Analisi sperimentale e numerica della propagazione di cricche da fretting in assili ferroviari

The primary aim of this thesis is to discuss the study of the fretting-fatigue propagation properties in EA4T steel, commonly used in the production of high strength axles. This kind of damage, typical of wheel-axle assemblies, occurs under the contact area because of several factors depending on the geometry of the components and the loading conditions. The study considered both the nucleation phase controlled by mode II and the propagation phase in an opening mode. The first phase has been analyzed using both a multiaxial fatigue criterion and an approach based on fracture mechanics. The second one has been studied through the exegution of experimental testes on full-scale specimens. To support the research activities, several numerical analysis of wheel-axle assemblies have been carried out, in order to characterize the stress state and the sliding condition in the contact zone, which control the nucleation and propagation stages in fretting wear process. The crack-tip stress intensity factor (SIF) is calculated for various crack lengths and various crack orientation angles using the submodeling tecnique. The results, processed through the modified Dang Van criterion, have been used to predict certain characteristics of the phenomenon such as the critical position for crack nucelation and the growth directions. According to these results, the sperimental activities were designed. A first multiaxial fatigue tests campaign has been conducted on houglass specimens with the aim of reproducing the stress field acting on the real axle at the tip of shallow micronotches. The crack growth rate during mode II propagation and a threshold value has been calculated. Secondly a tests campaign has been conducted on fullscale specimens in order to analyze the propagation under mode I and to define a non-propagating defect depth. A third solution has been considered, consisting in 1:3 scale tests in order to reduce costs and timing. However a feasibility study showed an inadequacy of the results of this method: for this reason this approach has been discarded.

Obiettivo del presente lavoro di tesi è lo studio della resistenza a fretting-fatica in un acciaio EA4T, utilizzato nel settore ferroviario per la realizzazione di assili ad elevata resistenza. Questo meccanismo di danneggiamento, tipico degli organi calettati, si manifesta sulla portata dell’assile con meccaniche che possono differire in funzione della geometria degli stessi e delle sollecitazioni a cui sono soggetti in esercizio. Lo studio è stato condotto considerando la fase di nucleazione e propagazione iniziale dominata dal modo II e la successiva fase di propagazione in modo I. Durante la prima fase sono stati utilizzati sia un criterio di fatica multiassiale che un approccio basato sulla meccanica della frattura. Per studiare la nucleazione, infatti, è stata condotta una campagna di prove sperimentali su provini a clessidra intagliati sui quali è stato riportato lo stato di sforzo agente sotto caletto sull’assile full-scale. Al fine di determinare i parametri di carico delle prove sono state effettuate delle analisi FEM del collegamento ruota–assile: utilizzando la tecnica di sottomodellazione è stato ricavato l’andamento degli “Stress Intensity Factors” all’apice di cricche di differente profondità e inclinazione. I risultati così ottenuti sono stati utilizzati per stimare una dimensione di difetto critico non propagante successivamente confrontata con il criterio previsionale di Dang Van. Nella seconda fase sono state inizialmente considerate delle prove in scala 1:3 nell’ottica di una riduzione di tempi e costi. Un attento studio di fattibilità ha tuttavia decretato l’inadeguatezza rispetto agli standard richiesti. Di conseguenza si è deciso di proseguire la sperimentazione effettuando delle prove full-scale con l’obiettivo di calcolare la velocità di propagazione in modo I e la profondità limite del difetto non propagante. Tali prove hanno permesso la taratura della strumentazione per controlli UT e lo sviluppo di un modello di propagazione a modo I. Infine è stata effettuata la stima della vita dell’assile privo di difetto sottoposto a danneggiamento da fretting con un modello misto: sono state considerate sia la nucleazione in modo II che la propagazione in modo I al fine di valutare una dimensione di difetto critico e la velocità di propagazione nella fase iniziale di crescita.