Fatigue experimental characterization of a carburized steel for high pressure application (ITALIAN version)
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Thesis during a period of internship in Bosch - CVIT (Vehicle component center). It deals with the fatigue characterization of an anisotropic materials like a carburized steel. Acetilene vacuum carburizing of a quenched-tempered steel allows to improve mechanical behavior under pulsed operations for common rail pumps. The experimental data are input parameters for software-based simulation of the CAD model of the mechanical component.
![Trattamento termico
Ciclo completo
T
~970 C
~870 C
~650 C
Decomposizione dellacetilene
C2H2 2 [C] + H2
~180 C
Tamb
Piroscissione e
diffusione
(cementazione)
Riscaldo
Perlitizzazione
t
T di
austenitizzazione
Rinvenimento
Tempra
sotto-zero,
N2
100 min
A. Manicone
Raffredd.
a Tamb](https://image.slidesharecdn.com/seduta20-131127030356-phpapp01/85/Fatigue-experimental-characterization-of-a-carburized-steel-for-high-pressure-application-ITALIAN-version-4-320.jpg)
![Trattamento termico
Tempra e tempra sotto-zero
T di austenitizzazione, 850 属C
T
Ac3 (0,4属C/min)
~970 C
Ac1 (0,4属C/min)
~870 C
Perlite
Decomposizione dellacetilene
C2H2 2 [C] + H2
Temperatura
Ferrite
Austenite
+carburi
~650 C
Bainite
~180 C
Martensite
Tamb
Piroscissione e
diffusione
(cementazione)
Riscaldo
Perlitizzazione
T di
austenitizzazione
Tempra e
tempra sottozero, N2
100 min
A. Manicone
Giorni
Minuti
Tempo
Velocit medie di
raffredd. tra 800
500 属C
Ore
Rinvenimento
t
Raffredd.
a Tamb
Anisotropia
strutturale
indotta](https://image.slidesharecdn.com/seduta20-131127030356-phpapp01/85/Fatigue-experimental-characterization-of-a-carburized-steel-for-high-pressure-application-ITALIAN-version-13-320.jpg)
![Comportamento a fatica
Principi (macro)
a
W旦hler [1860]
Ampiezza
tensione
applicata
Vita finita
*
Tipici
Curva tipica
acciai
per acciai
L
Leghe di
alluminio
104
105
* Legge di Basquin:
a = f (2Nf)b
106
Vita infinita
107
Cicli alla rottura, Nf
Dipende da:
Tipo di materiale
Concentrazione di
tensioni
Trattamento termico
superficiale
A. Manicone
Contenuto di inclusioni e
impurezze
Tensione media e
tipo di sollecitazione](https://image.slidesharecdn.com/seduta20-131127030356-phpapp01/85/Fatigue-experimental-characterization-of-a-carburized-steel-for-high-pressure-application-ITALIAN-version-16-320.jpg)
![Verifica a fatica: FEMFAT 速 (FEM+FATigue)
Coefficiente di sicurezza JS
Individuazione dei punti critici a fatica
4
3,5
3
2,5
2
1,5
JS= SO/LO > 1
1
F01M100165_sub1
0,5
(zona in sicurezza a fatica)
C445012038_sub2
0
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Pressione [bar]
1600
1800
FEMFAT
A. Manicone
Vita a fatica,
coeff. di
sicurezza
Visualizzazione
FEMFAT](https://image.slidesharecdn.com/seduta20-131127030356-phpapp01/85/Fatigue-experimental-characterization-of-a-carburized-steel-for-high-pressure-application-ITALIAN-version-24-320.jpg)
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- 2. CP1H (Compact Pump) Circuito di alta pressione e teste 20MnCrS HH cementato Sensore di pressione rail Valvola limitatrice di portata Valvola limitatrice di pressione Rail Andamento tipico pressioni teste CP1H Serbatoio carburante 2000,00 P (bar) 1500,00 Pompa di prealimento 1000,00 iniettori Filtro 500,00 Portata aria sensori 0,00 Pompa iniezione ad0alta pressione regolabile 45 90 135 180 225 270 315 360 Angolo di rotazione (anello poligonale) Nr. giri motore Centralina elettronica Miglioramento Fase 800 Pressione Posizione acceleratore sovralimentazione 1600 dellatomizzazione e quindi della combustione Temp. aria Temp. liquido raffreddamento 2000 (bar) Tecnologia di trattamento superficiale: AvaC (Acetylene Vacuum Carburizing) A. Manicone Anisotropia strutturale indotta nel materiale
- 3. OVERVIEW Processo di trattamento termochimico di cementazione per lacciaio 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 miglioramento Imagine A. Manicone Observe Think
- 4. Trattamento termico Ciclo completo T ~970 C ~870 C ~650 C Decomposizione dellacetilene C2H2 2 [C] + H2 ~180 C Tamb Piroscissione e diffusione (cementazione) Riscaldo Perlitizzazione t T di austenitizzazione Rinvenimento Tempra sotto-zero, N2 100 min A. Manicone Raffredd. a Tamb
- 5. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC Trasporto e pirolisi (T970 C, p10 mbar) DIN 20MnCrS5 + HH Fe Acetilene Cr Mn A. Manicone C Siti di adsorbimento H2
- 6. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC Adsorbimento (T>Taustenitizzazione) DIN 20MnCrS5 + HH Fe Acetilene Cr Mn A. Manicone C Siti di adsorbimento H2
- 7. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC Decomposizione in radicali DIN 20MnCrS5 + HH Fe Acetilene Cr Mn A. Manicone C Siti di adsorbimento H2
- 8. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC Inizio cementazione (T>Taustenitizzazione) DIN 20MnCrS5 + HH Fe Acetilene Cr Mn A. Manicone C Siti di adsorbimento H2
- 9. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC Inizio cementazione (T>Taustenitizzazione) DIN 20MnCrS5 + HH Fe Acetilene Cr Mn A. Manicone C Siti di adsorbimento H2
- 10. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC Inizio cementazione (T>Taustenitizzazione) DIN 20MnCrS5 + HH Fe Acetilene Cr Mn A. Manicone C Siti di adsorbimento H2
- 11. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC Diffusione nellacciaio (T>Taustenitizzazione) DIN 20MnCrS5 + HH Fe Acetilene Cr Mn A. Manicone C Siti di adsorbimento H2
- 12. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC Saturazione DIN 20MnCrS5 + HH Fe Acetilene Cr Mn A. Manicone C Siti di adsorbimento H2
- 13. Trattamento termico Tempra e tempra sotto-zero T di austenitizzazione, 850 属C T Ac3 (0,4属C/min) ~970 C Ac1 (0,4属C/min) ~870 C Perlite Decomposizione dellacetilene C2H2 2 [C] + H2 Temperatura Ferrite Austenite +carburi ~650 C Bainite ~180 C Martensite Tamb Piroscissione e diffusione (cementazione) Riscaldo Perlitizzazione T di austenitizzazione Tempra e tempra sottozero, N2 100 min A. Manicone Giorni Minuti Tempo Velocit medie di raffredd. tra 800 500 属C Ore Rinvenimento t Raffredd. a Tamb Anisotropia strutturale indotta
- 14. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC Vantaggi del processo Riproducibilit Sezione testa CP1H: processo di diffusione Uniformit Inibizione formazione ossidi Pulizia, sicurezza CR/APT2-Waldenmaier | 07.09.2005 | 息 Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch f端r den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verf端gungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns. Costi impianto Costi C2H2
- 15. Comportamento a fatica Principi (micro) Altro Intrusione Estrusione 10% Superficie metallo 90 % Rotture a fatica American Society for Metals Grani con differente orientazione cristallografica Zona plastica I Innesco Propagaz. stabile Rottura finale II Direzione di carico A. Manicone
- 16. Comportamento a fatica Principi (macro) a W旦hler [1860] Ampiezza tensione applicata Vita finita * Tipici Curva tipica acciai per acciai L Leghe di alluminio 104 105 * Legge di Basquin: a = f (2Nf)b 106 Vita infinita 107 Cicli alla rottura, Nf Dipende da: Tipo di materiale Concentrazione di tensioni Trattamento termico superficiale A. Manicone Contenuto di inclusioni e impurezze Tensione media e tipo di sollecitazione
- 17. Comportamento a fatica Valutazione multilaterale Resistenza a fatica a Materiale e tecnologie L Nf Design e sollecitazione An a e totip p s io i te teC 1 d mn ico re s n s P H 2000,00 P ( bar ) 1500,00 Anisotropia indotta dal trattamento termochimico 1000,00 500,00 0,00 0 45 90 135 180 225 270 Angolo di r otazione ( anello poligonale) A. Manicone 315 360
- 18. Determinazione sperimentale della resistenza a fatica di acciai cementati (con tecnologia AvaC) Provini 20MnCrS5 HH AvaC (+ rettifiche finali) Provino EST 2 EST 3 EST 2 EST 1 Elaborat di segnale EST 3 EST 1 EST 1 EST 2 EST 3 EST 1 EST 3 EST 2 A: Kt = 1.3 B: Kt = 2.0 Kt, Fattore geometrico teorico di intaglio (per le zone intagliate, fattore moltiplicativo della tensione agente sulla sezione) A. Manicone Acquisiz. dati m ax nom
- 19. Determinazione sperimentale della resistenza a fatica di acciai cementati (tecnologia AvaC) Processo Realizzazione delle prove in modalit uniassiale in condizioni di controllo di sforzo: curve -N u 竜 Maximum likelihood method (Haibach, Spindel, ASTM 744) Supervisore (esterno) Sistema di controllo a Carichi/forza Interfaccia Pc-sist. di controllo Elab. digitale D/A Provini rotti Segnali di feedback Provini sopravvissuti Deformazione Spostamento A/D A/D L Segnale sollecitazione A. Manicone Segnale errore Nf
- 20. 1) Valutazione delleffetto intaglio Elaborazione curve -N: effetto supporto allintaglio n Kt(A)=1.3 max Medesime caratteristiche di sollecitazione m >0 Differenti geometrie (Kt) Kt(B)=2.0 min t Kt/Kf Dal rapporto Kt/Kf : effetto supporto allintaglio da parte del materiale n律 (descrive le propriet intrinseche antifatica del materiale) Utilit nel modello FEM B 1,2 (dati di base per componente) A 1 0.5 A. Manicone 2.0 律* (mm-1) Gradiente relativo della tensione
- 21. 2) Valutazione delleffetto della tensione media Elaborazione curve -N: Stima della sensibilit alla tensione media Kt=2.0 Medesime geometrie Differenti condizioni di sollecitazione m>0 B B* m=0 t R=-1 a t B* a,B* 1 M a,B M sensibilit alla tensione media B Diagramma di Haigh 20MnCrS5 HH con Kt=2 Utilit nel modello FEM (dati di base per componente) Vita m,B A. Manicone y m
- 22. Finite Element Method (FEM) per la verifica a fatica a B* a,B* R=-1 Modellazione e implementazione dei risultati sperimentali 1 M a,B B Vita m,B y R=0.1 A. Manicone m
- 23. FEM (Abaqus 速): discretizzazione, risoluzione e risultati Individuazione dei punti critici statici 1 1 Dati in input Compon. media 2 Carico totale pulsante dovuto alle pressioni Carico serraggio 2 A. Manicone N
- 24. Verifica a fatica: FEMFAT 速 (FEM+FATigue) Coefficiente di sicurezza JS Individuazione dei punti critici a fatica 4 3,5 3 2,5 2 1,5 JS= SO/LO > 1 1 F01M100165_sub1 0,5 (zona in sicurezza a fatica) C445012038_sub2 0 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Pressione [bar] 1600 1800 FEMFAT A. Manicone Vita a fatica, coeff. di sicurezza Visualizzazione FEMFAT
- 25. Failure analysis- Riscontri sul campo Teste CP1H sottoposte a test di sovraccarico controllo di processo Test accelerati (p4000 bar) revisione tecnologia e standard acciaio revisione design EVO ZEISS MA 25 IG SE TG BSE A. Manicone
- 26. Conclusioni Prove sperimentali 20MnCrS5+ HH cementato R竪gime di funzionamento componente (fluttuazioni di P) Simulazione FEM (stato tensionale del componente) Verifica a fatica su base sperimentale Tecnologia del materiale, geometria Anisotropia indotta dal trattamento termochimico A. Manicone Analisi di rottura a fatica
- 27. prospettive MATERIALE 20MnCrS5+ HH cementato Norme composizionali ancor pi湛 severe (riduzione dispersione dei risultati sperimentali e/o FEM) Riduzione tenore di zolfo (<0.008-0.015 %): inclusioni MnS Costi CARATTERIZZAZIONE: Approfondimento del ruolo del fosforo (IG) mediante tecniche analitiche pi湛 sensibili (es. AES, XPS) Modellazione del materiale del componente Riduzione tenore di fosforo (< 0.020 %) Implementazione effetto inclusione: scala micrometrica Es. XFEM (eXtended Finite Element Method) - Pais, 2010 A. Manicone