Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Evaluation of fatigue initiation in specimens for virtual design of case-hardened gear wheels.
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Solid Mechanics (Dept.).
2016 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (One Year)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The failure resulting from a loading repeated during a number of cycles, i.e. fatigue,

and especially the fatigue of steels is a problem present in many areas of mechanical

engineering, which still has a lot of questions to be answered. One of these unanswered questions is the probabilistic investigation of the fatigue of steels subjected to case hardening, thus having a gradient in material properties.

The aim of this work was to formulate a relationship between hardness and fatigue

properties that is more accurate than those already known from the literature. This work was part of a bigger project which is a cooperation between KTH Royal Institute of Technology and automotive company Scania CV AB. The final objective of the project was to improve the virtual design of gears in the transmission of Scania trucks. One key part of this was the investigation of the nucleation of cracks leading to fatigue failure and to determine the probability of failure for the given material.

In order to achieve this, fatigue experiments were performed on specimens made from a steel with material properties identical to those of the gears. The specimens used during the testing can be divided into 5 groups according to the different heat treatment processes and the resulting surface hardness values. The load cases during the tests were either pushpull, torsion or a combination of these. The simulation of the heat treatment complete with the resulting residual stresses and the finite element simulation of the stress state during the testing has been made available by Scania and my supervisor, respectively.

After the literary review of several fatigue criteria describing the multi-axial stress

state, the Findley method was chosen to evaluate the results with. Its free parameters were determined using existing experimental results from the literature.

Instead of calculating the traditional fatigue limit, which indicates either failure or

survival, the probability of failure was determined on each load level in each load case. This was done by using the so-called weakest link method. A code was written which computed the volume integrals in the specimen, by reading and then interpolating the FEM results and hardness profiles, calculating the failure probabilities, while optimizing the free model parameters based on the outcome of the experiments. Several similar models were fit to the test results, and the failure probabilities of a specimen with a different hardness profile were predicted with these models and then validated with additional fatigue tests.

Abstract [sv]

Brott på grund av en last upprepad i ett antal cykler, d.v.s. utmattning, och särskilt

ståls utmattning är ett problem som är viktigt i många ingenjörsområden med en hel del frågor kvar att besvara. En av de obesvarade frågorna är det probabilistiska beteendet hos utmattning av stål utsatt för sätthärdning, som därför har en gradient i materialegenskaper.

Målet med detta arbete var att formulera ett förhållande mellan hårdhet och

utmattningsegenskaper, som är mer exakt än de som är redan finns i litteraturen. Det här arbetet var en del av ett större projekt som är ett samarbete mellan Kungliga Tekniska Högskolan och lastbilstillverkaren Scania CV AB. Projektets slutliga mål var att utveckla metoder for virtuell dimensionering av kugghjul i Scanias lastbilar. En viktig del av detta var undersökningen av initieringen av sprickor som leder till utmattningsbrott, och att bestämma sannolikheten för utmattning hos materialet.

För att uppnå detta utfördes utmattningstester på provstavar tillverkade av samma

stål som kugghjulen. Provstavarna delades in i 5 st grupper med olika värmebehandling och därför olika ythårdheter. Lastfallen för provningen var antingen drag-tryck, vridning eller en kombination av dessa. Simuleringen av värmebehandlingarna med resulterande restspänningar och spänningstillsåndet under testningen har gjorts av personal på Scania respektive min handledare.

Efter en litteraturstudie över kriterier för fleraxlig utmattning valdes Findleys

effektivspänning valdes till att utvärdera resultaten. Dess materialparametrar bestämdes med experimentella resultat från litteraturen.

Istället för att beräkna den traditionella utmattningsgränsen som anger antingen brott

eller genomlöpare, beräknades sannolikheten för utmattning på varje lastfall. Detta gjordes med användning av s.k. weakest link modellen. En kod har skrivits som beräknade volymintegralerna i weakest-link modellen genom att läsa in och sedan interpolera resultaten från FEM-simuleringarna och hårdhetsprofilerna, därefter beräkna sannolikheten för brott och slutligen anpassa modellparametrarna. Flera liknande modeller anpassades till provresultaten och brottsannolikheterna för en provstav med en annan hårdhetsprofil predikterades med de modellerna och sedan verifierades mot ytterligare utmattningsprov.

Place, publisher, year, edition, pages
2016.
National Category
Applied Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-181047OAI: oai:DiVA.org:kth-181047DiVA: diva2:898107
Subject / course
Solid Mechanics
Examiners
Available from: 2016-03-31 Created: 2016-01-27 Last updated: 2016-03-31Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

By organisation
Solid Mechanics (Dept.)
Applied Mechanics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 2 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link