UTMIS nätverksmöte i Örebro Tack x 3 för inbjudan att hålla föredrag!

Transkript

1 UTMIS nätverksmöte i Örebro Tack x 3 för inbjudan att hålla föredrag! Mårten Olsson KTH Hållfasthetslära mart@hallf.kth.se

2 Kort om forskningsområden vid KTH Hållfasthetslära Brottmekanik och utmattning Kontaktmekanik och Materialmekanik Biomekanik

3 Kontaktmekanik vid KTH Hållfasthetslära Kontaktutmattning (upprepad rullande/glidande kontakt) Dr. Bo Alfredsson Dr. Mårten Olsson Dokt. Johan Dahlberg Kompaktering av metallpulver Dr. Per-Lennart Larsson Dokt. Olle Skrinjar Fretting (gnuggning av ytor) Dr. Bo Alfredsson Dokt. Alessandro Cadario Repning av metallytor med intryckare Dr. Per-Lennart Larsson Dokt. Fredrik Wredenberg Analys av intryckningsprov, materialparametrars inverkan Dr. Bertil Storåkers Dokt. Denis Jelagin

4 Kontaktutmattning initiering och tillväxt av sprickor Mårten Olsson och Bo Alfredsson KTH Hållfasthetslära

5 Denna presentation handlar om Kontaktutmattning vid rullande kontakt även rullande & glidande kontakt en modell, en mekanism för hur kontaktutmattning går till Experiment, analys och slutsatser Rekommendationer för konstruktion Fretting men väldigt lite

6 Reklam för Scania CV AB = vår samarbetspartner Scania hade kontaktutmattningsproblem nu borta!

7 Tre typer av utmattningsskador i kontakter Q<µP Stationär kontakt med cyklisk tangentiell last ω v ω r Rullande kontakt 3 mm Fretting Ytstart Tallian 1992 Rullande kontaktutmattning Start under ytan Rullande kontaktutmattning Ytstart

8 Kontaktutmattningsgrop (Ytstartad) β 0.2 mm 0.1 mm β = 20 24º

9 Kontaktutmattning förklaras så här 1935 S. Way (1935) Pitting due to rolling contact, J. Appl. Mech., vol. 2, pp. A49-A58. Thus, if a fine crack crack exists at the surface, inclined at an acute angle to the surface in the direction of rolling, and if the oil is of a viscosity sufficiently low to permit it to enter the crack, it is probable that the crack will grow.

10 och på den vägen är det. Synd! Ways förklaring duger nämligen inte: - Ingen förklaring till varför sprickan initieras. - Ingen förklaring varför sprickan får viss vinkel mot ytan. - Inget experiment finns som visar att olja når in i sprickan. Ny modell, ny mekanism: Baserad på ytojämnheter, asperiter

11 Linje Kontakt av asperit ger lokala dragspänningar i ytan Tryck Spänningsfri Asperit punktkontakt Drag I ytan Tillsammans obelastat tryck obelastat obelastat tryck drag! Sker inte

12 Asperitmodellen

13 Asperitmodellen 2D linjelast: tryckspänning och skjuvspänning

14 Asperitmodellen 2D linjelast: 3D punktlast: tryckspänning och skjuvspänning radiella spänningarna är i dragning

15 Asperitmodellen 2D linjelast: 3D punktlast: tryckspänning och skjuvspänning radiella spänningarna är i dragning En spricka initieras och tillväxer nedåt och framåt. Detta händer vid nästan varje asperit - tusentals sprickor i kontaktytorna.

16 Hjul Drev

17 friktion Tidiga mikrosprickor kontakt drev friktion kontakt kontakt Rullning med negativ glidning: β = 41 50º Ren rullning: β = 18 28º β 20 µm Rullning med positiv glidning: β < 20º

18 Standing Contact Fatigue (SCF) Kan cyklisk belastning av en asperit ge spricka? P(t) Sfär P(t) t Provkropp a cycl

19 P(t) Ring/konsprickor P max / kn No crack Initiated Complete Fit β E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 Cycles Vy mot ytan Vy i snitt 0.1 mm 0.1 mm β β = 20-24º

20 P(t) Kan sned belastning av asperit ge spricka? P(t) Uppifrån t γ 0.1 mm Vinklad γ = 10º Snitt 0.2 mm β = 33-41º β 0.1 mm β = 20-24º β

21 µp P µ = tan(γ) Modell Jämförelse av sprickvinklar β 60 Experiment Kuggflank Sprickvinkel β / grader Experiment Modell Kuggflank Lutning γ / grader µ: -0, ,1 0,18 0,3 0,5 1

22 γ Snedbelastad SCF - översiktsbild γ =0.0º γ = 10.0º 1.0 mm γ = 0º β = 16-33º γ = 10º β = 33-41º 0.1 mm 0.2 mm β

23 Asperitmodellen förklarar.mycket! Lokal grop Ingångsvinkel nedåt Form Position Vinkel hos mikrosprickor Friktionens inverkan (slip) Riktning framåt Kontaktparametrar

24 Kontaktutmattningsspricka under ytan = lateral P(t) Töjningsgivare microstrain ,E+00 1,E+06 Initiering lateral spricka 2,E+06 3,E+06 4,E+06 Cycles Snitt 1.0 mm

25 Kontaktutmattningsspricka under ytan P(t) Spänningskomponent ytan 1.0 mm

26 Kontakttryck vid steady-state P Kontakttryck p(r)/p m Radiell position r/a c

27 Konstruktionsparametrar (rullande kontaktutmattning) P(x) x Kontakttryck och geometri σ e z ω

28 Konstruktionsparametrar Restspänning från härdning i cirkulär platta Kontakttryck och geometri Restspänningar σ rest /MPa z /mm

29 Konstruktionsparametrar p Kontakttryck och geometri Restspänningar Ytojämnheter Smörjning

30 Konstruktionsparametrar Kontakttryck och geometri Restspänningar Ytojämnheter Smörjning Föroreningar

31 Konstruktionsparametrar Kontakttryck och geometri Restspänningar Ytojämnheter Smörjning Föroreningar Glidning och friktion

32 Konstruktionsparametrar σ > 0 Kontakttryck och geometri Restspänningar Ytojämnheter Smörjning Föroreningar Glidning och friktion Inneslutningar Utmattningsegenskaper hos materialet

33 Utmattning i kontakter Fretting Djupstartad rullande kontaktutmattning Ytstartad rullande kontaktutmattning Mikroglidning från från tangentiell kontaktlaslast Restdragspänning under under ytan ytan från från plasticering Dragspänning i i ytan ytan från från asperitkontakt

34 Några rullande/glidande kontakter som kan drabbas av kontaktutmattning Rullande lager Kuggkontakter Timken Kam med rullande följare ω Hjul räl (järnväg)

35 Kontaktutmattning så här ser skadan ut Ytstart Start under ytan Punktlast från asperit/ytojämnhet Restdragspänning ytan vid avlastning p.g.a. plastisk deformation

36 Lista med konstruktionsparametrar som påverkar kontaktutmattning Kontakttryck och geometri Restspänningar Ytojämnheter Smörjning Föroreningar Glidning och friktion Inneslutningar Utmattningsegenskaper hos materialet Absolut viktigast: Ytojämnheten Scania slipade kuggflanker = kontaktutmattning borta