The investigation of thermal residual stresses formed on borided high-alloy steels using finite elements method

Abstract

Thermal residual stresses occuring in borided materials has some adverse effects like boride cracks and delaminations. Therefore it is important to detect level of stresses occured after boriding and change mechanism depend on layer thickness. In this study, boride layer (Fe2B) formation on high-alloy steels and effect of layer thickness on residual stress distribution have been investigated by using finite elements method systematically. The result of the FEM analysis revealed that, the thermal-induced residual stresses increas with decreasing temperature of the cooling process. The occurance of compressive stresses on the boride layer and tensile stresses on the steel workpiece was deduced. It is also found that, with increasing layer thickness. the compressive stress on the boride layer decreses while tensile stress on steel workpiece and shear stress in the interlayer increases.

Keywords

• boriding, finite elements method, thermal residual stress

Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi

Abstract

Borlanan parçalarda oluşan kalıntı ısıl gerilmelerin kaplamalarda çatlama, ayrılma gibi olumsuz etkileri olmaktadır. Bu sebeple borlama neticesinde oluşan gerilmelerin ne boyutta olduğunun ve kaplama tabakasının kalınlığına bağlı olarak nasıl değiştiğinin belirlenmesi önem arz etmektedir. Bu çalışmada, yüksek alaşımlı çeliklerde borlama işlemi esnasında oluşan tek katmanlı borür tabakasının (Fe2B) , parça üzerinde belirli bölgelerde oluşturduğu gerilmeler ve bu gerilmelerin tabaka kalınlığına bağlı değişimi sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Yapılan analizler neticesinde, oluşan gerilmelerin sıcaklık düşüşüne bağlı olarak arttığı görülmüştür. Fe2B tabakasında basma gerilmeleri, buna karşılık çelik parçada çekme gerilmeleri oluştuğu gözlemlenmiştir. Ayrıca Tabaka kalınlığının artmasıyla borür tabakasında oluşan basma gerilmelerinin azaldığı, çelik parçada oluşan çekme gerilmelerinin ve borür tabakası ile altlık malzeme arasında oluşan kayma gerilmelerinin arttığı tespit edilmiştir.

Keywords

• borlama, sonlu elemanlar, ısıl artık gerilme

References

1. A. Sinha, «Boriding (Boronizing),» %1 içinde J. Heat Treating, American Society for Metals, Metals Park,OH, 1991.
2. S. Ünlü ve S. Yılmaz, «Bor ve borlamanın kullanım alanları’,» Mühendis ve makina, cilt 47, no. 552, 2005.
3. F. Karakullukçu, K. Genel ve M. İpek, «Dekarbüriazsyonun AISI H13 çeliğinin borlanma davranışına etkisi,» Sakarya Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 1992.
4. K. Genel, «Boriding kinetics of H13 steel,» Vacuum, cilt 80, no. 451-457, 2005.
5. S. Taktak, «Some mechanical properties of borided AISI H13 and 304 steels,» Materials & Design, cilt 28, pp. 1836-184, 2007.
6. V. Sista, O. Kahvecioğlu, L. Eryılmaz ve A. Erdemir, «Electrochemical boriding and characterization of AISI D2 tool steel,» Thin Solid Films, cilt 520, pp. 1582-1588, 2001.
7. M. Kulka ve A. Pertek, «Gradient formation of boride layers by borocarburizing,» Applied surface science, cilt 254, pp. 5281-5290, 2008.
8. İ. Özbek, Borlama yöntemiyle AISI M50, AISI M2 yüksek hız çeliklerinin ve AISI W1 çeliğinin yüzey performansının geliştirilmesi, Sakarya: Sakarya Üniversitesi, 1992.

9. T. Ericsson, «Residual stresses caused by thermal and thermochemical surface treatments,» Advances in Surface Treatments, cilt 4, pp. 110-112, 1985.
10. I. Campos-Silva, E. Hernández-Sánchez, G. Rodríguez-Castro, A. Rodríguez-Pulido, C. López-García ve M. Ortiz-Domínguez, «Indentation size effect on the Fe2B/substrate interface,» Surface and Coatings Technology, cilt 206, pp. 1816-1823, 2011.
11. L. Zhenzhan, W. Ziming ve S. Xichen, «The influence of internal stress and preferred orientation on the abbrasive wear resistance of a boronized medium carbon steel,» Wear, cilt 138, pp. 285-294, 1990.
12. K. Genel, L. Özbek ve C. Bindal, «Kinetics of boriding of AISI W1 steel,» Materials Science and Engineering, cilt 347, pp. 311-314, 2003.
13. İ. Özbek ve C. Bindal, «Kinetics of borided AISI M2 high speed steel,» Vacuum, cilt 86, pp. 391-397, 2011.
14. Y. Wang, W. Tian, Y. Yang, G. C. Li ve L. Wang, «Investigation of stress field and failure mode of plasma sprayed Al2O3–13%TiO2 coatings under thermal shock,» Materials Science and Engineering, cilt 516, pp. 103-110, 2009.
15. B. Xiao ve J. Feng, «The elasticity,bondhardness and thermodynamic propertiesof X2B (X=Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Mo,W) investigated by DF ttheory,» Physica B, cilt 405, pp. 1274-1278, 2010.
16. «Material Properties Data available on website,» [Çevrimiçi]. Available: http://www.matweb.com. [Erişildi: 20 Mayıs 2013].
17. «Material Properties Data available on website,» [Çevrimiçi]. Available: http://www.schmolz-bickenbach.de. [Erişildi: 20 Mayıs 2013].
18. F. Şen, O. Sayman, E. Çelik ve M. Toparlı, «Stress analysis of high temperature ZrO2 insulation coatings on Ag using finite element method,» Journal of Materials Processing Technology, cilt 80, pp. 239-243, 2006.
19. F. Sen, E. Çelik ve M. Toparlı, «Transient thermal stress analysis of CeO2 thin films on Ni substrates using finite element methods for YBCO coated conductor,» Materials and Desing, cilt 28, pp. 708-712, 2007.
20. R. Prümmer ve W. Pfeiffer, «Residual stresses in borided layers,» Journal of the Less Common Metals, cilt 117, pp. 411-414, 1986.
21. A. Waheed ve F. Soliman, «Effect of Differantial Thermal Expansion on Stress Generated in Coating,» Journal of Material Science Technology, 1999.