Analysis of relevant factors affecting fretting fatigue behaviour of aeronautical alloys

Abstract

Failure of engineering components has received extensive attention due to its undesirable consequences in terms of economic costs and personal injuries. Components such as those found in aircraft structures are prone to fail due to cyclic loading. Furthermore, parts are usually subjected to contacts undergoing some minute relative displacement due to vibration or other sources of loading. This phenomenon is called fretting. When fretting occurs, fatigue cracks may initiate much rapid than would be expected, resulting in catastrophic failures. For all these reasons, fretting fatigue of engineering materials has become a relevant field of research during the last century. On the other hand, it is well known that manufacturing processes have a great impact on the surface quality and hence on the fatigue behaviour of components. However, little attention has been paid to the study of their influence on fretting fatigue. This doctoral thesis focuses on the assessment of the effect of different key factors in the fretting fatigue behaviour of several alloys which can be found in aeronautical applications. One of the main objectives of this thesis is to quantify the effect of machining on the fretting fatigue behaviour of Inconel 718, one of the most common materials found in critical components of gas turbines. To this end, specimens with dog-bone shape have been machined using different cutting conditions and tested under fretting fatigue conditions. In addition, several surface integrity measurements after machining and post-mortem failure analyses have been performed to study the effect of machining conditions in the samples. Furthermore, numerical modelling has been developed in order to analyse other relevant factors affecting the fretting fatigue behaviour such as the loading conditions, contact configuration type or material properties of components. In this thesis, special attention has been paid to the prediction of the crack orientation in fretting fatigue problems. Several parametric studies have been conducted to assess the number of cycles to failure or the crack morphology in the crack initiation and crack propagation periods, benefiting from the advantages of numerical methods. These studies will probably help with the improvement of fretting fatigue failure prediction.

El fallo de componentes ingenieriles ha recibido un gran interés debido a sus consecuencias indeseables, en términos económicos y daños humanos. Estos componentes que pueden encontrarse por ejemplo en las estructuras de los aviones tienen una mayor tendencia al fallo debido a la aplicación de cargas cíclicas o, en términos ingenieriles, a la fatiga. Por otro lado, dichos componentes están generalmente sujetos a contactos que experimentan pequeños desplazamientos relativos debido a la vibración u otras fuentes de carga. Este fenómeno de frotamiento entre cuerpos en contacto se denomina fretting. Cuando se produce el fretting, las grietas por fatiga pueden iniciarse mucho más rápido de lo esperado, lo que puede desencadenar el fallo catastrófico. Por todas estas razones, el estudio del fretting fatiga en materiales ingenieriles se ha convertido en una línea de investigación de gran relevancia durante el siglo pasado. Por otro lado, es bien sabido que los procesos de fabricación tienen un gran impacto en el calidad superficial del acabado y, por tanto, en el comportamiento a fatiga. Sin embargo, no se ha prestado una gran atención al estudio de su influencia en la respuesta a fretting fatiga. Esta tesis doctoral se centra en la evaluación del efecto de diferentes factores clave en el comportamiento de fretting fatiga en varias aleaciones que se pueden encontrar con facilidad en aplicaciones aeronáuticas. Uno de los principales objetivos de esta tesis cuantificar el efecto del mecanizado sobre el comportamiento de fretting fatiga en Inconel 718, uno de los materiales más comunes que se encuentran en los componentes críticos de las turbinas de gas. Para ello, probetas de tipo hueso de perro se han mecanizado con diferentes condiciones de corte y se han ensayado bajo condiciones de fretting fatiga. Además, se han realizado distintas medidas en la integridad superficial de las probetas después de su mecanizado junto con un análisis post-mortem de las mismas para estudiar el efecto de las diferentes condiciones de mecanizado experimentadas. Asimismo, se han desarrollado diferentes modelos numéricos para analizar otros factores que afectan el comportamiento a fretting fatiga, como las condiciones de carga, el tipo de configuración de contacto o las propiedades materiales de los componentes. En esta tesis se ha prestado especial atención a la predicción de la orientación de la grieta en los problemas de fretting fatiga. Por último, Se han realizado varios estudios paramétricos para evaluar el número de ciclos hasta el fallo o la morfología de las grietas en los períodos de iniciación y propagación, beneficiándose de las ventajas de los métodos numéricos. Estos estudios pueden ayudar con la mejora de la predicción de fallos debido a fretting fatiga.