Fatigue Failure Analysis of a 42CrMo4 Crankshaft

Öz

This study presents a root cause failure analysis of a 42CrMo4 steel crankshaft used in a power generator, which fractured after approximately 11,600 hours (~1.3 years) of service. A comprehensive investigation was conducted using visual inspection, chemical composition analysis, microstructural characterization, hardness testing, scanning electron microscopy (SEM) and fractography. The fracture surface of shaft exhibited beach marks and fatigue striations, confirming fatigue as the dominant failure mechanism. Non-metallic inclusions and metallurgical defects acted as stress concentrators and served as crack initiation sites, facilitating fatigue crack propagation. The final fracture zone showed features of ductile overload in the over load region. These findings indicate that while the alloy met compositional and hardness requirements, inadequate processing and the presence of inclusions detrimentally affected the fatigue response of the alloy. The study underscores the importance of stringent metallurgical quality control to improve the service life and reliability of critical rotating components such as crankshafts

Anahtar Kelimeler

• Crankshaft
• 42CrMo4
• Root cause failure analysis
• Fatigue
• Inclusions

42CrMo4 Krank Mili Yorulma Arızası Analizi

Öz

Bu çalışma, yaklaşık 11.600 saatlik (~1,3 yıl) hizmetten sonra kırılan bir güç jeneratöründe kullanılan 42CrMo4 çelik krank milinin kök neden arıza analizini sunmaktadır. Görsel muayene, kimyasal bileşim analizi, mikro yapısal karakterizasyon, sertlik testi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve fraktografi kullanılarak kapsamlı bir inceleme yürütülmüştür. Şaftın kırılma yüzeyinde plaj izleri ve yorulma çizgileri görülmekte olup, yorulmanın baskın arıza mekanizması olduğunu doğrulamaktadır. Metalik olmayan kapanımlar ve metalurjik kusurlar, gerilim yoğunlaştırıcı olarak hareket etmiş ve çatlak başlatma bölgeleri olarak görev yaparak yorulma çatlağının yayılmasını kolaylaştırmıştır. Son kırılma bölgesi, aşırı yük bölgesinde sünek aşırı yüklenme özellikleri göstermiştir. Bu bulgular, alaşımın bileşim ve sertlik gereksinimlerini karşılamasına rağmen, yetersiz işleme ve kapanımların varlığının alaşımın yorulma tepkisini olumsuz yönde etkilediğini göstermektedir. Çalışmada, krank milleri gibi kritik dönen bileşenlerin hizmet ömrünü ve güvenilirliğini artırmak için sıkı metalurjik kalite kontrolünün önemi vurgulanıyor.

Anahtar Kelimeler

• Krank mili
• 42CrMo4
• Kök neden arıza analizi
• Yorgunluk
• Kapanımlar

Kaynakça

1. Abdelrahman, M., Khalifa, W., & Abdu, M. (2023). Failure analysis of fatigue failed M20 class 8.8 galvanized steel bolt. Engineering Failure Analysis, 150.
2. Fonte, M., Anes, V., Duarte, P., Reis, L., Analysis, M. F.-E. F., & 2015, undefined. (2015). Crankshaft failure analysis of a boxer diesel motor. Engineering Failure Analysis, 56, 109–115.
3. Fonte, M., Duarte, P., Anes, V., & Freitas, M. (2015). On the assessment of fatigue life of marine diesel engine crankshafts. Engineering Failure Analysis, 56, 51–57.
4. Infante, V., Silva, J., Silvestre, M., & Baptista, R. (2013). Failure of a crankshaft of an aeroengine: A contribution for an accident investigation. Engineering Failure Analysis, 35, 286–293.
5. Kaynak, C., Ankara, A., & Baker, T. J. (1996). Initiation and early growth of short fatigue cracks at inclusions. Materials Science and Technology, 12(5), 421–426.
6. Sachs, N. (2005). Understanding the surface features of fatigue fractures: how they describe the failure cause and the failure history. Journal of Failure Analysis and Prevention, 5(2), 11–15.
7. Serrano-Munoz, I., Buffiere, J.-Y., Mokso, R., Verdu, C., & Nadot, Y. (2017). Location, location & size: defects close to surfaces dominate fatigue crack initiation. Scientific Reports, 7(1).
8. Wang, Q., Bathias, C., Kawagoishi, N., & Chen, Q. (2002). Effect of inclusion on subsurface crack initiation and gigacycle fatigue strength. International Journal of Fatigue, 24(12), 1269–1274.

9. Witek, L. (2016). Failure and thermo-mechanical stress analysis of the exhaust valve of diesel engine. Engineering Failure Analysis, 66, 154–165.
10. Yu, Z., & Xu, X. (2005). Failure analysis of a diesel engine crankshaft. Engineering Failure Analysis, 12(3), 487–495.