Evaluation of shot peening parameters with Barkhausen noise, residual stress and retained austenite content measurements

Abstract

Tässä pro gradu -tutkielmassa pyritään etsimään korrelaatiota kuulapuhallusparametrien, Barkhausenin kohinan vaihtelun, jäännösjännityksen, sekä jäännösausteniittipitoisuuden välillä. Barkhausenin kohinan mittauksella voidaan havaita jäännösjännityksen ja kovuuden vaihteluita mitattavassa ferromagneettisessa kappaleessa. Toisaalta jäännösjännityksen mittauksessa saadaan eksakti tulos pieneltä alueelta. Kuulapuhallus on eräs jälkityöstömetodi, jolla lisätään kappaleen pinnan kulutus- ja väsymiskestävyyttä. Työn tilaajana on toiminut Stresstech Oy ja tutkimuksessa on käytetty Scania AB:n valmistamia ja kuulapuhaltamia näytteitä, joista mitattiin Tampereen teknillisessä yliopistossa Barkhausenin kohinamittaukset, sekä röntgenmittaukset Stresstech Oy:n mittauspalvelussa. Tutkimuksessa etsittiin erilaisilla metodeilla mahdollista korrelaatiota kuulapuhallusparametrien, Barkhausenin kohinasignaalin parameterien, jäännösjännityksen ja austeniittimittausten välillä. Erilaisia menetelmiä ja tuloksia käsiteltiin monia erilaisia, joista vain lupaavimmat on esitelty tässä tutkielmassa. Käsitelty mittaustiedon määrä on hyvin laaja, joten jonkinlaista esikäsittelyä on järkevä tehdä. Mitattuihin syvyysprofiileihin sovitettiin toisen asteen polynomifunktio, rajoittaen mittaussyvyys 100 µm:iin. Saadun funktion kertoimia, pinta-alaa ja derivaatan nollakohtaa käytettiin itse korrelaatiotarkasteluissa. Monien vaiheiden jälkeen päädyin käyttämään monimuuttujaregressioanalyysiä, joka antoi lupaavimmat tulokset tässä työssä esitettyjen korrelaatioiden löytämisessä. Mitattujen tulosten pohjalta merkittäviä korrelaatiota löytyi kuulapuhallusparametrien, röntgenmittausten tulosten, sekä Barkhausenin kohinan mittaustulosten välillä. Lisäksi havaitsin, että jäännösausteniittipitoisuudella ei ole kovinkaan suurta korrelaatiota muihin mittauksiin. Merkittävämpi havainto oli kuulapuhalluksen intensiteetin olevan dominoiva. Mikäli se oli liian intensiivinen, se dominoi kuulapuhalluksen peittoparametrin. Toisaalta mikäli intensiteetti oli alle löydetyn rajan, peittoparameterin korrelaatio jäännösjännitys ja Barkhausenin kohinan mittausten välillä oli merkittävä.

This Master’s thesis is concerned with answers to the correlation between shot peening parameters, Barkhausen noise and X-ray diffraction measurement results. The changes in residual stresses and hardness can be measured with Barkhausen noise method while X-ray diffraction method contributes exact result on a specific spot; shot peening is a post treatment method to increase fatigue and abrasion resistance in metallographic sample surfaces. The thesis has been commissioned by Stresstech Oy, and the studied samples were received from Scania AB. The Barkhausen noise measurements were carried out in the Technical University of Tampere, while X-ray diffraction measurements were carried out in Stresstech Oy. During the thesis, multiple methods were tested to discover the correlation between the shot peening parameters, Barkhausen noise signal parameters, residual stress and retained austenite measurements. Only the most assuring results are presented in the thesis. The amount of raw data is vast, therefore optimization was required. A polynomial of second degree was fitted into residual stress depth measurements up to 100 µm, polynomial constants a, b and c, function area and function derivative zero point were utilized in the correlation inspection. After several trials a multiple regression analysis was utilized, which produced the most promising results. Based on the measurements, some remarkable correlations were found between the shot peening parameters, X-ray diffraction and Barkhausen noise measurements. Furthermore, the retained austenite content did not show much effect on correlation. The more important finding was that when the shot peening intensity was high enough, it dominated the shot peening coverage parameter.Yet if the intensity parameter was lower than the limit mentioned, earlier the correlation between shot peening coverage, residual stress and Barkhausen noise measurements was remarkable.