METALLIEN VAURIOMEKANISMIT. Väsyminen: Mikro- ja makropiirteet ja väsyminen kontaktipinnoissa (Wulpi: osa lukua 10 ja luku 12) 28.3.

Transkriptio

1 METALLIEN VAURIOMEKANISMIT Väsyminen: Mikro- ja makropiirteet ja väsyminen kontaktipinnoissa (Wulpi: osa lukua 10 ja luku 12)

2 PÄIVITETTY LOPPUOHJELMA 4.4. Väsyminen: murtopinnat ja väsyminen kontakgpinnoissa Luvut 10 ja Väsymiskokeet & Kuluminen & Case studies Luku Korroosio Luku Pääsiäinen Viruminen ja muut korkean lämpöglan vauriomekanismit Luku vk. Luvut palautepäivä Timo Kauppi käy läpi pari viimeaikaista vauriotapausta väsymisestä ja esikää, mitä vaurioanalyysiraporo tyypillisesp sisältää maanantaina luennon lopuksi. Lisäksi alustavasp on soviku, ekä hän esikää myös tuoreen varioanalyysin koskien ainakin jännityskorroosiota joko tai luennon lopuksi.

3 Metallin väsymisen vaiheet metallurgian näkökulmasta murtuman kasvunopeus VAIHE I: Väsymimurtuman ydintyminen VAIHE II: Väsymimurtuman eteneminen VAIHE III: Nopea murtuma Makroskooppiset vyöhykkeet kuvassa 1: Väsymismurtuman ydintymiskohta 2: Väsymismurtuma etenee sykleiqäin 3: SäteiQäisharjanteet (hauras murtuma) Vaiheen I aikana kappaleeseen ydintynyt kasvukykyinen murtuma voi kasvaa vasta kun jännitysintensiteepn vaihtelu ΔK ylikää kynnysarvonsa ΔK th :n. On erikäin haastavaa arvioida Vaiheen I kestoa (syklimäärää). Paris in laki kuvaa vain Vaiheen II kestoa, eli käyrän lineaarista alueka.

4 SÄRÖN KASVU KOHTISUORAAN PÄÄJÄNNITYKSEN SUUNTAA VASTEN Väsymismurtuman vaiheen II etenemismekanismista johtuen murtopintaan jää selvät mikroskooppiset etenemisjäljet (striagons). a a a etenemisjäljet a HUOM! Lujilla teräksillä etenemisjälkiä ei välttämäqä havaita johtuen vähäisestä plas- Gsesta deformaagosta särön kärjen edessä. Wulpi antaa kriteeriksi kovuuden 50 HRC. StriaPon counpng is usually not pracgcal because of the very large number, but it could indicate the number of load applicapons that made the stage 2 crack enlarge. However, this would provide no clue about the total number of load applicapons, because those of stage 1 would not be recorded.

5 VÄSYMISMURTUMAN MIKROSKOOPPISET PIIRTEET: ETENEMISJÄLJET (STRIATIONS) (c) Kuvan (a) kaltaisessa Glanteessa kauneus on katsojan silmissä. Etenimisjäljet ovat äärimmäisen tulkinnanvaraisia ja lisäksi murtopinnassa on havaiqavissa pyöreitä huokosia (mahdollisesg karbiden jäqämiä). Kuva (b) havainnolistaa etenemisjälkien mitan ja kuormituksen välistä yhteyqä. Pienen kuormituksen etenimisjäljet eivät erotu kuvasta (x 4900). YleisesG: Tarvitaan suuremmat suurennokset ja erityisesg pienet FE-SEM in kiihdytysjänniqeen arvot (1.5 kv kuvassa (c)), joqa etenemisjäljet voitaisiin havaita.

6 VÄSYMISMURTUMAN MIKROSKOOPPISET PIIRTEET: ETENEMISJÄLJET (STRIATIONS) S.W. Song et al. (2016). Enhancing high-cycle faggue properges of cold-drawn Fe Mn C TWIP steels InternaGonal Journal of FaGgue Vol. 85, pp TWIP FP TWIP TWIP FP FP Mikäli etenemisjälkiä ei eroteta FE-SEM tarkastelussa, niin murtopinta muistuqaa rakeen läpi etenevää lohkomurtumaa (FP teräs). Siinä ei kuitenkaan havaita lohkomurtumalle tyypillisiä faseqeja. Huom! TWIP terästen kovuus oli HRC:ä, kun taas ferriihs-perliihsen (FP) teräksen kovuus oli vain HRC:ä. Vrt. Wulpi in nyrkkisääntö.

7 Väsymismurtuman etenemisjälkien välisten etäisyyksien kasvu särön kasvaessa Etenemisjäljet kasvavat murtuman edetessä Vaiheen II aikana (da/ dn) ja niiden suunta on aina kohpsuoraan murtuman etenemissuuntaa (pääjännityksen suuntaa) vasten. 1 2 Extremely soi and weak metals do not form good striagons either, probably because their low strength makes them so vulnerable to damage. KÄYTÄ PIENIÄ KIIHDYTYSJÄNNITTEITÄ (2 3 kv) FESEM:lla! SnAgCu juote: vyöhykkeellä 1 etenemisjäljet n μm ja vyöhykkeellä 2 n. 1 μm.

8 Väsymismurtuman ydintyminen vedyn aiheukamaan alkumurtumaan V. Gaur et al. (2016). Surface versus internal fa/gue crack ini/a/on in steel: Influence of mean stress InternaGonal Journal of FaGgue, Vol. 82, pp (a) (b) (c) *HUOM! Tässä tapauksessa vedyn indusoima vaurio on edennyt tod. näk. perinnäisen austeniitn raerajoja pitkin, kunnes veydn paine ei enää ole riiqänyt säron kasvuun. Tämän jälkeen väsymismurtuma on ydintynyt em. särön kärkeen. Vrt. väsymismurtuman ydintyminen hitsin reunahaavaan. The fish eye looks brighter under the oppcal microscope (Fig. a), due to the absence of an oxide layer on the crack face because as long as the internal crack does not emerge at the free surface, it propagates without any contact with external air, in vacuum. SEM observagons of the border of a fish-eye reveal striking differences in the aspects of both sides (Fig. b). The inner part looks much smoother. It is also rather featureless, with nearly no traces of the underlying microstructure and without striapons. But as soon as the crack propagates in air, well-marked crystallographic paqerns evoking laths or grain boundaries, as well as fapgue striapons can be observed (Fig. c).*

9 MURTOPINTOJEN HANKAUTUMISEN AIHEUTTAMAT JÄLJET (RUB MARKS) ETENEMISJÄLKIÄ. HUOMAA NIIDEN ERI ORIENTAATIO HANKAUSJÄLKIIN VERRATTUNA. This kind of damage microfeatures also may occur when opposite sides of the fapgue fracture rub against each other during compression loading of a crack.

10 MURTOPINTOJEN HANKAUTUMISEN AIHEUTTAMAT JÄLJET (RUB MARKS) ArGfacts, or false features, can confuse observagon of both striapons and beachmarks. Rub marks from prefracture or post fracture damage can make parallel ridges that somewhat resemble striagons when observed in the electron microscope. HUOM! Etenemisjäljet kasvavat murtuman edetessä Vaiheen II aikana (da/dn) ja niiden suunta on aina kohpsuoraan murtuman etenemissuuntaa (pääjännityksen suuntaa) vasten.

11 KUORMITUSTYYPIN VAIKUTUS VÄSYMISMURTUMAN MURTOPINNAN MAKROPIIRTEISIIN veto/veto & veto/puristus yksisuuntainen taivutus vaihtosuuntainen taivutus YleisesG: Jännitystason kasvu ja jännitysten konsentroituminen kasvaqavat nopean vaurion etenemisen vaiheqa murtopinnassa. Kuormitustavasta ja jännitystasosta riippuen murtuma voi ydintyä useisiin eri kohgin kappaleqa.

12 veto/veto & veto/puristus KUORMITUSTYYPIN VAIKUTUS VÄSYMISMURTUMAN MURTOPINNAN MAKROPIIRTEISIIN suuri nimellisjännitys pieni nimellisjännitys yksisuuntainen taivutus vaihtosuuntainen taivutus pyörö-taivutus vääntö

13 Reversed torsional faggue = väsyminen vaihtosuuntaisessa väännössä splined shai = booriakseli Jännitys suurimmillaan siellä, missä voimalinjat tiivimmillään

14 MURTOPINNAT VÄÄNNÖSSÄ

15 MAKROSKOOPPISET MURTOPINNAT Vaihtosuuntainen väsytys Pyörö-taivutus väsytys Kuvassa (b) esiintyy hakasmerkkejä, joita skemaaosessa periaatekuvassa ei esiinny.

16 SKEMAATTINEN ESITYS: MAKROSKOOPPISET MURTOPINNAT D = radial ledges = säteikäismerkit rantajuovat = pysähtymismerkit =beach marks (= propagagon marks)

17 MURTOPINNAN MAKROSKOOPPISET OMINAISPIIRTEET: VÄÄNTÖ

18 Väsymismurtuman pysähtymismerkit rantajuovat (beach marks) Beachmarks will not be present if the part was operated congnuously, or with only brief interrupgons in service. Pysähtymismerkit ovat MAKROSKOPPPISIA ominaispiirteitä murtopinnassa. Niiden muodostuminen edellykää, ekä väsymismurtuman eteneminen on pysähdyksissä (yleensä ei-jatkuva kuormitus).

19 Väsymismurtuman pysähtymismerkit rantajuovat (beach marks) Microscopic plasgc deformagon at the Gp of the faggue crack during rest periods or when the cyclic stress is not high enough to make the fapgue crack progress. A highly strained zone at the Gp of an advancing faggue crack exists. At rest for a period of Pme, this region appears to strengthen by work hardening all along the crack Pp. This process results in this barrier, or strengthened region, appearing as a macroscopic ridge, or mark, on the fracture surfaces. In effect, it is a giant striagon*. Differences in the Gme of corrosion in the propagagng faggue crack. The area near the origin(s) is exposed to the environment longer than any other porpon of a progressing fapgue crack. SomePmes these differences in corrosion form concentric rings or lines emanapng from the origin(s). Myös ilman epäpuhtaudet voivat aiheukaa murtopinnan oksidoitumista tai kontaminoitumista (värimuutokset). Large changes in magnitude or loading frequency. The most common is from a large increase in load, which essengally forms giant striagons* that may be visible macroscopically. Certain types of parts are subject to large fluctuagons of applied loads that may be visible on the fracture surface. (Lienee kuitekin aika harvinaista, e:ä tälläainen jä>läinen syntyisi yhden syklin aikana ilman lopullista murtumaa.) Beachmarks must not be confused with stria/ons, although they frequently are present on the same fracture surface; there may be many thousands of microscopic striagons between each pair of macroscopic beachmarks.

20 KAMPIAKSELI hqp:// / /05113G_Chapter2.pdf

21 Rantaviiva vai etenemisjälki? Beachmarks, or clamshell marks, may be seen in faggue failures of materials that are used for a period of Gme, allowed to rest for an equivalent Pme period and the loaded again as in factory usage. StriaPons are thought to be steps in crack propagagon, were the distance depends on the stress range*. Beachmarks may contain thousands of striapons. An example of the stria/ons found in fa/gue fracture. Each stria/on is thought to be the advancement of the crack. There may be thousands of stria/ons in a beachmark (clamshell). * Tähän taas vaikukaa särön pituus, joka puolestaan vaikukaa jännitysintensiteeovaihtelun suuruuteen. => Etenemisjälkien välinen etäisyys siis yleensä kasvaa väsymismurtuman edetessä.

22 Pyörivä akseli taivutuksessa (Pyörö-taivutusväsyminen)

23 PYÖRÖ-TAIVUTUS: HAKASMERKIT (RATCHET MARKS) räikkä- tai hakasmerkit HUOM! YDINTYMIS- PAIKKOJA ON USEITA JA NE SIJAITSEVAT

24 HAKASMERKIT (RATCHET MARKS) When several faggue origins are adjacent to each other, each will start its own fapgue crack propagapng. If the origins are roughly in the same plane, the faggue crack growing from one origin will start to overlap the faggue crack from another origin. When adjacent cracks overlap, the metal in the overlap area will then fracture across the short distance between the two cracks. This in between fracturing creates a corner angle perpendicular to the surface of the part. The ratchet marks are not the origins themselves; each ratchet mark separates two adjacent faggue fractures. As the cracks become deeper, the cracks from each origin tend to grow together and become essenpally one fapgue fracture that has numerous origins. The number of ratchet marks equals or is one less than the number of origins; thus recognipon of the number of ratchet marks is important in determining the number of origins.

25 HAKASMERKIT (RATCHET MARKS) Sh. Zangeneh et al. (2014). Fracture failure analysis of AISI 304L stainless steel shai, Engineering Failure Analysis, Vol. 36, pp hakasmerkkejä hakasmerkkejä Cracks inigagon zones on flange connecgon and ratchet marks.

26 PYÖRÖ-TAIVUTUS: HAKASMERKIT (RATCHET MARKS) hqp:// A 200 hp, 1180 RPM motor shai that failed in less than a day. No progression marks means the faggue load was constant. The instantaneous zone is relapvely large, indicapng the shat was heavily loaded. Cracking started at numerous locapons around the shat, poinpng to rotapng bending as the cause. So many ratchet marks concentrated on the top and bokom of the photo make us suspect the shai may not have been straight. InspecGon, though, would indicate the root cause was associated with the belt drive. In fact, the sheaves (hihnapyörät) were worn so badly that the belts were riding in the bokom of the grooves. This situapon approximately doubled the shat bending stress.

27 PYÖRÖ-TAIVUTUS: HAKASMERKIT (RATCHET MARKS) MILLAINEN JÄNNITYSTILA ON AIHEUTTANUT AKSELITAPIN VÄSYMISMURTUMAN?

28 Makroskooppiset: rantaviiva ja hakasmerkki Mikroskooppinen:etenemisjälki Figure 8 is a schemagc, highly enlarged sketch of a typical fapgue fracture surface showing several origins, striapons, beachmarks, and ratchet marks. Only a few striapons are shown between the beachmarks, not the thousands or millions that may exist in an actual fracture surface.

29 Väsyminen kontakppinnoissa: KontakPpintojen deformoituminen Engineering Tribology (Fourth EdiGon), 2014, Chapter14, pp Käytön aikana kontakgpinnat esim. hammasraqaissa deformoituvat pintaosistaan. Kerrospaksuudet ovat luonnolisesg riippuvaisia materiaalin mekaanisista ominaisuuksista ja kuromituksen suuruudesta, joten kuvan miqakaava on vain suuntaa-antava. KriiOsin alue vaurion muodostumisen kannalta on kuitenkin pinnan ohut voimakkakkaimmin deformoitunut alue.

30 Väsyminen kontakppinnoissa: Ydintyminen pinnan alle Subsurface-Origin FaPgue. Pihng* in hardened steel as a result of subsurface-origin faggue occurs during essengally pure rolling mogon of one element across or around another. Stress concentragons slightly below the surface are the usual origins. Since most geometrical stress concentragons are at the surface of metal parts, the most common geometrical stress concentrapons within the metal are various types of inclusions inherent in the steel. There are many types of inclusions, but the most serious are the hard, briqle inclusions that are oien angular in shape. Since inclusions are distributed at random within the steel, only those within the high shear stress region are likely to cause subsurface-origin pihng faggue. Figure shows two rolling elements under pressure, each of which has the same contact (compressive) stress at the surface. However, the depth of the maximum shear stress may differ, depending on the relagve geometry of the parts involved. Any damaging inclusions within the high shear stress region can cause fapgue cracks to originate within the metal parallel to the surface. * Ei pidä sotkea pihng-korroosioon

31 Väsyminen kontakppinnoissa: Ydintyminen pinnan alle Engineering Tribology (Fourth EdiGon), 2014, Chapter14, pp (a) Murtuman ydintyminen sulkeumaan (kuten Wulpin esitys). (a) However, thin flake-like debris can also be generated in the subsurface mode of contact faggue. In rolling contacts, during the inipal stages of failure, small cracks can form parallel to the surface, typically about 20 μm below the bearing surface (Yleensä kaikista voimakkaimmin muokkaantuneeseen kerrokseen, kts. aiempi kalvo). These cracks grow ungl they reach a length of about 100 to 300 μm before inigagng the growth of a pair of descending cracks that reach deeper into the bearing material. The flake debris is mostly formed from the release of material lying above the original parallel crack. This mechanism is illustrated schemagcally in Figure (b). (b)

32 Väsyminen kontakppinnoissa: Ydintyminen pintaan Surface-Origin FaPgue. Surface-origin pihng of hardened steel surfaces also is destrucgve of the surface, and, in the case of gear teeth, may also cause bending faggue fracture of the gear teeth.

33 Väsyminen kontakppinnoissa: Ydintyminen pintaan The elasgc deformagon of each roller progresses like a wave around them, alternately applying shear stresses to and removing them from the surface of each. However, in the slower roller, the rolling and sliding are in opposite direcpons, creapng the condipon of negapve sliding which is most likely to cause surface pihng faggue.

34 Väsyminen kontakppinnoissa: Ydintyminen pintaan A. Terrin et al. (2017). Experimental analysis of contact fa/gue damage in casehardened gears for off-highway axles, Engineering Failure Analysis Vol. 76, pp NegaPve sliding occurs on the magng surface, where the direcpons of rolling and sliding are opposite to each other. Most surface faggue failures originate in regions of negagve sliding, because the shear stresses there are usually more severe than in regions of posigve sliding

35 Väsyminen kontakppinnoissa: Ydintyminen pintaan A. Terrin et al. (2017). Experimental analysis of contact fa/gue damage in casehardened gears for off-highway axles, Engineering Failure Analysis Vol. 76, pp Referring to case hardened gears*, pihng may be originated by subsurface cracks only in presence of high rolling speeds, very smooth surfaces and opgmal lubricagng condigons. In such cases, contact between asperiges is prevented by the lubricant and the formagon of subsurface cracks in correspondence of defects or inclusions may occur earlier than surface originated damages. However, the lubricapon film is not oten thick enough to keep roughness asperipes separated, so that surface cracks form as a result of plaspc strains in the surface due to fricpon. The propagapon of surface cracks is promoted by the presence of the lubricant, which is entrapped and pressurized within the crack edges by the contact with the magng surface. Surface originated pits can be dispnguished in two categories: (a) Point Surface Origin (PSO) macropihng and (b) Geometric Stress ConcentraGon (GSC) macropihng. * Myös pintakarkaistuissa kappaleissa voi vaurio ydintyä pintaan.

36 Väsyminen kontakppinnoissa: Ydintyminen pintaan A. Terrin et al. (2017). Experimental analysis of contact fa/gue damage in casehardened gears for off-highway axles, Engineering Failure Analysis Vol. 76, pp PSO macropiong: Typically, a crack nucleates from the surface defect and then propagates with a shallow angle (<30 to the surface) towards the interior of the tooth. When the crack reaches a crigcal length, a flake of material detaches leaving a crater with a steep wall, where the ulgmate fracture occurs. Generally, PSO macropits originate from surface defects such as nicks, dents, grinding furrows, debris bruises and also previous-formed micropits.

37 Väsyminen kontakppinnoissa: Ydintyminen pintaan Engineering Tribology (Fourth EdiGon), 2014, Chapter14, pp GSC pihng forms in areas where the non-conformity of the mapng surfaces is pargcularly pronounced and therefore the load is carried by a small contact area resulpng in extremely high pressures. In such cases several pits form in the overloaded areas, leading to a widespread damage. Typical causes of GSC macropihng on gears are misalignments due to deflecgon of shais and supports under load, corners of Gp and root relieves, crowning, and Gp-to-root interference.

38 Väsyminen kontakppinnoissa: Pintakarkaistut kappaleet Subcase-origin fapgue also is known as spalling faggue or case crushing. Subcase faggue is somewhat similar to subsurface faggue, discussed earlier in this chapter. However, the difference is in the scale of magnitude: subsurface faggue resulgng in pits originates a few thousandths of an inch from the surface, whereas subcase fapgue may originate at much deeper regions, usually slightly below the case depth, which may be in. or more from the surface, depending on the heat treatment of the pargcular part. At any rate, fapgue can originate deep within the part as a result of contact stress faggue, causing faggue cracks parallel and perpendicular to the surface.

39 Väsyminen kontakppinnoissa: Pintakarkaistut kappaleet M. Boniardi et al. (2006). Influence of carburizing and nitriding on failure of gears A case study Engineering Failure Analysis, Vol. 13, pp pintakäsiqelty ei pintakäsiqelyä Two different peaks can be observed on this diagram: one located usually at a sub-superficial zone, the other at the case core interface. This trend is juspfied by the presence of compressive residual stresses which decrease the value of τ45 in the whole sub-superficial zone of the hardened case; whereas some residual posipve stresses located at interface (derived from balancing the compressive residual ones) lead the total stresses (sum of the loading and the residual ones) to increase, generapng the second peak value. PintakäsiQely laskee leikkausjännityksiä, muqa toisaalta aiheuqaa kaksi jännityspiikkikiä karkaistulle/typetetylle alueelle.

40 Väsyminen kontakppinnoissa: Pintakarkaistut kappaleet M. Boniardi et al. (2006). Influence of carburizing and nitriding on failure of gears A case study Engineering Failure Analysis, Vol. 13, pp Looking at this diagram, it is possible to find out two different modes of failure. The diagram of the maximum tangenpal stress (τ 45 ) can be superimposed on the fapgue shear strength of the material: the intersecgon between these two curves may be placed either near the surface or at the case core interface. In the first case the gear is affected by destrucgve superficial pihng, whereas in the second one the damaging phenomenon is a case-crushing. Mikäli pintaan kohdistuvan leikkausjännityksen arvo ylitää materiaalin leikkauslujuuden (laskee kuormituskertojen kasvaessa), vaurio ydintyy pintaan. Jos se yliqyy vasta käsitellyn ja bulkkimateriaalin rajapinnan läheisyydessä, niin kappaleesta lohkeaa pala karkaistua/typeteqyä pintaa.

41 Väsyminen kontakppinnoissa: Pintakarkaistut kappaleet M. Boniardi et al. (2006). Influence of carburizing and nitriding on failure of gears A case study Engineering Failure Analysis, Vol. 13, pp Kuvassa (a) ja (b) demonstroidaan typeteqyyn kappaleeseen n. 50 μm syvyyteen ydintynyqä pinnanalaista primäärimurtumaa ja sen tuoqamaa vauriota (lohkeama pinnassa).

42 Kiitokset tämän kertaisesta! Luentokalvojen lisäksi Noppaan tulee hyvät reviewarpkkelit väsymismurtopintojen MAKROSKOOPPISISTA tuntomerkeistä sekä lämpökäsiteltyjen kappaleiden vauriomekanismeista: Overview of the Mechanisms of Failure in Heat Treated Steel Components Maanantaina luennon lisäksi T. Kaupin esitykset vaurioanalyyseistä koskien väsymistä.