Throughput and lifetime targets are increasing in ASML lithography machines, pushing important flexural parts to achieve more than one hundred million cycles, entering the ultra-high cycle fatigue range (UHCF). The aim of this master's thesis is to assess the fatigue behaviour of two high-strength stainless steels used in these parts, comparing their performance and leading to set stress targets that guarantee minimum failure risks. Generally, failures above this number of cycles are generated by non-metallic inclusions and short-crack propagation emanating from those inclusions sets the fatigue limit. To study these phenomena, extreme value statistics theory was adopted for the estimation of the critical defect size to be considered in fatigue design. Two approaches were used to collect the inclusion data: firstly, fracture surfaces coming from samples available in the company (rotating-beam fatigue and ultrasonic fatigue testing samples) were analysed through scanning electron microscopy; secondly, machined cross sections of both materials were polished and data were extracted by block maxima sampling, according to ASTM standards. Finally, two statistical models were obtained, that included different kinds of inclusions, which allowed us to predict a design stress for each material depending on the control volume evaluated. Steel A exhibited a 30% bigger largest inclusion than steel B and consequently a 6% lower fatigue limit. The performed comparison enabled us to see how inclusion dimensions affect fatigue. An outline of ongoing and future work within the company is also provided.
La produttività e la vita utile delle machcine litografiche prodotte dall'azienda ASML sono in crescita, spingendo fondamentali parti flessionali a superare la soglia di cento milioni di cicli, entrando così nell'intervallo di fatica ad altissimo numero di cicli o UHCF (ultra-high cycle fatigue range). Lo scopo di questa tesi di master è di valutare il comportamento a fatica di due acciai inossidabili ad alta resistenza utilizzati in queste macchine, confrontando le loro prestazioni e portando a fissare obiettivi di stress che garantiscano rischi minimi di fallimento. Generalmente, i guasti superiori a questo numero di cicli sono generati da inclusioni non metalliche e la propagazione di brevi cricche provenienti da tali inclusioni stabilisce il limite di fatica. Per studiare questo fenomeno, è stata adottata la teoria statistica dei valori estremi per la stima della dimensione critica del difetto da considerare nella progettazione a fatica. Sono stati utilizzati due approcci per raccogliere i dati sulle inclusioni: in primo luogo, le superfici di frattura provenienti da campioni disponibili in azienda (campioni di prova testati con tecniche a fascio rotante e ad ultrasuoni) sono state analizzate mediante microscopia elettronica a scansione; in secondo luogo, le sezioni trasversali di campioni di entrambi i materiali sono state lavorate con proceso di finitura e i dati sono stati estratti mediante campionamento massimo a blocchi, secondo gli standard ASTM. Infine, sono stati ottenuti due modelli statistici, che includono diversi tipi di inclusioni, che hanno permesso di prevedere lo stress di progetto per ciascun materiale a seconda del volume di controllo valutato. L'acciaio A ha mostrato un'inclusione più grande del 30% rispetto all'acciaio B e di conseguenza un limite di fatica inferiore del 6%. Il confronto effettuato ci ha permesso di vedere come le dimensioni delle inclusioni influiscono sulla fatica. Viene inoltre fornita una descrizione del lavoro in corso e futuro all'interno dell'azienda.
Ultra-high cycle fatigue behaviour of two high-strength stainless steels
MEDINA RAMÍREZ, SAMUEL
2023/2024
Abstract
Throughput and lifetime targets are increasing in ASML lithography machines, pushing important flexural parts to achieve more than one hundred million cycles, entering the ultra-high cycle fatigue range (UHCF). The aim of this master's thesis is to assess the fatigue behaviour of two high-strength stainless steels used in these parts, comparing their performance and leading to set stress targets that guarantee minimum failure risks. Generally, failures above this number of cycles are generated by non-metallic inclusions and short-crack propagation emanating from those inclusions sets the fatigue limit. To study these phenomena, extreme value statistics theory was adopted for the estimation of the critical defect size to be considered in fatigue design. Two approaches were used to collect the inclusion data: firstly, fracture surfaces coming from samples available in the company (rotating-beam fatigue and ultrasonic fatigue testing samples) were analysed through scanning electron microscopy; secondly, machined cross sections of both materials were polished and data were extracted by block maxima sampling, according to ASTM standards. Finally, two statistical models were obtained, that included different kinds of inclusions, which allowed us to predict a design stress for each material depending on the control volume evaluated. Steel A exhibited a 30% bigger largest inclusion than steel B and consequently a 6% lower fatigue limit. The performed comparison enabled us to see how inclusion dimensions affect fatigue. An outline of ongoing and future work within the company is also provided.| File | Dimensione | Formato | |
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