Numerical and Experimental Fretting Fatigue Testing Using a New Test Rig

Abstract

Fretting er begrepet som brukes til å beskrive tilstanden som oppstår når to overflater i kontakt med oscillerende bevegelser i forhold til hverandre opplever skader i overflaten. Når denne tilstanden holdes over tid, sammen med syklisk belastning, kan dette føre til fretting-utmatting.

Denne masteroppgaven inneholder et litteraturstudie som omhandler basiskunnskap innenfor utmatting og bruddmekanikk, samt et dypere studie om frettingutmatting. Studiet inneholder informasjon om mekanismene og prosessene i fretting, og presenterer hvordan testing kan gjennomføres, hva som er viktig når man benytter elementmetoden og enkelte numeriske modeller.

Informasjonen fra litteraturstudiet er brukt til å gjennomføre en studie med hjelp av elementmetoden på en dovetail geometri. Denne geometrien er hyppig brukt i turbinblader, hvor frettingutmatting er en utfordring. Målet med disse analysene er å analysere spenningene og “stick/slip”-oppførselen i kontaktområdet. Modellen viser en spenningskonsentrasjon ved enden av kontaktflaten, det er her en sprekk vil initiere. Resultatene fra skjærspenningene langs kontakten viser en stick-sone som samsvarer med teorien.

Fysiske tester på dovetail geometrien har blitt gjennomført på en ny test rigg bygd på NTNU. To ulike partier av Al6082 har blitt testet. Resultatene fra testene ser lovende ut, men noen forbedringer på testoppsettet er nødvendig. En del av prøvestykkene feilet som følge av utmatting i kjerven i stedet for fretting i kontaktområdet. Som følge av disse resultatene er det foreslått noen forbedringer.

Teorien om kritisk distanse (TCD) er benyttet sammen med Sines-kriteriet for å anta om prøvene ville ryke eller ikke. Resultatene fra antagelsene samsvarer godt med resultatene fra de fysiske testene.

Fretting is the term used to describe the condition when contacting surfaces subjected to oscillatory movements in relation to each other experience surface damage. When this condition is kept over time, with cyclic loading, it can lead to fretting fatigue.

This master thesis consists of a literature study that concerns basis knowledge regarding fatigue and fracture mechanics, as well as a more in-depth study on fretting fatigue. The study contains information on the mechanisms and processes of fretting and presents how testing can be performed, the important factors in finite element analyses and some numerical methods that can be used to predict fretting fatigue failure.

The information from the literature study is used to conduct a finite element analysis on a dovetail geometry. This geometry is frequently used in turbine blades, where fretting fatigue is a known challenge. These analyses aimed to investigate the stress distribution and stick/slip behaviour in the contact area. The analysis shows a stress concentration at the end of the contact area, which is where the crack is most likely to occur. The results regarding the frictional shear along the contact surface show a stick zone that corresponds to the theory.

Physical tests on a dovetail geometry have been carried out on a new test rig built at NTNU. Two different batches of Al6082 have been tested. The results are promising, but some improvements to the test rig are necessary. Some of the specimens failed due to plain fatigue instead of fretting. As a result of this testing, some improvements have been proposed.

The theory of critical distance (TCD) has been combined with Sines criterion as an attempt to predict fretting failure. The predictions correspond well with the results from the physical testing.