Accurate Prediction of Residual Stresses in Machining of Inconel 718 Alloy through Crystal Plasticity Modelling

Abstract

Determination and assessment of residual stresses are crucial to prevent the failure of the components used in defense, aerospace and automotive industries. The objective of this study is to present a material method to accurately predict the residual stresses induced during machining of Inconel 718. Orthogonal cutting tests were performed at various cutting speeds and feeds, and the residual stresses after machining of Inconel 718 were characterized by X-ray diffraction. A viscoplastic self-consistent crystal plasticity model was developed to import the microstructural inputs of this superalloy into a commercially available finite element software (Deform 2D). In addition, same simulations were carried out with classical Johnson - Cook material model. The simulation and experimental results showed that the crystal plasticity based multi-scale and multi-axial material model significantly improved the prediction accuracy of machining induced residual stresses of Inconel 718 when compared to the existing model, and it can be used to minimize the surface defects and cost of production trials in machining of difficult-to-cut materials.

Artık gerilmelerin belirlenmesi ve değerlendirilmesi, savunma, havacılık ve otomotiv endüstrilerinde kullanılan bileşenlerin arızalanmasını önlemede çok önemlidir. Bu çalışmanın amacı, Inconel 718'in işlenmesi sırasında oluşan artık gerilmeleri doğru bir şekilde tahmin etmek için bir malzeme modeli sunmaktır. Ortogonal talaşlı imalat testleri, çeşitli kesme ve ilerleme hızlarında gerçekleştirilerek, Inconel 718'in işlenmesinden sonraki artık gerilmeler, X-Ray ışın kırınımı ile karakterize edildi. Bu süper alaşımın mikroyapısal girdilerini ticari olarak temin edilebilen bir sonlu eleman yazılımına (Deform 2D) aktarmak için bir viskoplastik kendi içinde tutarlı kristal plastisite modeli geliştirildi. Ayrıca simülasyonlar klasik Johnson - Cook malzeme modeli ile aynı işleme parametrelerinde yapıldı. Bu çalışmada elde edilen simülasyon ve deneysel sonuçlar, kristal plastisite tabanlı çok ölçekli ve çok ölçekli malzeme modelinin, mevcut modele kıyasla Inconel 718'in işleme kaynaklı kalıntı gerilmelerinin tahmin doğruluğunu önemli ölçüde geliştirdiğini ve yüzey kusurlarını en aza indirmek için kullanılabileceğini göstermiştir. Geliştirilen bu model, kesilmesi zor malzemelerin işlenmesinde yüzey kusurlarını ve üretim denemelerinin maliyetini en aza indirmek için kullanılabilir.