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The study of fatigue life discrepancy on high-strength steel springs used in automotive engine application

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Heidari, Keivan (2016). The study of fatigue life discrepancy on high-strength steel springs used in automotive engine application. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

High-strength steels are the bainitic-martensitic steels that are used for coil spring products. Coil springs are particular components of the engine system that are widely used in automotive industries. Their main function is to absorb vibrations of the engine system, which imposes a high level of energy to these coil springs. Recent developments in automotive industries require the coil springs with high fatigue life and strength.

One of the objectives of this study is to assess the main reasons for fatigue life discrepancy of coil springs that broken in different numbers of cycles, varying in the range of 10 4 to 10 5 cycles. To that end, different material and microstructural characterization methods were used. These characterizations on coil springs, tested with controlled stress, revealed that the stress relaxation, and initial microstructure, was not the same in the coils with low life cycles (10 4) and high life cycles (10 5). Stress relaxation during fatigue test was more in springs failed at low numbers of cycles than the ones failed at high numbers of cycles. This work showed that microstructure of these low fatigue life springs have more martensite, which allows the harder material be formed. However, hard materials decreased the performance of the coil in service.

The other objective of this research work is to study the fatigue life of the parts as a function of the surface integrity conditions for different materials and process parameters. The fatigue testing was performed by rotating bending method (R=-1) with a stress of 1000 MPa. Fatigue life studies showed that failure for the steels without surface defects and residual stress came from inclusion particles. The chemical composition of these inclusions is rich in Aluminum-Calcium (Al-Ca). It was investigated that these inclusion particles do not control fatigue life after surface shot peening. It was shown that surface defects induced by shot peening cause failure. Surface defects after chemical polishing were removed and the best fatigue life obtained when specimens were shot peened and chemically polished.

Titre traduit

Étude des différences de comportement en fatigue de ressorts à haute limite d'élasticité utilisés dans le secteur automobile

Résumé traduit

Les aciers à haute limite élastique sont des aciers bainitique-martensitique utilisés dans la production de ressort. Ils sont utilisés en industrie automobile au niveau de la partie moteur. Leur fonction principale est d'amortir les vibrations générées par le moteur, ce qui implique que ces derniers soient soumis à un haut niveau de sollicitation. Les derniers progrès dans l'industrie automobile demandent le développement de ressort de haute résistance mécanique et ayant une meilleure résistance à la fatigue.

L'un des objectifs de cette étude est de caractériser les raisons principales contrôlant le comportement en fatigue des ressorts cassant pour différents nombres de cycle, allant de de 10 4 à 10 5 cycles. Pour ce faire, différentes microstructures et moyens de caractérisation ont été utilisés. Ces observations, réalisées sur des ressorts testés en contrainte imposée, montrent que la relaxation des contraintes et les microstructres initailes ne sont pas les mêmes dans le cas des ressorts à faibles durées de vie comparée à ceux de plus longues durées de vie. La relaxation des contraintes est plus prononcée pour les ressorts cassant à une faible nombre de cycle. Cette étude montre que les microstrustures de ces derniers contiennent plus de martenisite conférant au matériau une plus grande résistance à la déformation. Ainsi, les matéraiux les plus durs diminuent les peformences des ressorts en service.

En continuité de ces observations, cette étude a étudié le comportement en fatigue en fonction de l'état de surface de plusieurs matériaux et conditions de chargement. Les essais de fatigue ont été réalisés par flexion rotative (R =-1) à une contrainte de 1000 MPa. Les résultats obtenus montrent que la rupture des échantillons ne présentant pas de défauts de surface ni de contraintes résiduelles est due à la présence d'inclusions. Ces inclusions sont composées d'aluminium et de calcium. Elles ne contrôlent pas le comportement en fatigue des échantillons grenaillés. C'est plutôt la rugosité générée par le traitement de grenaillage qui est la cause de l'amorçage de fissure. La plupart des défauts de surface ont été supprimés par electro-polissage et la plus haute durée de vie a été atteinte par les échantillons grenaillés puis electro-polis.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 97-101).
Mots-clés libres: aciers à très haute limite d’élasticité, contraintes résiduelles, vie en fatigue, structure bainitique et martensitique, grenaillage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 10 juill. 2019 14:27
Dernière modification: 22 juill. 2019 18:46
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1853

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