Fretting induced friction behavior in flat-on-flat contact with cast iron and steel
Vuorinen, Eetu (2020)
2020
Konetekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Mechanical Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-11-02
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202010257467
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202010257467
Tiivistelmä
Cyclic loading of a combustion engine may generate microscopical reciprocating movement in its joints. This motion between two surfaces is called fretting, a harmful phenomenon which might lead to critical damage or failure. The damage can be divided into fretting wear and fretting fatigue. Because the phenomenon appears inside of the joints, likes of interference fits, the damage might progress unnoticed even with proper and scheduled maintenance. One of the essential factors in fretting is friction, which depends on the normal load and the coefficient of friction (COF).
The goal of this study was to identify frictional behavior of cast irons (GJS-500, GJL-250) and zinc coated steel (S355). The behavior was analyzed with three different fretting test types: gross sliding test (GS), variable amplitude (VA) test and stable friction test (SF). All tests were performed with a large flat-on-flat contact, under normal laboratory environment with a surface pressure of 50MPa. The tested material pairs were GJS-GJL and S355-GJL.
The GS tests done for this thesis show that the coefficient of friction (COF), between GJS and GJL generally peaks over unity around one thousand load cycles. After this the COF stabilizes between 0.7 and 0.9. The COF of S355-GJL material pair builds up in a very different manner compared to the GJS-GJL material pair, but stabilizes around same values, in around 0.8. The tests indicate that the surface coating prevents the COF from peaking.
The VA test shows that the transition from stick to mixed slip regime occurs when traction ratio (TR) rises over 0.3 but below 0.5 for GJS-GJL. For S355-GJL the transition happens when TR is around 0.3. The contact moves to full slip when TR is around 0.7 for GJS-GJL and between 0.75 and 0.9 for S355-GJS.
The SF tests show that the threshold value for the TR iterates between 0.5 and 0.7 for the GJS-GJL material pair and between 0.55 and 0.7 for S355-GJL. The SF tests done for S355-GJL material pair show interesting results considering the highest TR values acquired. The tests show no stabilization for the TR value and it seems to be growing until the end of the test. Polttomoottorin dynaamiset kuormitukset saattavat aiheuttaa mikroskooppisen pientä liikettä sen liitoksissa. Tätä kahden pinnan välistä edestakaista liikettä kutsutaan fretting-ilmiöksi. Fretting on haitallinen ilmiö, joka saattaa johtaa kriittisiin vaurioihin tai vikaantumisiin. Kyseisen ilmiön aiheuttamat vauriot voidaan karkeasti jakaa kitkaväsymiseen ja värähtelykulumiseen. Koska fretting-liike tapahtuu usein liitosten sisällä, voi vaurio edetä huomaamattomasti oikein suoritetuista huoltotoimenpiteistä huolimatta. Tärkeimpiä fretting-ilmiöön vaikuttavia tekijöitä ovat normaalivoima sekä kitkakerroin.
Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia kahden valuraudan ja pinnoitetun teräksen (S355) kitkakäyttäytymistä fretting-testien avulla. Kitkakäyttäytymistä tutkittiin kolmella eri testityypillä: kokonaisluisto (GS - gross sliding), kasvava siirtymäamplitudi (VA - variable amplitude) sekä stabiilikitka (SF - stable friction). Kaikki kokeet suoritettiin täydellisellä taso-vastaan-taso kosketuksella, laboratorio-olosuhteissa ja 50MPa:n pintapaineella. Testatut materiaaliparit olivat GJS-GJL ja S355-GJL.
Suoritetut kokonaisluistokokeet osoittavat, että GJS-GJL materiaaliparilla kitkakerroin kohoaa nopeasti ja noin tuhannen kuormitus syklin kohdalla sen arvo on yli yhden. Kitkakerroin stabiloituu arvojen 0.7 ja 0.9 välille. Materiaaliparilla S355-GJL kitkakerroin ei kohoa yli yhden, mut-ta sen arvon nousu hidastuu samoihin aikoihin kuin GJS-GJL parin kitkakerroin stabiloituu. S355-GJL materiaaliparin kitkakerroin oli GS testien päättyessä noin 0.8. Testit indikoivat pinnoitetun teräksen estävän kitkahuipun syntymistä.
VA testit osoittavat kosketuksen osittaisluiston alkavan, kun traction ratio (TR) on 0.3 ja 0.5 välillä GJS-GJL materiaaliparilla ja lähellä 0.3 materiaaliparilla S355-GJL. Kontakti siirtyy kokonaisluistoon, kun TR nousee 0.7:ään GJS-GJL materiaaliparille. S355-GJL materiaaliparilla luisto alkaa, kun TR on 0.75 ja 0.9 välillä.
SF testien avulla voidaan määrittää kynnysarvot TR:lle. Kynnysarvo materiaaliparille GJS-GJL on välillä 0.5-0.7 ja S355-GJL materiaaliparille välillä 0.55-0.7. Jälkimmäiselle materiaaliparille kitkakerroin ei stabiloidu mihinkään arvoon, vaan kasvaa koko kokeen ajan.
The goal of this study was to identify frictional behavior of cast irons (GJS-500, GJL-250) and zinc coated steel (S355). The behavior was analyzed with three different fretting test types: gross sliding test (GS), variable amplitude (VA) test and stable friction test (SF). All tests were performed with a large flat-on-flat contact, under normal laboratory environment with a surface pressure of 50MPa. The tested material pairs were GJS-GJL and S355-GJL.
The GS tests done for this thesis show that the coefficient of friction (COF), between GJS and GJL generally peaks over unity around one thousand load cycles. After this the COF stabilizes between 0.7 and 0.9. The COF of S355-GJL material pair builds up in a very different manner compared to the GJS-GJL material pair, but stabilizes around same values, in around 0.8. The tests indicate that the surface coating prevents the COF from peaking.
The VA test shows that the transition from stick to mixed slip regime occurs when traction ratio (TR) rises over 0.3 but below 0.5 for GJS-GJL. For S355-GJL the transition happens when TR is around 0.3. The contact moves to full slip when TR is around 0.7 for GJS-GJL and between 0.75 and 0.9 for S355-GJS.
The SF tests show that the threshold value for the TR iterates between 0.5 and 0.7 for the GJS-GJL material pair and between 0.55 and 0.7 for S355-GJL. The SF tests done for S355-GJL material pair show interesting results considering the highest TR values acquired. The tests show no stabilization for the TR value and it seems to be growing until the end of the test.
Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia kahden valuraudan ja pinnoitetun teräksen (S355) kitkakäyttäytymistä fretting-testien avulla. Kitkakäyttäytymistä tutkittiin kolmella eri testityypillä: kokonaisluisto (GS - gross sliding), kasvava siirtymäamplitudi (VA - variable amplitude) sekä stabiilikitka (SF - stable friction). Kaikki kokeet suoritettiin täydellisellä taso-vastaan-taso kosketuksella, laboratorio-olosuhteissa ja 50MPa:n pintapaineella. Testatut materiaaliparit olivat GJS-GJL ja S355-GJL.
Suoritetut kokonaisluistokokeet osoittavat, että GJS-GJL materiaaliparilla kitkakerroin kohoaa nopeasti ja noin tuhannen kuormitus syklin kohdalla sen arvo on yli yhden. Kitkakerroin stabiloituu arvojen 0.7 ja 0.9 välille. Materiaaliparilla S355-GJL kitkakerroin ei kohoa yli yhden, mut-ta sen arvon nousu hidastuu samoihin aikoihin kuin GJS-GJL parin kitkakerroin stabiloituu. S355-GJL materiaaliparin kitkakerroin oli GS testien päättyessä noin 0.8. Testit indikoivat pinnoitetun teräksen estävän kitkahuipun syntymistä.
VA testit osoittavat kosketuksen osittaisluiston alkavan, kun traction ratio (TR) on 0.3 ja 0.5 välillä GJS-GJL materiaaliparilla ja lähellä 0.3 materiaaliparilla S355-GJL. Kontakti siirtyy kokonaisluistoon, kun TR nousee 0.7:ään GJS-GJL materiaaliparille. S355-GJL materiaaliparilla luisto alkaa, kun TR on 0.75 ja 0.9 välillä.
SF testien avulla voidaan määrittää kynnysarvot TR:lle. Kynnysarvo materiaaliparille GJS-GJL on välillä 0.5-0.7 ja S355-GJL materiaaliparille välillä 0.55-0.7. Jälkimmäiselle materiaaliparille kitkakerroin ei stabiloidu mihinkään arvoon, vaan kasvaa koko kokeen ajan.