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Investigation of material removal techniques for residual stress profile determination on induction hardened steel / Studie om materialavverkningsmetoder för bestämning av restspänningsprofil på induktionshärdat stålPettersson, Natalie January 2017 (has links)
The residual stress profile is a major factor on the fatigue life of components that are subjected to cyclic loading. In order to measure these stresses x-ray diffraction (XRD) is commonly used. The penetration depth of x-rays is limited for this method and thus, it must be combined with material removal to determine in-depth stress profiles.At SKF Manufacturing Development Center (SKF MDC), where the work for this thesis was carried out, the current layer removal method is restricted to a depth of 0.5 mm. Consequently, an additional method of material removal is necessary to obtain information at greater depths. The purpose of this thesis was to investigate possible material removal techniques that can be implemented with XRD measurements. Two different material removal techniques were studied; electrochemical etching and milling in combination with electrochemical etching. The electrochemical etching equipment was developed at SKF MDC prior to this thesis but needed further testing and validation. The residual stress profiles of induction hardened cylinders were studied using the two different removal techniques combined with XRD measurements and the results were compared with stresses measured by Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) with hole drilling. In addition, the results were compared with simulations performed at SKF MDC India. It was concluded that both the material removal methods could be successfully combined with XRD measurements. However, for practical reasons the methods should be refined before being implemented on a regular basis. Unfortunately, poor correlation between XRD and ESPI measurements were obtained due to reasons not fully understood.
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Fatigue optimization of an induction hardened shaft under combined loadingLe Moal, Patrick 01 October 2008 (has links)
An integrated procedure, combining finite element modeling and fatigue analysis methods, is developed and applied to the fatigue optimization of a notched, induction hardened, steel shaft subjected to combined bending and torsional loading. Finite element analysis is used first to develop unit-load factors for generating stress-time histories, and then, employing thermo-elastic techniques, to determine the residual stresses resulting from induction hardening. These stress fields are combined using elastic superposition, and incorporated in a fatigue analysis procedure to predict failure location and lifetime. Through systematic variation of geometry, processing, and loading parameters, performance surfaces are generated from which optimum case depths for maximizing shaft fatigue performance are determined. General implications of such procedures to the product development process are discussed. / Master of Science
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Um modelo para previsão de tensões residuais em cilindros de aço temperados por indução. / A model to predict the residual stresses in induction hardening of steel cyclinders.Camarão, Arnaldo Freitas 07 May 1998 (has links)
A previsão e entendimento da formação de tensões residuais oriundas da têmpera plena ou superficial nos aços tem sido objeto de estudo por um número considerável de pesquisadores, devido ao seu grande interesse tecnológico. Neste trabalho o objetivo principal consistiu no desenvolvimento de um modelo numérico para a previsão das tensões residuais em peças cilíndricas temperadas por indução. A têmpera por indução executada num componente previamente \"beneficiado\", isto é, temperado e revenido, é capaz de produzir uma camada superficial de alta dureza e tensões compressivas num núcleo resistente e tenaz. É esperado, entretanto, que o aumento da camada endurecida possa gerar tensões trativas indesejáveis abaixo da superfície, comprometendo a integridade estrutural do componente e levando as falhas prematuras. Portanto, neste trabalho ênfase foi dada no estudo da influência da profundidade de camada induzida no perfil e magnitude das tensões residuais em corpos de prova cilíndricos (c.ps.) de aço. O método de elementos finitos foi adotado para a solução do problema térmico (distribuição de temperatura) e estrutural (cálculo das tensões) com o emprego do programa ANSYS 5.3. Os efeitos metalúrgicos da mudança de fase Austenita - Martensita, responsável pelas altas tensões compressivas residuais na superfície, como resultado da expansão volumétrica inerente a esta transformação, foi modelado através de uma rotina FORTRAN especialmente desenvolvida neste trabalho e acoplada ao programa ANSYS 5.3. A criação da geometria do modelo e passos da solução foram automatizados através do uso da linguagem paramétrica APDL (ANSYS Parametric Design Language) do programa ANSYS 5.3. Trata-se de um problema termo-elasto-plástico onde as propriedades termo-físicas e mecânicas necessárias para o cálculo foram consideradas dependente da temperatura. Verificação e calibração do modelo computacional foi efetuada através da medição das ) tensões residuais em c.ps. cilíndricos de aço com o emprego da técnica de difração de raios X. Finalmente, são discutidos aspectos de precisão e principais fontes de erro, como também proposta de melhorias e futuras aplicações deste modelo. / Large efforts have been made to predict and understand the residual stresses formation in through hardening and case hardening of steel. In the present work the objective was to develop a model to predict the residual stresses in induction hardening of cylindrical steel bars. Induction hardening, i.e. electromagnetic heating and subsequent quenching, is a surface treatment of great use in industry because it is suitable to improve locally mechanical properties of the high stressed regions of the part. A hard surface layer with high compressive residual stress is normally obtained, while retaining ductility and toughness in the core. Applied to components that undergo severe duty cycles, such as gears, shafts axles and bearings, it is also clean, fast and suitable for on-line applications. It is expected however, that increasing the hardening depth leads to undesirable high subsurface tensile stress, which can cause premature failure of the component. Emphasis has been on investigating the influence of case depth on the residual stress distribution of the cylindrical steel specimens. A finite element model was developed to compute the temperature history, phase transformation and residual stress for the induction hardening process. The Austenite to Martensite phase transformation during quenching, responsible for the high surface compressive stress, as result of volume expansion, was evaluated by a custom FORTRAN routine linked to the ANSYS5.3 FEA code. The model geometry and solution process were automated by the use of ANSYS Parametric Design Language (APDL). The thermoelastoplastic behavior of the material was studied, considering material properties temperature dependent. The results of the calculations have been compared to experimental measurements of the residual stresses at the surface, using X Ray diffraction technique. Finally, accuracy and main source of erros are discussed. Future improvements and applications of this model are proposed.
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Design, thermomechanical processing and induction hardening of a new medium-carbon steel microalloyed with niobiumJavaheri, V. (Vahid) 22 October 2019 (has links)
Abstract
This thesis has been made within the European Industrial Doctorate (EID) project called Mathematics and Materials Science for Steel Production and Manufacturing, abbreviated as MIMESIS, which has five partners: EFD Induction in Norway; SSAB, Outokumpu, and the University of Oulu in Finland; and Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) in Germany. The main aim of this work was to develop a steel composition and processing route suitable for making a slurry transportation pipeline with the aid of induction hardening, and to characterize the phase transformations and microstructures involved in the various stages of the processing route.
A novel steel chemistry was designed based on metallurgical principles assisted by computational thermodynamics and kinetics. The designed composition is a medium-carbon, low-alloy steel microalloyed with niobium, in wt.% 0.40 C, 0.20 Si, 0.25 Mn, 0.50 Mo, 0.90 Cr, and 0.012 Nb. This was subsequently cast, thermomechanically rolled on a laboratory rolling mill to two bainitic microstructures, and finally subjected to the thermal cycles predicted to be encountered with the internal induction hardening of a typical pipe geometry. The phase transformations and microstructures found at various stages of the simulated production process have been characterized and algorithms developed to enable the optimization of microstructure and hardness through the pipe wall thickness. / Tiivistelmä
Tämä väitöskirja on tehty osana Euroopan teollisuustohtori (European Industrial Doctorate, EID) -ohjelmaa projektissa eli Matematiikka ja materiaalitiede teräksen valmistuksessa ja käytössä (Mathematics and Materials Science for Steel Production and Manufacturing, MIMESIS). Ohjelmassa on viisi partneria: EFD Induction Norjasta; SSAB, Outokumpu ja Oulun yliopisto Suomesta; ja Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) Saksasta. Työn päätavoitteina oli kehittää teräksen koostumusta ja prosessointireittiä, jotka soveltuvat lietteen kuljetusputken valmistukseen induktiokarkaisun avulla, sekä karakterisoida prosessin eri vaiheiden aikana tapahtuvat faasimuutokset ja mikrorakenteet.
Uusi teräskoostumus suunniteltiin metallurgisten periaatteiden pohjalta hyödyntämällä laskennallista termodynamiikkaa ja kinetiikkaa. Suunniteltu teräs on niobilla mikroseostettu, matalaseosteinen ja keskihiilinen, eli painoprosentteina 0,40 C, 0,20 Si, 0,25 Mn, 0,50 Mo, 0,90 Cr ja 0,012 Nb. Teräs valettiin, valssattiin ja jäähdytettiin termomekaanisesti laboratoriovalssaimella kahdeksi bainiittiseksi mikrorakenteeksi ja lopulta altistettiin lämpösykleille, joiden ennustettiin olevan tyypillisiä sisäisesti induktiokarkaistulle teräsputkelle. Simuloidun tuotantoprosessin eri vaiheissa havaitut faasimuutokset ja mikrorakenteet on karakterisoitu. Sen lisäksi on kehitetty algoritmit, jotka mahdollistavat mikrorakenteen ja kovuuden optimoinnin putken seinämän paksuuden läpi.
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Um modelo para previsão de tensões residuais em cilindros de aço temperados por indução. / A model to predict the residual stresses in induction hardening of steel cyclinders.Arnaldo Freitas Camarão 07 May 1998 (has links)
A previsão e entendimento da formação de tensões residuais oriundas da têmpera plena ou superficial nos aços tem sido objeto de estudo por um número considerável de pesquisadores, devido ao seu grande interesse tecnológico. Neste trabalho o objetivo principal consistiu no desenvolvimento de um modelo numérico para a previsão das tensões residuais em peças cilíndricas temperadas por indução. A têmpera por indução executada num componente previamente \"beneficiado\", isto é, temperado e revenido, é capaz de produzir uma camada superficial de alta dureza e tensões compressivas num núcleo resistente e tenaz. É esperado, entretanto, que o aumento da camada endurecida possa gerar tensões trativas indesejáveis abaixo da superfície, comprometendo a integridade estrutural do componente e levando as falhas prematuras. Portanto, neste trabalho ênfase foi dada no estudo da influência da profundidade de camada induzida no perfil e magnitude das tensões residuais em corpos de prova cilíndricos (c.ps.) de aço. O método de elementos finitos foi adotado para a solução do problema térmico (distribuição de temperatura) e estrutural (cálculo das tensões) com o emprego do programa ANSYS 5.3. Os efeitos metalúrgicos da mudança de fase Austenita - Martensita, responsável pelas altas tensões compressivas residuais na superfície, como resultado da expansão volumétrica inerente a esta transformação, foi modelado através de uma rotina FORTRAN especialmente desenvolvida neste trabalho e acoplada ao programa ANSYS 5.3. A criação da geometria do modelo e passos da solução foram automatizados através do uso da linguagem paramétrica APDL (ANSYS Parametric Design Language) do programa ANSYS 5.3. Trata-se de um problema termo-elasto-plástico onde as propriedades termo-físicas e mecânicas necessárias para o cálculo foram consideradas dependente da temperatura. Verificação e calibração do modelo computacional foi efetuada através da medição das ) tensões residuais em c.ps. cilíndricos de aço com o emprego da técnica de difração de raios X. Finalmente, são discutidos aspectos de precisão e principais fontes de erro, como também proposta de melhorias e futuras aplicações deste modelo. / Large efforts have been made to predict and understand the residual stresses formation in through hardening and case hardening of steel. In the present work the objective was to develop a model to predict the residual stresses in induction hardening of cylindrical steel bars. Induction hardening, i.e. electromagnetic heating and subsequent quenching, is a surface treatment of great use in industry because it is suitable to improve locally mechanical properties of the high stressed regions of the part. A hard surface layer with high compressive residual stress is normally obtained, while retaining ductility and toughness in the core. Applied to components that undergo severe duty cycles, such as gears, shafts axles and bearings, it is also clean, fast and suitable for on-line applications. It is expected however, that increasing the hardening depth leads to undesirable high subsurface tensile stress, which can cause premature failure of the component. Emphasis has been on investigating the influence of case depth on the residual stress distribution of the cylindrical steel specimens. A finite element model was developed to compute the temperature history, phase transformation and residual stress for the induction hardening process. The Austenite to Martensite phase transformation during quenching, responsible for the high surface compressive stress, as result of volume expansion, was evaluated by a custom FORTRAN routine linked to the ANSYS5.3 FEA code. The model geometry and solution process were automated by the use of ANSYS Parametric Design Language (APDL). The thermoelastoplastic behavior of the material was studied, considering material properties temperature dependent. The results of the calculations have been compared to experimental measurements of the residual stresses at the surface, using X Ray diffraction technique. Finally, accuracy and main source of erros are discussed. Future improvements and applications of this model are proposed.
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Experimental simulation of gear hobbing through a face milling concept in CNC-machineHoseini, Saba January 2013 (has links)
No description available.
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Heat Treatment Energy Mapping / Värmebehandling EnergikartläggningMbanyeude, Chidera Henry January 2023 (has links)
As the world becomes more focused on sustainability, there is increasing pressure on steel-bearing companies to improve their energy efficiency and reduce their carbon footprint. The heat treatment process accounts for about 25% of SKF's energy consumption, and it aims to achieve decarbonized operations by 2030 and the supply chain by 2050. Therefore, improving the energy efficiency of the heat treatment process can have significant economic and environmental benefits for the company. This thesis project aimed to conduct an energy mapping of different heat treatment processes at SKF to develop a methodology and standard key performance indicator for establishing energy performance and ensuring comparability between installations and processes. Three heat treatment processes were studied: through hardening, location A; case carburizing, location B; and surface induction hardening, location C. A detailed methodology and guidelines for carrying out energy mapping were developed. A standard key performance indicator known as Specific Energy consumption in kWh/kg at a particular utilization in % was set for comparisons among different heat treatment processes. Regression analysis was used to normalize the results. On the same utilization level, case carburizing, location B consumes more energy than through hardening, location A. Surface induction hardening, location C consumes 90% less than others and is less dependent on utilization. The carbon intensity in g CO2-eq/kg for greenhouse gas scopes 1, 2 and 3 were also studied. Case carburizing, location B had the highest climate impact due to the coal-based electricity mix of the country. Hence, the future availability of renewable electricity is critical when switching from gas to electricity across factories in SKF.
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Análise de tensões residuais em eixos automotivos do aço DIN 38B3 temperados por indução / Residual stress analysis for din 38b3 steel driveshafts after induction hardeningLemos, Guilherme Vieira Braga January 2012 (has links)
As distorções de forma e variações dimensionais, em muitos casos, manifestam-se de maneira mais expressiva após a têmpera por indução ocasionando o chamado empenamento. Tais efeitos usualmente trazem despesas em reparos e restauração de peças, equipamentos e estruturas. Assim, a análise de tensões residuais é uma etapa obrigatória na produção de peças e elementos estruturais para a estimativa da sua confiabilidade sob condições reais de serviço. No presente trabalho foram realizadas medições de tensões residuais em semi-eixos automotivos fabricados com o aço DIN 38B3 temperados por indução. Estes eixos apresentaram diferenças quanto ao comportamento em distorção, com um eixo tendo sido endireitado e outro não. Devido a estas diferenças também se esperam diferenças em termos de distribuição de tensões residuais e propriedades dos eixos. As tensões residuais foram medidas através do método de difração de raios-X com dois equipamentos de medição (difratômetro portátil e difratômetro fixo). Complementando o trabalho foram feitas análises químicas, metalográficas, perfil de microdureza e profundidade de camada efetiva para verificar eventuais diferenças ou semelhanças entre os eixos analisados. Com os resultados de tensões obtidos foi possível obter uma visão geral da variação do perfil de tensões residuais superficiais após a têmpera por indução e a grande influência da etapa de endireitamento na redistribuição de tensões no material. / The distortions of form and dimensional variations, in many cases, appear after induction hardening causing the often called warping. These effects usually usually increase the costs of maintenance and restoration of parts, equipment and structures. Thus, the residual stress analysis is an important step in the production of parts and structural elements to estimate of its reliability under actual service conditions. In this study, measurements of residual stresses were carried out for a driveshafts manufactured from the DIN 38B3 steel after induction-hardening and straightening, if necessary. These shafts showed different behavior in distortion, with a shaft has been straightened and the other not. Due to these differences also are expected differences in the distribution of residual stresses and properties of the shafts.The residual stresses were measured by the X-ray diffraction method with two measuring equipment (a portable and a fixed diffractometers). Complementing this work chemical analysis, metallographic, of the microhardness profile and of effective case depth were accessed to eventually find differences or similarities between the analyzed driveshafts. With the residual stress results obtained it was possible to get an overview of the variation of the surface profile of residual stresses after induction hardening and the influence of straightening steps on the redistribution of residual stresses in the material.
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Estudo de distorção de barras cilíndricas de aço ABNT 1045 em uma rota de fabricação envolvendo trefilação combinada e têmpera por induçãoNunes, Rafael Menezes January 2012 (has links)
As distorções de forma de componentes mecânicos, que ocorrem durante a fabricação, constituem um sério problema enfrentado pela indústria metal-mecânica. Neste trabalho, avaliou-se uma rota de fabricação de barras de aço ABNT 1045 envolvendo os processos de trefilação, alívio de tensões e têmpera por indução utilizando-se uma visão holística do processo. Após um estudo detalhado, variou-se 5 parâmetros do processo, sendo eles: corrida, ângulo de fieira, ângulo de endireitamento, temperatura de alívio de tensões e profundidade de camada temperada. Caracterizou-se as tensões residuais, em todas as etapas do processo, utilizando-se as técnicas de difração de raios-X, difração de nêutrons e difração de radiação Síncrotron, bem como, a microestrutura do material. Após as etapas de trefilação combinada e tratamento térmico avaliou-se as distorções de forma, utilizando-se um equipamento de medição por coordenadas e posteriormente calculou-se os vetores distorção. Os dados obtidos foram analisados utilizando-se o software Minitab® através da montagem de uma matriz DoE (Design of Experiments). A partir dos resultados obtidos, avaliou-se quais etapas do processo induzem maior "potencial de distorção" nos componentes. A partir das medições de tensões residuais foi obtida uma visão detalhada de como estas tensões residuais se distribuem no material após cada etapa do processo, os dados mostram diferenças significativas ao longo das posições periféricas nas etapas de pré-endireitamento e trefilação. Dados apontam que a distribuição da zona de segregação é responsável pelo comportamento diferente nas duas corridas analisadas em relação às distorções. As tensões residuais geradas no endireitamento do fio-máquina são responsáveis por causar heterogeneidades no material e induzem um alto “potencial de distorção”. Nos parâmetros de processo estudados as deformações induzidas no processo de trefilação não foram capazes de eliminar as distribuições heterogêneas de tensões residuais geradas no pré-endireitamento, porém utilizando-se o ângulo de fieira de 15º houve uma diminuição da distorção após a têmpera por indução. Após o processo de endireitamento por rolos cruzados (PERC) a distribuição das tensões residuais na superfície é mais homogênea para os ângulos de ferramenta avaliados neste trabalho (16º e 18º), entretanto existem diferenças significativas na distribuição de tensões residuais no núcleo do material, e estas diferenças são umas das causadoras das distorções após o processo de têmpera por indução. / Shape distortions are a serious problem in the metalworking industry, distortion due to heat treatment is responsible for additional and cost machining operations. Minimizing or even avoiding heat treatment distortion is one of the key factors to minimize production costs. In the past, investigations had focused on single effects or isolated parameters steps in a manufacturing chain. It is well established now that each step of the process chain generates a “distortion potential” and a new global approach, treating distortion as a system attribute, analyzing the entire manufacturing chain from steelmaking to heat treatment process is necessary. The main idea of distortion engineering is that all steps of the manufacturing chain together contribute to the final distortion behavior. In this work, a steel route of combined cold-drawing process to induction hardening of ABNT 1045 steel bars was investigated. The residual stresses characterizations were carried out using X-ray diffraction, neutron diffraction and synchrotron diffraction methods. The identification and interaction between factors on distortion behavior was carried out using statistical analysis, with the aid of DoE (Design of Experiments). For the DoE method the number of causes that can be considered were 5 parameters of the process, including: different batches, drawing angle, PERC angle, stress relief temperature and induction hardening depth. From the results obtained, the evaluation of which steps in the process induce higher "distortion potential" during the various steps of the process was carried out. From the measurements of residual stresses a detailed view of how these residual stresses are distributed for material in each step of the process was obtained, the results show significant differences along the peripheral positions in the pre-straightening and drawing stages. The experimental results indicate the microstructure of the material, wire rod geometry and the die angle process parameters as main "distortion potentials".
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Polymerkoncentrationens inverkan på härdresultatet av seghärdningsstål / The polymer concentration influence on the hardening result for quench and tempering steelLind, Fredrik January 2017 (has links)
Ovako Sweden AB i Hällefors har vid seghärdning av stål problem med sprickor. Studier visar på att tillsatser av polymer i kylvattnet ger ett långsammare och jämnare kylförlopp, vilket minskar risken för sprickor. För att fastställa vilken mängd polymer som är lämplig att tillsätta i kylvattnet vid härdning av deras låglegerade segment av seghärdat stål, så har undersökningar utförs på två stålsorter. Skillnaden i härdresultat mellan de olika testade koncentrationsnivåerna var små, men vid högre polymerkoncentration så fördelades hårdheten något jämnare genom hela tvärsnittet. / Ovako Sweden AB have problems with cracks during the process of hardening of steel. Studies show that the additives of polymer in the cooling water gives a slower and more even cooling process, which reduce the risk of crack onset. To decide the amount of polymer that is suitable to put in the cooling water at the hardening of their low-alloy steel segment of quenched and tempered steel, so studies have been conducted on two types of steel. The difference in hardening results between different tested concentration levels were small, but at higher polymer concentration the hardness was distributed slightly more evenly throughout the cross section.
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