Simulación numérica y validación experimental de fenómenos de desgaste y fatiga por fretting en aceros trefilados de reducido diámetro

Abstract

Many mechanical components such as, bearing housings, exible couplings and spines or steel wires are simultaneously subjected to fatigue and fretting damage. Fretting phenomenon arises when two bodies are in contact subjected to relative movement of small amplitude, producing damage to the contacting surfaces. Depending on the magnitude of the stresses two types of failure may occur: fretting wear and fretting fatigue. While the former is dominated mainly by wear mechanism, the second is dominated by crack nucleation and its subsequent growth. Both damage mechanisms can cause catastrophic failure of such mechanical devices. In this research work, scientific and technological knowledge on numerical simulation of coupled wear, crack nucleation and propagation due to fretting and fatigue phenomena has been developed. The main results of this scientific research are: Development of a 2D numerical model of coupled fretting wear and fatigue phenomena that combines wear, crack initiation and its subsequent propagation. This numerical model has enabled to increase knowledge on coupled fretting wear and fatigue phenomena and establish criteria for the development of a 3D model. Experimental analysis item of wear and fretting fatigue in small diameter wires that can feed and validate the 3D numerical model. Development of a 3D numerical model for life assessment on coupled fretting wear and fatigue phenomena in thin steel wires. The numerical model has been validated with experimental results obtained with the developed ad-hoc tribometer.

Componentes mecánicos, como soportes de rodamientos, acoplamientos exibles, estructuras articuladas o cables metálicos, se encuentran sometidos en uso a solicitaciones combinadas de fatiga y fretting. El fretting es un fenómeno que surge cuando dos cuerpos que se encuentran en contacto experimentan un movimiento relativo de pequeña amplitud. Dependiendo de la magnitud de las solicitaciones a los que estén sometidos los dos cuerpos en contacto, se producen dos tipos de daño: desgaste por fretting y fatiga por fretting. Mientras que el primero de ellos está dominado principalmente por el desgaste, el segundo está dominado por la iniciación y propagación de fisuras. Ambos mecanismos pueden causar la rotura catastrófica de dichos componentes mecánicos. En este trabajo de investigación se han desarrollado modelos numéricos para la simulación de mecanismos acoplados de desgaste junto a los de iniciación y propagación de grieta presentes en problemas que combinan tanto fenómenos de fretting como de fatiga. Como principales resultados de este trabajo se han alcanzado los siguientes objetivos: Desarrollo y validación de un modelo num erico de desgaste junto los de inicio y crecimiento de grieta en 2D para fen omenos de fatiga por fretting. Este modelo ha permitido aumentar el conocimiento y establecer criterios de cara al desarrollo optimizado de un modelo 3D. Desarrollo de un modelo 3D de desgaste y fatiga para la estimación de vida en fen omenos de desgaste y fatiga por fretting en hilos metálicos. Este modelo ha sido validado mediante la realización de ensayos experimentales en un tribómetro diseñado ad-hoc.

Osagai mekanikok degradazio fenomeno ezberdinak jasaten dituzte beraien erabilpenean, hauetako garrantzitsuenetariko batzuk nekea eta fretting-a direlarik. Degradazio fenomeno hauek jasaten dituzten osagai mekanikoen artean malgukien akoplamenduak, egituretako artikulazioak edo kable metalikoak aurki daitezke. Kable metalikoetako barneko hari kontaktuen artean sortzen den anplitude txikiko irristadura da fretting fenomenoaren adibide bat. Kontaktu hauen esfortzu magnitudeen arabera, bi degradazio mota ezberdindu daitezke: fretting bidezko higadura eta fretting bidezko nekea. Kable metalikoen kasuan bi fenomeno hauen arteko konbinaketa da garrantzitsua. Higadura honek, tensio kontzentradore bezala jokatu dezake kableek duten neke ahalmena murriztuaz. Ikerketa lan honetan, fretting eta neke fenomeno konbinaketan gertatzen diren higadura, pitzadura hastapen eta bere hedapenaren zenbakizko simulazio ezagutza zientifiko-teknologikoa garatu da. Ikerketa honen ondorioz, ondorengo helburu hauek nabarmendu daitezke: Higadura, pitzadura hastapena eta bere hedapena batera aztertu ditzakeen 2D zenbakizko metodologiaren garapena eta balioztapena. Zenbakizko eredu honen bitartez, 3D-ko garapenerako irizpideak ezartzea lortu da. Hari metalikoetan fretting bidezko higadura eta nekea batera aztertu ditzakeen 3D zebankizko metodologiaren garapena. Zenbakizko eredu hau balioztatzeko tribometro ad-hoc bat diseinatu eta fabrikatu da.