Numerical and Experimental Evaluation of Residual Stress and Fatigue Strength of Steel CK35 in Shot Peening Process

محورهای موضوعی : فصلنامه شبیه سازی و تحلیل تکنولوژی های نوین در مهندسی مکانیک

مهدی تاجداری ¹ , حمیدرضا بهاروندی ² , علیرضا مرادخانی ³

1 - استاد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات مرکزی،گروه مکانیک، اراک، ایران
2 - دانشیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، گروه مواد، تهران، ایران
3 - کارشناس ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شرق، دانشکده فنی و مهندسی ، گروه مهندسی مکانیک

تاریخ دریافت : 1394/07/06 تاریخ پذیرش : 1394/07/06 تاریخ انتشار : 1391/04/01

کلید واژه: Residual stress, Steel, Shot Peening, Fatigue Test,

چکیده مقاله :

In shot peening process the work piece surface is struck by a large number of balls and compressive residual stress is generated on the surface. So, mechanical properties such as fatigue strength, stress corrosion resistance, smooth shape and ... will improve. In this paper, the balls with a speed of 100 to 200 m/s were struck on the steel samples and fatigue strength compared with specimens without shot peening. The results indicated a significant increase in fatigue strength. Also the balls deep changes on the samples were calculated using ANSYS software and the results were compared with the experimental results. Results showed that, if the ball speed is 100 m/s, it leads 25% increase in fatigue strength while the residual stress will increase to 250 MPa. Furthermore, if the ball speed is 200 m/s, fatigue strength and residual stress increase up to 40% and 300 MPa, respectively. It is also concluded that the stress in the balls is twice as the work piece surface residual stress.

چکیده انگلیسی:

ساچمه زنی نوعی بمباران سطحی قطعه کار توسط هزاران ساچمه است که به ایجاد تنش پسماند فشاری در سطح قطعه کار می­­انجامد و به منظور بهبود خواص مکانیکی همچون خستگی، مقاومت در برابر خوردگی تنشی، صاف کردن شکل دهی و... انجام می­­گیرد. در این پژوهش نمونه­­هایی از فولاد CK35 مورد عملیات ساچمه زنی با سرعت برخورد m/s 100 و  m/s200 ساچمه­­های استاندارد S230 قرار گرفتند و استحکام خستگی آن­ها با نمونه­­های فاقد ساچمه زنی مورد مقایسه قرار گرفت. همچنین تغییر عمق نفوذ ساچمه­­ها در نمونه­­ها توسط نرم افزار ANSYS محاسبه گردید و با نتایج تجربی مقایسه شد. نتایج حاصل، افزایش قابل توجه استحکام خستگی را دربرداشت. این مقادیر برای برخورد ساچمه­ها با سرعت  m/s100، 25% افزایش در استحکام خستگی و بیش از MPa 250 تنش پسماند ایجاد شده در سطح کار و برای برخورد ساچمه­­ها با سرعت m/s200، 40% افزایش در استحکام خستگی و بیش از MPa 300 تنش پسماند در سطح کار به‌دست آمد. همچنین میزان تنش ایجاد شده در ساچمه­­ها دو برابر تنش پسماند القاء شده نسیت به سطح کار حاصل شد.

منابع و مأخذ:

[1] Metals Handbook, Shot Peening, Vol. 9, 1982.

[2] Eleiche A.M., Megahed M.M., Abd- Allah N.M., The Shot Peening Effect on the HFC Behavior of High Strength Martensitic Steels, journal of Material Processing Technology, vol. 113, 2002, pp. 604-608.

[3] Schwarzer J., Schulze V., Vohringer O., Finite Element Simulation of Shot Peening- A Method to Evaluate the Influence of Peening Parameters on Surface Characteristics, Proceedings from International Conference of Shot Peening, ICSP-8, Munich, Germany.

[4] Oguri K., Fatigue life enhancement of aluminum alloy for aircraft by Fine Particle Shot Peening (FPSP), Journal of Materials Processing Technology, vol. 211, 2011, pp. 1395-1399.

[5] Zhang P., Lindemann J., Influence of shot peening on high cycle fatigue properties of the high-strength wrought magnesium alloy AZ80, Scripta Materialia, vol. 52, 2005, pp. 485–490.

[6] Tekeli S., Enhancement of fatigue strength of SAE 9245 steel by shot peening, Materials Letters, vol. 57, 2002, pp.604-608.

[7] Zhan K., Jiang C.H., Effect of prestress state on surface layer characteristic of S30432 austenitic stainless steel in shot peening process, Materials & Design, vol. 42, 2012, pp. 89-93.

[8] Miao H.Y., Larose S., Perron C., Lévesque M., On the potential applications of a 3D random finite element model for the simulation of shot peening, Advances in Engineering Software, vol. 40, 2009, pp. 1023-1038.

[9] Majzoobi G.H., Azizi R., three-D numerical method of shot peening process using multiple shot impacts, Proceeding ISCP-9, 2005, Paris, France.

[10] Zoin H. L., a dynamic finite element simulation of the shot-peening Process, Ph.D. thesis, Georgia Institute of technology, USA, 2003.

[11] Boyce B.L., Chen X., Hutchinson J.W., Ritchie R.O., the residual stress state due to a spherical hard-body impact., Mechanics of Materials, vol. 33, 2001, pp. 441-454.

[12] Guagliano M., Vergani L., Bandini M., Gili F., an approach to relate the shot peening parameters to the induced residual stresses, Proceeding ISCP-9, 1999, Warsaw, Pland.

[13] Guagliano M., Relating Almen intensity to residual stresses induced by shot peening: a numerical approach, Journal of Materials Processing Technology, vol. 110, 2001, pp. 277-286.

[14] Luo J., Harding R.A., Bowen P., evaluation of the fatigue behavior of ductile irons with various matrix microstructures, Metallurgical and materials transaction, vol. 33, 2002, pp. 3719-3730.  

[15] Dai P.Q., He R.Z., Wu W.Q. Mao Z.Y, Mechanical behavior of graphite in fracture of austempered ductile iron, Materials Science and technology, vol. 18, 2002, pp. 1052-1056.

[16] Hong T., Ooi J.Y., Shaw B., A numerical simulation to relate the shot peening parameters to the induced residual stresses, Engineering Failure Analysis, vol. 15, 2008, pp. 1097-1110