Wear behaviour analysis of different metals by the finite element method

Abstract

Material losses occur because of the damage caused by friction between materials relatively moving in contact with each other. Wear damage can significantly reduce the life cycle of the materials and can significantly affect their operating performance. To prevent or minimize this damage, wear mechanisms of material and material pairs must be determined under certain service conditions. Accordingly, wear testing and wear prediction have gained great importance. Wear is a very common type of damage in systems operating in motion. Wear can take place with more than one different mechanism. These are mainly classified as adhesive wear, abrasive wear, fatigue wear and corrosive wear. There are many factors that affect the wear phenomenon: crystal lattice structure, hardness, elasticity modulus, work-hardening, plastic deformation behavior, surface roughness of the materials etc. and they depend on the properties of materials. Additionally, the service or ambient conditions (temperature, humidity, etc.) very effective for the wear behavior. In order to minimize wear damage, wear behavior must be carefully examined. However, the most common is the method of determining the friction coefficient by the wear of the pin or ball, which is constantly under a certain force on the rotating disk with the pin-on-disk assembly, or vice versa. With this method, the wear loss is determined by measuring the wear traces on the wear disc or pin / ball. This experiment can be carried out under different loads, at different sliding speeds and distances, even at different temperatures. In all cases, it may not be possible to access all materials or wear surfaces can be complex geometries. In such cases, it is possible to obtain an approach to experimental results in cases where it is not possible to experiment using the Finite Element Method (FEA) as a numerical analysis method. Studies on wear modeling have been developed taking into account the classical wear theory put forward by Archard. In wear analysis using finite element analysis, Archard wear theory is still the most commonly used method today. The aim of this study is to obtain ball-on-disc type wear test results carried out in a laboratory environment via modeling in 3-dimensional in finite element analysis software. In this context, Inconel 718, 316L stainless steel, grey cast iron, spherical graphite cast iron, Zamak, Ti6Al4V, 7075 and 6082 aluminum alloys, AZ91 magnesium alloy and pure copper as metals with different crystal structure, hardness and microstructure have been subjected to wear test against alumina (Al2O3) ball. It is expected to verify that the validity of the finite element model used by comparing the results obtained from these experiments with the 3-dimensional wear model created with ANSYS Workbench and the results obtained by using Archard theory. In this way, it is aimed to make accurate predictions about the results of the wear analysis by using the finite element method. In line with the determination of wear loss in the specified materials, Inconel 718, 316L stainless steel, grey cast iron, spherical graphite cast iron, Ti6Al4V, 7075, AZ91, Zamak, 6082 and pure copper metals were tested under different loads in ball-on-disc wear test configuration. The wear loss is used in Archard`s wear equation to calculate the wear coefficient K and the coefficient of friction is used as an input to the simulation with hardness of material. SEM and Raman spectroscopy analysis of wear tracks were done. Using the 3-dimensional model of the ball-on-disc test setup was used to perform numerical analysis. Results from the numerical analysis were compared to the experimental analysis. There was a good correlation with the results in general. However, relatively higher error values were recorded for some metals like 7075 alloy and grey cast iron. The difference between these results were investigated both experimentally and numerically. First, the simulation is accepting that all surfaces are perfect. Secondly, the contact pressure was calculated as constant during the simulation. However, the in experiments the contact area is changing throughout the sliding thus, the contact pressure is expected to decrease. Furthermore, the contact pressure values calculated at the numerical model is differs from the Hertzian contact theory. Because in simulation assumes that bodies are elastic. Another reason is that oxide formations were found in wear tracks on sliding surfaces. The oxides created lubrication effect for the coefficient of friction of grey cast iron; however, it was kept constant during the simulation. Similarly, the metallic layer formation on the alumina ball against the Ti-6Al-4V resulted to metal-metal wear and the experimental K values was became different than the K value calculated from the Archard's equations. There are any many factors that can be found for accuracy of the simulation. Despite all that, the results were very promising to create a simulation tool for wear analysis of different materials.

Birbirlerine temas halinde çalışan malzemeler arasında sürtünmeden kaynaklanan aşınma hasarı sonucu malzeme kayıpları meydana gelmektedir. Aşınma hasarı malzemelerin çalışma ömrünü ciddi şekilde azaltırken, çalışma performanslarını da önemli ölçüde etkileyebilmektedir. Bu hasarı önlemek veya en aza indirmek için malzeme ve malzeme çiftlerinin belirli servis koşulları altında aşınma mekanizmalarının belirlenmesi gerekmektedir. Bu doğrultuda laboratuvar ortamında gerçekleştirilen aşınma testleri büyük önem kazanmıştır. Aşınma, hareket halinde çalışan sistemlerde son derece sıklıkla rastlanan bir hasar türüdür. Birden fazla farklı mekanizma ile gerçekleşebilir. Bunlar temel olarak adhesif aşınma, abrasif aşınma, yorulma aşınması ve korozif aşınma olarak sınıflandırılmaktadır. Aşınma olayını etkileyen birçok faktör bulunmaktadır. Temas halinde olan malzemelerin kristal kafes yapısı, sertliği, elastisite modülü, deformasyon sertleşme üssü (deformasyon davranışı), yüzey pürüzlülüğü sadece malzemeye bağlı faktörler olmak üzere ortam şartları (sıcaklık, nem vb.) da son derece etkilidir. Bunların yanı sıra servis koşulları yani malzemenin maruz kaldığı basınç, hareket hızı, kayma mesafesi de aşınma davranışlarını yakından etkileyen faktörler arasındadır. Tüm bunlar göz önünde bulundurulduğunda aşınma hasarının karmaşık yapısı daha iyi anlaşılmaktadır. Aşınma hasarının en aza indirgenebilmesi için aşınma davranışlarının dikkatlice incelenmesi gerekmektedir. Bunun için farklı deney düzenekleri kullanılmaktadır. Ancak en yaygın olanı pin-on-disk düzeneği ile dönerek hareket eden disk üzerinde sabit şekilde belirli bir kuvvet altında duran pinin (pim) veya bilyanın (ball) aşınması veya tam tersi diskin aşınması ile sürtünme katsayısının belirlenmesi yöntemidir. Bu yöntem ile aşınan disk veya pin/bilya üzerindeki aşınma izi ölçülerek aşınma kaybı (miktarı) belirlenmektedir. Bu deney farklı yükler altında, farklı kayma hızları ve mesafelerinde hatta farklı sıcaklıklarda da yapılabilmektedir. Her durumda her malzemeye erişmek mümkün olmayabilir veya aşınma yüzeyleri kompleks geometriler olabilir. Bu gibi durumlarda ise numerik analiz yöntemi olarak Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEA) kullanılarak deney yapılması mümkün olmayan durumlarda deneysel sonuçlara dair bir yaklaşım elde edilmesi mümkündür. Literatür incelendiğinde aşınma analizlerinin bilgisayar ortamında modellenerek yapılmasına yönelik çalışmaların 90 yıllarda başladığı ve günümüze kadar halen gelişmekte olduğu görülmektedir. ANSYS, ABAQUS gibi sonlu eleman analiz programları kullanılarak farklı modeller üzerinde yapılan çalışmalar aşınma hasarının karmaşık yapısı nedeni ile sürekli geliştirilmeye açık olarak belirtilmektedir. Aşınma modellemesi ile ilgili çalışmalar, Archard tarafından ortaya konan klasik aşınma teorisi göz önünde bulundurularak geliştirilmiştir. Sonlu elemanlar analizi kullanılarak yapılan aşınma analizlerinde Archard aşınma teorisi günümüzde halen en sık kullanılan yöntemdir. Bu model birim kayma mesafesinde aşınan hacmin, normal kuvvet ve aşınan malzemenin sertliği ile doğrudan ilişkisi olduğunu kabul etmektedir. Bu çalışmanın amacı laboratuvar ortamında gerçekleştirilen ball-on-disk tipi aşınma test sonuçlarının bilgisayar ortamında sonlu elemanlar analizi ile 3-boyutlu olarak modellenerek elde edilebilmesi olarak belirlenmiştir. Bu kapsamda, farklı kristal yapıya, sertlik ve mikro yapıya sahip metaller olarak Inconel 718, 316L paslanmaz çelik, zamak, gri dökme demir, küresel grafitli dökme demir, Ti-6Al-4V, 7075, AZ91 ve saf bakır kontaminasyona neden olmaması beklenen alümina bilya kullanılarak aşınma deneyine tabi tutulmuştur. Bu deneylerden elde edilen sonuçlar ANSYS Workbench programı ile oluşturulan 3-boyutlu aşınma modeli ile Archard aşınma teorisi kullanılarak elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak kullanılan sonlu elemanlar modelinin geçerliliğinin doğrulanması beklenilmektedir. Bu sayede sonraki çalışmalarda deney yapılmadan sadece bilgisayar ortamında sonlu elemanlar yöntemi ile aşınma analizi sonuçları ile ilgili doğru tahminler yapılabilmesi hedeflenmiştir. Belirlenen malzemelerde meydana gelen aşınma kaybının belirlenmesi doğrultusunda ilk olarak, Inconel 718, 316L paslanmaz çelik, gri dökme demir, küresel grafitli dökme demir, Ti6Al4V, 7075, AZ91, Zamak, 6082 ve saf bakır metalleri ball-on-disk aşınma testi yöntemi ile farklı yükler altında deneysel olarak incelenmesi hedeflenmiştir. Aşınma testlerinde kullanılacak 316L paslanmaz çelik, Inconel 718, Ti-6Al-4V titanyum alaşımı, 7075 ve 6082 alüminyum alaşımı, AZ91 magnezyum alaşımı, saf bakır, Zamak, gri ve küresel grafitli dökme demir malzemelerinden çıkarılan numuneler standart metalografik numune hazırlama yöntemlerine göre hazırlanmıştır. Ardından hazırlanan bu numunelerde Vickers Indenter ile sertlik ölçümü gerçekleştirilmiştir. En yüksek sertlik değeri Inconel 718`de 500 ± 20 HV0.1 olarak ölçülürken, sertliği en düşük malzeme 55 ± 3HV0.1 ile saf bakir olarak belirlenmiştir. Aşınma testleri sonucunda metallerin sürtünme katsayıları tespit edilmiştir. Ardından numunelerin yüzeylerinde oluşan aşınma izleri 2-D optik profilometre yardımıyla ölçülerek, aşınma izinin derinliği ve genişliği kullanılarak aşınma izinin alanı hesaplanmıştır. Buradan hacim hesapları yapılarak, aşınan malzemelerin hacimsel aşınma kayıpları belirlenmiştir. En fazla aşınan miktarın beklenildiği gibi magnezyum alaşımı AZ91`de olduğu görülmüştür. Gri dökme demir ve küresel grafitli dökme demir de ise en az aşınma meydana gelmiştir. Sürtünme katsayıları incelendiğinde ise gri dökme demirin deney boyunca artışına devam eden bir tablo çizdiği tespit edilmiştir. Bunun ise gri dökme demirin yapısında bulunan grafitlerin lamel yapılarından kaynaklandığı görülmüştür. Ayrıca yapılan SEM analizlerinde ise yüzeylerde metalik oksit oluşumları gözlemlenmiştir. Metal oksit oluşumlarını ve oluşan metal oksitlerin türünü belirlemek amacıyla Raman spektroskopisi ile aşınma yüzeyleri incelenmiştir. Aşınan malzemelerin hacimsel kayıpları kullanılarak, Archard aşınma formülü aracılığı ile aşınma hızları, aşınma katsayıları belirlenmiştir. Projenin ikinci adımında ise ANSYS programı ile 3-boyutlu bir ball-on-disk modeli oluşturulmuştur. Farklı metallerin elastik modülleri, yoğunluk, Poisson oranı ve sertlik gibi malzeme özellikleri programa tanımlanmıştır. Sonlu elemanlar metodu kullanılarak yapılan aşınma analizlerinde kontak basıncı büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle aşınma simülasyonu başlamadan, aşınma test yükü altında tüm malzemelerin alüminaya karşı kontak basınçları Hertzian kontak basınç prensibine göre teorik olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan bu basınçların simülasyonda da aynı şekilde oluşup, oluşmadığı kontrol edilmiştir. Teorik ve numerik hesaplar karşılaştırıldığında sonuçların oldukça yakın olduğu, hata yüzdesinin tüm metaller için ortalama %3 altında kaldığı görülmüştür. Aşınma deneyleri sonucunda elde edilen sürtünme katsayısı ve aşınma katsayısı (K) her malzeme özelinde parametre olarak girilerek, Archard aşınma teorisi ile aşınma kayıpları numerik olarak sonlu elemanlar analizi programında hesaplanmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar ve simülasyon sonuçları karşılaştırıldığında sonlu elemanlar modelinin aşınma tahmini konusunda geçerliliği olduğu görülmektedir. Kontak basıncın aşınma analizinde simülasyon tarafından kullanılması, basınç değerlerinden kaynaklanan hataların aşınma kayıpları sonuçlarına yansımasına da neden olmaktadır. Simülasyonun tüm malzemeleri elastik davranışlı ve mükemmel olarak kabul etmesi de bu hatalarda en büyük faktörlerden biri olarak belirmektedir. Artan yüklerle beraber plastik etkilerin, aşınma sırasında kontak noktasında sıcaklık etkisinin artması ile hata yüzdesinde az miktarda bir artış meydana gelmesi beklenilen bir sonuçtur. Aşınan yüzeylerde Raman spektroskopisi yöntemi ile tespit edilen oksit oluşumlarının ise yağlayıcı etki veya metal-metal aşınmasına sebep olabilecek durumlar ortaya çıkardığı belirlenmiştir. Numerik analiz tarafından ön görülemeyen bu davranışlar elde edilen hata paylarının oldukça anlaşılabilir olduğunu işaret etmektedir. Çalışmanın sonuncunda toparlanan tüm verirlerin oldukça umut verici olduğu görülmüştür. Sonlu elemanlar analizi yöntemi ile farklı metallerin aşınma davranışları ile ilgili tahminlerde bulunmak mümkün olarak görülmektedir. Literatürde numerik aşınma analizlerinde yapılan oldukça çalışma ve kullanılan son derece ileri analiz metotları bulunmaktadır. Ancak yapılan çalışmalar aşınma tahmini dışında genellikle aşınma simülasyonlarının algoritmalarını geliştirmek üzerine kurulmuştur. Bu noktada genellikle metal-metal veya polimer-metal gibi aşınma eşleri tercih edilerek, malzeme özelliklerine çok bağlı olmayan aşınma incelemeleri yapılması hedeflenmiştir. Bu çalışmada ise aşınmada ana etkilerden biri olan malzemeye bağlı özelliklerin farklı malzemeler için tespit edilip, bunların aşınma analizleri ile yorumlanabilmesi adına kapsamlı bir çalışma yapılmıştır.