Thesis during a period of internship in Bosch - CVIT (Vehicle component center). It deals with the fatigue characterization of an anisotropic materials like a carburized steel. Acetilene vacuum carburizing of a quenched-tempered steel allows to improve mechanical behavior under pulsed operations for common rail pumps. The experimental data are input parameters for software-based simulation of the CAD model of the mechanical component.

1. Corso di laurea specialistica in
Scienze e tecnologie dei materiali
Caratterizzazione sperimentale
del comportamento a fatica
di un acciaio cementato
CVIT
CENTRO STUDI
COMPONENTI
PER VEICOLI
Relatori
Prof.ssa Ida M. Catalano
Dott. Ing. Antonio Grimaldi
Dott. Ing. Giovanni Rizzo
Antonio Manicone (matr. 556036)
A.A. 2009/2010
Bari, 20 dicembre 2010

2. CP1H (Compact Pump)
Circuito di alta pressione e teste
20MnCrS HH cementato
Sensore di pressione rail
Valvola limitatrice
di portata
Valvola limitatrice di pressione
Rail
Andamento tipico pressioni teste CP1H
Serbatoio carburante
2000,00
P (bar)
1500,00
Pompa di
prealimento
1000,00
iniettori
Filtro
500,00
Portata aria
sensori
0,00
Pompa iniezione ad0alta
pressione regolabile
45
90
135
180
225
270
315
360
Angolo di rotazione (anello poligonale)
Nr. giri
motore
Centralina elettronica
Miglioramento
Fase
800
Pressione
Posizione
acceleratore sovralimentazione
1600
dell’atomizzazione e
quindi della
combustione
Temp.
aria
Temp. liquido
raffreddamento
2000 (bar)
Tecnologia di trattamento
superficiale: AvaC
(Acetylene Vacuum
Carburizing)
A. Manicone
Anisotropia
strutturale indotta
nel materiale

3. OVERVIEW
• Processo di trattamento termochimico di cementazione per l’acciaio
del componente testa CP1H 20MnCrS HH (stabilimento Bosch-Bari)
• Cenni al problema fatica
• Determinazione della resistenza a fatica 20MnCrS5 HH cementato
– Prove sperimentali
– Modellazione e implementazione agli elementi finiti
• Riscontri (analisi SEM)
• Conclusioni e prospettive di miglioramento
Imagine
A. Manicone
Observe
Think

4. Trattamento termico
Ciclo completo
T
~970 C
~870 C
~650 C
Decomposizione dell‘acetilene
C2H2 2 [C] + H2
~180 C
Tamb
Piroscissione e
diffusione
(cementazione)
Riscaldo
Perlitizzazione
t
T di
austenitizzazione
Rinvenimento
Tempra
sotto-zero,
N2
100 min
A. Manicone
Raffredd.
a Tamb

5. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC
Trasporto e pirolisi (T≈970
C, p≈10 mbar)
DIN
20MnCrS5
+ HH
Fe
Acetilene
Cr
Mn
A. Manicone
C
Siti di adsorbimento
H2

6. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC
Adsorbimento (T>Taustenitizzazione)
DIN
20MnCrS5
+ HH
Fe
Acetilene
Cr
Mn
A. Manicone
C
Siti di adsorbimento
H2

7. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC
Decomposizione in radicali
DIN
20MnCrS5
+ HH
Fe
Acetilene
Cr
Mn
A. Manicone
C
Siti di adsorbimento
H2

8. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC
Inizio cementazione (T>Taustenitizzazione)
DIN
20MnCrS5
+ HH
Fe
Acetilene
Cr
Mn
A. Manicone
C
Siti di adsorbimento
H2

9. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC
Inizio cementazione (T>Taustenitizzazione)
DIN
20MnCrS5
+ HH
Fe
Acetilene
Cr
Mn
A. Manicone
C
Siti di adsorbimento
H2

10. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC
Inizio cementazione (T>Taustenitizzazione)
DIN
20MnCrS5
+ HH
Fe
Acetilene
Cr
Mn
A. Manicone
C
Siti di adsorbimento
H2

11. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC
Diffusione nell‘acciaio (T>Taustenitizzazione)
DIN
20MnCrS5
+ HH
Fe
Acetilene
Cr
Mn
A. Manicone
C
Siti di adsorbimento
H2

12. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC
Saturazione
DIN
20MnCrS5
+ HH
Fe
Acetilene
Cr
Mn
A. Manicone
C
Siti di adsorbimento
H2

13. Trattamento termico
Tempra e tempra sotto-zero
T di austenitizzazione, 850 °C
T
Ac3 (0,4°C/min)
~970 C
Ac1 (0,4°C/min)
~870 C
Perlite
Decomposizione dell‘acetilene
C2H2 2 [C] + H2
Temperatura
Ferrite
Austenite
+carburi
~650 C
Bainite
~180 C
Martensite
Tamb
Piroscissione e
diffusione
(cementazione)
Riscaldo
Perlitizzazione
T di
austenitizzazione
Tempra e
tempra sottozero, N2
100 min
A. Manicone
Giorni
Minuti
Tempo
Velocità medie di
raffredd. tra 800
500 °C
Ore
Rinvenimento
t
Raffredd.
a Tamb
Anisotropia
strutturale
indotta

14. Acetylene Vacuum Carburizing- AvaC
Vantaggi del processo
Riproducibilità
Sezione testa CP1H:
processo di diffusione
Uniformità
Inibizione formazione
ossidi
Pulizia,
sicurezza
CR/APT2-Waldenmaier | 07.09.2005 | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede
Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Costi impianto
Costi C2H2

15. Comportamento a fatica
Principi (micro)
Altro
Intrusione
Estrusione
10%
Superficie metallo
90 %
Rotture a fatica
American Society for Metals
Grani con differente orientazione cristallografica
Zona plastica
I
Innesco
Propagaz.
stabile
Rottura
finale
II
Direzione di carico
A. Manicone

16. Comportamento a fatica
Principi (macro)
σa
Wöhler [1860]
Ampiezza
tensione
applicata
Vita finita
*
Tipici
Curva tipica
acciai
per acciai
σL
Leghe di
alluminio
104
105
* Legge di Basquin:
σa = σf’ (2Nf)b
106
Vita infinita
107
Cicli alla rottura, Nf
Dipende da:
•Tipo di materiale
• Concentrazione di
tensioni
• Trattamento termico
superficiale
A. Manicone
• Contenuto di inclusioni e
impurezze
• Tensione media e
tipo di sollecitazione

17. Comportamento a fatica
Valutazione multilaterale
Resistenza a fatica
σa
Materiale e tecnologie
σL
Nf
Design e sollecitazione
An a e totip p s io i te teC 1
d mn ico re s n s P H
2000,00
P ( bar )
1500,00
Anisotropia indotta dal
trattamento termochimico
1000,00
500,00
0,00
0
45
90
135
180
225
270
Angolo di r otazione ( anello poligonale)
A. Manicone
315
360

18. Determinazione sperimentale della resistenza a fatica di
acciai cementati (con tecnologia AvaC)
Provini
20MnCrS5 HH
AvaC (+ rettifiche finali)
Provino
EST 2
EST 3
EST 2
EST 1
Elaborat
di
segnale
EST 3
EST 1
EST 1
EST 2
EST 3
EST 1
EST 3
EST 2
A: Kt = 1.3
B: Kt = 2.0
Kt, Fattore geometrico “teorico” di intaglio
(per le zone intagliate, fattore
moltiplicativo della tensione agente sulla sezione)
A. Manicone
Acquisiz.
dati
σ m ax
σ nom

19. Determinazione sperimentale della resistenza a fatica di
acciai cementati (tecnologia AvaC)
Processo
Realizzazione delle prove in modalità uniassiale in condizioni di controllo di sforzo: curve σ-N
u
ε
Maximum likelihood method
(Haibach, Spindel, ASTM 744)
Supervisore (esterno)
Sistema di controllo
σa
Carichi/forza
Interfaccia Pc-sist. di controllo
Elab. digitale
D/A
σ
Provini rotti
Segnali di
feedback
Provini “sopravvissuti”
Deformazione
Spostamento
A/D
A/D
σL
Segnale
sollecitazione
A. Manicone
Segnale errore
Nf

20. 1) Valutazione dell‘effetto intaglio
Elaborazione curve σ-N: effetto supporto all‘intaglio nχ
Kt(A)=1.3
σ
σmax
Medesime caratteristiche
di sollecitazione
σm >0
Differenti geometrie (Kt)
Kt(B)=2.0
σmin
t
Kt/Kf
Dal rapporto Kt/Kf : effetto “supporto” all’intaglio da parte del materiale nΧ
(descrive le proprietà intrinseche “antifatica” del materiale)
Utilità nel
modello FEM
B
1,2
(dati di base per
componente)
A
1
0.5
A. Manicone
2.0
Χ* (mm-1)
Gradiente relativo della tensione

21. 2) Valutazione dell‘effetto della tensione media
Elaborazione curve σ-N: Stima della sensibilità alla tensione media
σ
Kt=2.0
Medesime geometrie
Differenti
condizioni
di sollecitazione
σm>0
B
σ
B*
σm=0
t
R=-1
σa
t
B*
σa,B*
1
M
σa,B
M sensibilità alla tensione media
B
Diagramma di Haigh
20MnCrS5 HH con Kt=2
Utilità nel modello
FEM
(dati di base per componente)
Vita ∞
σm,B
A. Manicone
σy
σm

22. Finite Element Method (FEM) per la verifica a fatica
σa
B*
σa,B*
R=-1
Modellazione e implementazione dei risultati sperimentali
1
M
σa,B
B
Vita ∞
σm,B
σy
R=0.1
A. Manicone
σm

23. FEM (Abaqus ®): discretizzazione, risoluzione e risultati
Individuazione dei punti critici „statici“
1
1
Dati in
input
Δσ
Compon.
media
2
Carico
totale
pulsante
dovuto alle
pressioni
Carico serraggio
2
A. Manicone
N

24. Verifica a fatica: FEMFAT ® (FEM+FATigue)
Coefficiente di sicurezza JS
Individuazione dei punti critici „a fatica“
4
3,5
3
2,5
2
1,5
JS= SO/LO > 1
1
F01M100165_sub1
0,5
(zona “in sicurezza a fatica”)
C445012038_sub2
0
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Pressione [bar]
1600
1800
FEMFAT
A. Manicone
Vita a fatica,
coeff. di
sicurezza
Visualizzazione
FEMFAT

25. Failure analysis- Riscontri „sul campo“
Teste CP1H sottoposte a test di sovraccarico
• controllo di processo
Test accelerati
(p≈4000 bar)
• revisione tecnologia e standard acciaio
• revisione design
EVO ZEISS MA 25
IG
SE
TG
BSE
A. Manicone

26. Conclusioni ……
Prove sperimentali
20MnCrS5+ HH cementato
Règime di
funzionamento
componente
(fluttuazioni di P)
Simulazione FEM
(stato tensionale del
componente)
Verifica a fatica
su base sperimentale
Tecnologia del materiale,
geometria
Anisotropia indotta dal
trattamento termochimico
A. Manicone
Analisi di rottura
a fatica

27. …… prospettive
MATERIALE
20MnCrS5+ HH
cementato
Norme composizionali ancor più severe
(riduzione dispersione dei risultati
sperimentali e/o FEM)
Riduzione tenore di zolfo (<0.008-0.015 %):
↓ inclusioni MnS
Costi
CARATTERIZZAZIONE:
Approfondimento del ruolo del
fosforo (IG) mediante tecniche
analitiche più sensibili (es. AES, XPS)
Modellazione
del materiale del
componente
Riduzione tenore di
fosforo (< 0.020 %)
Implementazione effetto inclusione:
scala micrometrica
Es. XFEM
(eXtended Finite Element Method)
- Pais, 2010
A. Manicone

28. Grazie per l’attenzione