Shear-mode propagation of short cracks under rolling contact fatigue

Rolling contact fatigue failures are cumulative damage phenomena: they are supposed to be caused by subsurface cracks which develop beneath the contact surface. The initiation and subsequent propagation of subsurface cracks under RCF is usually attributed to the cyclic shear stress component of the contact stresses. The mechanism of nucleation and propagation of such cracks can be assessed as “shear dominated”. Furthermore, the growth of shear cracks under rolling contact fatigue is completely different from the propagation behaviour observed under pure shear loading. The reason why shear crack growth occurs in rolling contact fatigue and not under simple tangential loading can be explained by the existence of compressive stresses which are comparable in magnitude to the tangential stresses at the position along the contact where the latter component is maximum. Owing to the fact that crack initiation is usually induced by the presence of micro-defects, the fatigue process under RCF should, therefore, be described in terms of shear propagation/threshold, as is the case with simple mode I where fatigue strength is controlled by the threshold condition of small crack which nucleate from micro-defects. Nevertheless, until now, only “experimentally” derived shear growth data on small defects have been incorporated into RCF models for subsurface fatigue under the implicit assumption that the growth rate under RCF conditions can be obtained by combining the experimental trend (threshold, growth rate) under pure mode II/mode III together with SIF calculations under the out- of-phase combination of mode I+ mode II/mode III. Within the mentioned background, the aim of the present thesis is to the understand the complex propagation behaviour of short cracks trigged by shear under sub-surface rolling contact fatigue conditions. The contribution of the present thesis can be summarized in the attempts directed to answer to the following “challenging” questions:  Is there a “short crack effect” on the near-threshold behaviour under RCF?  Can be crack growth data under RCF be compared to data under simple shear?  Which is the role played by cyclic compression on the shear-mode propagation under RCF? In order to answer to the first question a novel experimental procedure has been consolidated onto a bearing and a railway steel. The experimental methodology was previously developed by Beretta et al in order to obtain fatigue crack growth rates and thresholds data under mixed loadings typical of subsurface rolling contact fatigue. Additionally an effort has been done to provide a straightforward comparison of crack propagation and near-threshold behaviour under simple shear and RCF conditions: in this framework the interaction between sliding crack surfaces has been found to be a prominent aspect of mode III crack growth. At this scope analytical models were developed to quantify the sliding mode crack closure under pure mode III and mixed I/III loadings. The competitive failure mechanisms governing the fracture behaviour under both pure mode III and mixed I/III loadings (tensile- vs. shear- dominated failure modes) were then explained by the theoretical modelling analysis. Finally, in order to clarify the role played by the cyclic compression on the shear propagation behaviour under RCF, both experimental and numerical attempts have been done: from the experimental point of view, a test under pure compression was carried out with the aim of isolating the role of compression itself in promoting the co-planar crack propagation; from the numerical modelling side, in stead, elastic-plastic finite element analyses of a growing fatigue cracks were carried out to confirm the experimental findings. The FE results allowed to investigate the closure phenomena induced by cyclic plasticity thereby providing an explanation of the dominant failure mechanism governing crack propagation under rolling contact fatigue.

La maggior parte dei componenti meccanici (ad esempio le ruote dentate, i cuscinetti, i sistemi ruota-rotaia, etc.) sono soggetti a carichi ciclici da rotolamento: le compromesse funzionalità di tali componenti, inevitabilmente comportano costi elevati di fermo-macchina e manutenzione. E’ per tale motivo che i danneggiamenti, che avvengono in condizioni di fatica da contatto, rivestono una notevole rilevanza industriale. Nella maggior parte dei casi, le rotture dei componenti meccanici soggetti a carichi Hertziani si innescano a causa della propagazione di una cricca di fatica che si nuclea sotto la superficie per effetto della componente di taglio, che caratterizza il campo di sforzi in tali condizioni di carico. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di fornire una esaustiva spiegazione del meccanismo di propagazione in condizioni di fatica da contatto. Il contributo di questo studio è sia sperimentale che teorico/numerico. In primo luogo, una campagna sperimentale è stata condotta al fine di sopperire alla mancanza di dati sperimentali relativi alle velocità di accrescimento di cricche corte, propaganti in condizioni di fatica da rotolamento. In particolar modo, lo studio sperimentale è stato indirizzato al fine di caratterizzare il comportamento in modo III di due materiali: un acciaio per cuscinetti e un acciaio dolce, tipicamente impiegato nelle applicazioni ferroviarie. In secondo luogo, sono stati utilizzati dei modelli teorici volti ad analizzare su basi analitiche la competizione dei meccanismi di propagazione che si osservano in condizioni di fatica da rotolamento. A questo scopo sono stati sviluppati dei modelli micro - meccanici in grado di quantificare gli effetti dissipativi, legati all’attrito, che si osservano durante il contatto tra le superfici della cricca. Infatti, sebbene nella rappresentazione classica basata sulla meccanica della frattura, le superfici di una cricca vengono rappresentate come macroscopicamente piatte, su scala microscopica, invece, queste sono caratterizzate da un profilo rugoso. Infine, il ruolo della compressione, sul meccanismo di propagazione in condizioni di fatica da rotolamento, è stato analizzato mediante analisi elasto-plastiche ad elementi finiti volte a simulare la propagazione nelle condizioni di carico Herziano.