Gradient residual stress and fatigue life prediction of induction hardened carbon steel S38C axles: Experiment and simulation

残余应力 材料科学 残余物 结构工程 应力场 圆筒应力 压力(语言学) 机械 复合材料 有限元法 工程类 极限抗拉强度 计算机科学 物理 哲学 语言学 算法
作者
Tianyu Qin,Feifei Hu,Pingguang Xu,Han Zhang,Liang Zhou,Ni Ao,Yuhua Su,Takahisa Shobu,Shengchuan Wu
出处
期刊:International Journal of Fatigue [Elsevier BV]
卷期号:185: 108336-108336 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.ijfatigue.2024.108336
摘要

Gradient residual stress with several millimeters is retained in middle carbon S38C axles after induction hardening, which has become a critical concern for fatigue structural integrity. To address this, the axial, hoop, and radial gradient residual stress inside the axles are measured by neutron diffraction. The SIGINI Fortran subroutine was then adopted to reconstruct the global initial residual stress field in terms of measured data. Experiment and simulation results show that approximately −515 MPa (axial), −710 MPa (hoop), and −43 MPa (radial) residual stress was retained underneath the surface. Subsequently, the fatigue crack propagation behavior of S38C axles was numerically investigated in the framework of fracture mechanics. The calculated results clearly show that the compressive residual stresses at a depth of 0–3 mm from the surface could lead to the lower crack growth driving force, and fatigue cracks would not propagate as long as the crack depth is smaller than 3.7 mm for hollow S38C axles. Such results further indicates that the maximum defect size during routine examination can be permitted from the viewpoint of safety and economy. Accurate measurement and characterization of global gradient residual stress field in terms of experiment and simulation can provide an important reference for optimizing the nondestructive detection milage interval of surface-strengthened railway axles.

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