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DD221553A1 - TESTING PROCEDURE FOR THE SURFACE TREATMENT OF TRIBOLOGY-BASED MATERIAL SURFACES - Google Patents

TESTING PROCEDURE FOR THE SURFACE TREATMENT OF TRIBOLOGY-BASED MATERIAL SURFACES Download PDF

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DD221553A1
DD221553A1 DD25829983A DD25829983A DD221553A1 DD 221553 A1 DD221553 A1 DD 221553A1 DD 25829983 A DD25829983 A DD 25829983A DD 25829983 A DD25829983 A DD 25829983A DD 221553 A1 DD221553 A1 DD 221553A1
Authority
DD
German Democratic Republic
Prior art keywords
test
fatigue
surface fatigue
load
tendency
Prior art date
Application number
DD25829983A
Other languages
German (de)
Inventor
Guenter Pursche
Dietmar Jahn
Kurt Voigt
Original Assignee
Guenter Pursche
Dietmar Jahn
Kurt Voigt
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Publication date
Application filed by Guenter Pursche, Dietmar Jahn, Kurt Voigt filed Critical Guenter Pursche
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Publication of DD221553A1 publication Critical patent/DD221553A1/en

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  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pruefverfahren fuer die Oberflaechenermuedungsneigung tribologisch beanspruchter Werkstoffoberflaechen. Ziel ist es, vorzugsweise fuer niedrigzyklische Oberflaechenermuedung ein Pruefverfahren zu schaffen, das es ermoeglicht, die Oberflaechenermuedungsneigung von Werkstoffen fuer definierte Lastspannungen hinreichend genau mit einer kritischen Schwingspielzahl angeben zu koennen, um Werkstoffe in ihrer Oberflaechenermuedungsneigung wesentlich differenzierter beurteilen zu koennen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass ein Gegenkoerper, bestehend aus zwei an einem physikalischen Pendel starr nebeneinander befestigten Kugeln, auf einem ebenen Grundkoerper, der die Pruefflaeche bildet, durch konstante Pendelschwingungen in einem stets gleichen, abgegrenzten Pruefbereich bei definierten Lastspannungen mit einem sich kontinuierlich aendernden Verhaeltnis zwischen Normal- und Schubspannungen erzeugt, wobei der Beginn der Oberflaechenermuedung in Form von Rissbildungen durch eine Aenderung des elektrischen Uebergangswiderstandes zwischen Grund- und Gegenkoerper angezeigt wird und die bis zu diesem Zeitpunkt benoetigte Schwingspielzahl in Abhaengigkeit von der Belastung als Mass fuer die Oberflaechenermuedungsneigung des Werkstoffes festgestellt wird.The invention relates to a test method for the surface fatigue tendency of tribologically stressed material surfaces. The aim is to provide a test method preferably for low-cycle surface fatigue, which makes it possible to specify the surface fatigue tendency of materials for defined load stresses sufficiently precisely with a critical number of oscillatory cycles in order to be able to assess materials significantly more differentiated in their surface fatigue tendency. The essence of the invention is that a Gegenkoerper, consisting of two rigidly attached to a physical pendulum spheres, on a flat base, which forms the Pruefflaeche, by constant pendulum oscillations in an always the same, delimited Pruefbereich at defined load voltages with a continuously Changing ratio between normal and shear stresses produced, the beginning of Oberflaechenermüdung is displayed in the form of cracking by a change in the electrical contact resistance between the base and counter body and the number of oscillations required up to this time as a function of the load as a measure of the surface fatigue tendency of Material is determined.

Description

-2- 258 299 4-2- 258 299 4

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt die Prinzipdarstellung einer Einrichtung zur Durchführung des Prüfverfahrens. Mit dem Prüfverfahren ist die Oberflächenermüdungsneigüng zweier Verschleißschutzschichten miteinander zu vergleichen. Bei einer ersten Probe handelt es sich um einen Grundkörper 3, der aus einem Stahl 210Cr46 besteht, auf dem eine Verschleißschutzschicht aus Titannitrid abgeschieden wurde, die eine Prüffläche 2 bildet. Bei einer zweiten Probe handelt es sich um einen Grundkörper 3, der aus einem Stahl C45 besteht, welcher durch Gaskarbonitrieren eine Schutzschicht erhielt, die ebenfalls eine Prüffläche 2 bildet. Erfindungsgemäß wird nun mittels zweier, mit einem physikalischen Pendel starr nebeneinander befestigter Kugeln, die aus einem bei niedrigzyklischer Beanspruchung nicht ermüdenden Wälzlagerstahl bestehen und einen Gegenkörper 1 bilden und mit dem Grundkörper 3 die Werkstoffpaarung ergeben, die Prüfung der Oberflächenermüdungsneigung derart durchgeführt, daß der Gegenkörper 1 auf die Prüffläche 2 aufgesetzt und mit einer Last m belastet wird. Das Pendel wird um einen Winkel φ ausgelenkt und in Schwingungen versetzt, wobei die Amplitude durch berührungslose Impulsübertragung konstant gehalten wird, wodurch ein stets gleicher, abgegrenzter Prüfbereich der Prüffläche 2 bei definierten Lastspannungen, das heißt, bei sich kontinuierlich änderndem Verhältnis zwischen Normal- und Schubspannung geprüft wird.The invention will be explained below with reference to an embodiment with reference to a drawing. The drawing shows the schematic representation of a device for carrying out the test method. The test procedure compares the surface fatigue tendency of two wear protection layers. A first sample is a base body 3 made of a 210Cr46 steel on which a titanium nitride wear protection layer has been deposited to form a test surface 2. A second sample is a base body 3, which consists of a steel C45, which received a protective layer by gas carbonitriding, which also forms a test surface 2. According to the invention now by means of two, with a physical pendulum rigidly mounted side by side balls, which consist of a low-cyclic load bearing bearing steel and form a counter body 1 and 3 with the base material pairing result, the examination of Oberflächenermüdungsneigung carried out such that the counter body placed on the test surface 2 and loaded with a load m. The pendulum is deflected by an angle φ and vibrated, the amplitude is kept constant by non-contact pulse transmission, thereby always a same, delimited test area of the test area 2 at defined load voltages, that is, with continuously changing ratio between normal and shear stress is checked.

Die Anzahl der Schwingspiele wird über ein übliches Zählgerät registriert. Ebenso wird ein elektrischer Übergangswiderstand zwischen dem abrollenden Gegenkörper 1 und dem Grundkörper 3 ermittelt.The number of oscillatory games is registered via a conventional counting device. Likewise, an electrical contact resistance between the rolling counter-body 1 and the base body 3 is determined.

Der Beginn der Ermüdung, das heißt der Rißbildungsbeginn, wird durch eine Änderung des elektrischen Übergangswiderstandes angezeigt. Die bis zu diesem Zeitpunkt benötigte, kritische Schwingspielzahl wird registriert. Aus dem Abstand der auf der Prüffläche 2 entstandenen und im Mikroskop deutlich sichtbaren Ermüdungsrisse von der Nullage des Pendels können über geometrische Beziehungen die an diesen Stellen wirkenden Normalkräfte Fn und Tangentialkräfte FT sowie daraus eine Vergleichsspannung berechnet werden.The onset of fatigue, that is, the onset of cracking, is indicated by a change in electrical contact resistance. The critical number of scores required until then is registered. From the distance of the fatigue cracks from the zero position of the pendulum that originated on the test surface 2 and can be clearly seen in the microscope, the normal forces F n and tangential forces F T acting therefrom and a comparison stress can be calculated via geometric relationships.

Durch Wiederholen des Prüfvorganges mit veränderter Last m wird eine Abhängigkeit der kritischen Schwingspielzahl von der Belastung ermittelt, die Ausdruck der Oberflächenermüdungsneigung ist. Für die zu vergleichenden Schutzschichten ergaben sich z. B. für eine Vergleichsspannung von 600 MPa für die Titannitridschicht eine kritische Schwingspielzahl von 8500, während für die Schutzschicht, die durch Gaskarbonitrieren erzeugt wurde, nur 1800 Schwingspiele bis zum Ermüdungsbeginn notwendig waren.By repeating the modified load test m, a dependence of the critical number of cycles on the load is determined, which is the expression of the surface fatigue tendency. For the protective layers to be compared were z. For example, for a comparison stress of 600 MPa for the titanium nitride layer, a critical number of cycles of 8500, while for the protective layer, which was generated by gas carbonitriding, only 1800 cycles were required to the onset of fatigue.

Claims (1)

-1- 258 239 4-1- 258 239 4 Erfindungsanspruch:Invention claim: Prüfverfahren für die Oberflächenermüdungsneigung tribologisch beanspruchter Werkstoffoberflächen unter Verwendung von an sich bekannten Einrichtungen, wie z. B. einem physikalischen Pendel, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Tribosystem, bestehend aus einem Gegenkörper (1), der aus zwei mit einem Pendel starr nebeneinander befestigten Kugeln, bestehend aus bei niedrigzyklischer Beanspruchung nicht ermüdendem Werkstoff, gebildet wird, wobei der Gegenkörper (1) mit einer definierten Last (m) versehen, in konstante Schwingungen versetzt, einen Grundkörper (3) auf seiner Prüffläche (2) in einem stets gleichen, abgegrenzten Prüfbereich, bei sich kontinuierlich änderndem Verhältnis zwischen Normal- und Schubspannungen niedrigzyklisch beansprucht und während der Prüfung der Beginn der Oberflächenermüdung, das heißt der Rißbildungsbeginn in der Prüffläche (2) über einen sich dabei sprunghaft ändernden elektrischen Übergangswiderstand bzw. mittels Ultraschall oder Schallemissionsmessungen in Abhängigkeit von einer kritischen Schwingspielzahl und Belastung angezeigt wird.Test method for the surface fatigue tendency of tribologically stressed material surfaces using known devices, such. B. a physical pendulum, characterized in that in a tribosystem, consisting of a counter-body (1) consisting of two rigidly mounted with a pendulum balls attached side by side, consisting of low-cyclic stress non-fatiguing material is formed, wherein the counter body (1 ) provided with a defined load (m), set in constant oscillations, a basic body (3) on its test surface (2) in a constant, delimited test area, with a continuously changing relationship between normal and shear stresses low cyclic stressed and during the test the beginning of the surface fatigue, that is, the crack initiation in the test area (2) is indicated by an abruptly changing electrical contact resistance or by means of ultrasound or acoustic emission measurements as a function of a critical number of cycles and load. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing Anwendungsgebietfield of use Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren für die Oberflächenermüdungsneigung tribologisch beanspruchter Werkstoffoberflächen, vorzugsweise für im Bereich niedrigzyklischer Oberflächenermüdung eingesetzter beschichteter oder unbeschichteter Werkstoffe.The invention relates to a test method for the surface fatigue tendency of tribologically stressed material surfaces, preferably for coated or uncoated materials used in the area of low-cycle surface fatigue. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Es ist bekannt, die Oberflächenermüdungsneigung tribologisch beanspruchter Werkstoffoberflächen dadurch zu charakterisieren, daß als Kriterium für die Ermüdung die Bildung von Rissen und Pittings verwendet wird. Die Prüfung wird auf bekannten Rollenprüfständen, wie z.B. nach SUP 343190 durchgeführt, bei denen die Prüfkörper, zumeist unter konstanter Belastung, so lange gegeneinander gepreßt rollen, bis auf der Oberfläche eine Werkstoffzerstörung durch Risse und Pittings eintritt, wobei die Anzahl der bis zur Ermüdung ertragenen Schwingspiele (Lastwechsel) bei der jeweiligen Beanspruchung als Maß für die Ermüdungsneigung angegeben wird.It is known to characterize the surface fatigue tendency of tribologically stressed material surfaces in that the criterion of fatigue is the formation of cracks and pittings. The test is carried out on known chassis dynamometers, e.g. carried out according to SUP 343190, in which the specimens, usually under constant load, so long pressed against each other, until the surface material destruction by cracks and pittings occurs, the number of sustained to fatigue oscillating games (load change) at the respective stress than Measure of fatigue tendency is given. Nachteilig dabei ist, daß der Zeitpunkt der Rißbildung aufgrund einer zumeist nur indirekten Beobachtung der Kontaktfläche fehlerhaft erfaßt wird, was sich wiederum als Fehlergröße bei der Angabe der kritischen Schwingspielzahl auswirkt. Ebenfalls nachteilig ist, daß die Prüfbereiche ständig wechseln, das heißt, daß stets andere Bereiche der Werkstoffoberfläche miteinander in Kontakt kommen. Ein weiterer Nachteil der Prüfung besteht darin, daß die auf die Oberflächen einwirkenden Lastspannungen wegen der komplizierten Gleit- und Wälzbewegungen der Prüfkörper undefinierbar sind bzw. nur schwer oder nicht getrennt quantitativ ausgewiesen werden können. A The disadvantage here is that the time of cracking due to a mostly indirect observation of the contact surface is detected incorrectly, which in turn affects the error size when specifying the critical number of cycles game. Another disadvantage is that the test areas constantly change, that is, always other areas of the material surface come into contact with each other. Another disadvantage of the test is that the load stresses acting on the surfaces are indefinable because of the complicated sliding and rolling movements of the test specimens or can only be identified quantitatively with difficulty or not separately. A Weiterhin bekannt sind Prüfverfahren zur Untersuchung der Reibermüdung von Werkstoffen, wie z.B. der Einsatz eines Zyklometers. Der Unterschied zu den o.g. Rollenprüfständen besteht darin, daß ein Prüfkörper auf der zu prüfenden Werkstoffoberfläche nicht abrollt, sondern wiederholt über sie gleitet. Nach bestimmten Zeitabständen wird von der Oberfläche eine Profilkurve abgenommen, um aus dem Oberflächenprofil die Werkstoffzerstörung infolge Ermüdung zu erkennen. Nachteilig ist, daß auch hierbei der Zeitpunkt der Zerstörung nur ungenau erfaßt wird, die Prüfbereiche ständig wechseln, vor allem aber, daß auch die ebenfalls wirkenden Verschleißmechanismen der Abrasion und Adhäsion nicht getrennt erfaßt werden. Es sind auch dynamische Prüfverfahren, z. B. für Preßverbindungen, bekannt, bei denen die Oberflächenermüdungsneigung derart geprüft wird, daß die miteinander im Preßverbund befindlichen Oberflächen durch niedrigzyklische Schubspannungen so lange beansprucht werden, bis sie sich gegeneinander verschieben. Auch bei dieser Prüfung wird nur eine globale Aussage zur Ermüdung getroffen, da der Beginn der Rißbildung nicht erfaßt wird, sondern nur ein Endzustand der Ermüdung festgestellt wird.Also known are test methods for investigating the frictional fatigue of materials, e.g. the use of a cyclometer. The difference to the o.g. Roller test stands is that a test piece does not roll on the material surface to be tested, but repeatedly slides over them. After certain time intervals, a profile curve is removed from the surface in order to detect the material destruction due to fatigue from the surface profile. The disadvantage is that in this case the time of destruction is detected only inaccurate, constantly changing the test areas, but above all, that the also acting wear mechanisms of abrasion and adhesion are not detected separately. There are also dynamic test methods, z. As for press joints, known in which the Oberflächenermüdungsneigung is tested such that the surfaces in the press-fit surfaces are claimed by low-cycle shear stresses until they move against each other. Even in this test, only a global statement on fatigue is made because the onset of cracking is not detected, but only a final state of fatigue is detected. Ziel der ErfindungObject of the invention Die Erfindung hat das Ziel, die Oberflächenermüdungsneigung tribologisch beanspruchter Werkstoffoberflächen, vorzugsweise bei niedrigzyklischer Oberflächenermüdung, derart zu ermitteln, daß in einem stets gleichen, abgegrenzten Prüfbereich bei definierten Lastspannungen die zur Oberflächenermüdung erforderliche, kritische Schwingspielzahl hinreichend genau angegeben und somit Werkstoffe in ihrer Oberflächenermüdungsneigung quantitativ und differenziert beurteilt werden können.The invention aims to determine the surface fatigue tendency of tribologically stressed material surfaces, preferably at low cyclic surface fatigue, in such a way that in an always the same demarcated test area at defined load voltages required for surface fatigue, specified critical number of cycles sufficiently and thus materials in their Oberflächenermüdungsneigung quantitative and be judged differentiated. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberflächenermüdungsneigung tribologisch beanspruchter Werkstoffoberflächen, vorzugsweise für im Bereich niedrigzyklischer Oberflächenermüdung eingesetzte Werkstoffe, in einem stets gleichen, abgegrenzten Prüfbereich, mit definierten Lastspannungen und einem sich kontinuierlich ändernden Verhältnis zwischen Normal- und Schubspannungen zu ermitteln, um den Einfluß der Belastungsbereiche beurteilen zu können, wobei die bis zum Zeitpunkt des Beginns der Rißbildung erforderliche, kritische Schwingspielzahl festzustellen ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung von an sich bekannten Einrichtungen, wie z. B. in Form eines physikalischen Pendels, welches auf eine zu prüfende Werkstoffoberfläche aufgesetzt wird, wobei zwei mit einem physikalischen Pendel starr nebeneinander befestigte Kugeln, die im Bereich niedrigzyklischer Beanspruchung nicht ermüden, als Drehpunkt dienen, dadurch gelöst, daß ein solches Pendel, das mit einer definierten Last versehen ist, in freie Schwingungen versetzt wird, wodurch ein Tribosystem simuliert wird, welches Kontaktverhältnissen einer Kugel-Ebene-Paarung entspricht. Die Prüfung der Oberflächenermüdungsneigung erfolgt stets in einem gleichen, abgegrenzten Prüfbereich bei definierten Lastspannungen, das heißt, infolge einer oszillierenden Bewegung der Kugel auf der Ebene, bei sich kontinuierlich änderndem Verhältnis zwischen Normal- und Schubspannungen.The invention has the object of determining the surface fatigue tendency of tribologically stressed material surfaces, preferably for materials used in the field of low-cycle surface fatigue, in an always identical, demarcated test area, with defined load stresses and a continuously changing ratio between normal and shear stresses in order to determine the influence assessing the load ranges, with the critical number of oscillations required before the crack initiation begins. This object is achieved according to the invention using known devices, such. B. in the form of a physical pendulum, which is placed on a material surface to be tested, with two rigidly attached to a physical pendulum balls attached, which do not tire in the low cycle stress, serve as a fulcrum, achieved in that such a pendulum that with is provided with a defined load, is set in free vibration, whereby a tribosystem is simulated, which corresponds to contact ratios of a ball-level pairing. The examination of the surface fatigue tendency is always carried out in a same, delimited test area at defined load voltages, that is, as a result of an oscillating motion of the ball on the plane, with continuously changing relationship between normal and shear stresses. Um den Beginn einer Rißbildung zu erfassen, die als ein Kennzeichen für die Oberflächenermüdung gilt, wird ein elektrischer Übergangswiderstand durch die Kontaktfläche Kugel/Ebene ständig registriert. Bilden sich erste Risse, wird dies durch eine deutliche Änderung des Widerstandes angezeigt. Die bis zu diesem Moment benötigte Schwingspielzahl ist in Abhängigkeit von der Belastung ein Maß für die Oberflächenermüdungsneigung tribologisch beanspruchter Werkstoffoberflächen. Weiterhin kann die Anzeiae des Rißbildunasbeainns auch mittels Ultraschall oder Schallemissionsmessuna erfolaen.To detect the onset of cracking, which is considered a hallmark of surface fatigue, electrical contact resistance is constantly registered by the ball / plane contact surface. If first cracks form, this is indicated by a significant change in the resistance. Depending on the load, the number of oscillating cycles required up to this moment is a measure of the surface fatigue tendency of tribologically stressed material surfaces. Furthermore, the Rißbildunasbeainns Anzeiae can also take place by means of ultrasound or Schallemissionsuna.
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