Thermal fatigue of cast iron : experimental set up and microstructural analysis

One of the main problems of brake discs is the formation of cracks on the rubbing surface. This problem is more relevant in heavy vehicles, where discs are subject to more severe brakes. Thermal fatigue has been indicated as the main cause of this kind of damage. This work is aimed at investigating the phenomena of thermal fatigue of two cast iron grades by means of an experimental rig specifically designed for testing sections of brake discs. By this apparatus, simplified and fast tests on disc samples were performed by only considering the thermal stress contribution to fatigue and failure and by neglecting the mechanical and wear contributions. The rig consists in a bench where a specimen (section of disc) is fixed simulating the real disc constraints, an induction coil is used to heat the sample and a heat exchanger is employed to speed up the cooling process. The process was monitored and controlled by a LabVIEW program. The microstructure of gray cast iron and vermicular iron samples were investigated before and after thermal cycling by scanning electron microscope and optical microscope. The cracks were inspected by penetrant liquids and their propagation path was investigated by microscopic analysis. Hardness and micro-hardness tests were performed to study the evolution of mechanical properties due to the microstructural change induced by thermal fatigue.

Uno dei principali problemi nei dischi freno è la formazione di cricche radiali sulla superficie di sfregamento, fenomeno che si manifesta in particolare nei mezzi di grandi dimensioni. La principale causa di questo problema è la fatica termica. In questa tesi viene studiato il fenomeno della fatica termica su due differenti tipi di ghisa, tramite l’impiego di un dispositivo sperimentale progettato e realizzato in modo tale da testare provini derivati direttamente da sezioni reali di disco. Il macchinario impiegato considera il solo effetto della fatica termica senza tener conto di effetti meccanici, di usura e corrosione presenti nel caso reale. La macchina è composta da un banco, dove il provino viene fissato tramite un dispositivo di bloccaggio simulando le condizioni di vincolo reali del disco in servizio, un induttore utilizzato per scaldare la superfice del provino e uno scambiatore di calore per rendere più rapida la fase di raffreddamento. I test eseguiti vengono monitorati e controllati tramite il programma LabVIEW. Le microstrutture e i loro cambiamenti dovuti al processo di fatica termica sui materiali (ghisa grigia e ghisa vermicolare) sono stati effettuati con microscopio ottico e SEM. Le cricche superficiali sono state rilevate con il metodo dei liquidi penetranti, mentre la loro propagazione tramite un’analisi microscopica. Durezza e micro durezza dei costituenti strutturali sono state rilevate in modo da valutare il cambiamento delle proprietà meccaniche dovute ai cicli termici indotti.