Influence and stability of deep rolling residual stresses in the steel AISI 1045 subjected to multi-level loads

Abstract

O objectivo deste trabalho é estudar a influência e estabilidade de tensões residuais no comportamento à fadiga no aço AISI 1045. O processo de laminagem profunda foi usado como tratamento mecânico para introduzir no material um estado de tensões residuais compressivas em zonas próximas da superfície. Testes à fadiga uniaxiais foram realizados de modo a avaliar o comportamento à fadiga do material tratado mecanicamente. Foram definidas três amplitudes de 300, 350 e 400 MPa aplicadas em ciclos de tensão constante e combinadas em ciclos de tensão variável. As tensões residuais e a largura do pico de difracção foram calculadas através de difracção de raio-X. O polimento electrolítico foi usado como processo para remover camadas de material. Medições de dureza foram realizadas de forma a fazer uma ligação entre o endurecimento causado pela laminagem profunda e o comportamento à fadiga. Os resultados mostram que o comportamento do material sujeito à fadiga é influenciado pela tensão aplicada. Elevadas amplitudes de tensão provocam elevadas deformações plásticas e menor resistência à fadiga. É observada uma melhoria do comportamento à fadiga do material tratado mecanicamente em relação ao não tratado. O material sujeito à fadiga exibe uma relaxação de tensões residuais que é mais pronunciada para amplitudes de tensão mais altas. Em fadiga de tensão variável, a deformação plástica aumenta ou diminui quando se varia a tensão aplicada. O número de ciclos aplicados em cada bloco de tensão influencia a estabilidade das tensões residuais induzidas. A relaxação das tensões residuais é bastante influenciada para ciclos de tensão constante seguidos de apenas meio ciclo com uma tensão mais alta ou mais baixa do que a tensão anterior.

The main objective of the work presented is the study of the influence and stability of near surface zone of deep rolled steel AISI 1045 subjected to cyclic loading. Deep rolling process was applied as a mechanical surface treatment to induce a compressive residual stress state in near surface zones of material. Tension/Compression fatigue tests were performed in order to evaluate cyclic deformation behaviour after the mechanical surface treatment. Three stress amplitudes of 300, 350 and 400 MPa were used in constant amplitude loading and combined in variable amplitude loading. Residual stress and FWHM (full width at half maximum) distribution measurement were carried out by X-ray diffraction regarding the influence of cyclic loading on near surface zone properties stability. Electropolishing was utilized as a removal material process. Microhardness measurements were carried out concerning determination of work hardened surface layers. Results show that cyclic deformation behaviour is influenced by stress amplitude. High stress amplitudes lead to high strain amplitudes and low fatigue lifetimes. An improvement of lifetime is achieved for deep rolled specimen showing the influence of mechanical surface treatment on fatigue lifetime. Residual stress distribution exhibits a relaxation due to cyclic loading, which is higher for higher stress amplitudes. In variable amplitude loading, a change of stress amplitude leads to an increase or decrease of plastic strain amplitude for higher or lower stress amplitudes, respectively. The number of cycles of each load block influences stability of residual stress state. A load block in constant amplitude loading followed by only half of one cycle of higher or lower stress amplitude than the previous block influences significantly residual stress relaxation.