Microstructural Decay in High-Strength Bearing Steels under Rolling Contact Fatigue
Tid: Fr 2024-02-09 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/65525297472
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap
Respondent: Tania Loaiza , Egenskaper, Ovako
Opponent: Professor Harry Bhadeshia, Queen Mary University of London
Handledare: Professor Peter Hedström, Egenskaper; Professor Mårten Olsson, Hållfasthetslära; Steve Ooi, Ovako; Prasath Babu, Egenskaper
Abstract
Arbetet presenterat i denna avhandling syftar till att öka förståelsen för materialdegradering i höghållfasta stål använda för lagerapplikationer. Det primära målet är att undersöka mikrostrukturella förändringar i två höghållfasta stål: 52100-stål, ett populärt lagerstål, och Hybrid 60, ett relativt nytt lagerstål designat för lång livslängd vid utmattning och användning vid förhöjda temperaturer. Dessutom utfördes undersökningar även på ett lågkoligt låglegerat stål (Hardox 400). Materialets beteende under experiment med rullande kontaktutmattning (RCF) undersöks.
Resultaten avslöjar tydliga mikrostrukturella förändringar i området med maximal skjuvspänning under loppets yta, observerade i alla tre stålsorter under undersökningen. Dessa förändringar inkluderar närvaron av ferritmikrobånd, upplösning av karbider och utfällningar samt bildandet av nano-ferritkorn. De degraderade områdena uppvisar skillnader i mekaniska egenskaper jämfört med det orörda materialet. I samtliga material är närvaron av både ferritmikrobånd och nano-ferrit kopplad till omarrangeringen av dislokationer i lågenergi konfigurationer, inducerade av stressinducerad cyklisk deformation under RCF.Hybrid 60 uppvisar en lägre områdesfraktion av materialdegradering efter samma antal strescykler (\(1.0 \times 10^8\)) jämfört med 52100-stål och Hardox 400. Denna skillnad kan tillskrivas den högt effektiva dislokationspinnen som tillhandahålls av utfällningarna och deras termodynamiska stabilitet i Hybrid 60, vilket minskar sannolikheten för bildandet av dislokationssubstruktur i det belastade området och därmed ökar dess motståndskraft mot mjukning.I motsats till 52100 och Hardox-stål där cementitutfällningar och \(\varepsilon\)-Fe\(_2\)C-karbid är närvarande, spelar kolhalten i 52100-stål en mer betydande roll i påverkan av dislokationsrörelse under cyklisk belastning. En högre kolhalt resulterar i förbättrad lösninghärdning och förbättrad motståndskraft mot RCF i 52100-stål. Den höga kolhalten i 52100-stål gör det svårare för dislokationer att röra sig under den applicerade cykliska belastningen, vilket ökar motståndet mot deformation och mikrostrukturell förändring under RCF jämfört med Hardox 400.
I fallet med Hybrid 60-stål begränsas dislokationsrörelsen av bildandet av sekundära karbider och NiAl-intermetalliska utfällningar. Materialets motstånd mot bildandet av dislokationsceller och ferritmikroband är intimt kopplat till dess förmåga att motstå upplösningen av utfällningar genom dislokationsskärning. Dessa resultat belyser den avgörande rollen av legeringskarbider för att förhindra materialförsämring. Trots lägre nivåer av interstitiellt kol uppvisar legerat stål (Hybrid 60) förbättrad hållbarhet när det utsätts för RCF jämfört med 52100-stål.