effetto del trattamento di rullatura sulla a fatica da...
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Effetto del trattamento di rullatura sulla resistenza a fatica da fretting
della
connessione forzata albero‐mozzo
Ing
. C. Santus
Università
di PisaDICI – Dip. di Ing. Civile e Industriale
Progetto Prin
2009 ‐
PRIN 2009Z55NWC
Univ. di Ferrara
Univ. di Padova
Univ. di Parma
Univ. di Trento
Univ. di Pisa Unità
di Pisa:Studio sperimentale e modellazione della concentrazione di
tensioni all'estremità
della zona di contatto nel collegamento forzato albero‐mozzo sottoposto a sollecitazione flessionale.
Esame degli effetti prodotti sulla resistenza a fatica da un campo di tensioni residue di compressione indotto da un trattamento
superficiale di rullatura
con deformazione plastica profonda.
2/26
Fretting
–
Introduzione
Fretting
FatigueElevato gradienteStato di tensione triassialeFenomeni tribologici
(micro slittamento)
Miglioramento resistenza:Tensioni residue di compressione: Es. Pallinatura, Rullatura
3/26
PQ
bulk
slip 1 10μm
pad
component
Applicazioni soggette a fatica da Fretting
“Dovetail”
blade‐disk root Shrink‐fitted tubular connection
4/26
Fretting
test – Condizioni di contatto controllate
Bridge type setup
D.A. Hills, D. Nowell, Mechanics of Fretting Fatigue, ed. Kluwer Academic Publishers, 1994
‐
Slip non simmetrico‐
Tilting
‐
Effetti di bordo
5/26
Fretting
test – Condizioni di contatto controllate
D. Nowell, D. Dini, D.A. Hills, “Recent developments in the understanding of fretting fatigue”, Engineering Fracture Mechanics, 73(2), 207‐222, 2006
“Half”
bridge setup
6/26
Fixed fixture Moving fixture
Fixed frettingbridgeProving
Ring
‐Solo contatto
Hertziano (cilindrico
o sferico)
NO flat and rounded‐
Effetti di bordo
Connessione forzata albero‐mozzo
Estensimetro flessione
Dado di
registro
FTratto conico
Mozzo vincolato(acciaio dacementazione)
Provino7075‐T6
Fretting
crack
Estensimetroflessione
Estensimetroforzamentodiametrale
Raggiocontrollator = 2 mm
‐
Riproduzione in scala della connessione tubolare
F aF 1R
t
OK flat
& rounded
Estensimetro perforzamento diametrale
7/26
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-800
-600
-400
-200
0
200
Profondità, mm
Com
pone
nti t
ensi
one
resi
dua
Direzione avanzamentoDirezione rullatura
M. Beghini, B.D.
Monelli, C. Santus. "Stato di tensione residua di rullatura su elementi per prove di fatica da fretting
con collegamento forzato
albero mozzo". XLI congresso AIAS, Vicenza 2012
N 50, , 300,150 450 NF
8/26
Rullatura –
ottimizzazione con Cilindretti campione
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-800
-600
-400
-200
0
200
Profondità, mm
Com
pone
nti t
ensi
one
resi
dua
Direzione avanzamentoDirezione rullatura
Rullatura provini conici
DREXToolD90
Tratto conicoAlluminio
0 0.5 1 1.5 2-2
0
2
Prof
ilo,
m
Solo tornitura
0 0.5 1 1.5 2-2
0
2
Posizione sulla superficie, mm
Prof
ilo,
m
Rullatura dopo tornitura
a 0.7 μmR
a 0.1 μmR
9/26
‐
Componente maggiore in direzione assiale
‐
No profondità
eccessiva
NForza rullatura: 150 NF
Campagna di prove –
condizioni testate
Serie di prove A: NO
rullatura, SI
lubrificazione
Serie di prove B: NO
rullatura, NO
lubrificazione
Serie di prove C: SI
rullatura, SI
lubrificazione
Serie di prove D: SI
rullatura, NO
lubrificazione
Tensioni residue (rullatura) Lubrificazione applicata al contatto
10/26
105 106 1070
50
100
150
200
Number of cycles to failure Nf
Stre
ss a
mpl
itude
a, M
Pa
A - NO Rolling, YES Lubr.B - NO Rolling, NO Lubr.C - YES Rolling, YES Lubr.D - YES Rolling, NO Lubr.
Risultati prove sperimentali
Frattura fuori da Fretting
EffettoTens. Res.
Frattura Fretting
EffettoLubr.
EffettoTens. Res.
11/26
Superfici di frattura
Innesco fessura primaria
Fessura secondaria (eventuale)
NO
rullatura
12/26
Superfici di frattura
Fessura secondaria (eventuale)
Innesco fessura, fuori dalla zona di fretting
SI
rullaturaNO
rullatura
Fine rullatura
13/26
Modellazione
14/26
Stato di tensione, FEM
Interpretazione dei risultati delle prove
Modelli di resistenza:‐
crack arrest
‐
piano critico
Modellazione numerica, FEM
Preload
(p)Modello assialsimmetrico
Interferenzadi serraggio
Bending
(b)Modello assialsimmetrico
armonico, mode 1
Contatto con attrito
Regione di sottomodello
Sottomodello: Plane
Strain
Regione di sottomodello
F
Elementi di contatto
Vincolo (lineare) Vincolo (lineare)
Vincolo
Interpolazione DoF:Fullmodel
→ Submodel
Tempo
Carico
0 12
34
5
p
p b p b
p b p b
4 infittimenti“annidati”,elem. size
2 µm“Hot‐spot”
15/26
Modellazione numerica, FEM
Elementi di contatto+ interferenza
Carico remotoFlessione + taglio
Lettura estensimetrica(simulata)
Lettura estensimetrica(simulata)
“merge”
degli spostamenti
16/26
Contact:Pressure,Friction
shear,Slip
Sub‐surface
stress
components
Determinazione coefficiente d’attrito
-8 -6 -4 -2 00
1
2
3
4
Hot-Spot distance, mm
Slid
ing,
m
Compr. load stepTensile load step
s
s
(lubr.) 0.37(no lubr.) 0.51ff
17/26
Transizionestick/slip
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1
0
200
400
600
800
Hot-Spot distance, mm
Pres
sure
, fric
tion
Shea
r, M
Pa
Distribuzione delle pressioni di contatto
Asintoto singolaritàspigolo vivo
( )0.3477
sp r rs
r
r
( )p r rAsintotoHertz
Flat
& Roundedcontact
p
18/26
Distribuzione delle pressioni di contatto
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1
0
200
400
600
800
Hot-Spot distance, mm
Pres
sure
, fric
tion
Shea
r, M
Pa Slip completo,transizione stick/slip
relativamente distante
ps f p
19/26
Distribuzione delle pressioni di contatto
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1-200
0
200
400
600
800
Hot-Spot distance, mm
Pres
sure
, fric
tion
Shea
r, M
Pa Carico di flessione negativoCarico di flessione positivo
Inversione attrito
20/26
Tempo
Carico
0 12
34
5
p
p b p b
p b p b
Modello (Short) Crack Arrest
D. Nowell, D. Dini, D.A. Hills, “Recent developments in the understanding of fretting fatigue”,
Engineering Fracture Mechanics, 73(2), 207‐222 (2006).
D.A. Hills, A. Thaitirarot, J.R. Barber, D. Dini, “Correlation of fretting fatigue experimental results
using an asymptotic approach”, International Journal of Fatigue, 43, 62‐75 (2012).
J.A. Araújo, D. Nowell, “Analysis of pad size effects in fretting fatigue using short crack arrest
methodologies”, International Journal of Fatigue, 21(9), 947‐956 (1999).
D. Dini, D. Nowell, I.N. Dyson, “The use of notch and short crack approaches to fretting fatigue
threshold prediction: Theory and experimental validation”, Tribology
International 39(10), 1158‐
1165 (2006).
2
th0
fl
th th 00
th th 0
1
, se:
, se:
Ka
aK K a aa
K K a a
th th0
aK Ka a
Asintotico
El Haddada
21/26
Kitagawa‐Takahashi
diagram
Modello Crack Arrest
0 1 2 3 4 50
0.5
1
1.5
Kth,s,Asy+
Kth,s,EH+
KI+
0/a a
I
th
KK
NO
rullatura
22/26
0 1 2 3 4 5-4
-3
-2
-1
0
1
Kth,s,Asy+
Kth,s,EH+
KI+ (positive load)
SI rullatura (tensioni residue compressione)
0/a a
I
th
KK
Fessurachiusa
Evidenza sperimentale, inclinazione fessura
Fessura
osservataFessura
osservata
23/26
NO Rullatura Rullatura
Modello ‐
Critical
Plane
''Hot-spot''
0 / 2a
an,max
Fessura
osservata
24/26
J.A. Araújo, F.C. Castro, “A comparative analysis between multiaxial
stress and ΔK‐based
short crack arrest models in fretting fatigue”, Engineering Fracture Mechanics, 93, 34‐47
(2012).
J.A. Araújo, L. Susmel, D. Taylor, J.C.T. Ferro, E.N. Mamiya, “On the use of the Theory of Critical
Distances and the Modified Wöhler
Curve Method to estimate fretting fatigue strength of
cylindrical contacts”, International Journal of Fatigue, 29(1), 95‐107 (2007).
n,maxa,eq a
a
Piano critico,taglio (ciclico)MWCM:
Crack Arrest
NO rullatura, Critical
Plane
rullatura
0 45 90 135 180 225 270 315 360-400
-200
0
200Caso con Tensioni Residue
Orientamento piano, deg
MW
CM
, MPa
a
n,max
OK
25/260 1 2 3 4 5
0
0.5
1
1.5
Kth,s,Asy+
Kth,s,EH+
KI+
0/a a
I
th
KK
OK
NO Rullatura Rullatura
Innesco: modo I Innesco: tangenziale
Conclusioni
• Nuovo setup
di prova Fretting
Fatigue
• Effetto della lubrificazione sull’interfaccia di contatto
• Incremento di resistenza dovuto alla Rullatura
• Modello Crack Arrest
valido per il caso senza tensioni residue
• Critial
Plane
valido per i rullati, OK angolo iniziale fessura
26/26
Grazie per l’attenzione …
domande?
0 1 2 3 4 50
0.5
1
1.5
Kth,s,Asy+
Kth,s,EH+
KI+
0/a a
I
th
KK
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-800
-600
-400
-200
0
200
Profondità, mmC
ompo
nent
i ten
sion
e re
sidu
a
Direzione avanzamentoDirezione rullatura
105 106 1070
50
100
150
200
Number of cycles to failure Nf
Stre
ss a
mpl
itude
a, M
Pa
A - NO Rolling, YES Lubr.B - NO Rolling, NO Lubr.C - YES Rolling, YES Lubr.D - YES Rolling, NO Lubr.