Fatigue assessment of Hadfield steel for machinery components
Kauhala, Teemu (2025)
Diplomityö
2025
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251106105757
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251106105757
Tiivistelmä
The aim of this thesis was to evaluate the fatigue performance of Hadfield steels with differing stress amplitudes, and to examine the influence of microstructure on fatigue strength. An MTS servohydraulic testing machine was used to test two variants, one with a higher carbon (C) content and the other with a lower one under cyclic loading. Furthermore, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and hardness tests were employed as supporting materials for microstructural analysis.
The high-carbon (HC) specimen exhibited higher fatigue strength in both low and high-cycle regimes. In the low-cycle regime, the fatigue strength was found to be approximately 680-690 MPa, in comparison to 570-590 MPa for the low-carbon (LC) specimen. At high-cycle regime, the difference narrowed to approximately 25 MPa. The microstructural investigations confirmed that a combination of improved tensile properties in the HC specimen is the likely reason. Moreover, SEM and EDS analyses revealed the presence of segregated carbon along the grain boundaries of the HC specimen, the amount was not sufficient to reduce the fatigue performance below that of the LC specimen.
The results demonstrate that C plays a critical role in the fatigue performance of Hadfield steel. In the case of machinery components that are subject to higher stresses, higher amount of C is beneficial. In the high-cycle regime, a component with a lower quantity of C may perform better. Tässä opinnäytetyössä tarkasteltiin kahden eri Hadfield-teräksen väsymislujuutta eri jännitysamplitudeilla, ja arvioitiin väsymislujuuden riippuvuutta materiaalin mikrorakenteeseen. Näytekappaleista toisella oli korkeampi ja toisella matalampi hiilipitoisuus (C). MTS servohydraulista testilaitetta käytettiin väsytyskokeissa, ja mikrorakenteen analysointi toteutettiin kovuusmittauksilla sekä käyttämällä optista mikroskooppia, pyyhkäisyelektronimikroskooppia (SEM), ja energiadispersiivistä röntgenspektroskooppia (EDS).
Tulosten perusteella korkeahiilisen (HC) näytteen väsymislujuus oli suurempi matalilla-, ja korkeilla syklimäärillä. Matalilla syklimäärillä väsymislujuudeksi todettiin noin 680–690 MPa, vastaavasti matalahiilisen (LC) näytteen väsymislujuus oli noin 570–590 MPa. Suurilla syklimäärillä näytteiden välinen ero väsymislujuudessa kaventui noin 25 MPa:iin. Mikrorakenteen analysointi vahvisti, että HC näytteen korkeampi lujuus on todennäköisin syy. SEM- ja EDS-analyysit osoittivat hiilen segregaatiota raerajoilla, mutta hiilen määrä raerajoilla ei riittänyt heikentämään sen väsymiskestävyyttä LC näytteen tasolle.
Tulokset osoittivat, että C:llä on tärkeä rooli Hadfield-teräksen väsymiskestävyydessä. Koneenosissa, joihin vaikuttaa suuremmat jännitykset, hyötyvät suuremmasta C-pitoisuudesta. Korkeasyklisessä kuormituksessa puolestaan pienempi C-pitoisuus toimii todennäköisesti paremmin.
The high-carbon (HC) specimen exhibited higher fatigue strength in both low and high-cycle regimes. In the low-cycle regime, the fatigue strength was found to be approximately 680-690 MPa, in comparison to 570-590 MPa for the low-carbon (LC) specimen. At high-cycle regime, the difference narrowed to approximately 25 MPa. The microstructural investigations confirmed that a combination of improved tensile properties in the HC specimen is the likely reason. Moreover, SEM and EDS analyses revealed the presence of segregated carbon along the grain boundaries of the HC specimen, the amount was not sufficient to reduce the fatigue performance below that of the LC specimen.
The results demonstrate that C plays a critical role in the fatigue performance of Hadfield steel. In the case of machinery components that are subject to higher stresses, higher amount of C is beneficial. In the high-cycle regime, a component with a lower quantity of C may perform better.
Tulosten perusteella korkeahiilisen (HC) näytteen väsymislujuus oli suurempi matalilla-, ja korkeilla syklimäärillä. Matalilla syklimäärillä väsymislujuudeksi todettiin noin 680–690 MPa, vastaavasti matalahiilisen (LC) näytteen väsymislujuus oli noin 570–590 MPa. Suurilla syklimäärillä näytteiden välinen ero väsymislujuudessa kaventui noin 25 MPa:iin. Mikrorakenteen analysointi vahvisti, että HC näytteen korkeampi lujuus on todennäköisin syy. SEM- ja EDS-analyysit osoittivat hiilen segregaatiota raerajoilla, mutta hiilen määrä raerajoilla ei riittänyt heikentämään sen väsymiskestävyyttä LC näytteen tasolle.
Tulokset osoittivat, että C:llä on tärkeä rooli Hadfield-teräksen väsymiskestävyydessä. Koneenosissa, joihin vaikuttaa suuremmat jännitykset, hyötyvät suuremmasta C-pitoisuudesta. Korkeasyklisessä kuormituksessa puolestaan pienempi C-pitoisuus toimii todennäköisesti paremmin.