Antonio Manicone (matr. 556036)

Caratterizzazione sperimentale

del comportamento a fatica di un acciaio cementato

Bari, 20 dicembre 2010

A.A. 2009/2010

Corso di laurea specialistica in

Scienze e tecnologie dei materiali

RelatoriProf.ssa Ida M. CatalanoDott. Ing. Antonio GrimaldiDott. Ing. Giovanni Rizzo

CVITCENTRO STUDI COMPONENTI PER VEICOLI

Circuito di alta pressione e teste

CP1H (Compact Pump)

A. Manicone

Tecnologia di trattamento

superficiale: AvaC

(Acetylene Vacuum Carburizing)

Anisotropia strutturale indotta nel materiale

800 1600

2000 (bar)

Andamento tipico pressioni teste CP1H

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

0 45 90 135 180 225 270 315 360

Angolo di rotazione (anello poligonale)

P (

bar)

Miglioramento dell’atomizzazione

e quindi della combustione

20MnCrS HH cementato

Sensore di pressione railRail

Valvola limitatrice di pressione

iniettori

sensori

Nr. girimotore

Fase Posizioneacceleratore

Pressionesovralimentazione

Temp. liquidoraffreddamento

Temp. aria

Portata aria

Valvola limitatricedi portata

Serbatoio carburante

Filtro

Centralina elettronica

Pompa iniezione ad altapressione regolabile

Pompa di prealimento

Sensore di pressione railRail

Valvola limitatrice di pressione

iniettori

sensori

Nr. girimotore

Fase Posizioneacceleratore

Pressionesovralimentazione

Temp. liquidoraffreddamento

Temp. aria

Portata aria

Valvola limitatricedi portata

Serbatoio carburante

Filtro

Centralina elettronica

Pompa iniezione ad altapressione regolabile

Pompa di prealimento

Sensore di pressione railRail

Valvola limitatrice di pressione

iniettori

sensori

Nr. girimotore

Fase Posizioneacceleratore

Pressionesovralimentazione

Temp. liquidoraffreddamento

Temp. aria

Portata aria

Valvola limitatricedi portata

Serbatoio carburante

Filtro

Centralina elettronica

Pompa iniezione ad altapressione regolabile

Pompa di prealimento

OVERVIEW

• Processo di trattamento termochimico di cementazione per l’acciaio del componente testa CP1H 20MnCrS HH (stabilimento Bosch-Bari)

• Cenni al problema fatica

• Determinazione della resistenza a fatica 20MnCrS5 HH cementato– Prove sperimentali– Modellazione e implementazione agli elementi finiti

• Riscontri (analisi SEM)

• Conclusioni e prospettive di miglioramentoImagine ThinkObserve

A. Manicone

Tempra sotto-

zero, N2

Riscaldo Raffredd. a Tamb

Piroscissione e diffusione

(cementazione)

Perlitizzazione

T di austenitizzazion

e

Rinvenimento

Ciclo completoTrattamento termico

t

~970°C

~650°C

~870°C

Decomposizione dell‘acetileneC2H2 2 [C] + H2 ~180°C

100 min

T

Tamb

A. Manicone

Trasporto e pirolisi (T≈970°C, p≈10 mbar)

Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC

Fe

C

Cr

Mn

Siti di adsorbimento

Acetilene

H2

DIN

20MnCrS5+ HH

A. Manicone

Adsorbimento (T>Taustenitizzazione)

Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC

Fe

C

Cr

Mn

Siti di adsorbimento

Acetilene

H2

DIN

20MnCrS5+ HH

A. Manicone

Decomposizione in radicali

Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC

Fe

C

Cr

Mn

Siti di adsorbimento

Acetilene

H2

DIN

20MnCrS5+ HH

A. Manicone

Fe

C

Cr

Mn

Siti di adsorbimento

Acetilene

H2

Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC

DIN

20MnCrS5+ HH

A. Manicone

Inizio cementazione (T>Taustenitizzazione)

Inizio cementazione (T>Taustenitizzazione)

Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC

Fe

C

Cr

Mn

Siti di adsorbimento

Acetilene

H2

DIN

20MnCrS5+ HH

A. Manicone

Inizio cementazione (T>Taustenitizzazione)

Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC

Fe

C

Cr

Mn

Siti di adsorbimento

Acetilene

H2

DIN

20MnCrS5+ HH

A. Manicone

Fe

C

Cr

Mn

Siti di adsorbimento

Acetilene

H2

Diffusione nell‘acciaio (T>Taustenitizzazione)

Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC

DIN

20MnCrS5+ HH

A. Manicone

Saturazione

Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC

Fe

C

Cr

Mn

Siti di adsorbimento

Acetilene

H2

DIN

20MnCrS5+ HH

A. Manicone

Tempra e tempra

sotto-zero, N2

Riscaldo Raffredd. a Tamb

Piroscissione e diffusione

(cementazione)

Perlitizzazione

T di austenitizzazion

e

Rinvenimento

Tempra e tempra sotto-zero

Trattamento termico

t

~970°C

~650°C

~870°C

Decomposizione dell‘acetileneC2H2 2 [C] + H2 ~180°C

100 min

T

Tempo

T di austenitizzazione, 850 °C

Austenite+carburi

Martensite

Ferrite Perlite

Bainite

Temperatura

MinutiOre

Giorni

Velocitàmedie di raffredd. tra 800

500 °C

Ac3 (0,4°C/min)

Ac1 (0,4°C/min)

Tempo

T di austenitizzazione, 850 °C

Austenite+carburi

Martensite

Ferrite Perlite

Bainite

Temperatura

MinutiOre

Giorni

Velocitàmedie di raffredd. tra 800

500 °C

Ac3 (0,4°C/min)

Ac1 (0,4°C/min)

Tamb

A. Manicone

Anisotropia strutturale

indotta

CR/APT2-Waldenmaier | 07.09.2005 | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Vantaggi del processo Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC

Uniformità

Riproducibilità

Inibizione formazione ossidi

Pulizia, sicurezza

Sezione testa CP1H: processo di diffusione

Costi impiantoCosti C2H2

Grani con differente orientazione cristallografica

Zona plastica

Direzione di carico

I

II

Principi (micro)Comportamento a fatica

10%

90 %

Rotture a fatica

Altro

American Society for Metals

InnescoPropagaz.

stabile Rottura finale

Intrusione Estrusione

Superficie metallo

A. Manicone

Cicli alla rottura, Nf

105104 106 107

σa

σL

Tipici acciai

Leghe di alluminio

Principi (macro)Comportamento a fatica

Wöhler [1860]

* Legge di Basquin: σa = σf’ (2Nf)b

Ampiezza tensione applicata

*

Dipende da:• Tipo di materiale • Concentrazione di

tensioni• Contenuto di inclusioni e

impurezze

• Trattamento termico superficiale

• Tensione media e tipo di sollecitazione

Curva tipica per acciai

A. Manicone

Vita infinita

Vita finita

Resistenza a fatica

Materiale e tecnologie

Design e sollecitazione

Valutazione multilaterale

Comportamento a fatica

Andamento tipico pressioni teste CP1H

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

0 45 90 135 180 225 270 315 360

Angolo di rotazione (anello poligonale)

P (

bar)

σa

Nf

σL

A. Manicone

Anisotropia indotta dal trattamento

termochimico

20MnCrS5 HH

Determinazione sperimentale della resistenza a fatica di acciai cementati (con

tecnologia AvaC)

AvaC (+ rettifiche finali)

A: Kt = 1.3

B: Kt = 2.0

EST 3EST 2

EST 1

EST 1EST 2

EST 3

EST 1EST 2

EST 3

EST 1EST 2

EST 3

Provino

Elaborat di

segnale

Acquisiz. dati

Kt, Fattore geometrico “teorico” di intaglio

(per le zone intagliate, fattore moltiplicativo della tensione agente sulla sezione) nom

max

σ

σ

Provini

A. Manicone

Processo

Determinazione sperimentale della resistenza a fatica di acciai cementati

(tecnologia AvaC)Realizzazione delle prove in modalità uniassiale in condizioni di controllo di

sforzo: curve σ-N

Segnale errore

Segnali di feedback

Sistema di controllo

Supervisore (esterno)

A/DD/A A/D

Interfaccia Pc-sist. di controllo

Elab. digitale

Segnale sollecitazione

Carichi/forza

Deformazione

Spostamento

u ε σ

A. Manicone

σa

Nf

Provini rotti

Provini “sopravvissuti”

σL

Maximum likelihood method (Haibach, Spindel, ASTM 744)

Elaborazione curve σ-N: effetto supporto all‘intaglio nχ

1) Valutazione dell‘effetto intaglio

Medesime caratteristiche di sollecitazione

t

σ Kt(A)=1.3

Kt(B)=2.0

A. Manicone

σmax

σmin

Differenti geometrie (Kt)σm >0

1

1,2

Χ* (mm-1)0.5 2.0

A

B

Kt/Kf

Gradiente relativo della tensione

Utilità nel modello FEM

(dati di base per

componente)

Dal rapporto Kt/Kf : effetto “supporto” all’intaglio da parte del materiale nΧ (descrive le proprietà intrinseche “antifatica” del

materiale)

2) Valutazione dell‘effetto della tensione media

Medesime geometrie Kt=2.0

A. Manicone

Differenti condizioni

di sollecitazione

σm>0

σm=0

t

σ

t

σ

B*

B

Elaborazione curve σ-N: Stima della sensibilità alla tensione mediaR

=-

1

σa,B

M

R=0.1

σa

1

σyσm,B

σa,B*

R=0

M sensibilità alla tensione media

Vita ∞

Diagramma di Haigh

20MnCrS5 HH con Kt=2

B

σm

B*

Utilità nel modello FEM

(dati di base per componente)

Finite Element Method (FEM) per la verifica a faticaModellazione e implementazione dei risultati sperimentali

R=0.1

A. Manicone

R=

-1

σa,B

M

R=0.1

σa

1

σyσm,B

σa,B*

R=0

Vita ∞B

σm

B*

21

FEM (Abaqus ®): discretizzazione, risoluzione e risultatiIndividuazione dei punti critici „statici“

2

1 Dati in input

Carico serraggio

Carico totale pulsante dovuto alle pressioni

Δσ

Compon. media

N

A. Manicone

Verifica a fatica: FEMFAT ® (FEM+FATigue)Individuazione dei punti critici „a fatica“

FEMFATVita a fatica,

coeff. di sicurezza

Visualizzazione FEMFAT

A. Manicone

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Pressione [bar]

F01M100165_sub1

C445012038_sub2

1600

1800

JS= SO/LO > 1 (zona “in sicurezza a fatica”)

Coeffi

ciente

di si

cure

zza J

S

EVO ZEISS MA 25

Failure analysis- Riscontri „sul campo“Teste CP1H sottoposte a test di sovraccarico

Test accelerati (p≈4000

bar)

Test accelerati (p≈4000

bar)

• controllo di processo• revisione tecnologia e standard acciaio • revisione design

SE

BSE

IG

TG

A. Manicone

Conclusioni ……

Prove sperimentali20MnCrS5+ HH cementato

Verifica a fatica su base sperimentale

A. Manicone

Simulazione FEM(stato tensionale del

componente)

Règime di funzionamento componente (fluttuazioni di

P)

Tecnologia del materiale,geometria

Analisi di rottura a fatica

Anisotropia indotta dal trattamento

termochimico

…… prospettive

MATERIALE20MnCrS5+ HH

cementato

Norme composizionali ancor più severe (riduzione dispersione dei risultati

sperimentali e/o FEM)

Riduzione tenore di zolfo (<0.008-0.015 %): ↓ inclusioni MnS

CARATTERIZZAZIONE:Approfondimento del ruolo del fosforo (IG) mediante tecniche

analitiche più sensibili (es. AES, XPS)

Riduzione tenore di fosforo (< 0.020 %)

Costi

Modellazionedel materiale del

componente

Implementazione effetto inclusione: scala micrometrica

Es. XFEM (eXtended Finite Element Method)

- Pais, 2010

A. Manicone

Grazie per l’attenzione