UTMATTNINGSHÅLLFASTHET I PRESSGJUTNA PROVSTAVAR I LEGERING PRESSLÄTT. Pål Schmidt, Volvo Truck Corporation

Transkript

1 UTMATTNINGSHÅLLFASTHET I PRESSGJUTNA PROVSTAVAR I LEGERING PRESSLÄTT Pål Schmidt, Volvo Truck Corporation

2 UTMATTNINGSHÅLLFASTHET I PRESSGJUTNA PROVSTAVAR I LEGERING PRESSLÄTT Pål Schmidt, Volvo Truck Corporation Svenska Gjuteriföreningen Box 2033, JÖNKÖPING Tel Fax Info@gjuteriforeningen.se

3 2002, Svenska Gjuteriföreningen

4 SVENSKA GJUTERFÖRENINGEN 1 TILLKOMST* Denna rapport sammanfattar utmattningsprovning i projektet G579 : Höghållfast pressgjutgods etapp 1. Testerna har utförts av Volvo Truck Corporation. Stödkommitté för projektet är: Arja Karppinen, Svenska Gjuteriföreningen, projektledare Ola Falk, Stena Aluminium, Stena Aluminium, ordförande Ingvar L Svensson, Ingenjörshögskolan i Jönköping Pål Schmidt, Volvo Truck Corporation Petter Kylefors, Scania AB Kristina Levin, Sapa Technology AB Terje Lofthus, Toten Metallgjenvinning AS Thomas Sköld, Gjuteribolaget i Bredaryd AB Bert Persson, Nyströms AB Jan Isaksson, Gjutal AB Krister Granberg, Stilexo Industri AB Legering 2a skiljer sig marginellt från 2b, Mn halten är 0,27 % istället för 0,34 %, vilket inte avspeglas i statiska mekaniska hållfasthetsegenskaper. För närmare upplysningar om kemisk analys, dendritarmsavstånd, mikrostruktur och porhalt/storleksfördelning, hänvisas till Gjuteriföreningsskrift * Tilläggstext av Svenska Gjuteriföreningen

5 2 Volvo Truck Corporation Engineering Report Receiver (department, name, location) Arja Karppinen SGjF Maria Nylander-Hall SGjF Maqsood Ahmad Z1.BV Issuer Date Report Type Test Calc. Design AE x Misc. Requisition/order no. Function group no. Project no Ordered by (department., name, location) Mats Dahlén Z1.1 Issued by (department, name, location) Pål Schmidt Z1.1 Approved by (department, name, location) Ulla Boman Z1.1 Approval date Date carried out Advanced Engineering Area Key Technology Area Property Area Secrecy level 4 Analysis no. No of Pages 13 No of Appendices Summary Fatigue Testing of High Pressure Die Cast Test Bars in Aluminium Alloy 2a. Background In the Swedish Foundry Association project Optimisation of mechanical properties in high pressure die cast aluminium (Gjuteriföreningsskrift ) an optimised variant of aluminium alloy 4250 (A380) called 2b was developed. The purpose of this work has been to produce a Wöhler curve for the similar variant 2a. Discussion and conclusion From the results of the fatigue testing the following conclusions could be made regarding the fatigue strength of alloy 2a at R= -1: - The fatigue strength at 10 5 cycles is as high as 170 MPa - At 10 6 cycles the value is around 120 MPa - At 10 7 cycles the fatigue strength could be estimated to 110 MPa However, it is important to observe that these conclusions are valid only under certain conditions: - The results are valid only for fine machined surfaces. An as-cast surface, as well as a shot-blasted surface, had probably given higher values. - The results are valid only for materials with pore sizes similar to the ones in this study, i.e. max 0,5 mm. Regarding fatigue testing of cast aluminium alloys in general, surface roughness and porosity level are more important that the alloy itself. In a real design case it is therefore more important to optimise these parameters than to chose the right alloy.

6 Page 3 Bakgrund I Svenska Gjuteriföreningens projekt Optimering av hållfastheten i pressgjutgods (Gjuteriföreningsskrift ) togs fram en optimerad variant av aluminiumlegering 4250, kallad 2b. Genom bl a lägre järnhalt lyckades man avsevärt förbättra de mekaniska egenskaperna, framför allt brottförlängningen. Syftet med detta arbete har varit att ta fram en Wöhler-kurva för den snarlika varianten 2a. Undersökningar Utmattningsprovning har skett genom enaxligt drag-tryck på en platt provstav med tvärsnittet 9 3,5 mm. Spänningsförhållandet (R) har varit 1 och frekvensen ca 20 Hz. Brottytan på provstavarna undersöktes i SEM för bestämning och kvantifiering av initierande defekt. Provmaterial Provstavarna är pressgjutna direkt till färdig form. Gjutningen skedde under vakuum (0,2-0,3 bar) i en maskin med 400 tons låskraft. Gjuttemperaturen var ca 700 C och efter gjutning släcktes provstavarna i vatten. Materialets kemiska sammansättning framgår av tabell 1. De statiska mekaniska egenskaperna i gjuttillstånd redovisas i tabell 2. Tabell 1. Kemisk sammansättning för provstavsmaterialet (vikts-%). Si Cu Mg Fe Mn Zn Ti Sr 9,00 2,91 0,32 0,48 0,27 0,40 0,08 0,0168 Tabell 2. Statiska mekaniska egenskaperna i gjuttillstånd för legering 2a - wc. R p0,2 (MPa) R m (MPa) A 25 mm (%) HB (2/250) ,6 120 En viss bearbetning gjordes av provstavens långsidor för att minska radiens anvisande inverkan, se figur 1. Den ursprungliga midjebredden på 10 mm minskades härvid till 9 mm. Ytfinheten på den bearbetade ytan är R a = 0,6 µm och R max = 5 µm.

7 Page 4 Ingjut Figur 1. En viss bearbetning gjordes av provstavens långsidor för att minska radiens anvisande inverkan. Utmattningsprovning Provningen gjordes i en servohydraulisk lastram MTS 100 kn. Belastningen var enaxlig drag-tryck med R = -1. Resultatet redovisas i tabell 3 och figur 2. Provstavarna 1 och 2 användes enbart för att testa lämplig belastning och provstavsgeometri och är därför inte med i Wöhler-diagrammet. Dessa provstavar hade en klart mer anvisande radie vid skallen och brast därför vid betydligt färre antal cykler än motsvarande provstavar med den nya geometrin. Jämför t ex provstav nr 2 och nr 20. Den senare har provats med en något högre last men har 100 ggr längre livslängd.

8 Page 5 Provstav Tjocklek (mm) Tabell 3. Resultat av utmattningsprovningen. Bredd (mm) Lastamplitud (N) Spänningsamplitud (MPa) Cykler till brott Anm. 1 3,4 9, ± ± Test (R = 0,1) 2 3,45 9,8 ± 4000 ± Test (R = -1) 3 3, , , , , Överlevare 8 3, , , , , Knäckt 13 3, Överlevare 14 3, Överlevare 15 3, , , , , , Överlevare 21 3, , Data points Fitted Line Max stress for Euler buckling (Experimental) Stress Amplitude [MPa] R= E+04 1E+05 1E+06 1E+07 1E+08 Cycles to failure Figur 2. Wöhler-diagram för det provade materialet.

9 Page 6 Fraktografi De körda provstavarna analyserades m a p - sprickstartpunkt, i tvärsnittet - sprickstartpunkt, längs midjan - storlek på initierande defekt Sprickstartpunkt i tvärsnittet klassas som antingen kortsida (K), långsida (L) eller hörn (H), se figur 3. L H K Figur 3. Definition av sprickstartpunkter i tvärsnittet. Sprickstart i längsled klassas som antingen på midjan (M), övergången midja/radie (M/R) eller i radien (R), se figur 4. R M M/R Figur 4. Definition av sprickstartpunkter i provstavens längsriktning. Det finns flera tänkbara sätt att mäta storleken på den initierande defekten. I så gott som samtliga fall handlar det om mikrosugningar med ett ganska flikigt utseende vilket innebär att det inte är självklart att t ex diametern på en omskriven cirkel är det bästa måttet. I de fall defekten når ut till ytan är förmodligen utbredningen vinkelrätt mot ytan (a) ett bra mått, se figur 5. Detta bör även gälla i de fall defekten nästan når ut till ytan. Ligger defekten en bit under ytan kan man istället mäta (största) diametern på en omskriven ellips (d). Problem uppstår när man har flera separata sugningsporer inom eller i närheten av initieringsområdet. Det skulle dock föra för långt att utveckla speciella villkor för sammanslagning av närliggande defekter. I tveksamma fall har istället gjorts en subjektiv uppskattning av den effektiva defektens utbredning.

10 Page 7 (Provstav nr 10) (Provstav nr 9) a d Figur 5. I de fall defekten når ut eller nästan når ut till ytan används utbredningen vinkelrätt mot ytan (a) som mått på defektens storlek. Ligger defekten en avsevärd bit under ytan mäts istället (största) diametern på en omskriven ellips (d). Resultaten finns sammanställda i tabell 4. Några tydliga slutsatser är: - Samtliga sprickor har startat från tvärsnittets kortsida - Samtliga sprickor startar i eller strax ovanför övergången mellan midja och radie Båda dessa förhållanden kan ha delvis samma orsak, nämligen att man längs kortsidan, och speciellt i radien, har avverkat material och därför befinner sig en bit under gjutytan där mängden porer är större. Dessutom har man sannolikt en viss anvisning i övergången midja/radie även om denna är liten. I figur 6 finns defektstorleken inlagd intill respektive datapunkt i Wöhlerdiagrammet. Den enda tydliga korrelation man kan se mellan livslängd och defektstorlek gäller de båda största defekterna på 0,63 respektive 0,8 mm som förklarar de korta livslängderna för de två provstavarna på 117 MPa. För övriga provstavar ligger defekterna inom intervallet 0,15-0,45 mm och troligtvis är dessa storleksskillnader för små för att kunna skiljas åt med avseende på livslängd.

11 Page 8 Provstav nr Tabell 4. Sammanställning av fraktografiska observationer. Spänning (MPa) Antal cykler (N) Startpunkt i tvärsnittet Startpunkt i längsled Storlek på initierande defekt (mm) Anm K R 0, K R 0, K R 0, K R 0, Överlevare K M/R 0, K R 0, K R 0, K R 0, Knäckt Överlevare Överlevare K R 0, K R 0, K R 0, K R 0, K R 0, Överlevare K M/R 0, K M/R 0,40 0,27 0,37 0,20 0,23 0,43 0,13 0,35 0,25 0,40 0,21 0,45 0,37 0,43 0,8 0,63 Figur 6. Initierande defektstorlek (mm) för respektive provstav.

12 Page 9 Diskussion och slutsatser Ur de resultat som framkommit vid provningen kan man dra följande slutsatser angående utmattningshållfastheten för legering 2a vid provning med R= -1: - Utmattningshållfastheten vid 10 5 cykler ligger så högt som 170 MPa - Vid 10 6 cykler ligger man runt 120 MPa - Vid 10 7 ligger man gissningsvis runt 110 MPa Det är dock viktigt att observera att dessa slutsatser gäller med vissa förbehåll: - Resultaten gäller enbart för finbearbetade ytor. En gjutyta hade sannolikt gett ett något högre värde - Resultaten gäller enbart för material med de porstorlekar som förekommit i denna studie Generellt när det gäller utmattning av gjuten aluminium så är ytfinhet och porhalt viktigare än legeringen i sig. I ett verkligt konstruktionsfall är det alltså viktigare att optimera dessa parametrar än att välja rätt legering.

13 Page 10 Brottytor På de följande sidorna presenteras samtliga brottytor från de brustna provstavarna. Observera att förstoringen varierar från bild till bild. Nr 3 Nr 4 Nr 5

14 Nr 6 Nr 8 Nr 9 Page 11

15 Nr 10 Nr 11 Nr 15 Page 12

16 Page 13 Nr 16 Nr 17 Nr 18

17 Page 14 Nr 19 Nr 21 Nr 22

18 SVENSKA GJUTERIFÖRENINGEN SYFTE Syftet med denna rapport är att utvärdera utmattningshållfastheten i pressgjutna provstavar tillverkade i legering Presslätt (2a) (variant av AlSi9Cu3Fe). INNEHÅLL Undersökningen beskriver förutsättningar för utmattningsprovning, resultat och fraktografiundersökningar. ÄMNESOMRÅDE Utmattning Utmattningsdata Pressgjutning Aluminium Presslätt AlSi9Cu3Fe Fraktografi Porer Porositet NYCKELORD Utmattning Utmattningsdata Pressgjutning Aluminium Presslätt AlSi9Cu3Fe Fraktografi Porer Porositet