Integrità strutturale e resistenza a fatica di acciai da cementazione per trasmissioni di uso aerospaziale

The main purposes of this master work are the fatigue behaviour characterization of a case hardened steel (Pyrowear 53 alloy) and the development of a reliability model of a gear transmission for aerospace application made of this material. Experimental tests, with the aim of identifying the fatigue limit of the material, has been carried out in a three point bending configuration on case hardened specimens on which has been produced an artificial defect of different size. The results of these tests have been treeted with a specifically developed model, which takes into account the effects of the residual stress introduced by the case hardening process (measured on some specimens by XRD). This approach gives a consistent interpretation of experimental results and provides the basis for the evaluation of the components' structural integrity. To evaluate the system reliability it has been essential to achieve informations about the material defects rate and stress distribution on gear's teeth. The defects distribution has been determined by experimental tests analyzing fracture surfaces and polished surfaces. The stress state at the tooth root has been estimated by means of a finite elements model derived under suitable simplifying assumption. The combination of the FEM results, the Kitagawa diagram and the material defect content rating, analyzed with the extreme value distribution, allowed to develop a reliability model of the gearwheel based on the Weakest Link method.

Gli obiettivi principali di questo lavoro di tesi sono la caratterizzazione del comportamento a fatica di un acciaio da cementazione (Pyrowear 53 alloy) e la realizzazione di un modello che permetta di determinare l'affidabilità (e quindi la probabilità di cedimento) di una trasmissione ad ingranaggi per uso aerospaziale realizzata con questo materiale. Le prove sperimentali di flessione su tre punti, utilizzando provini cementati contenenti difetti artificiali di diverse dimensioni, sono state eseguite con l'obiettivo di identificare il limite di fatica del materiale. I risultati di queste prove sono stati analizzati utilizzando un modello appositamente sviluppato, che tiene conto dell'effetto degli sforzi residui introdotti dalla cementazione (misurati su alcuni dei provini tramite XRD). Questo approccio riesce a dare un'interpretazione coerente dei risultati sperimentali e fornisce la base per la valutazione dell'integrità strutturale dei componenti. Per calcolare l'affidabilità del sistema è stato necessario ricavare ulteriori informazioni riguardanti la difettosità del materiale e lo stato di sforzo al piede dei denti dell'ingranaggio. La distribuzione dei difetti è stata determinata a partire da prove sperimentali, analizzando le superfici di frattura, e attraverso l'analisi delle superfici lappate. Lo stato di sforzo al piede del dente invece è stato valutato con un modello ad elementi finiti ricavato sotto opportune ipotesi semplificative. L'utilizzo combinato del modello FEM, del diagramma di Kitagawa e della difettosità del materiale studiata attraverso la statistica dei valori estremi ha permesso lo sviluppo di un modello affidabilistico del sistema ruota dentata attraverso il metodo Weakest-Link.