Lee, Kee Sung;Kim, Do Kyung;Woo, Sang Kuk;Han, Moon Hee
The Korean Journal of Ceramics
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제7권2호
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pp.63-69
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2001
We investigated strength degradations from cyclic contact fatigue in self-toughened glass-ceramics. Hertzian indentation was used to induce cyclic contact load. Dynamic fatigue was also performed with changing stress rates from 0.01 to 10000 MPa/sec. After that, strength data and fracture origins were analysed. As the number of contact cycles increased or stressing rate decreased, severe strength degradation occurred by as much as 50% because of radial cracks developed from microcrack coalescence.
The relationship between fatigue crack growth behavior and cyclic crack tip opening displacement is studied. An elastic-plastic finite element analysis (FEA) is performed to examine the growth behavior of fatigue crack, where the contact elements are used in the mesh of the crack tip area. We investigate the relationship between the reversed plastic zone size and the changes of the cyclic crack tip opening displacement along the crack growth. We investigate the effect of the element size when predict fatigue crack opening behavior using the cyclic crack tip opening displacement obtained from FEA. The cyclic crack tip opening displacement is related to fatigue crack opening behavior.
A simple computational model for modeling of subsurface crack growth under cyclic contact loading is presented. In this model, it is assumed that the initial fatigue crack will initiate in the region of the maximum equivalent stress at certain depth under the contacting surface. The position and magnitude of the maximum equivalent stress are determined by using the equivalent contact model, which is based on the Hertzian contact conditions with frictional forces. The virtual crack extension method is used for simulation of the fatigue crack growth from the initial crack up to the formation of the surface pit due to contact fatigue. The relationships between the stress intensity factor and crack length are then determined for various combinations of equivalent contact radii and loadings.
Since fretting fatigue damage accumulation occurs over relatively small volumes, the role of the microstructure is quite significant in fretting fatigue analysis. The heterogeneity of discrete grains and their crystallographic orientation can be accounted for using continuum crystallographic cyclic plasticity models. Such a constitutive law used in parametric studies of contact conditions may ultimately result in more thorough understanding of realistic fretting fatigue processes. The primary focus of this study is to explore the influence of microstructure as well as the magnitude of the normal force and tangential force amplitude during the fretting fatigue process. Fretting maps representing cyclic plastic strain behaviors are also developed to shed light on the cyclic deformation mechanisms.
Railway wheels and axles belong to the most critical components in railway vehicles. The service conditions of railway vehicles became more severe in recent years due to the increase of speed. Therefore, a more precise evaluation of wheelset life and safety has been requested. Wheel/rail contact fatigue and thermal cracks due to braking heat are two main mechanisms of the railway wheel failure. In this paper, an evaluation procedure for the contact fatigue life of railway wheel is proposed. One of the main sources of the contact zone failure is the residual stress. The residual stress on wheel is formed during the manufacturing process which includes a heat treatment, and then is changed by contact stress developed by wheel/rail contact and thermal stress induced by braking. Also, the cyclic stress history for fatigue analysis is determined by applying finite elements analysis for the moving contact load. The objective of this paper is to estimate fatigue life by considering residual stress due to heat treatment, braking and repeated contact load, respectively.
Fretting is a kind of surface damage mechanism observed in mechanically jointed components and structures. The initial crack under fretting damage occurs at lower stress amplitude and lower cycles of cyclic loading than that under plain fatigue condition. This can be observed in automobile and railway vehicle, fossil and nuclear power plant, aircraft etc. In the present study, railway axle material RSA1 used for evaluation of fretting fatigue life. Plain and fretting fatigue tests were carried out using rotary bending fatigue tester with proving ring and bridge type contact pad. Through these experiments, it is found that the fretting fatigue limit decreased about 37% compared to the plain fatigue limit. In fretting fatigue, the wear debris is observed on the contact surface, and oblique cracks at an earlier stage are initiated in contact area. These results can be used as useful data in a structural integrity evaluation of railway axle.
2종류의 질화규소에 대하여 Ring형시험편을 이용하여 접촉피로시험을 하였다. 질화규소는 금속재료에서와 같은 형태의 피로현상을 나타냈고, 파면해석 및 관찰결과 접촉피로에 있어서 균열의 발생은 고탄소크롬강의 경우와 같이 표면하의 반복전단응력에 의한 것으로 밝혀졌다. 그리고 시험펴 파단면에서 표면하의 Heltz전단응력의 변동이 최대로 되는 깊이의 위치에 다수의 균열이 관찰되었다.
Recently, Luu suggested fatigue life equation that uses every term of the Crossland equation with stress gradient effect. Luu’s model, however, has a limit of being unable to coverage small radii that are less than a specified length. Furthermore, rolling model has a very small contact area compared to the rolling element size, and fatigue failure occurs on the small radius such as surface asperity by cyclic loading. Therefore, it is necessary to modify fatigue life equation in order to enable fatigue analysis for a small radius. In this paper, the fatigue life considering a stress gradient effect in rolling contact was obtained using Luu’s modified equation. Fatigue analysis was performed to study the effect of stress gradient on the fatigue life using newly adopted equation and to compare the results with pervious models. In order to do this, a series of simulation such as surface stress analysis, subsurface stress analysis, and fatigue analysis are conducted for two rolling balls of same size that contact each other. Through such a series of processes, the fatigue life can be calculated and equation that is proposed in this paper evaluates the fatigue life in case the contact area is small.
Surface damage accumulation of alumina ceramics under the cyclic stress state was analyzed. The alternating stress state in repeat pass sliding contact was simulated by a synchronized biaxial (normal and tangential) repeated indentation technique. Wear debris formation mechanism through damage accumulation and fatigue grain failure in both alumina ceramic balls and flat disks was confirmed, and the contact induced surface degradation due to fatigue cracking accumulation was quantified by measuring vertical contact displacement. Variation of structural compliance (slope of load-displacement curve) of two contacting bodies was expressed as a variation of the apparent elastic property, called pseudo-elastic constant, of the contact system.
치아용 대체재료로 사용되고 있는 세 가지의 세라믹스, 장석질 자기, 운모를 함유한 유리-세라믹 및 유리침윤 알루미나에 대한 접촉피로을 실제 치아의 접촉상황과 유사한 구형입자를 이용한 헤르지안 압입시험법으로 물에서 수행하였으며, 각 재료에서의 접촉손상이 강도에 미치는 영향을 고찰하였다. 초기의 손상형태는 각 재료가 갖는 미세구조에 의존하여 나타났으며, 장석질 자기는 취성거동을 나타내는 cone 형태의 균열이, 운모를 함유한 유리-세라믹은 준-소성 변형 거동을 나타내는 변형이, 그리고 유리침윤 알루미나는 두 재료의 중간거동을 나타내었다. 그러나 반복하중의 수(n=1~n=$10^6$)가 증가됨에 따라 모든 재료에서 급격한 강도저하를 나타내었으며, 파괴는 접촉피로에 의해 형성된 손상에서 일어났다. 일정하중(200N, 500N 및 1000N)에서 반복하중의 수가 증가됨에 따라 두 번의 강도저하가 일어났으며, 첫 번째의 강도저하는 cone 형태의 균열이 주 요인으로 작용되었으며, 두 번째 강도저하는 반복하중에 따른 radial 형태의 균열에 의해 일어났다. 이러한 radial 형태의 균열발생은 각 재료에서 급격한 강도저하를 가져왔으며, 계속적인 반복하중으로 재료의 파괴를 유발시켰다. 반복하중의 수를 고정시킨 수 압입하중의 변화에 따른 강도저하에 대한 고찰을 통해 장석질 자기가 접촉피로에 대한 손상내구성을 갖음을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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