Effect of Thermal Relaxation on LSP Induced Residual Stresses and Fatigue Life Enhancement of AISI 316L stainless steel

Effect of Thermal Relaxation on LSP Induced Residual Stresses and Fatigue Life Enhancement of AISI 316L stainless steel

Estudio experimental del desgaste del flanco y de la rugosidad superficial en el torneado en seco de alta velocidad del acero AISI 316L

La mejora continua de los procesos de fabricación es fundamental para alcanzar niveles óptimos de productividad, calidad y coste en la producción de componentes y productos. Para ello es necesario disponer de modelos que relacionen de forma precisa las variables que intervienen en el proceso de corte. Esta investigación tiene como objetivo determinar la influencia de la velocidad de corte y el avance en el desgaste del flanco de los insertos de carburos recubiertos GC1115 y GC2015 y en la rugosidad superficial de la pieza mecanizada de la pieza en el torneado de alta velocidad en seco del acero AISI 316L. Se utilizaron entre otros los métodos de observación científica, experimental, medición, inteligencia artificial y estadísticos. El inserto GC1115 consigue el mejor resultado de acuerdo al gráfico de medias y de las ecuaciones de regresión múltiple de desgaste del flanco para v= 350 m/min, mientras que para las restantes velocidades el inserto GC2015 consigue el mejor desempeño. El mejor comportamiento en cuanto a la rugosidad superficial de la pieza mecanizada se obtuvo con el inserto GC1115 en las velocidades de 350 m/min y 400 m/min, en la velocidad de 450 m/min el mejor resultado correspondió al inserto GC2015. Se analizaron dos criterios nuevos, el coeficiente de vida útil de la herramienta de corte en relación al volumen de metal cortado y el coeficiente de rugosidad superficial de la pieza mecanizada en relación al volumen de metal cortado. Fueron determinados los modelos de regresión múltiple que permitieron calcular el tiempo de mecanizado de los insertos sin que alcanzaran el límite del criterio de desgaste del flanco. Los modelos desarrollados fueron evaluados por sus capacidades de predicción con los valores medidos experimentalmente. ABSTRACT The continuous improvement of manufacturing processes is critical to achieving optimal levels of productivity, quality and cost in the production of components and products. This is necessary to have models that accurately relate the variables involved in the cutting process. This research aims to determine the influence of the cutting speed and feed on the flank wear of carbide inserts coated by GC1115 and GC2015 and the surface roughness of the workpiece for turning dry high speed steel AISI 316L. Among various scientific methods this study were used of observation, experiment, measurement, statistical and artificial intelligence. The GC1115 insert gets the best result according to the graph of means and multiple regression equations of flank wear for v = 350 m / min, while for the other speeds the GC2015 insert gets the best performance. Two approaches are discussed, the life ratio of the cutting tool relative to the cut volume and surface roughness coefficient in relation to the cut volume. Multiple regression models were determined to calculate the machining time of the inserts without reaching the limit of the criterion flank wear. The developed models were evaluated for their predictive capabilities with the experimentally measured values.

Precipitación de martensita por deformación en frío de aceros inoxidables austeníticos

Con este estudio se pretende cuantificar la cantidad de martensita que precipita durante la laminación en frío de los aceros inoxidables austeníticos tipo X5CrNi18-10 (AISI 304), X2CrNiN18-7 (AISI 301 LN) y X2CrNiMo17-12-2 (AISI 316L) con distintos grados de endurecimiento por deformación en frío. Los tres aceros elegidos para el estudio, aunque pertenecen a la familia de los aceros austeníticos, presentan diferentes cromo y níquel equivalentes, lo que se traduce según Schaeffer-Delong en diferentes microestructuras. El tipo X2CrNiMo17-12-2 tiene el mayor níquel equivalente y presenta una microestructura formada por austenita y ferrita delta, mientras que los X5CrNi18-10 y X2CrNiN18-7, de menor níquel equivalente, tienen una austenita más metaestable que conduce a una mayor formación de martensita durante la deformación [48] [49]. Una vez deformados en frío, con distintos grados de reducción de la sección, se cuantificará la martensita mediante métodos metalográficos cuantitativos, mediante estudios de difracción de rayos X [26] [28] [108], y, por último, por variación de permeabilidad magnética relativa por técnicas ferritoscópicas. Por último, se estudiará la correlación entre la precipitación de martensita [47] [60] y la variación de propiedades mecánicas mediante ensayos de tracción [31] y compresión a diferentes temperaturas [39], dada la gran influencia de aquélla en la transformación austenita→martensita [82] [83]. Las curvas límite de conformación (FLC), obtenidas con diferentes geometrías de probeta, permiten simular diferentes procesos de conformado (embutición y estirado) [84], y el análisis metalográfico cuantitativo, a diferentes distancias de la sección de rotura, proporciona la influencia de la precipitación de martensita en aquélla [85]. Estos estudios experimentales proporcionarán información sobre la influencia de la martensita de deformación en la conformabilidad de las chapas de estos aceros inoxidables austeníticos, y contribuirán a un mejor conocimiento de los fenómenos de recuperación elástica durante los procesos de conformado en frío insuficientemente conocidos en la actualidad.

Laser shock processing: an emerging technique for the improvement of fatigue life and surface properties of high reliability metallic components

•Introduction •Process Experimental Setup •Experimental Procedure •Experimental Results for Al2024 - T351, Ti6Al4V and AISI 316L - Surface Roughness and Compactation - Residual stresses - Tensile Strength - Fatigue Life •Discussion and Outlook - Prospects for technological applications of LSP

Effect of Thermal Treatments on the Mechanical Properties Enhancement of High Reliability Metallic Materials by Laser Shock Processing

Laser shock processing (LSP) is increasingly applied as an effective technology for the improvement of metallic materials mechanical properties in different types of components as a means of enhancement of their fatigue life behavior. As reported in previous contributions by the authors, a main effect resulting from the application of the LSP technique consists on the generation of relatively deep compression residual stresses fields into metallic components allowing an improved mechanical behaviour, explicitly the life improvement of the treated specimens against wear, crack growth and stress corrosion cracking. Additional results accomplished by the authors in the line of practical development of the LSP technique at an experimental level (aiming its integral assessment from an interrelated theoretical and experimental point of view) are presented in this paper. Concretely, experimental results on the residual stress profiles and associated mechanical properties modification successfully reached in typical materials under different LSP irradiation conditions are presented. In this case, the specific behavior of a widely used material in high reliability components (especially in nuclear and biomedical applications) as AISI 316L is analyzed, the effect of possible “in-service” thermal conditions on the relaxation of the LSP effects being specifically characterized. I.

Caracterización de capas de óxidos en aceros inoxidables austeníticos. Impacto sobre la industria nuclear

Este trabajo tiene como objeto caracterizar las capas de óxido formadas en el acero AISI 316L en función de la deformación del material y de su contenido en Cr a distintas temperaturas. Este acero se utiliza en los internos de las vasijas de los reactores nucleares de agua ligera, y un mejor conocimiento de su proceso de oxidación puede suponer un avance en el desarrollo de los reactores de cuarta generación. Para ello se realizaron ensayos termogravimétricos y se analizaron los resultados con técnicas de microscopía óptica y electrónica, espectrometría y difracción de rayos X. Los resultados obtenidos muestran la similitud en morfología y composición elemental de los óxidos formados en muestras de este acero con distintos grados de deformación y contenido en Cr y las diferencias resultantes en cuanto a la ganancia de masa. Abstract The object of this work is to characterize the oxide layers formed in AISI 316L steel based on the material deformation and its Cr content at various temperatures. This kind of steel is used in the inside elements of the light water nuclear reactor vessels and further knowledge in the oxidation process could mean a greater development in fourth generation reactors. Thermogravimetric tests were undertaken for this purpose, leading to the results analysis with the use of optical and electronic microscopic techniques as well as spectrometry and X–ray diffraction. The obtained results show the resemblance in the morphology and elemental composition of the oxides formed in samples of this steel with different deformation and Cr content degrees. The results also showed differences in the mass gain.

Effect of Thermal Treatments on the Mechanical Properties Enhancement of High Reliability Metallic Materials by Laser Shock Processing

Laser shock processing (LSP) is increasingly applied as an effective technology for the improvement of metallic materials mechanical properties in different types of components as a means of enhancement of their fatigue life behavior. As reported in previous contributions by the authors, a main effect resulting from the application of the LSP technique consists on the generation of relatively deep compression residual stresses fields into metallic components allowing an improved mechanical behaviour, explicitly the life improvement of the treated specimens against wear, crack growth and stress corrosion cracking. Additional results accomplished by the authors in the line of practical development of the LSP technique at an experimental level (aiming its integral assessment from an interrelated theoretical and experimental point of view)are presented in this paper. Concretely, experimental results on the residual stress profiles and associated mechanical properties modification successfully reached in typical materials under different LSP irradiation conditions are presented. In this case, the specific behavior of a widely used material in high reliability components (especially in nuclear and biomedical applications) as AISI 316L is analyzed, the effect of possible “in-service” thermal conditions on the relaxation of the LSP effects being specifically characterized.

Desarrollo de métodos para la evaluación integrada de propiedades mecánicas y superficiales inducidas en materiales metálicos mediante tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser

El tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser, LSP, es una técnica cuyo principal objetivo es el de la modificación del estado tensional de las primeras micras en profundidad de materiales metálicos. En sus comienzos está técnica fue empleada para inducir tensiones residuales de compresión en superficie, pero mientras se avanzaba en su desarrollo se empezaron a observar otros efectos. Profundizando en ellos se llega a la conclusión de que existe una fuerte relación entre todos, pero dependiendo de la aplicación a la que se vea sometido un componente tratado con LSP será necesario una serie de características que bien pueden ser ajustadas “a priori”. Para ello se ha de tener una buena caracterización del proceso láser y de las modificaciones que produce en las propiedades de un material determinado. Y es en este punto donde surge el problema: las modificaciones introducidas por el tratamiento láser son dependientes de la interacción de la energía del pulso láser con el material, es decir, para cada material es necesaria una caracterización previa de cómo sus propiedades son modificadas con las diferentes configuraciones del tratamiento LSP, encontrando para cada material un óptimo en los parámetros láser. En esta Tesis se pretende desarrollar una metodología para evaluar las modificaciones en las propiedades mecánicas y superficiales inducidas en materiales metálicos debido al tratamiento superficial por ondas de choque. De esta manera y avanzando de una manera lógica con la línea de investigación del grupo, se ha querido aplicar todo el conocimiento adquirido de la técnica para desarrollar esa metodología sobre un caso práctico: el empleo de dos configuraciones de tratamiento LSP sobre el acero inoxidable AISI 316L. Estas dos configuraciones elegidas se hacen en base a estudios previos, por parte del grupo de investigación, donde se han optimizados los parámetros para obtener el óptimo en lo que a perfil de tensiones residuales en profundidad se refiere. El material elegido como caso característico para llevar acabo la evaluación integrada del tratamiento LSP, de acuerdo con el propósito de esta Tesis, ha sido el acero inoxidable AISI 316L, debido a que este tipo de acero tiene una excelente resistencia a la corrosión en un amplio rango de atmosferas corrosivas, y es conocido como el grado estándar para un importante número de aplicaciones tecnológicas. La resistencia a la oxidación es buena incluso a altas temperaturas de servicio y la soldabilidad es excelente. Los aceros austeníticos son empleados en aplicaciones que soportan condiciones de alta temperatura y medios altamente corrosivos, como en reactores nucleares. Estos aceros resisten la corrosión en el agua de un reactor y procesos químicos en plantas que operan a temperaturas superiores a los 900 ˚C. En concreto el acero 316L se utiliza en la industria de equipamiento alimentario, en ambientes donde haya presencia de cloruros, en aplicaciones farmacéuticas, en la industria naval, en arquitectura, sector energético, centrales nucleares y en implantes médicos. Es decir, es un material ampliamente implantado en la industria, tanto en industrias tradicionales, como en industrias emergentes como la biomédica. El objetivo marcado para el desarrollo de la presente Tesis es caracterizar de forma precisa cómo el tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser es capaz de mejorar las propiedades de los materiales y cómo de estables son estas con la temperatura. Este punto es importante puesto que a la hora de introducir el proceso LSP en la industria no solo se tiene que tener en cuenta que las propiedades del material sean mejoradas, sino que también es necesario comprobar si esas mejoras se mantienen después de ser sometido el material a un tratamiento térmico ya que las condiciones de servicio de los materiales y componentes empleados no tienen por qué trabajar a temperatura ambiente. Para lograr el objetivo mencionado, el trabajo experimental realizado en la aleación seleccionada bajo todas las condiciones a estudio (material según fue recibido de fábrica, tratado con las dos configuraciones LSP y después de haber sido sometido al tratamiento térmico) ha consistido en lo siguiente: i) Estudios microestructural, morfológico y de composición química. ii) Medida de las tensiones residuales introducidas. iii) Caracterización superficial del material. iv) Estudio de las propiedades mecánicas: ensayos de tracción, ensayos de dureza, cálculo de la densidad de dislocaciones y ensayos de fatiga. v) Caracterización tribológica: ensayos de fricción y cálculo de la tasa de desgaste y volumen eliminado. vi) Caracterización electro-química para el material base y tratado con las dos configuraciones LSP. Se realizan medidas a circuito abierto, curvas de polarización (OCP), ensayos potenciostáticos y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). El trabajo se ha llevado a cabo en los laboratorios del Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid.

Colonización bacteriana y oxidación de aceros inoxidables austeníticos, ferríticos y dúplex sinterizados

Las características y capacidades de los aceros inoxidables sinterizados se han investigado en una doble vertiente. Por una parte con vista a sus capacidades de resistencia a la oxidación en caliente y por otra parte se ha investigado su capacidad para retener microorganismos que contribuyan a la descontaminación de un ambiente. Por ello, para cada una de estas funciones se han utilizado los aceros inoxidables sinterizados, que se han considerado más adecuados. Para estudiar sus capacidades de resistencia a la oxidación en caliente se ha utilizado un acero inoxidable austenítico AISI 304L, un acero inoxidable ferrítico AISI 430L y un acero inoxidable Fe-16Cr-3Al. Para estudiar sus capacidades para retener microorganismos se ha utilizado un acero inoxidable austenítico AISI 316L, un acero inoxidable ferrítico AISI 430L y un acero inoxidable dúplex 50%/50% de los anteriores. Para esta última finalidad los aceros se han compactado a tres diferentes presiones 300, 500 y 700 MPa, a las que corresponden diferentes porosidades. En relación con el comportamiento frente a la oxidación en caliente, se han cuantificado los incrementos positivos o negativos de volumen, masa y densidad en los diferentes tipos de sinterización y estados de tratamiento de oxidación. Como tónica general de comportamiento, puede decirse que los aceros sinterizados bajo vacío son más resistentes a la oxidación, que los sinterizados en atmósfera de N2-5H2 y que los aceros inoxidables austeníticos son algo más resistentes, que los Cr-Al y estos, a su vez, más que los aceros inoxidables ferríticos. Respecto a la retención de microorganismos, los tres aceros inoxidables sinterizados se han ensayado en diferentes medios de cultivo, utilizando cuatro especies de bacterias. Los mejores resultados se han obtenido con Staphylococcus aureus, muy favorable para su observación y recuento. Se han cuantificado, una vez sinterizados y colonizados por los microorganismos, para cada material y presión de compactación, las áreas de cada uno de los poros y el número de microorganismos situados en los poros y en la superficie sin poros. Se ha establecido en cada caso la densidad de microorganismos en las zonas de poros y en las zonas sin poros. Como tónica general puede decirse, que los aceros inoxidables austeníticos aparecen más favorables para estos estudios, que los aceros dúplex y estos más que los inoxidables ferríticos. Asimismo, se desprende que las áreas de los poros dependen de forma unívoca de la presión de compactación y que para áreas de poros decrecientes las densidades de microorganismos son crecientes. En consecuencia, podría deducirse, que a igualdad de área de poros en una superficie, aquella que tuviera los poros más pequeños, retendría mayor cantidad de bacterias. ABSTRACT The characteristics and capacities of sintered stainless steels have been researched from two perspectives: firstly, with a view to their resistance to hot oxidation, and secondly their capacity to retain microorganisms able to decontaminate the environment. For both these functions, sintered stainless steels were used, which are considered to be the most fit for purpose. To study their resistance to hot oxidation, we used austenitic stainless steel AISI 304L, ferritic stainless steel AISI 430L and stainless steel Fe-16Cr-3Al. To study their ability to retain microorganisms, we used austenitic stainless steel AISI 316L, ferritic stainless steel AISI 430L, and duplex stainless steel, being a 50/50 blend of the two former ones. For this last purpose, the steels were compacted at three different pressures (300, 500 and 700 MPa) corresponding to different porosities. With regard to the hot oxidation, we quantified the positive or negative increments in volume, mass and density in the different types of sintering and oxidation treatment states. As a general performance trend, we observed that vacuum sintered steels are more resistant to oxidation than those sintered in an atmosphere of N2-5H2, and that austenitic stainless steels are slightly more resistant than the Cr-Al steels which, in turn, are more resistant than the ferritic stainless steels. With regard to the retention of microorganisms, the three sintered stainless steels were tested in different culture media using four types of bacteria. The best results for observation and counting were obtained with Staphylococcus aureus bacteria. Once sintered and colonized by microorganisms, for each material and compacting pressure we quantified the areas of the pores and the number of microorganisms situated in the pores and on the pore-free surface. In each case, the density of microorganisms in the pores and in the pore-free areas was established. As a general rule, we can say that the austenitic stainless steels appear to be more favourable for this type of study than the duplex steels which, in turn, are more favourable than the ferritic stainless steels. It also emerged that the areas with the pores depend unequivocally on the compacting pressure, and that the smaller the area of the pore the higher the density of the microorganisms. Consequently, it can be deduced that comparing an equal area of pores on a surface, the one with the smaller pores would retain a larger number of bacteria.