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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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

Asperitmodellen

Asperitmodellen 2D linjelast: tryckspänning och skjuvspänning

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

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.

Hjul Drev

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

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

P(t) Ring/konsprickor P max / kn 25 20 15 10 No crack Initiated Complete Fit β 5 0 1.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

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

µp P µ = tan(γ) Modell Jämförelse av sprickvinklar β 60 Experiment Kuggflank Sprickvinkel β / grader 50 40 30 20 10 Experiment Modell Kuggflank 0-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Lutning γ / grader µ: -0,035 0 0,1 0,18 0,3 0,5 1

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

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

Kontaktutmattningsspricka under ytan = lateral P(t) Töjningsgivare microstrain 200 150 100 50 0 0,E+00 1,E+06 Initiering lateral spricka 2,E+06 3,E+06 4,E+06 Cycles Snitt 1.0 mm

Kontaktutmattningsspricka under ytan P(t) Spänningskomponent ytan 1.0 mm

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

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

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

Konstruktionsparametrar p Kontakttryck och geometri Restspänningar Ytojämnheter Smörjning www.howstuffworks.com

Konstruktionsparametrar Kontakttryck och geometri Restspänningar Ytojämnheter Smörjning Föroreningar

Konstruktionsparametrar Kontakttryck och geometri Restspänningar Ytojämnheter Smörjning Föroreningar Glidning och friktion

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

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

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

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

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