Austempered ductile iron spur gears : experimental study of contact fatigue crack growth

Surface pitting of gear teeth flanks is one of the most common causes of the gear failure. The increase of the contact fatigue strength of the gears is usually achieved through the development of new combinations of materials and heat-treatment processes. Austemperd Ductile Iron (ADI) is one of the results of this long process of research that leaded to the development of a strongly competitive material that in the last years is replacing conventional steel in many mechanical applications. This thesis presents the experimental results obtained in order to characterize the contact fatigue crack development in ADI spur gears. Using a four-square test rig, it was carried out a systematic monitoring of the evolution of the damage, collecting several images concerning crack development at gear surfaces. At the end of the tests several auxiliary surface and sub-surface analysis were used to understand the fracture mechanism at the base of the pitting failure in ADI. All the experimental analyses were complemented by theoretical calculations, useful for a better understanding of the phenomenon.

Il danneggiamento per pitting, è ancora oggi una delle cause più comuni di cedimento delle superfici degli ingranaggi. L’incremento della resistenza alla fatica da contatto è ottenuto principalmente attraverso lo sviluppo di nuove combinazioni di materiali e di trattamenti termici. La ghisa austemperata (ADI – Austempered Ductile Iron) è uno dei risultati di questo lungo processo di ricerca che ha portato allo sviluppo di un materiale fortemente competitivo che negli ultimi anni sta sostituendo l’acciaio in molte applicazioni meccaniche. Questa tesi presenta i risultati sperimentali ottenuti per caratterizzare il meccanismo di danneggiamento risultante dalla fatica da contatto in ingranaggi cilindrici realizzati in ADI. Facendo uso di un banco di prova appositamente studiato per le prove di resistenza a pitting, è stato eseguito un monitoraggio sistematico dell’evoluzione del danneggiamento sulla superficie di diversi ingranaggi cilindrici. Alla fine dei test, sono state eseguite numerose analisi superficiali e sub-superficiali per comprendere il meccanismo di frattura alla base del cedimento per pitting delle ghise austemperate. Tutte le analisi sperimentali sono state affiancate da calcoli teorici, utili per una comprensione più approfondita del fenomeno.