Investigation of the effects of holding times at cryogenic temperatures on residual stress distribution of aisi d2 tool steel

Abstract

Soğuk iş takım çeliği olan AISI D2 çeliği yüksek aşınma direnci, basma dayanımı ve tokluk gibi avantajlar sağladığından endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Literatür incelendiğinde, kalıntı gerilmelere kriyojenik işlemin etkisini araştıran çalışma sayısı oldukça az olduğu görülmüştür. Kalıntı gerilmeler, yorulma ömrü, aşınma direnci, çatlak ilerlemesi ve gerilme korozyonu gibi malzemenin servis ömrünü belirleyen bazı özellikleri etkilediğinden önem taşır. Bu çalışmada, farklı bekletme sürelerindeki kriyojenik işlemin AISI D2 çeliğinin kalıntı gerilmelerine etkisi araştırılmıştır. Sonuçlar gösteriyor ki, AISI D2 çeliğinin yüzeyindeki çekme kalıntı gerilmeleri kriyojenik işlem ile azalır ve sonrasında yüzey altında basma kalıntı gerilmelerine dönüşür. Kriyojenik işlemde 24 saat bekletme süresi için eksenel yöndeki gerilme 242,3 MPa ve teğetsel yöndeki gerilme 172.5 MPa iken, klasik ısıl işlem uygulanmış numunede eksenel yöndeki gerilme 321,5 MPa ve teğetsel yöndeki gerilme 316,8 MPa değerindedir. Klasik ısıl işlem numunesi ve kriyojenik işlem numuneleri arasında sertlik farkı belirgin derecede değil iken, 24 saat bekletme süresinde ikincil karbürlerin çökelimi artmıştır. Bunun dışında kriyojenik işlemin yüzey pürüzlülüğünü iyileştirmiştir. Klasik ısıl işlemle karşılaştırıldığında, 24 saat bekletme süresi, kalıntı gerilme, karbür dağılımı ve yüzey pürüzlülüğü açısından daha iyi sonuçlar vermiştir.

AISI D2 is cold tool work steel and is used widely due to the advantages such as its wear resistance, compressive strength and toughness. When the literature is reviewed, it is observed that researches associated with the effect of cryogenic treatment on residual stress are rather poor. Residual stress is very important since this affects some properties such as fatique life, wear resistance, crack propagation and stress corrosion which determine the service life of materials. In this study, effect of the holding time at cryogenic temperatures on residual stress of AISI D2 cold work tool steel is investigated. Results shows that tensile residual stress on surface of AISI D2 steel decreases with cryogenic treatment and subsequently turns into compressive residual stress on subsurface. While residual stress value on surface of the specimen for holding time (t_CT) of 24 h is 242,3 MPa in axial direction and 172.5 MPa in tangential direction, and in specimen conventionally treated is 321,5 MPa in axial direction and 316,8 MPa in tangential direction. There is no significant difference between hardness values, but carbide precipitation increases in specimen cryotreated for t_CT=24 h. Apart from this, surface roughness improves for cryogenic treatment. In comparison to conventional heat treatment and cryogenic treatment at various holding times, t_CT=24 h has better results regarding residual stress, carbide precipitation, and surface roughness.