: A. 2006. V. 437. P. 139–144.
  16. Hofmann M., Schneider R., Seidl G.A., Rebelo-Kornmeier J., Wimpory R.C., Garbe U., Brokmeier H.G. The new materials science diffractometer STRESS-SPEC at FRM-II // Physica B: Condensed Matter. 2006. V. 385–386. Part 2. P. 1035–1037.
  17. Kirstein O., Luzin V., Garbe U. The strain-scanning diffractometer Kowari // Neutron News. 2009. V. 20. P. 34–36.
  18. Luzin V., Spiridonov P., Spencer K., Gnaupel-Herold T. Neutron Diffraction Study of Macrostress and Microstress in Al–Al2O3-Based Corrosion Protection Coating Obtained by Cold Spray (Dynamic Metallization) // J. Therm. Spray Techn. 2020. V. 29. № 6. P. 1437–1454.
  19. Meghwal F., Berndt C.C., Luzin V., Schulz C., Crowe T., Gabel H. ASM Ang, Mechanical performance and residual stress of WC–Co coatings manufactured by Kinetic Metallization // Surf. Coat. Tech. 2021. V. 421. Р. 127359.
  20. Withers P.J., Johnson M.W., Wright J.S. Neutron strain scanning using a radially collimated diffracted beam // Phys. B. 2000. V. 292. P. 273–285. https://doi.org/10.1016/S0921-4526(00)00481-6
  21. Reid M., Olsen S., Luzin V., New M., Booth N., Clowes D., Nguyen T., Franceschini F., Ogrin A., Pangalis S., Paradowska A., Larkin N., Pan Z., Hoye N., Suzuki H. Neutron optics upgrades to the residual stress diffractometer, KOWARI // Mater. Research Proceedings. 2016. V. 2. P. 371–376.
  22. Noyan I.C., Cohen J.B. Residual Stress. Measurement by Diffraction and Interpretation, Springer-Verlag. New York, Berlin, Heidelberg, 1987. 276 p.
  23. Hauk V.M., Oudelhoven R.W.M., Vaessen G.J.H. The State of Residual Stress in the Near Surface Region of Homogeneous and Heterogeneous Materials after Grinding // Metal. Trans. 13A. 1982. P. 1239–1244.
  24. ISO 21432:2019 Non-destructive testing — Standard test method for determining residual stresses by neutron diffraction. ISO. Geneva. Switzerland. 2019. 45 p.
  25. Эм В.Т., Балагуров А.М., Глазков В.П., Карпов И.Д., Mikula P., Мирон Н.Ф., Соменков В.А., Сумин В.В., Saroun J., Шушунов М.Н. Двойной монохроматор для нейтронной стресс-дифрактометрии // ПТЭ. 2017. № 4. C. 75–81. [Em V.T., Balagurov A.M., Glazkov V.P., Karpov I.D., Mikula P., Miron N.F., Somenkov V.A., Sumin V.V., Šaroun J., Shushunov M.N. A double-crystal monochromator for neutron stress diffractometry // Instr. exper. techn. 2017. V. 60. № 4. P. 526–532.]
  26. Em V.T., Karpov I.D., Somenkov V.A., Glazkov V.P., Balagurov A.M., Sumin V.V., Mikula P., Šaroun J. Residual stress instrument with double-crystal monochromator at research reactor IR-8 // Physica B: Condensed Matter. 2018. V. 551. P. 413–416.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Position of the test volume (TV) for: (a) complete and (b) partial immersion in the sample material.

下载 (10KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Sample diagram and main directions: X — longitudinal (Length), Y — transverse (Transverse), Z — normal (North). Dimensions are given in millimetres.

下载 (7KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Scheme of a collimator with a 0.2 mm slit.

下载 (5KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Strains and stresses at the measurement point (x, y, z) in the sample coordinate system (X, Y, Z): εxx, εyy, εzz are strains in the X, Y, Z directions; σxx, σyy, σzz are stresses in the X, Y, Z directions; φ, ѱ are direction angles; εφψ is strain in the direction specified by angles φ, ѱ; σφψ is stress in the direction specified by angles φ, ѱ; εφ is strain in the direction specified by angle φ at ѱ = 90°; σφ is stress in the direction specified by angle φ at ѱ = 90°; (0, 0, 0) is the origin of the coordinate system (X, Y, Z).

下载 (2KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Dependence on depth for plates 1 and 2: position of the diffraction peak in the VSD (1a, 2a); intensity of the diffraction peak (1b, 2b); residual stresses (1c, 2c).

下载 (74KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Results of determining the transverse component of stresses at a depth of 0.15–0.4 mm in Plate 2 using the sin2ψ method at seven (σ7) and eight (σ8) angles ψ (the eighth angle ψ = 90°) at a depth of 0.15 mm (a), 0.2 mm (b), 0.3 mm (c), 0.4 mm (d).

下载 (49KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Results of determining the longitudinal component of stresses in Plate 2 using the sin2ψ method at seven (σ7) and eight (σ8) angles ψ (the eighth angle ψ8 = 90°) at a depth of 0.15 mm (a) and 0.2 mm (b).

下载 (25KB)
索引源数据
9. Fig. 8. Results of measuring the transverse component of stresses by the sin2ψ method at seven (σ7) angles ψ using slits 0.5 mm wide (PO = 0.5×0.5×17 mm3) at a depth of: 0.5 mm (a), 0.75 mm (b), 1 mm (c). σ3comp — stress values ​​obtained by measuring three strain components.

下载 (44KB)
索引源数据


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».