مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مطالعه تجربی توزیع تنش های پسماند به روش نانو ایندنتیشن در فرایندهای ایجاد سوراخ‌

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش، تغییرات توزیع تنش‌های پسماند در سه فرایند ایجاد سوراخ شامل؛ سوراخ‌کاری معمولی، چندمرحله‌ای و فرزکاری مارپیچ مورد مطالعه قرار گرفت. تنش‌های پسماند توسط روش نانوایندنتیشن برای ۱۲ نمونه سوراخ‌کاری شده از جنس فولاد ۴۳۴۰AISI و با سختی ۴۵ راکول‌سی اندازه‌گیری شدند. نتایج حاکی از ایجاد بیشترین تنش پسماند فشاری نزدیک به سطح، در فرایند سوراخ‌کاری چندمرحله‌ای (تا ۵/۳۷۳ مگاپاسکال) بود. همچنین در فرایند سوراخ‌کاری معمولی، به‌واسطه تغییر فاز سطحی، اثر کار پلاستیک از بین رفته و تنش‌های پسماند کششی تا بیشینه مقدار ۷/۱۱۴ مگاپاسکال اندازه‌گیری شد. از سوی دیگر، کاهش سرعت برشی و افزایش نرخ پیشروی موجب افزایش تنش‌های فشاری سطحی گردید. استثنا این روند، تشکیل لایه سفید در فرایند سوراخ‌کاری معمولی بود. مقایسه تنش‌های اندازه‌گیری شده روی نمونه‌ مبنا نیز، بیانگر اختلافی در حدود ۶/۲۸% میان دو روش XRD و نانوایندنتیشن بود که تکرارپذیری مناسب اندازه‌گیری توسط روش نانوایندنتیشن را نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental Analysis of Residual Stresses Distribution Using Nano indentation Method in Hole Making Strategies

نویسندگان English

Amir Rasti
Mohammad Yazdani Khameneh
Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

In this study, variations in the residual stresses distribution were studied in different hole-making strategies including; conventional, multi-step drilling and helical milling. Residual stresses were measured for 12 perforated samples made of 4340AISI steel, using nanoindentation method. The results showed the highest near-surface compressive residual stress in the multi-step drilling (up to 373.5 MPa). Also, due to the phase transformation on the surface, the effect of plastic work was eliminated and tensile residual stresses up to a maximum of 114.7 MPa were measured in the drilling process. On the other hand, decreasing the cutting speed and increasing the feed rate raised the compressive stresses up. The trend exception was formation of the white layer in the drilling process. Comparison of the stresses measured on the reference sample also showed a difference of about 28.6% between the two methods of XRD and nanoindentation, which shows an acceptable repeatability of the measurement using nanoindentation method.

کلیدواژه‌ها English

Drilling Process
Residual stresses
Nanoindentation Method
XRD Method
1. Zahavi, E., V. Torbilo, and S. Press, Fatigue design: life expectancy of machine parts. 1996, Florida: CRC press.
2. Brinksmeier, E., et al., Residual stresses—measurement and causes in machining processes. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1982. 31(2): p. 491-510.
3. Macherauch, E. and K. Kloss, Proceedings of the International Conference on residual Stresses. Garmisch-Partenkirchen, FRG, 1986: p. 167-174.
4. Lu, J., Handbook of measurement of residual stresses. 1996: Fairmont Press.
5. Pharr, G. and W. Oliver, Measurement of thin film mechanical properties using nanoindentation. Mrs Bulletin, 1992. 17(07): p. 28-33.
6. Stone, D., et al., An investigation of hardness and adhesion of sputter-deposited aluminum on silicon by utilizing a continuous indentation test. Journal of Materials Research, 1988. 3(01): p. 141-147.
7. Tsui, T., W. Oliver, and G. Pharr, Influences of stress on the measurement of mechanical properties using nanoindentation: Part I. Experimental studies in an aluminum alloy. Journal of Materials Research, 1996. 11(03): p. 752-759.
8. Suresh, S. and A. Giannakopoulos, A new method for estimating residual stresses by instrumented sharp indentation. Acta Materialia, 1998. 46(16): p. 5755-5767.
9. Carlsson, S. and P.-L. Larsson, On the determination of residual stress and strain fields by sharp indentation testing.: Part II: Experimental investigation. Acta Materialia, 2001. 49(12): p. 2193-2203.
10. Lee, Y.-H. and D. Kwon, Measurement of residual-stress effect by nanoindentation on elastically strained (100) W. Scripta Materialia, 2003. 49(5): p. 459-465.
11. Lee, Y.-H. and D. Kwon, Estimation of biaxial surface stress by instrumented indentation with sharp indenters. Acta Materialia, 2004. 52(6): p. 1555-1563.
12. Tiwari, A.K., et al., Investigation on micro-residual stress distribution near hole using nanoindentation: Effect of drilling speed. Measurement and Control, 2019. 52(9-10): p. 1252-1263.
13. Greco, A., E. Sgambitterra, and F. Furgiuele, A new methodology for measuring residual stress using a modified Berkovich nano-indenter. International Journal of Mechanical Sciences, 2021. 207: p. 106662.
14. Swadener, J., B. Taljat, and G. Pharr, Measurement of residual stress by load and depth sensing indentation with spherical indenters. Journal of Materials Research, 2001. 16(07): p. 2091-2102.
15. Lee, Y., et al., Using the instrumented indentation technique for stress characterization of friction stir-welded API X80 steel. Philosophical Magazine, 2006. 86(33-35): p. 5497-5504.
16. Xu, Z.-H. and X. Li, Estimation of residual stresses from elastic recovery of nanoindentation. Philosophical Magazine, 2006. 86(19): p. 2835-2846.
17. Rasti, A., M.H. Sadeghi, and S. Sabbaghi Farshi, An analytical study on residual stresses in drilling of hardened steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018. 99(9-12): p. 2389-2405.
18. Davim, J.P., Machining of hard materials. 2011: Springer Science & Business Media.
19. Akcan, S., et al., Formation of white layers in steels by machining and their characteristics. Metallurgical and Materials Transactions A, 2002. 33(4): p. 1245-1254.
20. Rasti, A., M.H. Sadeghi, and S. Sabbaghi Farshi, An investigation into the effect of surface integrity on the fatigue failure of AISI 4340 steel in different drilling strategies. Engineering Failure Analysis, 2019. 95: p. 66-81.
21. Rasti, A., et al., Study of microhardness variations in hole making processes on 4340 steel. Modares Mechanical Engineering, 2017. 17(1): p. 423-430.
22. Saadatbakhsh, M.H., et al., Compare and study of hole quality characteristics in helical milling and conventional drilling. Modares Mechanical Engineering, 2015. 14(16): p. 332-338.