Experiments, modelling and analysis of fretting fatigue for inconel 718 and TI-6AL-4V under time-varying contact normal load at room and high temperature

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Almeida, Gabriel Magalhães Juvenal
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48610
Resumo: Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2022.
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spelling Experiments, modelling and analysis of fretting fatigue for inconel 718 and TI-6AL-4V under time-varying contact normal load at room and high temperatureFadiga (Mecânica)Carga de contato normal cíclicaTemperatura elevadaTese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2022.Este trabalho foi desenvolvido no âmbito de um acordo internacional de doutorado conjunto entre a Universidade de Paris−Saclay (UPS) e a Universidade de Brasília (UnB). O contexto científico da tese foi escolhido para tentar fornecer dados e soluções para problemas no setor aeronáutico, pois a Safran Aircraft Engines tem sido um importante parceiro industrial para esta e outras teses em ambas as universidades. Neste cenário, uma das motivações para estudar o efeito de uma carga de contato normal variável no problema de fadiga por fretting vem, não só devido ao fato de que existem poucos dados experimentais e análises cibfiáveis nestas condições, mas também que, em aplicações práticas, como a interface de contato entre a raiz das pás e o disco em uma turbina aeronáutica, essa carga de contato normal também é variável no tempo. Dentro deste contexto, para ser mais preciso, a presente tese tem três objetivos principais. A primeira é projetar e construir um novo aparato de fadiga por fretting capaz de realizar diferentes tipos de testes, onde as cargas e seus respectivos atuadores envolvidos nos experimentos possam ser controlados de forma independente. O equipamento de teste será projetado de forma que experimentos de fadiga por fretting também possam ser realizados em altas temperaturas. O segundo objetivo é avaliar o efeito da carga normal cíclica na resistência à fadiga por fretting da liga de titânio Ti-6Al-4V à temperatura ambiente e da liga de níquel Inconel 718 à temperatura ambiente e elevada. Esses materiais foram especialmente escolhidos devido ao grande interesse da indústria aeronáutica. O terceiro e último objetivo é avaliar a vida de fretting por meio de um modelo de elementos finitos que considera efeitos do desgaste e um parâmetro de fadiga multiaxial. Um novo aparato de fadiga por fretting com quatro atuadores hidráulicos foi inteiramente projetado para solucionar o desafio de como aplicar cargas normal de contato cíclicas. Tal carga agora é aplicada através de dois atuadores servo-hidráulicos MTS posicionados perpendicularmente ao corpo de prova. Além disso, as cargas tangenciais e de fadiga também são aplicadas por atuadores servo-hidráulicos independentes. Devido a essas atualizações, a nova bancada experimental de fadiga por fretting da Universidade de Brasília pode controlar de forma independente todas as cargas envolvidas nos testes de fretting (cargas de fadiga, normais e tangenciais). Todas as referidas cargas podem não apenas variar com o tempo em fase ou fora de fase, mas suas formas de onda também podem ser aplicadas de forma síncrona ou assíncrona. Além disso, dois ignitores cerâmicos foram colocados próximos às partes de contato para realizar testes em temperaturas elevadas. O sistema de aquecimento é capaz de atingir temperaturas de até 750◦C e mante-la estável dentro de uma faixa de erro de ±10◦C. A fim de avaliar a influência da carga normal cíclica na resistência à fadiga por fretting, foram realizados ensaios sob a condição de deslizamento parcial com carga normal constante e cíclica à temperatura ambiente para a liga Ti-6Al-4V e à temperatura ambiente e à 540◦C para a liga Inconel 718. Os resultados experimentais indicaram que a carga normal cíclica tem um efeito benéfico na vida de fretting (considerando as condições de teste aqui testadas). Este comportamento foi observado para as ligas Ti-6Al-4V e Inconel 718 em ambas as temperaturas testadas. Além disso, também foi realizada uma campanha experimental para avaliar a influência da carga normal variável no coeficiente de atrito. Com base nesta avaliação experimental, a presença de cargas normais cíclicas não parece influenciar o coeficiente de atrito em condições de deslizamento parcial. No entanto, comparando os resultados do coeficiente de atrito da liga Inconel 718 em temperatura ambiente e elevada, observou-se uma redução significativa para ambas as condições de carga normal de contato. Além disso, um modelo de elementos finitos (considerando e desprezando os efeitos de desgaste) foi usado em conjunto com o parâmetro de plano crítico de Smith-Watson-Topper e uma abordagem de tensão não-local para estimar a vida de fadiga por fretting. Em relação às abordagens de estimativa de vida consideradas neste estudo, para os casos de carga normal constante e cíclica, ambas as metodologias numéricas implementadas, seja ela incluindo ou desprezando o desgaste, forneceram resultados satisfatórios, sendo o que desconsidera o desgaste forneceu estimativas de vida mais precisas.This work has been developed within the scope of a joint PhD agreement between the University of Paris-Saclay (UPS) and the University of Brasilia (UnB). The scientific context of the thesis has been chosen to try to provide data and solutions for problems in the aeronautical sector, as Safran Aircraft Engines has been an important industrial partner for this and other thesis in both universities. In this setting, one of the motivations to study the effect of a variable contact normal loading in the fretting fatigue problem comes, not only from the fact that there are few reliable experimental data and analyses in these conditions, but also that, in practical applications, such as the one existing between the blade root and the disk interface of an aircraft turbine, such contact load is also time-varying. Within this context, to be more precise, the present thesis has three main goals. The first one is to design and construct a new fretting fatigue apparatus capable of performing different types of tests, where the loads and their respective actuators involved in the experiments can be independently controlled. The test rig will be designed so that fretting fatigue experiments can also be carried out at high temperatures. The second goal is to evaluate the effect of cyclic normal load in fretting fatigue strength for the titanium alloy Ti6Al-4V at room temperature and for the Inconel 718 alloy at room and elevated temperature. These materials were specially chosen due to the great interest of the aeronautical industry. The third and final aim is to assess fretting life by means of a finite element model which considers wear effects and a multiaxial fatigue parameter. A new four actuators fretting fatigue apparatus was entirely designed to tackle the problem of imposing cyclic contact normal load. The cyclic normal load is now applied by two MTS servo-hydraulic actuators, which were installed perpendicularly to the fretting specimen. Further, the tangential and fatigue loads are applied by independent servo-hydraulic actuators. Due to these upgrades, the new fretting fatigue rig of the University of Brasilia can independently control all the loads involved in the fretting tests (bulk, normal and tangential loads). All these loads can not only vary with time in-phase or out-of-phase, but their waveforms can also be applied synchronously or asynchronously. Moreover, two ceramic igniters were placed next to the contact parts to conduct tests at elevated temperatures. The heating system is capable to reaches to reach temperatures up to 750◦C and maintaining it stable within a range of ± 10◦C. In order to evaluate the influence of the cyclic normal load on the fretting fatigue strength, tests under the partial-slip condition with a constant and cyclic contact normal load were conducted at room temperature for the Ti-6Al-4V alloy and at room and 540◦C for the Inconel 718 alloy. The experimental results indicate that cyclic normal load has a beneficial effect on fretting life for the specific conditions of tests here conducted. This behaviour was observed for the Ti-6Al-4V and Inconel 718 alloys at both tested temperatures. Besides that, an experimental campaign to assess the influence of time-varying normal load on the friction coefficient was also carried out. Based on this experimental evaluation, the presence of cyclic normal loads does not seem to influence the coefficient of friction under partial slip conditions. However, comparing the friction coefficient results of the Inconel 718 alloy at room and elevated temperature, a significant reduction was observed for both contact normal loading situations with the increase of the temperature. In addition, a finite element model (considering and neglecting wear effects) was used in conjunction with the Smith-Watson-Topper critical plane parameter and a non-local stress averaging approach to estimate fretting life. Concerning the life estimate approaches considered in this study, for the constant and cyclic normal load cases, both implemented methodologies, whether accounting or neglecting wear, provided satisfactory results, with the one disregarding wear being slightly more accurate.Ce travail a été développé dans le cadre d’une convention de cotutelle entre l’Université ParisSaclay (UPS) et l’Université de Brasilia (UnB). Le contexte scientifique de la thèse a été choisi pour tenter de fournir des données et des solutions aux problèmes du secteur aéronautique, sachant que Safran Aircraft Engines a été un partenaire industriel important pour cette thèse et d’autres dans les deux universités. Dans ce cadre, l’une des motivations pour étudier l’effet d’un chargement normal de contact variable dans le problème de fretting fatigue devient important, non seulement du fait qu’il existe peu de données expérimentales et d’analyses fiables dans ces conditions, mais aussi que, dans les applications pratiques, comme celle existant entre le pied d’aube et l’interface disque d’une turbine d’aéronef, cette charge de contact est également variable dans le temps. Dans ce contexte, pour être plus précis, la présente thèse a trois objectifs principaux. Le premier consiste à concevoir et construire un nouvel appareil de fretting fatigue capable d’effectuer différents types d’essais, où les charges et leurs actionneurs respectifs impliqués dans les expériences peuvent être contrôlés indépendamment. Le banc d’essai sera conçu de manière à ce que les expériences de fretting fatigue puissent également être réalisées à des températures élevées. Le deuxième objectif est d’évaluer l’effet de la charge normale cyclique sur la résistance à la fatigue par frottement pour l’alliage de titane Ti6Al-4V à la température ambiante et pour l’alliage Inconel 718 à la température ambiante et à une temperature élevée. Ces matériaux ont été spécialement choisis en raison du grand intérêt qu’ils presentent dans l’industrie aéronautique. Le troisième et dernier objectif est d’évaluer la durée de vie due au fretting au moyen d’un modèle d’éléments finis prenant en compte les effets d’usure et un paramètre de fatigue multiaxiale. Le nouvel appareil de fatigue par frottement à quatre actionneurs a été entièrement conçu pour résoudre le problème de l’imposition d’une charge normale de contact cyclique. La charge normale cyclique est maintenant appliquée par deux actionneurs servohydrauliques MTS qui ont été installés perpendiculairement à l’éprouvette de fretting. De plus, les charges tangentielles et de fatigue sont appliquées par des actionneurs servo-hydrauliques indépendants. Grâce à ces mises à niveau, le nouveau banc de fatigue de fretting de l’Université de Brasilia peut contrôler indépendamment toutes les charges dans les tests de fretting (charges en vrac, normales et tangentielles). Toutes ces charges peuvent non seulement varier dans le temps en phase ou en déphasage, mais leurs formes d’onde peuvent également être appliquées de manière synchrone ou asynchrone. De plus, deux allumeurs en céramique ont été placés à côté des pièces de contact pour effectuer des tests à des températures élevées. Le système de chauffage est capable d’atteindre des températures allant jusqu’à 750◦ et de les maintenir dans une plage stable de ± 10◦ . Afin d’évaluer l’influence de la charge normale cyclique sur la résistance à la fatigue par fretting, des essais en condition de glissement partiel avec une charge normale de contact constante et cyclique ont été réalisés à la température ambiante pour l’alliage Ti-6Al-4V et à température ambiante et à 540 ◦C pour l’alliage Inconel 718. Les résultats expérimentaux indiquent que la charge normale cyclique a un effet bénéfique sur la durée de vie au frottement pour les conditions spécifiques des tests effectués dans ce travail. Ce comportement a été observé pour les alliages Ti-6Al-4V et Inconel 718 aux deux températures testées. Par ailleurs, une campagne expérimentale pour évaluer l’influence de la charge normale variant dans le temps sur le coefficient de frottement a également été menée. Sur la base de cette évaluation expérimentale, la présence de charges normales cycliques ne semble pas influencer le coefficient de frottement dans des conditions de glissement partiel. Cependant, en comparant les résultats du coefficient de frottement de l’alliage Inconel 718 à la température ambiante et élevée, une réduction significative a été observée pour les deux situations de chargement normal de contact avec l’augmentation de la température. De plus, un modèle d’éléments finis, tenant compte et négligeant les effets d’usure, a été utilisé en conjonction avec le paramètre du plan critique de Smith-Watson-Topper et une approche de moyenne des contraintes non locales pour estimer la durée de vie au frottement. Concernant les approches d’estimation de durée de vie considérées dans cette étude, pour les cas de charges normales constantes et cycliques, les deux méthodologies mises en œuvre, qu’elles tiennent compte ou négligent l’usure, ont fourni des résultats satisfaisants, toutefois celle qui ne tient pas compte de l’usure étant légèrement plus précise.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)Programa de Pós-Graduação em Ciências MecânicasAraújo, José AlexanderPommier, SylvieAlmeida, Gabriel Magalhães Juvenal2024-07-08T19:19:24Z2024-07-08T19:19:24Z2024-07-082022-09-16info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfALMEIDA, Gabriel Magalhães Juvenal. Experiments, modelling and analysis of fretting fatigue for inconel 718 and TI-6AL-4V under time-varying contact normal load at room and high temperature. 2022. 211 f., il. Tese (Doutorado em Ciências Mecânicas) — Universidade de Brasília, Brasília, 2022.http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48610engA concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2024-07-08T19:19:25Zoai:repositorio.unb.br:10482/48610Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2024-07-08T19:19:25Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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