1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика металлов и металловедение
  4. T. 124, № 5, 2023

Физика металлов и металловедение, 2023, T. 124, № 5, стр. 443-450

Исследование остаточных напряжений в стальных пластинах, полученных методом прямого лазерного выращивания на жесткой подложке

И. Д. Карпов a, В. Т. Эм a, *, С. А. Рылов a, С. Ю. Иванов b, Е. В. Земляков b, К. Д. Бабкин b

a НИЦ “Курчатовский институт”
123182 Москва, пл. Академика Курчатова, 1, Россия

b СПбГМТУ
190121 Санкт-Петербург, просп. Маршала Жукова, 38-а, Россия

* E-mail: vtem9@mail.ru

Поступила в редакцию 01.03.2023
После доработки 01.04.2023
Принята к публикации 07.04.2023

Аннотация

Методом дифракции нейтронов проведено исследование остаточных напряжений в пластинах из коррозионностойкой мартенситной стали AISI 410 (в мас. % 0.15С, 13Cr, <1Mn, <1Si, основа Fe), полученных путем прямого лазерного выращивания. Пластины выращивались на жестких подложках, которые обычно используются на практике при производстве крупногабаритных деталей. Показано, что в пластинах разной толщины (2.4 и 7.2 мм) и одинакового размера по длине и ширине (70 × 30 мм) кривые распределения напряжений по форме имеют большое сходство, однако напряжения в пластине толщиной 7.2 мм ниже, чем в пластине толщиной 2.4 мм. В обеих пластинах (2.4/7.2 мм) максимальные растягивающие нормальные напряжения (~450/350 МПа) образуются вблизи боковых ребер у подложки. Максимальные растягивающие продольные напряжения (~400/250 МПа) образуются в средней части пластины вблизи верхнего ребра. В средней части пластины толщиной 7.2 мм имеется распределение напряжений по толщине: напряжения вблизи боковых поверхностей выше, чем в середине толщины. При приближении к ребрам пластины распределение по толщине становится более однородным. Характер распределения напряжений в пластинах, полученных методом прямого лазерного выращивания, сильно зависит от жесткости подложки и в меньшей степени от материала и технологии выращивания.

Ключевые слова: дифракция нейтронов, остаточные напряжения, аддитивные технологии, прямое лазерное выращивание, сталь AISI 410

Список литературы

  1. Туричин Г., Климова О., Земляков Е., Бабкин К., Сомонов В., Шамрай Ф., Травянов А., Петровский П. Технологические основы высокоскоростного прямого лазерного выращивания изделий методом гетерофазной порошковой металлургии // Фотоника. 2015. № 4. С. 68–83.

  2. Ma N., Murakawa H., Ueda U. Welding Deformation and Residual Stress Prevention. first ed., Butterworth-Heinemann. 2012. 292 p. https://doi.org/10.1016/C2011-0-06199-9

  3. Köhler H., Partes K., Kornmeier J.R., Vollertsen F. Residual stresses in steel specimens induced by laser cladding and their effect on fatigue strength // Phys. Procedia. 2012. V. 39. P. 354–361. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.10.048

  4. Zhaia Y., Galarraga H., Lados D.A. Microstructure Evolution, Tensile Properties, and Fatigue Damage Mechanisms in Ti-6Al-4V Alloys Fabricated by Two Additive Manufacturing Techniques // Procedia Eng. 2015. V. 114. P. 658–666. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.007

  5. Spierings A.B., Starr T.L., Wegener K. Fatigue performance of additive manufactured metallic parts // Rapid Prototyping J. 2013. V. 19. P. 88–94. https://doi.org/10.1108/13552541311302932

  6. Pratt P., Felicelli S.D., Wang L., Hubbard C.R. Residual stress measurement of laser-engineered net shaping AISI 410 thin plates using neutron diffraction // Metal. Mater. Trans. A. 2008. V. 39A. P. 3155–3163. https://doi.org/10.1007/s11661-008-9660-9

  7. Wang L., Felicelli S.D., Pratt P. Residual stresses in LENS-deposited AISI 410 stainless steel plates // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 496. P. 234–241. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.05.044

  8. Rangaswamy P., Holden T.M., Rogge R.B., Griffith M.L. Residual stresses in components formed by the laser engineered net shaping (LENS) process // J. Strain Analysis. 2003. V. 38. P. 519–527.

  9. Rangaswamy P., Griffth M.L., Prime M.B., Holden T.M., Rogge R.B., Edwards J.M., Sebring R.J. Residual stresses in LENS components using neutron diffraction and contour method // Mater. Sci. Eng. A. 2005. V. 399. P. 72–83. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.02.019

  10. Szost B.A., Terzi S., Martina F., Boisselier D., Prytuliak A., Pirling T, Hofmann M., Jarvis D.J. A comparative study of additive manufacturing techniques: Residual stress and microstructural analysis of CLAD and WAAM printed Ti–6Al–4V components // Mater. Des. 2016. V. 89. P. 559–567. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.09.115

  11. Luzin V., Hoye N. Stress in thin wall structures made by layer additive manufacturing // Materials Res. Proceedings. 2016. V. 2. P. 497–502. https://doi.org/10.21741/9781945291173-84

  12. Colegrove P.A., Coules H.E., Fairman J., Martina F., Kashoob T., Mamash H., Cozzolino L.D. Microstructure and residual stress improvement in wire and arc additively manufactured parts through high-pressure rolling // J. Mater. Process. Technol. 2013. V. 213. P. 1782–1791. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.04.012

  13. Wang Z., Denlinger E., Michaleris P., Stoica A.D., Ma D., Beese A.M. Residual stress mapping in Inconel 625 fabricated through additive manufacturing: Method for neutron diffraction measurements to validate thermomechanical model predictions // Mater. Des. 2017. V. 113. P. 169–177. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.10.003

  14. Sochalski-Kolbus L.M., Payzant E.A., Cornwell P.A., Watkins T.R., Babu S.S., Dehoff R.R., Lorenz M., Ovchinnikova O., Duty C. Comparison of residual stresses in Inconel 718 simple parts made by electron beam melting and direct laser metal sintering // Metal. Mater. Trans. A. 2015. V. 46A. P. 1419–1432. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2722-2

  15. Em V.T., Ivanov S.Y., Karpov I.D., Rylov S.A., Zemlyakov E.V., Babkin K.D. Residual stress measurement of laser metal deposited Ti-6Al-4V parts using neutron diffraction // J. Phys.: Conf. Series. 2018. V. 1109. P. 012 049.

  16. Ivanov S., Zemlyakov E., Babkin K., Turichin G., Karpov I., Em V., Rylov S. Stress distribution in laser metal deposited multi-layer thick-walled parts of Ti–6Al–4V // Procedia Manufacturing. 2019. V. 36. P. 240–248.

  17. Ivanov S., Artinov A., Zemlyakov E., Karpov I., Rylov S., Em V. Spatiotemporal Evolution of Stress Field during Direct Laser Deposition of Multilayer Thin Wall of Ti–6Al–4V// Materials. 2022. V. 15. P. 263. https://doi.org/10.3390/ma15010263

  18. Hutchings M.T., Withers P.J., Holden T.M., Lorentzen T. Introduction to the characterization of residual stress by neutron diffraction. 1st ed. CRC Press, 2005. 420 p.

  19. Fitzpatrick M.E., Lodini A. Analysis of Residual Stress by Diffraction using Neutron and Synchrotron Radiation. Taylor & Francis, 2003. 368 p. https://doi.org/10.1201/9780203608999

  20. ISO 21432:2019 Non-destructive testing – Standard test method for determining residual stresses by neutron diffraction. ISO. Geneva. Switzerland. 2019. 45 p.

  21. Эм В.Т., Балагуров А.М., Глазков В.П., Карпов И.Д., Микула П., Мирон Н.Ф., Соменков В.А., Сумин В.В., Шароун Я., Шушунов М.Н. Двойной монохроматор для нейтронной стресс-дифрактометрии // ПТЭ. 2017. № 4. С. 75–81. https://doi.org/10.7868/S003281621704004

  22. 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. https://doi.org/10.1016/j.physb.2018.02.042

  23. An K., Yuan L., Dial L., Spinelli I., Stoica A.D., GaoY. Neutron residual stress measurement and numerical modeling in a curved thin-walled structure by laser powder bed fusion additive manufacturing // Mater. Des. 2017. V. 135. P. 122–132. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.09.018

  24. Mishurova T., Cabeza S., Thiede T., Nadammal N., Kromm A., Klaus M., Genzel C., Haberland C., Bruno G. The influence of the support structure on residual stress and distortion in SLM inconel 718 parts // Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. 2018. V. 49. P. 3038–3046. https://doi.org/10.1007/s11661-018-4653-9

  25. Liu L., Yang Y., Wang D. A study on the residual stress during selective laser melting (SLM) of metallic powder // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. V. 87. P. 647–656. https://doi.org/10.1007/s00170-016-8466-y

  26. Bartlett J.L., Li X., Aydinöz M.E., Brenne F., Schaper M., Schaak C., Tillmann W., Nellesen J., Niendorf T., Gusarov A.V., Pavlov M., Smurov I., Yasa E., Deckers J., Kruth J.-P., Mei X., Wang X., Peng Y., Gu H., Zhong G., Yang S., Aggarangsi P., Beuth J.L. An overview of residual stresses in metal powder bed fusion // Mater. Sci. Eng. A. 2019. V. 669. P. 185–191. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.05.089

  27. Pant P., Proper S., Luzin V., Sjöström S., Simonsson K., Moverare J., Hosseini S., Pacheco V., Peng R.L. Mapping of residual stresses in as-built Inconel 718 fabricated by laser powder bed fusion: A neutron diffraction study of build orientation influence on residual stresses // Addit. Manuf. 2020. V. 36. P. 101501.

  28. Карпов И.Д, Эм В.Т., Рылов С.А., Сульянова Е.А., Сухов Д.И., Ходырев Н.А. Нейтрон-дифракционное исследование влияния направления выращивания на распределение остаточных напряжений в призмах из аустенитной стали, полученных методом селективного лазерного сплавления // ФMM. 2022. Т. 123. № 6. С. 665–672.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика металлов и металловедение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал