Shape memory alloy (SMA) helical springs have found a large number of different applications in industries including biomedical devices and actuators. According to the application of SMA springs in different actuators, they are usually under tension and torsion loadings. The ability of SMAs in recovering inelastic strains is due to martensitic phase transformation between austenite and martensite phases. Stress or temperature induced martensite transformation induced of SMAs is a remarkable property which makes SMA springs more superior in comparison with traditional springs. The present paper deals with the simulation of SMA helical spring at room temperature. Three-dimensional phenomenological constitutive model is used to describe superelastic behavior of helical spring. This constitutive model is implemented as a user subroutine through ABAQUS STANDARD (UMAT), and the process of the implementation is presented. Numerical results show that the developed constitutive model provides an appropriate approach to captures the general behavior of SMA helical springs.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.5
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pp.459-465
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2013
In the manufacturing process of steel plates, materials at high temperatures above $800^{\circ}C$ are rapidly cooled by using a circular impinging water jet to determine their strength and toughness. In this study, the basic heat and fluid flow is solved by using the existing numerical model for boiling heat transfer. Actually, steel undergoes a phase change from austenite to ferrite or bainite during the cooling process. The phase change induces changes in its thermal properties. Instead of directly solving the phase change and the material cooling together, we solve the heat transfer only by applying the thermal properties that vary with temperature, which is already known from other studies. The effects of the changes in the thermal properties on the cooling of steel and the necessity of calculating the phase change are discussed.
This study was carried out to investigate the influence of a sigma phase precipitation on the pitting corrosion resistance and microstructural change of super duplex stainless steels(UNS S32750). The welds made by FCAW (Flux Cored Arc Welding) were heat treated ($930^{\circ}C$, $1080^{\circ}C$, $1230^{\circ}C$) and quenched. Based on the microstructural examination, it was found that the ${\sigma}$ phase was formed in base metals and welds heat treated at $930^{\circ}C$ while there were little ${\sigma}$phases formed in base metals and weld metal experienced the relatively fast cooling from $1080^{\circ}C$ and $1230^{\circ}C$. On the other hand, the most weight loss due to pitting corrosion occurred in base and weld metals heat treated at $930^{\circ}C$. It was confirmed that the pitting corrosion occurred in the phase boundaries of ferrite/sigma and austenite/sigma. The pitting corrosion resistance decreased owing to an increase in Cr, Mo depleted areas adjacent to the intermetallic phases such as ${\sigma}$phases. The hardness was greatly increased due to the precipitation ${\sigma}$phases.
Kim, Bong-Whan;Yang, Sik;Shin, Je-Sik;Lee, Sang-Mok;Moon, Byung-Moon
Journal of Korea Foundry Society
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v.26
no.1
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pp.17-26
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2006
The substitution of cooling method from water quenching to air cooling after solution heat treatment was aimed for the development of a convenient and economical heat treatment process of duplex stainless steels without deterioration of mechanical and corrosion resistant properties for the industry. In order to achieve this goal, the mechanical properties and corrosion properties of a ASTM A890-4A duplex stainless steel were systematically investigated as functions of casting condition and cooling method after solution heat treatment. A 3-stepped sand mold and a permanent Y-block mold were used to check the effects of solidification structure and cooling rate after solution heat treatment. The microstructural characteristics such as the ferrite/austenite phase ratio and the precipitation behavior of ${\sigma}$ phase and carbides were investigated by combined analysis of OM and SEM-EDX with an aid of TTT diagram. Hardness and tension test were performed to evaluate the mechanical properties. Impact property at $-40^{\circ}C$ and corrosion resistance were also examined to check the possibility of the industrial application of this basic study. Throughout this investigation, air-cooling method was proved to effectively substitute for water-quenching process after the solution heat treatment, when the duplex stainless steel was sand mold cast with a thickness below 15 mm or permanent mold cast with a thickness below 20 mm.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.4
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pp.347-354
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2012
The recovery force and displacement occur due to the phase transformation from the martensite phase to the austenite phase induced by the mechanical loading or thermal loading. These recovery force and displacement depend on an initial geometrical configuration of SMAs and loading conditions. Although the SMAs generally generates large recovery forces, the sufficient recovery displacement cannot be expected without a proper design strategy. The functionality of SMAs is limited due to the unbalance between the large recovery force and the small recovery displacement. This study suggests the double coil SMA spring in order to amplifying the recovery displacement induced by the phase transformation. By predicting the recovery displacement of doble coil SMA springs and one coil SMA springs induced by thermal loading, we show that the double coil SMA spring not only mitigate the unbalance of performance but also have a large recovery displacement for its recovery force than one coil SMA spring.
Although heat treatment is a process of great technological importance in order to obtain desired mechanical properties such as hardness, the process was required a tedious and expensive experimentation to specify the process parameters. Consequently, the availability of reliable and efficient numerical simulation program would enable easy specification of process parameters to achieve desired microstructure and mechanical properties without defects like crack and distortion. In present work, the developed numerical simulation program could predict distributions of microstructure and thermal stress in steels under different cooling conditions. The computer program is based on the finite difference method for temperature analysis and microstructural changes and the finite element method for thermal stress analysis. Multi-phase decomposition model was used for description of diffusional austenite decompositions in low alloy steels during cooling after austenitization. The model predicts the progress of ferrite, pearlite, and bainite transformations simultaneously during quenching and estimates the amount of martensite also by using Koistinen and Marburger equation. To verify the developed program, the calculated results are compared with experimental ones of casting product. Based on these results, newly designed heat treatment process is proposed and it was proved to be effective for industry.
Kim, Hye-Jin;Jeon, Soon-Hyeok;Kim, Soon-Tae;Lee, In-Sung;Park, Yong-Soo
Corrosion Science and Technology
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v.13
no.2
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pp.70-80
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2014
Duplex stainless steels with nearly equal fraction of the ferrite(${\alpha}$) phase and austenite(${\gamma}$) phase have been increasingly used for various applications such as power plants, desalination facilities due to their high resistance to corrosion, good weldability, and excellent mechanical properties. Hyper duplex stainless steel (HDSS) is defined as the future duplex stainless steel with a pitting resistance equivalent (PRE=wt.%Cr+3.3(wt.%Mo+0.5wt.%W)+30wt.%N) of above 50. However, when HDSS is welded with gas tungsten arc (GTA), incorporation of nitrogen in the Ar shielding gas are very important because the volume fraction of ${\alpha}$-phase and ${\gamma}$-phase is changed and harmful secondary phases can be formed in the welded zone. In other words, the balance of corrosion resistance between two phases and reduction of $Cr_2N$ are the key points of this study. The primary results of this study are as follows. The addition of $N_2$ to the Ar shielding gas provides phase balance under weld-cooling conditions and increases the transformation temperature of the ${\alpha}$-phase to ${\gamma}$-phase, increasing the fraction of ${\gamma}$-phase as well as decreasing the precipitation of $Cr_2N$. In the anodic polarization test, the addition of nitrogen gas in the Ar shielding gas improved values of the electrochemical parameters, compared to the Pure Ar. Also, in the erosion-corrosion test, the HDSS welded with shielding gas containing $N_2$ decreased the weight loss, compared to HDSS welded with the Ar pure gas. This result showed the resistance of erosion-corrosion was increased due to increasing the fraction of ${\gamma}$-phase and the stability of passive film according to the addition $N_2$ gas to the Ar shielding gas. As a result, the addition of nitrogen gas to the shielding gas improved the resistance of erosion-corrosion.
Park, Sang Gyu;Kim, Min-Chul;Lee, Bong-Sang;Wee, Dang-Moon
Korean Journal of Metals and Materials
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v.46
no.12
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pp.771-779
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2008
An effective way of increasing the strength and fracture toughness of reactor pressure vessel steels is to change the material specification from that of Mn-Mo-Ni low alloy steel(SA508 Gr.3) to Ni-Mo-Cr low alloy steel(SA508 Gr.4N). In this study, we evaluate the effects of alloying elements on the microstructural characteristics of Ni-Mo-Cr low alloy steel. The changes in the stable phase of the SA508 Gr.4N low alloy steel with alloying elements were evaluated by means of a thermodynamic calculation conducted with the software ThermoCalc. The changes were then compared with the observed microstructural results. The calculation of Ni-Mo-Cr low alloy steels confirms that the ferrite formation temperature decreases as the Ni content increases because of the austenite stabilization effect. Consequently, in the microscopic observation, the lath martensitic structure becomes finer as the Ni content increases. However, Ni does not affect the carbide phases such as $M_{23}C_6 $ and $M_7C_3$. When the Cr content decreases, the carbide phases become unstable and carbide coarsening can be observed. With an increase in the Mo content, the $M_2C$ phase becomes stable instead of the $M_7C_3$ phase. This behavior is also observed in TEM. From the calculation results and the observation results of the microstructure, the thermodynamic calculation can be used to predict the precipitation behavior.
Ultrasonic impact treatment (UIT) is carried out on the Ni-based alloy stainless steel pipe gas tungsten arc welding (GTAW) girth weld, the differences of microstructure, microhardness and shear strength distribution of the joint before and after ultrasonic shock are studied by microhardness test and shear punch test. The results show that after UIT, the plastic deformation layer is formed on the outside surface of the Ni-based alloy overlayer, single-phase austenite and γ type precipitates are formed in the overlayer, and a large number of columnar crystals are formed on the bottom side of the overlayer. The average microhardness of the overlayer increased from 221 H V to 254 H V by 14.9%, the shear strength increased from 696 MPa to 882 MPa with an increase of 26.7% and the transverse average residual stress decreased from 102.71 MPa (tensile stress) to -18.33 MPa (compressive stress), the longitudinal average residual stress decreased from 114.87 MPa (tensile stress) to -84.64 MPa (compressive stress). The fracture surface has been appeared obvious shear lip marks and a few dimples. The element migrates at the fusion boundary between the Ni-based alloy overlayer and the austenitic stainless steel joint, which is leaded to form a local martensite zone and appear hot cracks. The welded joint is cooled by FA solidification mode, which is forming a large number of late and skeleton ferrite phase with an average microhardness of 190 H V and no obvious change in shear strength. The base metal is all austenitic phase with an average microhardness of 206 H V and shear strength of 696 MPa.
This study investigates the application of alternating current (AC) and direct current (DC) anodization techniques on stainless steel 304L (SS304L) in an ethylene glycol and ammonium fluoride (NH4F) electrolyte solution to produce a nano-porous oxide layer. With limited research on AC anodizing of stainless steel, this study focuses on comparing AC and DC anodization in terms of current density versus time response, phase analysis using X-ray diffraction (XRD), and corrosion rate determined by linear polarization. Both AC and DC anodization were performed for 60 minutes at 50 V in an electrolyte solution containing 0.5% NH4F and 3% H2O in ethylene glycol. The results show that AC anodization exhibited higher current density compared to DC anodization. XRD analysis revealed the presence of ferrite (α-Fe) and austenite (γ-Fe) phases in the as-received specimen, while both AC and DC anodized specimens exhibited only the γ-Fe phase. The corrosion rate of the AC-anodized specimen was measured at 0.00083 mm/year, lower than the corrosion rate of the DC-anodized specimen at 0.00197 mm/year. These findings indicate that AC anodization on stainless steel offers advantages in terms of higher current density, phase transformation, and lower corrosion rate compared to DC anodization. These results highlight the need for further investigation and exploration of AC anodization as a promising technique for enhancing the electrochemical properties of stainless steel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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