Mechanism of Residual Stress Generation in Quenched Fe-Ni Alloy Cylinders Using Simulated Strains-Based Approach*
-
K. Arimoto
Abstract
To elucidate the mechanisms of residual stress generation in quenched steel parts has been a longstanding problem. Qualitative explanations for the changes in the stress distribution in quenched cylinders appeared in the 1930s when it became possible to measure residual stresses in specimens. The explanation at that time used the concept of thermal and transformation stresses, which is still included in current textbooks. This concept is referred to here as the estimated stresses-based approach. To simplify the explanation of stress generation due to the combined effects of temperature change and phase transformations, quenching experiments were devised using Fe-Ni alloys in which only martensitic transformation occurs. On the other hand, since heat treatment simulations provide strains resulting from thermal, phase transformation, plastic, transformation plastic, and creep phenomena, a method to elucidate the mechanism using these strains was devised in the early 2000s and named the simulated strains-based approach. This paper contrasts the estimated stresses-based and simulated strains-based approaches to the mechanism of residual stress generation in quenched Fe-Ni alloy cylinders and highlights the superiority of the latter.
Kurzfassung
Die Aufklärung der Mechanismen der Eigenspannungserzeugung in abgeschreckten Stahlteilen ist seit langem ein Problem. Qualitative Erklärungen für die Veränderungen der Spannungsverteilung in abgeschreckten Zylindern erschienen in den 1930er Jahren, als es möglich wurde, Eigenspannungen in Proben zu messen. Die damalige Erklärung stützte sich auf das Konzept der Wärme- und Umwandlungsspannungen, das auch heute noch in den Lehrbüchern zu finden ist. Dieses Konzept wird hier als der auf geschätzten Spannungen basierende Ansatz bezeichnet. Um die Erklärung der Spannungserzeugung aufgrund der kombinierten Auswirkungen von Temperaturänderungen und Phasenumwandlungen zu vereinfachen, wurden Abschreckversuche mit Fe-Ni-Legierungen durchgeführt, bei denen nur martensitische Umwandlungen auftreten. Da andererseits Wärmebehandlungssimulationen Dehnungen liefern, die aus Phasenumwandlungen, thermischen, plastischen sowie transformationsplastischen Dehnungen als auch von Kriechphänomenen resultieren, wurde in den frühen 2000er Jahren eine Methode zur Aufklärung des Mechanismus anhand dieser Dehnungen entwickelt und als auf simulierten Dehnungen basierender Ansatz bezeichnet. In diesem Beitrag werden die auf geschätzten Spannungen und simulierten Dehnungen basierenden Ansätze für den Mechanismus der Eigenspannungserzeugung in abgeschreckten Zylindern aus Fe-Ni-Legierungen gegenübergestellt und die Überlegenheit des letzteren hervorgehoben.
* Lecture held by Kyozo Arimoto at the IFHTSE/ECHT 2022, 5.–8. September 2022 in Salzburg, Austria
References
1 Arimoto, K.: Simulated Strains-Based Approach for Explaining Distortion and Residual Stress in Quenched Pure Iron Cylinder. Mater. Perform. Characterization 11 (2022) 1, pp. 1–12, DOI:10.1520/MPC2022002710.1520/MPC20220027Search in Google Scholar
2 Rose, A.: Eigenspannungen als Ergebnis von Wärmebehandlung und Umwandlungsverhalten. Härterei-Techn. Mitt. 21 (1966) 1, pp. 1–6Search in Google Scholar
3 Bühler, H.; Scheil, E.: Zusammenwirken von Wärme- und Umwandlungsspannungen in abgeschreckten Stählen. Archiv. Eisenhüttenw. 6 (1933) 7, pp. 283–28810.1002/srin.193300417Search in Google Scholar
4 Rammerstorfer, F. G.; Fischer, D. F.; Mitter, W.; Bathe, K. J.; M. D. Snyder: On Thermo-Elastic-Plastic Analysis of Heat-Treatment Processes Including Creep and Phase Changes. Comput. Struct. 13 (1981) 5-6, pp. 771–77910.1016/0045-7949(81)90040-7Search in Google Scholar
5 Arimoto, K.; Funatani, K.: Historical Review of Residual Stress in Quenched Fe-Ni Alloy Cylinders and Explanation of Its Origin Using Computer Simulation. Proc. 24th Heat Treating Conference. 17.–19.09.2007, Detroit, Michigan, USA, ASM International, 2007, pp. 163–172Search in Google Scholar
6 Bühler, H.; Buchholtz, H.; Schulz, E. H.: Eigenspannungen bei der Wärmebehandlung von Stahl. Archiv. Eisenhüttenw. 5 (1932) 8, pp. 413–41810.1002/srin.193201188Search in Google Scholar
7 Sachs, G.: Der Nachweis innerer Spannungen in Stangen und Rohren. Z. Metallkunde 19 (1927) 9, pp. 352–357Search in Google Scholar
8 Sachs, G.: Praktische Metallkunde – Schmelzen und Gießen spanlose Formung, Wärmebehandlung. Springer, Wien, 1934. – ISBN: 978-3-70-915320-8978-3-70-915320-8Search in Google Scholar
9 Buchholtz, H.; Bühler, H.: Zusammenhang zwischen Wärmespannungen und Festigkeitseigenschaften von Stahl. Archiv. Eisenhüttenw. 6 (1933) 8, pp. 335–34010.1002/srin.193300425Search in Google Scholar
10 Bühler, H., Scheil, E.: Einfluß der Abschreckbedingungen auf die Eigenspannungen von Stählen. Archiv Eisenhüttenwes, 7 (1933) 6, pp. 359–36310.1002/srin.193300466Search in Google Scholar
11 Schulze, V.; Vöhringer, O.; Macherauch, E.: Residual Stresses after Quenching. Quenching Theory and Technology. Liscic, B.; Tensi, H. M.; Canale, L. C. F.; Totten, G. E. (Eds.), 2nd Ed., CRC Press, Boca Raton, 2010, pp. 229–288. – ISBN: 978-0-42912965-0978-0-42912965-0Search in Google Scholar
12 Koistinen, D. P.; Marburger, R. E.: A General Equation Prescribing the Extent of the Austenite–Martensite Transformation in Pure Iron–Carbon Alloys and Plain Carbon Steels. Acta Met. 7 (1959) 1, pp. 59–6010.1016/0001-6160(59)90170-1Search in Google Scholar
13 Arimoto, K.: A Brief Review on Validation for Heat Treatment Simulation. Proc. 31st ASM Heat Treat. Soc. Conf. 14.–16.09.2021, St. Louis, Missouri, USA, ASM International, 2021, pp. 71–8010.31399/asm.cp.ht2021p0071Search in Google Scholar
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