Modell- och parameterval vid fretting fatigue

Modell- och parameterval vid fretting fatigue Bo Alfredsson KTH Hållfasthetslära UTMIS Vårmöte Karlstad, 9 10 juni 2009

Modell- och parameterval vid frettingutmattning Vad är fretting? Händelseförloppet Några resultat från KTH Modell för dimensionering mot frettingutmattning Fretting mot kontaktblock Roterande böjning av krymppassning Viktiga parameterar Generella åtgärder mot fretting

Fretting i gasturbin Centripetalkraft Aerodynamisk kraft Q P σ bulk

Fretting i krymp- eller presspassning Montera Böjbelastning Rotera

Vad är fretting? Degradation of properties due to a repeated sliding between surfaces over small relative displacements (S. Suresh) nötning, kärvning, friktionskorrosion, nötningskorrosion, passningsrost (Teknisk ordbok) Frettingutmattning: reduktion av utmattningsegenskaper i form av tidigt sprickinitiering och lägre utmattningsgräns 50 80 % reduktion

Men, vad är fretting? Nötning Ytförändring: ytråhet, oxid, adhesion Sprickstart Kort spricka Lång spricka LEFM Brott Contact pressure Tangential force Coefficient of friction External load Slip amplitude Contact area/size Frequency of vibration Number of cycles Hardness of contact surfaces Temperature Thickness of oxide layers Surface roughness Ambient atmosphere (air, nitrogen, etc.) Atmospheric pressure Humidity Lubricants Residual stresses Work-hardening of surface Materials of contact members Morphology of the materials Corrosion susceptibility Microstructure External load ratio Plain fatigue level Size effect Metallurgical compatibility Fatigue crack growth parameters Fatigue crack threshold Fracture toughness Dobromirski (1992)

1) Oxidbildning - korrosion Tallian, 1992

2) Gropar under oxidsamlingar Oxider har etsats bort Tallian, 1992

x y 3) Ändrad ytstruktur ytprofil (Kula mot plan) Vidhäftning Brott av vidhäftning Materialöverföring provkropp y y intryckare x x Alfredsson & Cadario 2004

4) Ändring av friktionskoefficient Al4%Cu Hills and Nowell (1994)

μ n 5) Ändring av slipområdet (Kula mot plan) c o c n a x c a = 3 1 Q μp y Alfredsson & Cadario 2004

6) Storlek hos mikroglidning påverkar livslängd: utmattning nötning Vingsbo och Söderberg, 1988

7) Två konkurerande skadefenomen Sprickinitiering Nötning Tallian, 1992 Spricktillväxt Utmattningsbrott Nöter bort mikrosprickor Kan förhindra utmattning Friktion Förluster Formändring Partiklar

8) Sprickinitiering I slipområdet Flera sprickor Mycket tidig start Conner et al. (2003) Lamacq et al. (1999)

Frettingexperiment Utmattningsinitiering och spricktillväxt P Q(t) P och σ bulk konstant Q cyklisk Referensprov: P konstant Q och σ bulk cykliska i fas σ bulk σ bulk

Lastriktning Konstant σbulk Frettingsprickor Cyklisk σbulk

9) Spricktillväxt Linjär brottmekanik 0,2 * 0,7 mm elliptisk startspricka σ bulk = konstant σ bulk = cyklisk N init / kcykler N tillv. / kcykler N init / kcykler N tillv. / kcykler Experiment 70 180 170 500 Simulation 180 Simulated Experimental Experiment 70 225 Simulation 200* * inkl. slutningseffekter y / mm 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 z / mm 0 2 4 6 4 2 0 y / mm 2 4 2 4 4 2 0 x / mm z / mm 2 3 4 5 Simulated Experimental

10) Tillväxtriktning σ bulk = konstant 1 Simulated Experimental x / a 0 0 0.5 1 0.5 x / a 0.5 z / a 1 Simulated Experimental 0 0 0.5 1 1.5 2 y / a 1.5 x / a 0 0 1 2 σ bulk = cyklisk 1.5 1 Simulated Experimental z / a 1 2 x / a 0.5 3 Simulated Experimental 0 0 1 2 3 y / a 4

8 10) Start och tillväxt av frettingspricka Frettingsprickan startar i slipområdet Nära kontaktranden (r=0,9a) Inte nödvändigtvis vid störst spänning Axisymmetriska kontakten alla omkretspositioner Nominella spänningar och töjningar räcker ofta inte för att helt förutsäga initiering Glidning, yt- och materialförändring behöver tas med för initiering Frettingparametrar existerar: τδ, τδσ, men Cyklisk eller konstant bulkspänning ger lika många cykler till sprickstart Kontaktparametrarna styra initiering Linjär brottmekanik fungerar för långa frettingsprickor Tillväxt vinkelrät mot största huvudspänning till en spänningsmatris med respektive komponents omfång Δσ ij Kan man få frettingsprickan att stanna? Cyklisk bulklast nödvändig för tillväxt till slutbrott om kroppen tillräckligt stor Resttryckspänningar i kontaktytan kan stoppa kort frettingspricka

Tillväxt av 50 μm lång spricka i Ti17 10 4 da/dn / nm/cycle 10 2 10 0 10 2 10 4 10 0 10 1 10 2 ΔK I / MPa m 1/2 test 10962, R=0.3 test 10963, R=0.3 test 10964, R=0.55 test 10966, R=0.1 test 10967, R=0.3 0.5 test 10967, R=0.7 test 10968, R=0.1 Long crack, closure free

Modell- och parameterval vid frettingutmattning Vad är fretting? Händelseförloppet Några resultat från KTH Modell för dimensionering mot frettingutmattning Fretting mot kontaktblock Roterande böjning av krymppassning Viktiga parameterar Generella åtgärder mot fretting

Brottmekanisk modell för dimensionering mot fretting-utmattning Tidig start Noll initieringsliv Frettinginducerad friktionskoefficient hög Linjär brottmekanik, modus I Liten startspricka (t.ex. 50 μm) Materialdata från K I,max prov Slutning vid längre spricka 3-dim. Modell Elliptisk kantspricka som ändrar form tre parametrar: a, c, y 0 Spricktillväxt baserat på belastning utefter hela sprickfronten Alla spänningar Bulk Kontakt Restspänningar Ändring av restspänning pga plasticering

Frettingexperiment kontaktblock

3D modell

Frettingexperiment Konstant normalbelastning Cyklisk bulkspänning Friktionskraft: t μp σ bulk stick slip

Uppmätta restspänningar σ x slip REF stick σ x Yta röntgenmätning: 0,5 x 5,1 mm Kontaktyta: 2 x 8,5 mm

Restspänningar, efter fretting Området för restspänningsmätningen

Slutsatser: restspänningar + FEM Mätningar visar bara lite relaxation FEM visar mer relaxation och mycket skarpa gradienter Kritisk analys av experimentella mätningar Bra kvalitativ (kvantitativ?) överensstämmelse FEM/mätningar FEM med bra plastisk modell kan användas för uppskattning av relaxation

Spricktillväxt: beräkningar Med/utan kulbombning, jämför med experiment Initiallängd a 0 = 50 μm LEFM + modus I Materialdata: K Imax metod μ = 0,83 Ti6-4 mot Ti17 i frettingzonen

3D modell, semielliptisk kantspricka σ(x,y) σ(x,y) approximeras med tredjegradspolynom K I längs sprickfronten från en databas Spricktillväxt längs sprickfronten: da/dn=c(δk I ) n da/dn dc/dn via minsta kvadratanpassning (bästa möjliga semielliptiska sprickan)

Initialspricka: form Tillväxt baklänges från experimentella frettingsprickor tills a = a 0 = 50 μm Med σ res a 0 /c 0 = 0.07 Utan σ res a 0 /c 0 = 0.6

LEFM och 3D sprickmodell ger bra uppskattning av livet Ta hänsyn till belastning längs hela sprickfronten vid skarpa gradienter Slutningsnivån är kritisk vid σ res 3D modell nödvändig (2D modell bra första approximation för av långa sprickor)

Roterande böjning av krympassning ω σ rb = 117 MPa σ ur = 300 MPa 20 F Δ / μm 16 10 7 Frettingutmattning Inget brott 0 10 6 10 7 N / cykler Exjobb: - Patrick Mzimba

Fretting liv vid roterande böjning μ = 0,3 0,6 Linjär brottmekanik, modus I Ingen slutning Böj- och kontaktspänning Ingen plasticering eller restspänning N = 3,2 Mcykler Elliptisk startspricka a 0 = 0,2 mm b 0 = 0,3 mm Exjobb: - Lena Nilsson - Renaud Gutkin

Två olika slip: monotont och cykliskt φ y x z P Cykliskt slip djup φ z Monotont slip djup Skillnad på monotont och cykliskt slip y-z är inte symmetriplan map slip

Rotation nödvändig för rätt slip Cykliskt slip djup Monotont slip djup Kurva B, före rotation, men med symmetri, är ett mellansteg mot det monotona slip-djupet

Modell- och parameterval vid frettingutmattning Vad är fretting? Händelseförloppet Några resultat från KTH Modell för dimensionering mot frettingutmattning Fretting mot kontaktblock Roterande böjning av krymppassning Viktiga parameterar Generella åtgärder mot fretting

Viktiga parametrar Spricktillväxtdata Konstant K I,max prov Sprickslutning vid lång spricka Friktionskoefficient i slipzonen Restspänningar från tillverkning Ändring av restspänning pga plasticering i kontakten Elastisk-plastisk materialmodell Slip är inte reversibelt Se upp med symmetrier Steady-state

Bestämning av friktionskoefficent i frettingzonen μ μ n μ o = 0,37 0,45 Ti6-4 Ti17 N μ n c n c o x a y

Friktionsprov med konstant Q Q Q Q max μ o P Q > μ o P μ* = Q max P = qda pda Q < μ o P N μ n Q μ* = μ + o 1 1 μ np μo 2 / 3 3 / 2 dμ n

Friktionsprov med inkrementellt ökande Q N Q μ o P Q Q max + = 2 3 2 2 2 3 2 2 3 2 1 1 1 / o* N / o* n / o* o a c a c a c μ a c μ μ* 2 o o 2 o 2 2 o* 2 1 = n n n c N a c μ μ μ μ μ μ 1/3 1 = P Q a c n N μ μ* = μ n = = pda qda P Q max μ*

Friktionskoefficient vid inkrementellt ökande Q

Friktionsresultat Q /kn Q max /kn μ * μ n 0 - Qmax 4.43 0.81 0.81 0 - Qmax 4.43 0.82 0.82 0 - Qmax 4.33 0.80 0.80 0-2.5 2.95 0.54 0.66 >1 0-2.5 3.05 0.56 0.79 >1 0-3 3.37 0.62 0.93 >1 2.5 3.46 0.64 0.83 2.0 2.82 0.52 0.62 0.70 2.0 2.86 0.53 0.65 0.73 2.5 3.11 0.57 0.64 2.5 3.06 0.56 0.63 2.5 2.99 0.55 0.60 3.0 3.68 0.68 0.75 1.44 1.98 0.64 0.83 1.44 2.02 0.65 0.88 Stabilast Begränsad Q max P = 5,44 kn Välj μ n = 0,83

Modell- och parameterval vid frettingutmattning Vad är fretting? Händelseförloppet Några resultat från KTH Modell för dimensionering mot frettingutmattning Fretting mot kontaktblock Roterande böjning av krymppassning Viktiga parameterar Generella åtgärder mot fretting

P Q<μP Normal- och tangentiallast p,q / (2P/πa) 3 2 1 Normaltryck p(x) Skjuvfördelning Skjuvfördelning, om kontakt utan glidning antas 0-1 0 x/a 1 Kräver μ för x a! Alltid mikroglidning vid kontaktranden! (stationär kontakt Q < μp)

Åtgärder mot fretting*: Bult och nitförband Nithål Shaffer och Glaeser, 1996 Styrd last: Öka klämkraft och friktion Vidhäftande medel Eftergivligt skikt Styrd förskjutning: Sänk klämkraft och friktion Hålla tätt Ökad belastning på nitar *Shaffer och Glaeser, 1996

Ta bort spänningskoncentrationer Pinne Klämförband Ta bort högt belastat material Större radie vid inspänningen Spänningsreducerande käl Öka klämtryck

Infästning blad skiva Spänningsreducerande käl Rörelseupptagande mellanlägg i kontakten Friktionsminskande skikt Blästring/kulbombning

Kablage och wire Elektrisk kabel Shaffer och Glaeser, 1996 Tekniska museet Minska friktionen med smörjmedel Skydda mot korrosiv miljö Förzinka stålwire Waterhouse, 1981

Lager Tallian, 1992 Fretting minska friktion med: Ytbeläggning/skikt Ickemetalliskt mellanlägg Smörjfilm False Brinelling : Motionera lagret regelbundet

Generella åtgärder mot fretting Minska fretting Skydda mot korrosiv miljö Ytbeläggningar (förzinka stålwire, ) Kapsla in Smörja MnS Rörelseupptagande och isolerande mellanlägg Ändra laster och glidsträcka Styrd last Q: ökat klämtryck p ger minskad rörelse i slipområdet Styrd sidoförskjutning δ T : minskat klämtryck p ger minskad påkänning Ta bort spänningskoncentrationer Inför käl, öka kälradien, ta bort högt belastat material Stoppa spricktillväxt Resttryckspänningar i ytan Sätthärdning Kulbombning Ej cyklisk bulklast Lagom mycket nötning

Modell- och parameterval vid fretting fatigue Minska risk för fretting Tillämpningsspecifika åtgärder Stoppa tidig spricktillväxt Bestämma liv med detaljerad brottmekanisk analys Friktionskoefficient i slipzonen Spricktillväxtdata K I,max Noll initiering Liten 3D startspricka Bulkspänning Kontaktspänning Restspänning Plasticering Steady-state