Analys av defektförekomst och bedömning av haveririsk i gjutna komponenter

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING Analys av defektförekomst och bedömning av haveririsk i gjutna komponenter Master Thesis carried out at Solid Mechanics Linköping University March 2005 Therése Eklund och Åse Löfstrand LITH-IKP-EX--05/2236--SE Institute of Technology, Dept of Mech Eng, SE-581 83 Linköping, Sweden

Avdelning, institution Division, Department Div of Solid Mechanics Dept of Mechanical Engineering SE-581 83 LINKÖPING Datum Date 2005-03-04 Språk Language x Svenska/Swedish Engelska/English Rapporttyp Report category Licentiatavhandling x Examensarbete C-uppsats D-uppsats Övrig rapport ISBN ISRN Serietitel och serienummer Title of series, numbering LiTH-IKP-Ex--05/2236--SE URL för elektronisk version Titel Title Författare Author Analys av defektförekomst och bedömning av haveririsk i gjutna komponenter Analysis of casting defects and assessment of failure Therése Eklund, Åse Löfstrand Sammanfattning Abstract Huvudsyftet med detta examensarbete har varit att bestämma defektfördelning och livslängd för ett parti nav innehållande gjutfel. Defekterna uppkommer till följd av krympning i materialet, det vill säga där stelningen sker sist. Genom att göra en gjutsimulering, skulle området med defekter kunna kartläggas mer exakt. Simuleringen har inte kunnat göras eftersom information om gjutningen inte erhållits. För att hitta defekterna har olika oförstörande provningsmetoder undersökts. Resultatet visade att det inte finns någon metod att hitta inre defekter med. En visuell undersökning av ytan har därför gjorts. Provstavar från nav med större ytbrytande defekter utmattningsprovades i rigg. Livslängderna från provningen har sedan jämförts med beräknade livslängder för provstavarna. En översättning av provade livslängder till livslängdsuppskattningar för hela navet har därefter gjorts. Livslängden för nav, med den största defekt som hittats, är cirka 18 000 drifttimmar. De stora defekter som hittats har varit belägna där spänningen i naven är relativt låg. Nyckelord: Gjutdefekter, utmattningsprovning, linjär brottmekanik, oförstörande provning Keyword:

Analys av defektförekomst och bedömning av haveririsk i gjutna komponenter Examensarbete vid Linköpings universitet i samarbete med Volvo Construction Equipment Components AB Utfört av: Therése Eklund Linköping 2005 Åse Löfstrand LiTH-IKP-Ex--05/2236--SE

Sammanfattning Detta examensarbete har utförts på Volvo Construction Equipment Components AB i Eskilstuna. Huvudsyftet var att bestämma defektfördelning och livslängd för ett parti nav innehållande gjutfel. Defekterna uppkommer till följd av krympning i materialet, det vill säga där stelningen sker sist. Genom att göra en gjutsimulering, som visar stelningsförloppet, skulle området med defekter kunna kartläggas mer exakt. Det skulle då kunna avgöras om defekterna finns i det högst påkända området. Simuleringen har inte kunnat göras på grund av att gjuteriet inte varit villigt att lämna information om hur gjutningen gått till. För att hitta defekterna i naven har olika oförstörande provningsmetoder undersökts. Resultatet av undersökningen visade att det inte finns någon metod att hitta defekterna med. Det beror bland annat på att defekterna är för små för att kunna upptäckas, på defekternas form samt på hur de är placerade i naven. En visuell undersökning av ytan har gjorts. Provstavar från nav med större ytbrytande defekter utmattningsprovades i rigg. Av de undersökta naven visade sig cirka 11 % innehålla större defekter. Livslängderna från provningen har sedan jämförts med beräknade livslängder för provstavarna. De beräknade livslängderna blev cirka 75-80 % av livslängderna från riggprovningen. En översättning av provade livslängder till livslängdsuppskattningar för hela navet har därefter gjorts. Livslängden för nav, med den största defekt som hittats, är cirka 18 miljoner cykler. Det motsvarar cirka 18 000 drifttimmar eller cirka 9 år. De stora defekter som hittats har varit belägna där spänningen i naven är relativt låg. Om defekter av denna storlek istället hade funnits i den radie som är högst påkänd skulle naven troligtvis redan ha havererat.

Abstract This master thesis has been preformed in cooperation with Volvo Construction Equipment Components AB in Eskilstuna. The purpose of this work has been to determine the fatigue life of hubs containing defects as a result of casting. The defects arise from shrinkage in the material of casting. To determine the location of the defects more exactly a simulation of the casting process should be conducted. Such a simulation would show if the defects are located in the highly stressed area. The simulation has not been made because the foundry did not provide information on the casting process. A survey of nondestructive testing methods has been made in order to detect the casting defects. The survey came to the conclusion that no method exist that can be used to detect the defects. One reason is that the size of the defects is too small to be detected. Two other reasons are the location of the defects in the hub and the shape of the defects. A visual examination of the surface was conducted. Test bars from hubs with larger defects were fatigue tested in a rig. Approximately 11% of the examined hubs contained larger defects beneath the surface. The fatigue life from the testing was then compared with the calculated life for the test bars. The calculated fatigue life was approximately 75-80 % of the fatigue life, obtained at the fatigue tests. A fatigue life conversion from the test bars to the hub was then made. The fatigue life of hubs containing the larger defects is approximately 18 millions cycles. It is equivalent to 18 000 operating hours or about 9 years. The larger defects found were located in the low tension area. If the defects instead had been located in the radius with high tension the hubs would already have failed.

Förord Detta examensarbete är avslutningen på vår utbildning till civilingenjörer i maskinteknik vid Linköpings tekniska högskola. Denna period, på Volvo Construction Equipment Components AB, har varit mycket lärorik och givande inför vårt kommande arbetsliv. Vi har haft stor hjälp av många personer här på företaget. Vi vill rikta ett särskilt tack till vår handledare Jan Persson, som hjälpt oss mycket och varit ett stort stöd. Vi vill dessutom tacka Magnus Byggnevi, Jack Samuelsson och Anders Björkblad för deras engagemang. Ett stort tack vill vi även framföra till alla på avdelningarna TUFB, TUFL och TUFV för all hjälp och vänligt bemötande. Till sist vill vi också tacka vår handledare och examinator på högskolan, Tore Dahlberg. Eskilstuna den 4 mars 2005 Therése Eklund Åse Löfstrand

Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 1 1.1 FÖRETAGSBESKRIVNING... 1 1.2 BAKGRUND... 1 1.3 SYFTE... 1 1.4 AVGRÄNSNINGAR...1 1.5 ARBETSGÅNG... 2 2 NAVMATERIAL OCH TILLVERKNING... 3 2.1 GJUTJÄRN... 3 2.1.1 Segjärn... 4 2.2 GJUTNING... 4 2.2.1 Sandgjutning... 4 2.3 INRE GJUTDEFEKTER... 5 2.3.1 Makrosugning... 6 2.3.2 Mikrosugning... 6 2.3.3 Porositet... 6 3 OFÖRSTÖRANDE PROVNING... 9 3.1 ULTRALJUD... 9 3.2 RADIOGRAFISK PROVNING... 9 3.3 INDUKTIV PROVNING... 10 3.4 VISUELL PROVNING... 10 3.5 METODVAL FÖR OFÖRSTÖRANDE PROVNING... 11 4 VISUELL KONTROLL OCH URVAL AV NAV... 13 5 RESULTAT FRÅN UTLAGD OFÖRSTÖRANDE PROVNING... 15 6 UTFORMNING OCH UPPRITANDE AV PROVSTAV... 17 7 RIGGKONSTRUKTION... 19 7.1 RIGG 1... 19 7.2 RIGG 2... 21 8 PROVNING I RIGG... 25 8.1 UTMATTNINGSPROVNING... 25 8.2 PROVNINGSRESULTAT... 26 8.2.1 Referensbitar... 27 8.2.2 Provstavar med defekter... 28 8.3 UTVÄRDERING AV RIGGPROVNING... 30 9 UNDERSÖKNING AV BROTTYTOR... 31 9.1 BESTÄMNING AV DEFEKTSTORLEKEN... 32 9.1.1 Ytnära defekter... 32 9.1.2 Närliggande defekter... 33 9.1.3 Provstavar med större defekter än tillåtet...34 10 BROTTMEKANISKA BERÄKNINGAR... 37 10.1 LINJÄR BROTTMEKANIK- TEORI... 37 10.2 LIVSLÄNGDSBERÄKNINGAR PÅ PROVSTAVARNA MED AFGROW... 39 10.2.1 Indata och beräkningar i Afgrow... 40 10.2.2 Resultat av beräkningar i Afgrow... 41

11 BERÄKNINGAR PÅ NAVET... 45 11.1 LASTFALL FÖR NAVET... 45 11.2 RESULTAT AV LIVSLÄNGDSBERÄKNING FÖR NAVET... 47 11.3 SPRICKSTART FÖR NAVET... 51 11.3.1 Ytdefekter... 54 11.3.2 Defekter under ytan... 55 11.3.3 Resultat av sprickstart... 56 12 SAMMANSTÄLLNING AV RESULTAT... 59 12.1 RIGGPROVNING AV PROVSTAVAR... 59 12.2 LIVSLÄNGDSBEDÖMNING AV PROVSTAVAR... 59 12.3 LIVSLÄNGDSBEDÖMNING AV HELA NAVET... 61 13 DISKUSSION... 65 14 SLUTSATS... 67 REFERENSER1 BILAGA 11

1 Inledning Denna rapport redovisar hur examensarbetet Analys av defekter och bedömning av haveririsk i gjutna komponenter vid Volvo Construction Equipment Components AB, VCE, i Eskilstuna utförts. Examensarbetet har utförts vid avdelningen för beräkning och hållfasthetsprovning, TUFB. 1.1 Företagsbeskrivning Volvo Construction Equipment Components AB har sitt huvudsäte i Eskilstuna. Företaget bär huvudansvaret för utveckling och tillverkning av drivlinekomponenter, som till exempel motorer, axlar och transmissioner, inom Volvo Construction Equipment AB. 1.2 Bakgrund När en ny gjutmetod infördes för nav av segjärn 0727-02 upptäcktes gjutfel i form av inre defekter. Defekterna upptäcktes vid bearbetningen, då material kring området där mataren suttit svarvades bort. Innan 100 % kontroll infördes monterades 246 nav på axlar. Merparten av naven är förmodligen helt felfria, men ett mindre antal med större eller mindre gjutfel finns troligtvis. Dessa nav antas ha samma defektfördelning som naven som granskades efter att 100 % kontroll infördes, det vill säga cirka 15 % innehåller mindre defekter och cirka 14 % innehåller större defekter. Av de 246 monterade naven har 54 stycken hämtats hem från fält. När naven monterats, år 2001, gjordes en haveririskbedömning med antagen defektstorlek. Resultatet av rapporten visade att det föreligger en viss risk för felutfall under den första femårsperioden. 1.3 Syfte Huvudmålet med examensarbetet var att ta fram underlag till en ny haveririskbedömning för naven. Ett annat mål var att kunna få fram hur olika oförstörande provningsmetoder kan användas för att hitta ytbrytande defekter samt defekter under ytan. 1.4 Avgränsningar I projektet har defekterna betraktats som långa tvådimensionella sprickor. Livslängdsberäkningen har endast gjorts för ytbrytande defekter. 1

Eventuella restspänningar från bearbetningen som kan finnas i ytskiktet har bortsetts från. Dessa är svåra att mäta och antas inte vara betydande. 1.5 Arbetsgång Projektet började med en litteraturundersökning kring oförstörande provningsmetoder och materialet som naven är tillverkade av. Därefter påbörjades simuleringar i Ansys Workbench för att få underlag till riggkonstruktionen. Förstörande provning samt undersökning av brottytor har sedan legat till grund för de beräkningar och den livslängdbedömning som genomförts. 2

2 Navmaterial och tillverkning Naven är gjutna i segjärn, SS 0727-02. I detta kapitel kommer materialet, gjutprocessen samt förekommande defekter och dess uppkomst att beskrivas. 2.1 Gjutjärn Gjutjärn är en benämning på en grupp högkolhaltiga järnlegeringar med olika egenskaper. Dessa legeringar innehåller alltid mer än 2 % kol till skillnad från stål som alltid innehåller mindre än 2 % kol. Gjutjärn innehåller även små mängder av kisel, fosfor, svavel, mangan och andra ämnen. Den höga kolhalten och närvaron av kisel ger gjutjärnet dess goda gjutbarhet. Gjutjärn delas in i fyra grundtyper som skiljer sig från varandra beroende på mikrostruktur och får därför olika egenskaper. Grundtyperna är segjärn, gråjärn, vitjärn och kompaktgrafitjärn, där segjärnets och gråjärnets struktur ligger längst ifrån varandra. Det är främst grafitens form som skiljer sig mellan grundtyperna. Segjärnets grafit är i form av kulor, så kallade noduler, Figur 2-1(a). Gråjärnets grafit är, till skillnad från segjärnets, fjällformig, vilket ger god bearbetbarhet, värmeledning samt dämpningsförmåga men orsakar gråjärnets låga seghet. Mikrostrukturen för segjärn respektive gråjärn kan ses i Figur 2-1 [4]. I fortsättningen kommer endast segjärn att beskrivas då naven är tillverkade av detta. (a) Figur 2-1: (a) Segjärnets struktur med kulgrafit omgiven av ferritringar. (b) Gråjärnets struktur med fjällgrafit [4] (b) 3

2.1.1 Segjärn Segjärn kännetecknas av hög hållfasthet och seghet till skillnad från gråjärn. Den ökade hållfastheten och segheten uppnås genom små tillsatser av magnesium vid smältbehandlingen, vilket gör grafiten kulformig istället för fjällformig [4]. Grafitkulorna är omgivna av en ferritring (α-järn), Figur 2-1(a). Ferriten är mjukare och har sämre hållfasthet än perlit men har däremot högre seghet. Perlit kallas den struktur som bildas av lameller av ferrit (α-järn) och cementit (Fe 3 C). Den omger den kulformade grafiten och ferritringen. Genom att variera grundmassan det vill säga ferrit/perlit-kvoten erhålls varierande materialegenskaper. Detta kan göras genom att tillsätta ämnen som främjar bildandet av ferrit respektive perlit [6]. Segjärnets egenskaper bestäms till största delen av materialets grundmassa men antalet grafitnoduler påverkar också egenskaperna avsevärt. Ett exempel på detta är att om nodulanhopningarna blir för stora sänks hållfastheten [6]. Ett vanligt användningsområde för segjärn är fordonsdetaljer med höga krav på hållfasthet och seghet [3]. 2.2 Gjutning Gjutning är namnet på en grupp metoder där smält metall tillförs en form där metallen stelnar. För att bestämma gjutmetod måste till exempel val av form och material tas i beaktande. Den vanligaste metoden för gjutning av segjärn är sandgjutning, men centrifugal- och stränggjutning förekommer också [6]. Eftersom naven är sandgjutna kommer endast denna metod att beskrivas. 2.2.1 Sandgjutning Vid sandgjutning används en engångsform av sand. Formen består antingen av hårt packad sand eller av sand som är sammanhållen av speciella bindemedel. En kärna, som formar detaljens håligheter, placeras i formen. Denna är också gjord av sand och en ny tillverkas vid varje gjutning. En modell av den aktuella detaljen behövs för att skapa själva formen. Modellen utformas med tillägg för eventuell krympning och efterbearbetning. I modellen finns ett gjutsystem med nedlopp, gjutkanaler och matare. Mataren förser detaljen med metall under stelningsprocessen så att defekter till följd av krympning undviks [18]. Placeringen av mataren är viktig för att ett tätt material ska erhållas. Mataren placeras så att en matningsväg fås in i den del av gjutgodset som stelnar sist [21]. 4

Principen för tillverkning av sandformen är att sand packas kring de båda modellhalvorna. Dessa avlägsnas och eventuella kärnor läggs på plats. Halvorna läggs sedan samman och metall fylls på i ingjutsystemet och när metallen stelnat tas sanden bort. Därefter tas ingjutsystemet, matare och eventuella grader bort. Metallen stelnar långsammare vid gjutning i sandform än vid gjutning i permanent form, vilket beror på att värmeavledningen är snabbare i permanenta formar än i sandformar. Det långsamma stelnandet gör att strukturen blir grövre och hållfasthetsegenskaperna blir lägre [18]. 2.3 Inre gjutdefekter I allt gjutet gods finns det gjutdefekter. Det är dock viktigt att se till att defekterna inte blir större än vad som kan tolereras. Orsaker och utseende på inre gjutdefekter som kan förekomma i naven kommer att behandlas nedan. De vanligaste inre gjutdefekterna uppkommer till följd av krympning. Orsaken är i huvudsak att alla legeringar krymper då de går från flytande till fast fas. Den typ av defekter som uppkommer kallas även för sugningar. Kompensation med mer metall från mataren behövs för att undvika att krympning sker och att håligheter/sugningar bildas [7]. Bristen på matningsmetall är huvudorsaken till alla sugningar men det finns även många andra gemensamma orsaker. Några allmänna orsaker som ger upphov till sugningsdefekter vid gjutningen kan ses nedan [6]. Felplacerad matare Felaktig utformning av matare För lågt tryck på matningen av metallen Matarvägen är avskuren så att inte tillräckligt med metall kommer fram För het eller för kall metall vid gjutningen För dålig efterkylning Dålig sammanhållning mellan formhalvorna Olämplig konstruktion av gjutstycket, exempelvis för stor godstjocklek eller för stor skillnad mellan närliggande väggtjocklekar Defekter i naven upptäcktes då material svarvades bort. Defekterna har uppkommit vid gjutningen och till följd av krympning. Inre defekter i form av makrosugning, mikrosugning och porositet kommer att beskrivas nedan. 5

Det är dessa sugningsdefekter som upptäckts på ytan av naven, då material svarvats bort. 2.3.1 Makrosugning Makrosugningar hittas oftast inne i materialet, nära värmecentrum. De syns som större hål, cirka 5 mm i diameter, och har vanligtvis ojämn yta, Figur 2-2. Defekterna upptäcks oftast vid maskinbearbetning då material avlägsnas. De bildas efter att gjutgodsets yta börjat stelna och om inte matarmetall tillförs då själva krympningen sker. Det är därför viktigt att vid gjutningen se till att matningsmetall når kritiska ställen och fylls på under krympningsskedet [11]. Figur 2-2: Makrosugning [11] 2.3.2 Mikrosugning Mikrosugningar är mindre håligheter med ojämn form som är belägna inne i gjutgodset, Figur 2-3. De är oftast inte större än 3 mm i diameter och finns oftast i närheten av där värmecentrum funnits vid gjutningen. Detaljer med utbredd mikrosugning kan ibland upptäckas vid ett trycktest eftersom de då ofta läcker. Defekterna bildas under den senare delen av stelningen. Det är därför svårt att lösa problemet genom att ändra matningssystemet, då det är ett mer metallurgiskt problem. Förutom att dessa defekter medför otätt gods sänks också hållfastheten [11]. Figur 2-3: Mikrosugning [11] 2.3.3 Porositet Porositet är små spridda håligheter, ofta mindre än 1 mm i diameter, med relativt jämn yta, Figur 2-4. Defekterna är belägna nära värmecentrum och 6

finns i korngränserna. Det är mer utspridda än mikrosugningarna. Porositeten upptäcks ofta då detaljen utsätts för ett läcktest med olja eller vatten. Defekterna bildas i det sista skedet av stelningsprocessen. Problemet går därför inte att lösa med ändringar i matningssystemet utan är ett metallurgiskt problem som måste lösas genom ändringar av smältans sammansättning [11]. Figur 2-4: Porositet [11] 7

8

3 Oförstörande provning En önskan från Volvo var att nav innehållande defekter på ett snabbt och enkelt sätt skulle kunna sorteras ut. Det innebar att olika metoder av oförstörande provning var aktuella för ytbrytande defekter och defekter under ytan. Litteraturstudier visade att ultraljud, röntgen, induktiv provning samt visuell provning var aktuella. Dessa metoder beskrivs kortfattat nedan. 3.1 Ultraljud Denna provningsmetod indikerar sprickor, inre defekter samt andra diskontinuiteter med hjälp av ljudvågor. Dessa högfrekventa ljudvågor sänds in i ett provobjekt där de reflekteras mot eventuella defekter. Ultraljudssökaren, vilket är det instrument som utför själva sökningen, fångar upp det eko som uppkommer när ljudet reflekteras. Med detta fenomen kan defekter upptäckas och defektstorlekar bestämmas [7]. För att överföra ljudvågor mellan ett provobjekt och en ultraljudssökare behövs ett kopplingsmedium. Det beror på att det alltid finns ett litet lager av luft som förhindrar överföringen, vilket försvinner om ett kopplinsmedium tillförs. Om ytan är slät kan vatten användas för att ta bort luftlagret. Olja kan också användas. Det används oftast då ytan är varm eller ojämn och behöver slätas ut [16]. Frekvensen på ljudvågorna är av stor betydelse för att upptäcka defekter. Höga frekvenser gör att små defekter lättare kan upptäckas men är också mer känsligt för störningar. Låga frekvenser däremot upptäcker inte små defekter lika bra men kan söka efter defekter djupare ner i materialet [16]. Dessa egenskaper medför att ultraljud har en mycket bra genomsökningsförmåga och defekter kan upptäckas djupt inne i materialet [16]. En nackdel är att det behövs kunniga operatörer för att genomföra sökningen och tolka resultaten. Dessutom kan ytnära defekter inte upptäckas eftersom det finns en dödzon i materialet i det område där sökaren sätts [19]. 3.2 Radiografisk provning Med hjälp av radiografisk provning kan inre defekter i en detalj upptäckas [15]. Metoden innebär att en detalj bestrålas med till exempel röntgenstrålar och en ljuskänslig film placeras under provobjektet. Filmen träffas av de genomgående röntgenstrålarna och den får en mörkare svärtning där en förtunning av materialet finns än där materialet är homogent. Metoden är 9

vanlig vid undersökning av gjutna och svetsade komponenter för att kontrollera att dessa inte innehåller några diskontinuiteter [7]. Fördelarna med denna provningsmetod är att typ av defekt och storlek på denna direkt kan ses på den ljuskänsliga filmen efter provningens slut. Det innebär också att ett dokument om defekterna erhålls och kan sparas [19]. En av begränsningarna med metoden är att defekter och fel måste ligga i samma riktning som strålningen kommer från. Detta innebär till exempel att sprickor endast kan upptäckas om de är orienterade så att de ligger i samma plan som strålningen. En annan begränsning är att provbiten måste kunna röntgas från två håll för att kunna fastställa var defekterna finns. Det innebär att inte alla objekt kan undersökas med röntgen då vissa endast kan undersökas från ett håll. Dessutom är röntgen en dyr och mycket tidskrävande metod, då det kan ta lång tid för strålningen att genomstråla godset [15]. 3.3 Induktiv provning Denna provningsmetod kan användas till att upptäcka sprickor, inneslutningar och inhomogeniteter. För att kunna utföra provningen används elektromagnetisk strålning. Detta innebär att provobjektet dras genom eller över en spole, som är kopplad till en växelströmsgenerator. Spolen ger ifrån sig ett magnetfält som i sin tur sveps över provbiten. På så vis uppkommer virvelströmmar i materialet som sedan verkar på spolen. Vid mätning av defekterna måste den ändring som uppkommit i spolen förstärkas för att kunna avläsas med hjälp av en mätbrygga [7], [14]. En fördel med denna metod är att den inte är tidskrävande. Tack vare det elektromagnetiska fält som uppstår behöver givaren inte vara i kontakt med materialet som ska testas. Andra fördelar är att detaljer med relativt små ytor kan provas med hög provningshastighet och känsligheten för temperaturförändringar är liten. En av begränsningarna är att den yta som ska undersökas måste vara tillgänglig och kan därför inte vara dold. Det är även en mycket tidskrävande metod vid undersökning av detaljer med stora ytor [7], [19]. 3.4 Visuell provning Denna oförstörande provningsmetod hjälper till att upptäcka olika slags ytfel som till exempel variation av ytfinhet, ytliga defekter och korrosion. Den utnyttjas mest till att hitta och undersöka ytliga sprickor. 10

Det finns ett stort utbud av metoder inom denna provning. Metoderna sträcker sig allt ifrån användandet av det mänskliga ögat till användning av olika slags mikroskop för att bestämma rispor på ytan. De vanligaste hjälpmedlen förutom det mänskliga ögat är optiska sensorer och olika förstoringssystem [17]. De stora fördelarna är att metoden är mycket billig och resultatet inte behöver behandlas utan erhålls omedelbart. Det behövs dessutom endast liten träning av operatören som genomför testet och det krävs ingen större detaljförberedelse. Nackdelarna är att endast defekter på ytan upptäcks, vilket inte säger något om det finns ytterligare defekter under ytan. Dessutom syns endast större defekter medan repor och liknande lätt kan feltolkas [19]. 3.5 Metodval för oförstörande provning Efter litteraturundersökningen kontaktades Åke Hallberg från Det Norske Veritas, DNV, i Västerås. Hallberg besökte företaget för att se vilka metoder som var lämpliga att använda vid provning av naven. På grund av den komplicerade geometrin var det svårt att bestämma provningsmetod. En svårighet var att defektområdet ligger i en radie. Dessutom har Volvo krav på att navet ska vara defektfritt i ytterytan samt några millimeter ner i materialet [9]. Med defektfritt gods menas att materialet endast får innehålla mycket små defekter; så kallade normala gjutdefekter. Hallberg fick därefter i uppdrag att undersöka olika oförstörande provningsmetoders möjligheter och begränsningar mot de av företaget uppställda kraven. Undersökningarna visade att ultraljudsprovning kommer att ha en dödzon från ytan till 0,5-2 mm under ytan. Det innebär att defekter inom detta område inte kan upptäckas. Den största defektytan som godkänns enligt DNV är 38 mm 2 för den högsta kvalitetsnivån. Det går dock att finna mindre defekter. Den minsta defektstorleken som kan upptäckas är alldeles för stor i detta fall [22]. För att undersöka ytdefekter kunde magnetpulverprovning användas men denna metod säger ingenting om hur det ser ut strax under ytan [22]. Provning med röntgen visar, enligt Hallberg, bara de defekter som först påträffas av röntgenstrålningen, medan underliggande defekter då inte kan 11

upptäckas. För att kunna bedöma var defekterna ligger i provobjektet måste detta vridas 90º och sedan röntgas igen, för att få den exakta positionen. En stor nackdel med denna metod är att den är väldigt kostsam. Det kan även bli problem om provobjektet är för stort, vilket kan medföra att det tar lång tid att genomstråla det. Apparaturen kan dessutom vara för liten för att innesluta en sådan volym. Med hjälp av Hallbergs undersökningar hölls ett möte tillsammans med Jack Samuelsson, Magnus Karlsson, Kjell Eriksson, Anders Johansson och Jan Persson där det beslutades hur projektet skulle fortlöpa. Det beslutades att alla hemtagna nav (54 stycken) skulle undersökas visuellt, för att upptäcka ytbrytande defekter. I och med detta sorterades naven med ytliga defekter ut. Ett av dessa nav skickades sedan till DNV i Västerås för att genomgå undersökning med olika oförstörande provningsmetoder, som till exempel med virvelström, magnetpulver, ultraljud och röntgen samt provning med penetrant. Provningarna utfördes oberoende av varandra, för att se deras fördelar respektive nackdelar samt hur metoderna kan användas för framtida bruk. Ett annat nav skickades till Chalmers-Lindholmen, Göteborg, för att undersökas med röntgen. Anledningen till att navet skickades till Göteborg var att stor kunskap finns där och att de har en tillräckligt stor röntgenappatratur för att kunna prova navet. 12

4 Visuell kontroll och urval av nav En visuell kontroll av de 54 naven gjordes för att få en uppfattning om defekternas storlek och omfattning. Gjutdefekterna antas främst finnas i området där ingötet suttit, det vill säga där metall matas in i formen, Figur 4-1. På grund av att ingötets placering inte var känt undersöktes naven visuellt runtom i de bearbetade ytterradierna. Först rengjordes naven och därefter undersöktes samtliga med hjälp av belysning från en halogenlampa. Defekternas belägenhet, storlek, utseende samt eventuella täthet och utbredning noterades. Dessutom markerades områdena med defekter på naven. En sammanställning av defekternas placering runt naven finns i Bilaga 1. Figur 4-1: Bilden visar en genomskärning av navet. Det markerade området visar var defekterna hittas Vid genomgång av uppgifterna över defektförekomsten med Jan Persson, handledare, bestämdes att ett nav skulle skickas för undersökning hos DNV och ett annat skulle skickas till Chalmers-Lindholmen. Två nav valdes också ut för uppsågning av provstavar. Dessa nav hade mindre ytbrytande defekter och de ursågade provstavarna användes som referensmaterial för provningen. Åtta stycken nav med större ytbrytande defekter valdes ut för uppsågning av provstavar. Dessa provades sedan med förstörande provning i rigg. 13

14

5 Resultat från utlagd oförstörande provning Som nämnts i Kapitel 4, Visuell kontroll och urval av nav, skickades ett nav till DNV för undersökning med olika oförstörande provningsmetoder. De enda defekterna som hittades var enstaka runda indikationer med penetrantprovning. De minsta defekterna som kan hittas enligt DNV visas i Tabell 5-1. Resultatet blev att det inte finns någon metod för att upptäcka defekterna under ytan i navet. Tabell 5-1: Storlek på defekter som går att hitta i navet med olika oförstörande provningsmetoder enligt DNV. Där B= bredd, D= diameter, L= längd och t= tjocklek Provningsmetod Virvelström Minsta storlek som kan kontrolleras Anvisning, B > 0,2 mm Magnetpulverprovning Linjära indikationer, L > 1,5 mm Runda indikationer, D > 3 mm Ultraljudprovning Röntgen Cylinder borrhåll, D > 0,7 mm Runda indikationer, D > 0,8mm då t < 50 mm D > 1,6 mm då t > 50 mm Långsträckta indikationer, L > ⅓ av t då t < 57 mm L > 19 mm då t > 57 mm Penetrantprovning Linjära indikationer, L > 1,5 mm Runda indikationer, D > 3 mm Hallberg menade att kraven från företaget på defektfritt gods är för hårda. I detta projekt skulle provning med penetrerande vätska eventuellt kunna användas för att hitta ytdefekterna. Visuell kontroll skulle också kunna användas enligt Hallberg. Eftersom den visuella kontrollen redan utförts, ansågs det vara alltför tidskrävande att utföra provning med penetrerande vätska. Det berodde på att minsta defektstorleken som kunde upptäckas med penetrant, Tabell 5-1, lätt kunde upptäckas med blotta ögat. 15

Navet som skickades till Chalmers Lindholmen i Göteborg, undersöks under färdigställandet av rapporten med röntgen. Chalmers Lindholmens röntgenmetod har en radiografisk känslighet på 2 %. Med detta menas att defekter som har en storlek som är 2 % av godstjockleken kan upptäckas. Detta innebär att en sfärisk defekt med en diameter på 1 mm kan upptäckas i 50 mm tjockt gjutgods. Om geometrin är komplicerad och ytan är ojämn, vilket är vanligt vid gjutgods, blir den minsta storlek som kan upptäckas större. Resultatet från denna provning har därför inte erhållits och kan inte redovisas i denna rapport. 16

6 Utformning och uppritande av provstav Detta kapitel kommer att visa resultaten av utformning och uppritandet av provstaven, som gjordes med syfte att ta fram en provrigg. Provstaven gjordes symmetrisk främst för att få en jämn spänningsfördelning över denna. Det underlättade även konstruktion av fäste och placering av last. På insidan av naven finns sex stycken förstyvningsfjädrar och varje provstav är utskuren så att en förstyvningsfjäder ligger i mitten. Anledningen till denna utformning är att det tjockare godset vid förstyvningarna antas ha bidragit till bildandet av defekter i området. Att just detta område innehåller defekter beror troligtvis på att stelningen har skett sist där på grund av det tjockare godset. För att verifiera att stelningen har skett sist i det antagna området skulle en gjutsimulering, som visar stelningsförloppet av navet, kunna göras. De indata som behövs är dock inte kända eftersom gjuteriet inte varit villigt att släppa dessa data. Vid tillverkning av provstavarna måste naven först kapas så att en förstyvning hamnar i mitten av provstaven. Provstavens sidor ska dessutom vara parallella. Det uppnås genom att sidorna bearbetas genom fräsning. Provstaven är uppritad så att den är symmetrisk kring förstyvningsfjädern, har parallella sidor och är 50 mm bred, Figur 6-1. Provstavar har endast sågats ut över förstyvningar där större defekter hittats. Figur 6-1: Den slutgiltiga modellen av provstaven 17

18

7 Riggkonstruktion I detta kapitel redovisas framtagandet av provrigg. Det har gjorts genom FEM-simuleringar av provstaven. 7.1 Rigg 1 En förenklad modell importerades från Solid Edge version 14 till Ansys Workbench Structural, ett program där FEM-simuleringar kan utföras. Där undersöktes olika förslag på inspänningar och placering av krafter för att kunna konstruera en provningsrigg. De flesta av förslagen förkastades, då den maximala huvudspänningen inte hamnade i det område där defekter hittats. En detaljerad modell ritades upp och nya simuleringar gjordes med hjälp av denna. Olika förslag togs fram och i samråd med handledare och riggkonstruktör valdes ett alternativ, som bedömdes vara möjligt att tillverka en rigg efter. Detta förslag kallades Rigg 1. Inspänningarna och kraftplaceringen för detta förslag finns i Figur 7-1. Figur 7-1: Inspänningar och kraftplaceringen för rigg 1 19

Med de inspänningar och de pålagda krafter som visas i Figur 7-1 fanns en risk att området med defekter inte skulle bli tillräckligt belastat. Simuleringarna visade att störst spänning skulle fås i radien markerad med en pil i Figur 7-2. Figur 7-2: Spänningarna som erhölls vid den tidigare visade inspänningen Trots att den maximala spänningen inte visade sig hamna i det område där defekter hittats antogs det ändå att detta förslag skulle fungera. Det berodde på att denna modell hade en skarpare radie, markerad av pilen i Figur 7-2, än den verkliga provstaven. Riggförslaget som konstruerades, Rigg 1, visas i Figur 7-3. 20

Figur 7-3: Rigg 1 Vid den första riggprovningen visade det sig att antagandet om var provstaven skulle gå sönder var felaktigt. Provstaven gick sönder i den radie som inte bedömts som skarp, markerad av pilen i Figur 7-2. Det innebar att arbetet med att skapa en rigg fick börja om. 7.2 Rigg 2 Då Rigg 1 inte uppfyllde de ställda kraven, fick nya simuleringar påbörjas i Ansys. Ett förslag med andra inspänningar visade att den maximala spänningen hamnade i den radie där defekter påträffats, Figur 7-4. 21

Figur 7-4: Inspänningar som låg till grund för Rigg 2 Denna inspänning och den pålagda kraften gav en jämnare spänning över hela det område där defekter upptäckts. Den maximala spänningen hamnade i den önskade radien, Figur 7-5. Figur 7-5: Spänningarna som erhölls från den nya inspänningen 22

Då de maximala spänningarna nu hamnade i det önskade området konstruerades en ny rigg. Denna döptes till Rigg 2 och visas i Figur 7-6. Figur 7-6: Rigg 2, visad från olika håll Vid provning av en referensbit i riggen visade det sig att denna konstruktion gav brott vid önskat ställe. Eftersom spänningen är relativt jämt fördelad över området antas spänningskoncentrationen bli stor vid defekterna. Om en provstav med defekter utmattningsprovas i riggen förväntas denna då gå sönder snabbare än referensmaterialet. Tillvägagångssätt för och resultat av provningen finns redovisade i Kapitel 8 Provning i rigg. 23

24

8 Provning i rigg Provstavar från naven utmattningsprovades för att kunna göra en jämförelse av livslängd för material utan defekter och material med defekter. Det krävdes därför att provstavarna gick sönder där defekterna upptäckts. En provrigg, Rigg 2, konstruerades vilken är beskriven i föregående kapitel. För att kontrollera att den beräknade spänningen från FEM-modellen stämde med verkligheten klistrades töjningsgivare på en provstav. En givare som mäter i två vinkelräta riktningar användes för att se hur stor spänningen blir, till följd av kontraktion av provstaven. Hookes generaliserade lag användes för att beräkna denna spänning. Spänningen ändrades inte nämnvärt och därför valdes att endast använda spänningen i huvudspänningsriktningen. Spänningen kan då skalas om linjärt. Spänningen visade sig vara cirka 10 % större i FEM-modellen än i verkligheten. Det är ingen stor skillnad, men alla spänningsgradienterna från FEM-beräkningen som använts i beräkningarna multiplicerades ändå med 0,9. Detta diskuteras ytterligare i Kapitel 13, Diskussion. 8.1 Utmattningsprovning Med hjälp av utmattningsprovning kan en komponents livslängd bedömas, då komponenten utsätts för en varierande spänning vid ett visst R-värde (σ min /σ max ). Spänningsomfånget plottas mot antalet cykler i ett log-log-diagram, ett så kallat Wöhlerdiagram eller S-N-diagram. Spridningar i livslängd är vanligt, vilket gör att det krävs ett stort antal prov för att kunna rita upp en referenskurva [12], [13]. Ett mått som används för att kunna jämföra olika punkter i Wöhlerdiagrammet är Capacity-värdet, C. C-värdet är ett mått på materialets utmattningshållfasthet, det vill säga ett högt sådant värde tyder på ett starkt material. Ju större defekter ett material innehåller desto lägre hållfasthet och C-värde erhålls. Det innebär att provstavar av samma material med likartade defekter kommer att ha liknande C-värde och följa samma kurva i Wöhlerdiagrammet. C-värdet beräknas enligt Ekvation 8.1. 25

C = σ k N (8.1) där: σ = spänningsomfång där sprickan uppstått k = lutningsfaktor, det vill säga inversen av lutningen, i Wöhlerdiagrammet N = antalet cykler till brott Wöhlerdiagrammets lutningsfaktor för segjärn är enligt Volvos standard k = 4,7 [10]. I detta projekt har i stället k = 5 använts i beräkningarna, då k = 4,7 bedömts vara alldeles för exakt enligt handledare och övriga inblandade. I och med att C-värdet beräknats har en indelning av defektstorlekarnas påverkan på hållfastheten genomförts. Denna indelning redovisas i Wöhlerdiagrammen i kapitel 8.2, Provningsresultat. Proven har utförts med R = 0 vid olika laster. 8.2 Provningsresultat I Wöhlerdiagrammen, Figur 8-1, är alla resultaten från utmattningsprovningen uppritade. Resultaten från provningen har sedan delats upp i defektfritt material och material med defekter. Det defektfria materialet kommer i fortsättningen benämnas som Referensbitar och material med defekter som Provstavar med defekter. Provstavar som antogs vara referensbitar numrerades med enkelnummer och provstavar med ytbrytande defekter numrerades med dubbelnummer. Dessa redovisas i var sitt delkapitel. 26

Wöhlerdiagram med alla provstavar Spänningsomfång [MPa] 1000 Utan defekter Designkurva Med defekter 100 1E+04 1E+05 1E+06 1E+07 1E+08 Antal cykler till brott Figur 8-1: Wöhlerdiagrammet innehållande livslängderna för alla provstavar 8.2.1 Referensbitar Genom att testa referensmaterialet kontrollerades det om materialet, segjärn 0727-02, hade samma utmattningsegenskaper enligt tidigare framtagna Wöhlerdiagram. Om så inte är fallet skulle slutsatsen kunna dras att materialet inte har de påstådda egenskaperna och därmed andra materialdata. Den nedre linjen, det vill säga designkurvan, visar livslängden för material innehållande små defekter, Figur 8-2. Dessa har en storlek på mellan 0,5-1 mm i diameter, vilket anses vara storleken på normala gjutdefekter [25]. 27

Wöhlerdiagram (R=0), referensbitar Spänningsomfång [MPa] 1000 100 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08 Antal cykler till brott Designkurva Referensbitar Referensbitarna anpassade till en referenslinje Figur 8-2: Referensbitarnas läge i förhållande till designkuvan, samt hur referensbitarna anpassats till en referenslinje Då ett medelvärde av referensbitarnas C-värde beräknats ritades en approximerad linje upp med lutningsfaktorn, k = 5. Detta gjordes för att visa hur mycket punkterna för det defektfria materialet ligger ovanför kurvan för material med små defekter, det vill säga designkurvan. Designkurvan, däremot, är uppritad med lutningfaktorn 4,7. För att rita upp en referenskurva som i Figur 8-2 behövs egentligen ett stort antal punkter. Referenskurvan, Figur 8-2, är uppritad med endast fyra punkter. Detta har gjorts på grund av att spridningen mellan dem är liten. 8.2.2 Provstavar med defekter Vid provning av provstavar med defekter erhölls olika livslängder på grund av defekternas varierande storlek. Genom att beräkna C-värdet för de olika provstavarna och logaritmera detta har en klassificering av defekternas storlek gjorts. Provstavarna har grupperats så att standardavvikelsen av de logaritmerade C-värden i samma grupp inte är större än 0,15. Provning av provstavar med defekter gav följande punkter i Wöhlerdiagrammet, Figur 8-3. 28

Wöhlerdiagram (R=0), provstavar med defekter 1000 Designkurva Spänningsomfång [MPa] Referenskurva Små defekter Nr 21 & 35 Nr 26 & 34 Nr 36 Nr 23 Nr 25 & 30 100 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08 Antal cykler till brott Figur 8-3: Wöhlerdiagrammet visar hur de defekta provstavarnas livslängd varierar beroende på defektstorlek och spänningsomfång Punkterna markerade med trekanter i Wöhlerdiagrammet visar livslängd för provstavar med små defekter. Punkterna ligger i närheten av designkurvan, vilket bekräftar de resultat som kurvan är uppbyggd av och att det alltid finns små defekter i gjutet material. Trots att designkurvan har en annan lutningsfaktor k = 4,7, än de plottade punkterna för små defekter (k = 5), ger den ändå ett bra underlag för dimensionering av gjutgods. Det visas i Figur 8-3, där spridningen av punkterna kan anses normal. Punkterna Nr 21 och 35 ligger väldigt nära designkurvan men har inte räknats till små defekter eftersom deras C-värde skiljer sig avsevärt från de små defekternas. De resterande punkterna har mycket lägre C-värde än övriga och innehåller relativt stora eller mycket stora defekter som påverkar livslängden avsevärt. Diagrammet, Figur 8-3, visar att en provstav innehållande en sådan defekt har en mycket kortare livslängd än en med normala gjutdefekter. 29

8.3 Utvärdering av riggprovning Den tidigare antagna fördelningen visade att 15 % av naven innehåller defekter. Ett antagande i detta projekt har varit att de 54 naven skulle ha ungefär samma fördelning. Resultaten från provningen visade att den fördelning som tidigare antagits stämmer relativt bra. Efter den visuella kontrollen av de 54 naven valdes 8 stycken med stora ytliga defekter ut. Utav dessa har 6 nav visat sig innehålla betydande defekter vid riggprovningen. Det gav andelen 11 % defekta nav. Eftersom provstavar endast sågats ut vid förstyvningarna är det möjligt att defekta områden som sitter vid sidan av dessa missats. Det kan alltså vara så att nav med stora defekter inte provats och därför inte kommit med i fördelningen över defekta nav. Det är därför troligt att andelen defekta nav är något större än 11 %. På vissa av provstavarna syntes endast små defekter på ytan men visade sig ändå innehålla stora defekter strax under ytan. Figur 8-4 visar fördelningen av de defekta naven. En grov indelning av defektstorleken har gjorts. Andel nav [%] 10 0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Frekvensfördelning defektfria-defekta nav Defektfria nav Defekta nav Andel nav [%] 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Frekvensfördelning defektstorlek Mindre defekter (0,5-1mm) Medelstora defekter (1-3mm) Stora defekter (3-5mm) Mycket stora defekter (5-9mm) (a) Figur 8-4: I (a) visas totala andelen defekta nav. I (b) visas defektstorlekens fördelning av de defekta naven (b) 30

9 Undersökning av brottytor För att beräkna livslängden på provbitarna måste startsprickans storlek vara känd. Denna storlek bestämdes genom att undersöka brottytorna. Undersökningen har skett i makroskop och i svepelektronmikroskop, SEM. Makroskopet gav en bra översiktsbild över var brottet startat. Från startpunkten strålar så kallade flodlinjer ut, Figur 9-1. Utifrån var dessa går samman kan startpunkten bestämmas. I de fall provstavar uppvisat flera startpunkter har den största valts. (a) Figur 9-1: (a) Startpunkten kan ses där linjerna går samman, se pilen. Bilden är tagen i makroskop. (b) visar en schematisk bild över startpunkten och flodlinjerna som strålar ut från denna (b) Efter att ha skapat en översiktsbild över brottytan i makroskopet undersöktes startområdet i SEM. Där kunde storleken på defekterna bestämmas mer exakt. Defekterna kännetecknas av dendriter som visar att materialet stelnat ut mot luften. Figur 9-2(a) visar en tydlig granliknande dendrit, som fotograferats i en stor defekt där bristen på matarmetall varit stor. Figur 9-2(b) visar en mindre defekt som inte har särskilt förgrenade dendriter. 31

(a) Figur 9-2: (a) Stor dendrit med förgreningar som vuxit från en stor defekt där bristen på matarmetall varit stor. (b) Mindre defekt där dendriterna är små och inte så förgrenade (b) Då vissa startområden var för stora för att kunna ses med den minsta förstoringen i SEM har endast undersökning med makroskop gjorts. 9.1 Bestämning av defektstorleken Eftersom defekterna inte har någon jämn och rund form har vissa uppskattningar gjorts för att kunna beräkna livslängden i sprickpropageringsprogrammet Afgrow. Då Afgrow endast kan räkna på cirkulära och elliptiska sprickor har defekterna approximerats till dessa former. Vissa defektområden har varit mycket svåra att bedöma då de haft sammanhängande material mellan defekterna. De antaganden som gjorts om defektstorleken tas upp nedan. 9.1.1 Ytnära defekter På vissa brottytor fanns defekterna strax under ytan (cirka 0,2 mm) och var alltså inte ytbrytande, se exempel Figur 9-3. Dessa defekter har ändå räknats som ytsprickor då antalet cykler tills de blivit ytbrytande antagits vara mycket få. 32

Figur 9-3: Fyrkanten markerar defekten som ligger strax under ytan. I bilden är ytan längst upp 9.1.2 Närliggande defekter Om två sprickor ligger nära varandra kan interferens dem emellan ske. Spänningsintensiteten blir i detta fall högre än om sprickorna varit isolerade från varandra. Om utrymmet mellan sprickorna är större än storleken på den minsta av sprickorna så påverkas inte spänningsintensiteten nämnvärt. Om avståndet mellan sprickorna är mindre kan en gemensam area räknas som summan av sprickornas area plus utrymmet mellan dem, Figur 9-4. Utrymmet mellan dem räknas som den mindre sprickans area. [8] Figur 9-4: Interferens mellan närliggande defekter [8] 33

Då mindre defekter i provstaven varit belägna nära varandra, i eller under ytan, men ändå haft material emellan har startdefektens area räknats som ett slags medelvärde. Ett exempel kan ses i Figur 9-5 där den vita ellipsen visar hur defekten uppskattats. Figur 9-5: Ellipsen visar ett exempel på uppskattning av en halvelliptisk ytspricka 9.1.3 Provstavar med större defekter än tillåtet Tre av provstavarna, nr 23, 25 och 30, gick sönder mycket tidigt jämfört med de friska bitarna. Det visade sig att dessa innehöll mycket stora defekter, Figur 9-6. Defekterna var svampliknande och mycket utbredda med lite sammanbindande material emellan. I Figur 9-6(a) och (b) är defekterna till största delen belägna i kanten av provbiten. Det är även där brottet startat. Provbit 25, Figur 9-6(c), har suttit i den provstav där hållfastheten varit sämst. I detta fall är defekten mycket utbredd och djup. Dendriten i Figur 9-2(a) är fotograferad från provbit 25. Den stora och förgrenade dendriten tyder på att bristen på metall från mataren varit stor i området och sugningsdefekten därför blivit mycket stor. 34

(a) (b) (c) Figur 9-6: Bilder på brottytor som innehåller stora defekter. I (a) och (b) är defekten belägen i kanterna där också brottet startat. I (c) är defekten mycket utbredd och djup Bilder på brottytorna av provstavarna med de största defekterna som hittats, provstavar 23, 25 och 30, skickades till Åke Hallberg på DNV. Detta för att få en bedömning om det finns någon oförstörande provningsmetod att hitta defekterna med. Provningsmetoder som var tänkbara var ultraljud och röntgenprovning. Vid ultraljudprovning är problemet att ytorna på inneslutningarna är så grova att de troligtvis inte ger någon reflektion. Vid röntgenprovning skulle resultatet bli att provstav 23 och 30 uppfyller högsta kvalitetskravet. Provstav 25 skulle uppfylla det näst högsta kvalitetskravet. Av denna metod framgår inte på vilket djup inneslutningen finns, då det är svårt att röntga naven från två håll. 35

36

10 Brottmekaniska beräkningar Med brottmekanik kan livslängden för en detalj beräknas. I detta projekt har linjär brottmekanik använts för att bestämma livslängden hos de defekta naven, då de utsätts för cyklisk last. 10.1 Linjär brottmekanik- Teori Linjär brottmekanik tar hänsyn till de skarpa defekter, sprickor, som finns i materialet som komponenten är tillverkad av. Med denna metod kan det förutsägas hur sprickor beter sig under last och hur lång livslängd komponenten har. Utmattningsprocessen delas in i tre faser, sprickinitiering, sprickpropagering och slutlig instabil spricktillväxt, Figur 10-1. Under det första stadiet, område 1, initieras en spricka. Tillväxten sker sedan stabilt i den linjära delen av kurvan, område 2. Sprickan når slutligen område 3 där tillväxten sker instabilt och livslängden är utdömd. Den totala livslängden är summan av antalet cykler i de olika faserna, område 1, 2 och 3 i Figur 10-1 [1], [2], [13]. Figur 10-1: Utmattningsprocessens tre faser [1] 37

Initieringsfasen är passerad då sprickor propagerar från defekterna. Ofta bortses från denna fas då defekterna är av sådant slag att sprickor kan börja propagera relativt snart. Även den sista fasen kan oftast bortses från eftersom sprickan växer mycket snabbt och antal cykler ofta blir få. Den linjära delen av spricktillväxten stämmer därför ofta relativt bra med den totala livslängden. Spricktillväxten i detta område kan beskrivas med Paris lag, Ekvation 10.1. Då K I, C, n och da är kända kan antal cykler, N, integreras fram. da dn n = C( K I ) (10.1) där: a = sprickdjupet N = antal cykler till brott C, n = materialkonstanter K I = spänningsintensomfång (K max -K min ) Spänningsintensitetsfaktorn, K I, är ett mått på hur spänningen ser ut vid sprickspetsen. Denna beror av sprickans och komponentens geometri samt den nominella spänningen. Spänningsintensitetsfaktorn beräknas enligt Ekvation 10.2. K I = σ 0 Y π a (10.2) där: σ 0 = nominell spänning a = sprickans djup Y = dimensionslös funktion som beror av belastningsfall och geometrin hos sprickan respektive omgivning [2]. Det finns olika sätt att bestämma K I. Det enklaste är att använda ett elementarfall som approximerar aktuell spricka och lastfall. Andra sätt att beräkna K I är att använda viktsfunktioner eller att använda exempelvis FEM [2]. 38

Då en konstruktion, vilken innehåller en spricka, belastas kan sprickytorna förskjutas i förhållande till varandra på tre olika sätt eller modus, Figur 10-2. Spänningsintensitetsfaktorn beräknas sedan utifrån spänningen från aktuellt modus. I modus I utsätts sprickan för en kraft vinkelrät mot sprickans plan, vilket gör att sprickan i xy-planet vidgas. Spänningen vinkelrät mot sprickspetsen behövs för att beräkna spänningsintensitetsfaktorn. I modus II utsätts sprickan för krafter som orsakar skjuvning av sprickan och gör så att glidning i xy-planet uppstår. I modus III utsätts sprickan för glidning tvärs xy-planet [13]. Figur 10-2: Definition av modus [1] Enligt Volvos Koncernstandard visar experiment på att spricktillväxt tenderar att ske i modus I, under cyklisk eller monotont ökande belastning. Detta gäller även då sprickan från början är orienterad i någon annan modus [1]. I detta projekt har modus I använts. 10.2 Livslängdsberäkningar på provstavarna med Afgrow Afgrow är ett sprickpropageringsprogram vilket beräknar livslängden hos en komponent med defekter/sprickor. Programmet som använts i detta 39