Failure analysis of cardan shaft’s flange yoke fracture occurred during torsional fatigue test

Öz

In this study, the analysis and characterization of the failure that occurred during the torsional fatigue test of the flange yoke unit part of the cardan shaft used in heavy commercial vehicles were carried out. In order to determine the root cause of the failure according to the production, structure, property and performance relationship in materials science, chemical analysis of the steel raw material used in the production of flange yoke, hardness measurement, grain size analysis, decarburization measurement, inclusion analysis and raw material characterization by scanning electron microscopy (SEM) were carried out. As a result of the studies, it was determined that the values obtained for 41Cr4 steel raw material were conformant according to the TS EN ISO 683-2 standard, but in the SEM examination and EDX analysis, elongated MnS inclusions in the microstructure and cracks were detected at the interface of the metal matrix and MnS inclusions. In this context, as a result of the characterization of the flange yoke unit part, it was determined that the MnS ratio was 2-4 μm x 898-1.181 μm according to the ASTM E45 standard, at the same level as the raw material and equivalent to the A-type value of 3.0-3.5. It was determined that MnS inclusion formations in the subsurface region formed crack propagation zones.

Anahtar Kelimeler

• failure analysis
• material characterization
• torsional fatigue
• inclusion
• Cardan shaft

Proje Numarası

AGM P045 Projesi

Torsiyonel yorulma testi sırasında kırılan kardan miline ait çatallı flanş parçasının hasar analizi

Öz

Bu çalışmada, ağır ticari araçlarda kullanılan kardan miline ait çatallı flanş birim parçasının torsiyonel yorulma testi sırasında meydana gelen hasarın analizi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Malzeme bilimindeki üretim-yapı-özellik ve performans ilişkisine göre hasarın kök nedeninin tespit edilmesi amacıyla çatallı flanş üretiminde kullanılan yuvarlak çelik hammaddenin kimyasal analizi, sertlik ölçümü, tane boyutu analizi, dekarbürizasyon ölçümü, inklüzyon analizi ve taramalı elektron mikroskobu yardımı ile mikroyapı incelemeleri ile hammadde karakterizasyonu tamamlanmıştır. İlave olarak, çatallı flanş birim parçasının tasarımının doğrulanmasında sonlu elemanlar analizi kullanılarak söz konusu çalışma desteklenmiştir. Yapılan çalışmalar neticesinde, çelik hammaddeden elde edilen değerler 41Cr4 ıslah TS EN ISO 683-2 standardına göre uygun olduğu tespit edilmesine rağmen SEM incelemesi ve EDX analizlerinde mikroyapıda uzamış MnS inklüzyonları ve metal matris ile MnS inklüzyonlarının ara yüzeylerinde çatlak tespit edilmiştir. Aynı kapsamda yapılan çatallı flanş birim parça karakterizasyonu sonucunda da MnS oranının hammadde ile aynı seviyede ASTM E45 standardına göre 2-4 μm x 898-1.181 μm değerlerinde olduğu ve A tipi 3,0-3,5 değerine eşdeğer olduğu belirlenmiştir. Yüzey altı bölge MnS inklüzyon oluşumlarının çatlak ilerleme bölgeleri oluşturduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• hasar analizi
• malzeme karakterizasyonu
• torsiyonel yorulma
• inklüzyon
• Kardan mili

Destekleyen Kurum

TİRSAN KARDAN

Proje Numarası

AGM P045 Projesi

Teşekkür

Bu çalışmanın gerçekleşmesinde desteklerini ve imkanlarını esirgemeyen Tirsan Kardan ARGE Merkezine ve Test Merkezine teşekkürü bir borç bilirim.

Kaynakça

1. SAE Driveshaft Committee, Universal Joint and Driveshaft Design Manual, SAE International, U.S.A., 1991.
2. Şener Ş. A., Müşteri Korelasyonuna Göre Hafif Bir Ticari Otonun Yorulma Test Parkurunun Oluşturulması, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 6 (2), 345-357, 2018.
3. Eyercioglu Ö., Dişlilerin Hızlandırılmış Yorulma Mukavemeti Testi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 12 (1-2), 153-166, 1997.
4. Akkaş, O., Tekrarlı Yorulma Yükleri Altında Çalışan Kardan Mili Birim Parçasının Karakterizasyonu ve Hasar Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Manisa, 2019.
5. Sakin R., Er M., 1100-H14 Alüminyum Alaşımının Düzlemsel Eğme Gerilmeli Yorulma Davranışının İncelenmesi, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 25 (2), 213-223, 2010.
6. Das C.R., Albert S.K., Bhaduri A.K., Ray S.K. Failure Analysis of A Pinion. Engineering Failure Analysis, 12, 287-298, 2005.
7. Lai J., Huang H., Buising W., Effect of Microstructure and Surface Roughness on The Fatigue Strength of High-Strength Steel, Procedia Structural Integrity, 2, 1213-1220, 2016.
8. Sandip B., Banerjee A., Chakrabarti I., Bhaumik B.K., Failure Analysis of An Input Shaft of Skip Drive Gearbox. Engineering Failure Analysis, 15, 411-419, 2008.

9. Tirsan Kardan San. Tic. A.Ş. Ürünlerimiz. http://www.tirsankardan.com.tr/kullanimalanlari/urunler.html. Güncellenme tarihi Ocak 1, 2020. Erişim tarihi Mayıs 5, 2020.
10. Bayrakceken H., Tasgetiren S., Yavuz İ., Two Cases of Failure in The Power Transmission System on Vehicles: A Universal Joint Yoke and A Drive Shaft, Engineering Failure Analysis, 14 (4), 716-724, 2007.
11. Bayrakçeken H., Taşgetiren S., Aksoy F., Failures of Single Cylinder Diesel Engines Crank Shafts, Engineering Failure Analysis, 14 (4), 725-730, 2007.
12. Bayrakçeken H., Failure Analysis of An Automobile Differential Pinion Shaft, Engineering Failure Analysis, 13 (8), 1422-1428, 2006.
13. Asi O., Fatigue Failure of a Rear Axle Shaft of An Automobile, Engineering Failure Analysis, 13 (8), 1293-1302, 2006.
14. Kresinsky F., Leidich E., Hasse A., Different Failure Mechanisms in Keyed Shaft-Hub Connections Under Dynamic Torque Load, Procedia Structural Integrity, 17, 162-169, 2019.
15. Roy A., Palit P., Das S., Mukhyopadyay G., Investigation of Torsional Fatigue Failure of a Centrifugal Pump Shaft, Engineering Failure Analysis, 112, 2020.
16. Kasaba M., Tarakçı S., Işık E., Akkaş O., A Correlation Study of an FEA Method Developed for Heavy Duty Driveshaft Applications, The Eurasia Proceedings of Science, Technology, Engineering & Mathematics (EPSTEM), Volume 7, 315-320, 2019.
17. Özbakış M., Yeni Ç. E., Comparison of Fatigue Behaviours of Flange Yokes Used in Cardan Shafts for Different Materials, 2nd International Congress on Engineering and Architecture, 2019.
18. Türk Standardı, TS EN ISO 683-2 Isıl işlemli çelikler, alaşımlı çelikler ve serbest kesim çelikler - Bölüm 2: Söndürme ve temperleme için alaşımlı çelikler, Türk Standartları Enstitüsü, 2018.
19. Işık E., Özes Ç., Determination of the Mechanical Properties of Friction Welded Tube Yoke and Tube Joint, Advances in Materials Science and Engineering, 8, 2016.
20. Türk Standardı, TS EN ISO 6507-1 Metalik malzemeler - Vickers sertlik deneyi - Bölüm 1: Deney metodu, Türk Standartları Enstitüsü, 2018.
21. ASTM Standards, ASTM E112-13, Standard Test Methods for Determining Average Grain Size, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2013.
22. ASTM Standards, ASTM E45-18a, Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2018.
23. Toptaş M. A., Çelik ve Isıl İşlem El Kitabı, Prestij Yayıncılık, İstanbul, Türkiye, 592s, 1998.
24. ASM Handbook Committee. Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. ASM International, Ohio, United States of America, 2521s, 1996.
25. Taylor T., Fourlaris G., Evans P. Development of Carbon-Manganese-Chromium Steels for Automotive Hot Stamping Technologies, Journal Materials Science and Technology, 33 (4), 487 - 496, 2016.
26. Türk Standardı, TS EN ISO 18265, Metal malzemeler - Sertlik değerlerinin çevrimi, Türk Standartları Enstitüsü, 2015.
27. Juvonen P., Effects of Non-metallic Inclusions on Fatigue Properties of Calcium Treated Steels, Doctoral Thesis, Helsinki University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Laboratory of Engineering Materials, Espoo, 2004.
28. Pantazopoulos G., Pressas I., Vazdirvanidis A., Fatigue Failure Analysis of A Ø14 B500C Steel Rebar: Metallurgical Evaluation and Numerical Simulation, Engineering Failure Analysis, 101, 180-192, 2019.
29. Yang C., Liu P., Luan Y., Li D., Li Y., Study on Transverse-Longitudinal Fatigue Properties and Their Effective Inclusion-Size Mechanism of Hot Rolled Bearing Steel with Rare Earth Addition, International Journal of Fatigue, 128, 105-193, 2019.
30. Wilks T.P., Cavallaro G.P., Subramanian C., Strafford K.N., French P., Allison J.E., Conditions Prevailing in The Carburising Process and Their Effect on The Fatigue Properties of Carburised Gears, Journal of Materials Processing Technology. 40 (1-2), 111-125, 1994.
31. Drar H., Fractographic Aspects of Fatigue of Sintered Ni-Steels, 34 (2), 129-141, 1995.
32. Bruce T., Rounding E., Long H., Dwyer-Joyce R.S., Characterisation of White Etching Crack Damage in Wind Turbine Gearbox Bearings, Wear, 338-339, 164-177, 2015.