A Study of Residual Stresses in Steel Plates Obtained
by Laser Deposition Directly on a Rigid Substrate

S. A. Rylov; Рылов С. А.; S. Yu. Ivanov; Иванов С. Ю.; E. V. Zemlyakov; Земляков Е. В.; K. D. Babkin; Бабкин К. Д.; I. D. Karpov; Карпов И. Д.; V. T. Em; Эм В. Т.

doi:10.31857/S0015323023600326

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

Авторы: Рылов С.А.¹, Иванов С.Ю.², Земляков Е.В.², Бабкин К.Д.², Карпов И.Д.¹, Эм В.Т.¹
Учреждения:
1. НИЦ “Курчатовский институт”
2. СПбГМТУ
Выпуск: Том 124, № 5 (2023)
Страницы: 443-450
Раздел: ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
URL: https://innoscience.ru/0015-3230/article/view/662926
DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323023600326
EDN: https://elibrary.ru/OLJRLO
ID: 662926

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

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

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