Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.33
no.3
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pp.190-195
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2009
All the failure in fatigue of torsion, bending and rolling contact, and in sliding wear begins mostly from surface. So much efforts have been invested to the surface technology which deal these problems during past decades, but the industrial demand keeps growing and more significant requirements are added to researchers and engineers. Nano crystal surface modification technology which makes the surface layers into nano crystalline, induces big and deep compressive residual stress, increases surface hardness, improves surface hardness, and make micro dimples structure on surface is an emerging technology which can break limits of current surface technology and relieve the burden of researchers and engineers. In this study, a nano crystal surface modification technology which is calling UNSM(Ultrasonic nano crystal surface modification) technology, is introduced and how it has been applied to industry to solve these failure problems is explained.
Surface modification techniques are known to improve SCC by adding large compressive residual stresses to metal surfaces. This surface modification technology is attracting attention because it is an economical and practical technology compared to the maintenance method of existing nuclear power plants. Surface modification techniques include laser, water jet and ultrasonic peening, pinning and ultrasonic Nano-crystal surface modification (UNSM). The focus of this study was on the effect of ultrasonic amplitude in UNSM treatment on the corrosion properties of Alloy 600. A microstructure analysis was conducted using an optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM) and electron backscattering diffraction (EBSD). A cyclic polarization test and AC-impedance measurement were both used to analyze the corrosion properties. UNSM treatment influences the corrosion resistance of Alloy 600 depending on its amplitude. Below the critical amplitude value, the pitting corrosion properties are improved by grain refinement and compressive residual stress, but above the critical amplitude value, crevices are formed by the formation of overlapped waves. These crevices act as corrosion initiators, reducing pitting corrosion resistance.
This study was performed to investigate the effect of ultrasonic nano crystal surface modification (UNSM) on residual stress mitigation after Weld Inlay repair for butt dissimilar metal weld with Alloy 82/182 in reactor vessel In/Outlet nozzle. As-welded and Weld Inlay specimens were made in accordance with design standard of ASME Code Case N-766, and two planes of their weld specimens were peened by the optimum UNSM process condition. Peening characteristics for weld specimens after UNSM treatment were evaluated by surface roughness and Vickers hardness test. And, residual stress for weld specimens developed from before and after UNSM treatment was measured and evaluated by instrumented indentation technique. Consequently, it was revealed that the mitigation of residual stress in weld metal after Weld Inlay repair of reactor vessel In/Outlet nozzle could be possible through UNSM treatment.
To investigate the effect of ultrasonic nano-crystalline surface modification (UNSM) treatment on rolling contact fatigue and residual stress properties of bearing steels, this paper carried out a rolling contact fatigue test, measured residual stress and retained austenite, performed a wear test, observed microstructure, measured micro hardness, and analyzed surface topology. After the UNSM treatment, it was found that the surface became minute by over $100{\mu}m$. The micro surface hardness was changed from Hv730~740 of base material to Hv850~880 with about 20% improvement, and hardening depth was about 1.3 mm. The compressive residual stress was measured as high as -700~-900 MPa, and the quantity of retained austenite was reduced to 27% from 34%. The polymet RCF-6 ball type rolling contact fatigue test showed over 4 times longer fatigue lifetime after the UNSM treatment under 551 kgf load and 8,000 rpm. In addition, this paper observed the samples, which went through the rolling contact fatigue test, with OM and SEM, and it was found that the samples had a spalling phenomenon (the race way is decentralized) after the UNSM treatment. However, before the treatment, the samples had excessive spalling and complete exploration. Comparison of the test samples before and after the UNSM treatment showed a big difference in the fatigue lifetime, which seems to result from the complicated effects of micro particles, compressive residual stress, retained austenite, and surface topology.
In this work, various electron microscopy and analysis techniques were used to investigate the microstructural evolution of a 9% Cr tempered martensite ferritic (TMF) steel T91 upon ultrasonic nanocrystalline surface modification (UNSM) treatment. The micro-dimpled surface was analyzed by scanning electron microscopy. The characteristics of plastic deformation and gradient microstructure of the UNSM treated specimens were clearly revealed by crystal orientation mapping of electron backscatter diffraction (EBSD), with flexible use of the inverse pole figure, image quality, and grain boundary misorientation images. Transmission electron microscope (TEM) observation of the specimens at different depths showed the formation of dislocations, dense dislocation walls, subgrains, and grains in the lower, middle, upper, and top layers of the treated specimens. Refinement of the $M_{23}C_6$ precipitates was also observed, the size and the number density of which were found to decrease as depth from the top surface decreased. The complex microstructure and microstructural evolution of the TMF steel samples upon the UNSM treatment were well-characterized by combined use of EBSD and TEM techniques.
Austenitic stainless steels have been widely used in many engineering fields because of their high corrosion resistance and good mechanical properties. However, welding or aging treatment may induce intergranular corrosion, stress corrosion cracking, pitting, etc. Since these types of corrosion are closely related to the formation of chromium carbide in grain boundaries, the alloys are controlled using methods such as lowering the carbon content, solution heat treatment, alloying of stabilization elements, and grain boundary engineering. This work focused on the effects of aging and UNSM (Ultrasonic Nano-crystal Surface Modification) on the intergranular corrosion of commercial 316L stainless steel and the results are discussed on the basis of the sensitization by chromium carbide formation and carbon segregation, residual stress, grain refinement, and grain boundary engineering.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.17
no.2
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pp.145-156
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2021
Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification (UNSM) is a peening technology that generates elastic-plastic deformation on the material surface to which a static load of a air compressor and a dynamic load of ultrasonic vibration energy are applied by striking the material surface with a strike pin. In the UNSM-treated material, the structure of the surface layer is modified into a nano-crystal structure and compressive residual stress occurs. When UNSM is applied to welds in a reactor coolant system where PWSCC can occur, it has the effect of relieving tensile residual stress in the weld and thus suppressing crack initiation and propagation. In order to quantitatively evaluate the compressive residual stress generated by UNSM, many finite element studies have been conducted. In existing studies, single-path UNSM or UNSM in a limited area has been simulated due to excessive computing time and analysis convergence problems. However, it is difficult to accurately calculate the compressive residual stress generated by the actual UNSM under these limited conditions. Therefore, in this study, a minimum finite element peening analysis area that can reliably calculate the compressive residual stress is proposed. To confirm the validity of the proposed analysis area, the compressive residual stress obtained from the experiment are compared with finite element analysis results.
Kim, Mi Ru;Lee, Deug Woo;Lee, Seung Jun;Liang, Li;Kim, Jong Man;Jang, Nam-Su
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.24
no.6
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pp.639-646
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2015
A treatment for improving the characteristics of a surface is very important in increasing the life of machine parts. Many studies have been carried out on the surface characteristics after such treatments. For enhanced eco-technology, an alternative to a conventional chemical surface treatment process is essential. Ultrasonic nano-crystal surface modification (UNSM) technology is a physical environmentally friendly surface treatment method. This technology was developed in domestic and currently being used. As the mechanism of UNSM technology, a ball tip attached to an ultrasonic vibration device strikes the metal surface at nearly 20,000 times per second. The resulting modified surface layer improves the surface characteristics. This paper describes a self-developed fast tool servo system applied to the UNSM process as a vibration module within a high-frequency bandwidth. After describing the surface modification process based on the material and process changes, the surface characteristics are compared.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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