Komponen kimia tabung kumparan baja tahan karat 310, Pengaruh Cacat Permukaan pada Kawat Baja yang Dikeraskan Minyak terhadap Umur Kelelahan Pegas Katup pada Mesin Otomotif

Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Slider menampilkan tiga artikel per slide.Gunakan tombol kembali dan berikutnya untuk menelusuri slide, atau tombol pengontrol slide di akhir untuk menelusuri setiap slide.

Tabung melingkar baja tahan karat 310/tabung melingkarKomposisi kimiadan komposisi

Tabel berikut menunjukkan komposisi kimia baja tahan karat grade 310S.

10*1Mm 9.25*1.24 Mm 310 Pemasok Tabung Melingkar Kapiler Baja Tahan Karat

Properti fisik

Sifat fisik baja tahan karat grade 310S ditampilkan pada tabel berikut.

Peralatan mekanis

Tabel berikut menguraikan sifat mekanik baja tahan karat grade 310S.

Sifat Termal

Sifat termal baja tahan karat grade 310S diberikan dalam tabel berikut.

Sebutan Lainnya

Sebutan lain yang setara dengan baja tahan karat kelas 310S tercantum dalam tabel berikut.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengevaluasi umur kelelahan pegas katup mesin mobil ketika menerapkan cacat mikro pada kawat yang dikeraskan oli dengan grade 2300 MPa (kawat OT) dengan kedalaman cacat kritis dengan diameter 2,5 mm.Pertama, deformasi cacat permukaan kawat OT selama pembuatan pegas katup diperoleh dengan analisis elemen hingga menggunakan metode subsimulasi, dan tegangan sisa pegas yang telah selesai diukur dan diterapkan pada model analisis tegangan pegas.Kedua, menganalisis kekuatan pegas katup, memeriksa tegangan sisa, dan membandingkan tingkat tegangan yang diberikan dengan ketidaksempurnaan permukaan.Ketiga, pengaruh cacat mikro terhadap umur kelelahan pegas dievaluasi dengan menerapkan tegangan pada cacat permukaan yang diperoleh dari analisis kekuatan pegas ke kurva SN yang diperoleh dari uji kelelahan lentur selama putaran kawat OT.Kedalaman cacat sebesar 40 µm adalah standar saat ini untuk mengelola cacat permukaan tanpa mengurangi umur lelah.
Industri otomotif memiliki permintaan yang kuat terhadap komponen otomotif ringan untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar kendaraan.Oleh karena itu, penggunaan baja berkekuatan tinggi tingkat lanjut (AHSS) semakin meningkat dalam beberapa tahun terakhir.Pegas katup mesin otomotif terutama terdiri dari kabel baja yang diperkeras oli (kabel OT) yang tahan panas, tahan aus, dan tidak kendur.
Karena kekuatan tariknya yang tinggi (1900–2100 MPa), kabel OT yang saat ini digunakan memungkinkan pengurangan ukuran dan massa pegas katup mesin, meningkatkan efisiensi bahan bakar dengan mengurangi gesekan dengan bagian sekitarnya1.Karena keunggulan ini, penggunaan batang kawat tegangan tinggi meningkat pesat, dan batang kawat berkekuatan sangat tinggi kelas 2300MPa muncul satu demi satu.Pegas katup pada mesin otomotif memerlukan masa pakai yang lama karena beroperasi pada beban siklik yang tinggi.Untuk memenuhi persyaratan ini, pabrikan biasanya mempertimbangkan umur kelelahan yang lebih besar dari 5,5×107 siklus ketika merancang pegas katup dan menerapkan tegangan sisa pada permukaan pegas katup melalui proses shot peening dan penyusutan panas untuk meningkatkan umur kelelahan2.
Ada beberapa penelitian tentang umur kelelahan pegas heliks pada kendaraan dalam kondisi pengoperasian normal.Gzal dkk.Analisis analitik, eksperimental dan elemen hingga (FE) pegas heliks elips dengan sudut heliks kecil di bawah beban statis disajikan.Studi ini memberikan ekspresi eksplisit dan sederhana untuk lokasi tegangan geser maksimum versus rasio aspek dan indeks kekakuan, dan juga memberikan wawasan analitis terhadap tegangan geser maksimum, yang merupakan parameter penting dalam desain praktis3.Pastorcic dkk.Hasil analisis kerusakan dan kelelahan pegas heliks yang dilepas dari mobil pribadi setelah kegagalan pengoperasian dijelaskan.Dengan menggunakan metode eksperimental, pegas yang rusak diperiksa dan hasilnya menunjukkan bahwa ini adalah contoh kegagalan kelelahan korosi4.lubang, dll. Beberapa model umur pegas regresi linier telah dikembangkan untuk mengevaluasi umur kelelahan pegas heliks otomotif.Putra dan lainnya.Karena permukaan jalan yang tidak rata, masa pakai pegas heliks mobil ditentukan.Namun, sedikit penelitian yang dilakukan tentang bagaimana cacat permukaan yang terjadi selama proses pembuatan mempengaruhi umur pegas koil otomotif.
Cacat permukaan yang terjadi selama proses manufaktur dapat menyebabkan konsentrasi tegangan lokal pada pegas katup, yang secara signifikan mengurangi umur lelahnya.Cacat permukaan pegas katup disebabkan oleh berbagai faktor, seperti cacat permukaan bahan baku yang digunakan, cacat pada perkakas, penanganan yang kasar pada saat pengerolan dingin7.Cacat permukaan bahan baku berbentuk V curam akibat pengerolan panas dan gambar multi-pass, sedangkan cacat akibat alat pembentuk dan penanganan yang ceroboh berbentuk U dengan kemiringan landai8,9,10,11.Cacat berbentuk V menyebabkan konsentrasi tegangan yang lebih tinggi dibandingkan cacat berbentuk U, sehingga kriteria pengelolaan cacat yang ketat biasanya diterapkan pada bahan awal.
Standar pengelolaan cacat permukaan saat ini untuk kabel OT mencakup ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561, dan KS D 3580. DIN EN 10270-2 menetapkan bahwa kedalaman cacat permukaan pada diameter kawat 0,5– 10 mm kurang dari 0,5–1% diameter kawat.Selain itu, JIS G 3561 dan KS D 3580 mensyaratkan kedalaman cacat permukaan pada batang kawat dengan diameter 0,5–8 mm harus kurang dari 0,5% diameter kawat.Dalam ASTM A877/A877M-10, produsen dan pembeli harus menyepakati kedalaman cacat permukaan yang diperbolehkan.Untuk mengukur kedalaman cacat pada permukaan kawat, biasanya kawat tersebut digores dengan asam klorida, kemudian diukur kedalaman cacatnya dengan menggunakan mikrometer.Namun cara ini hanya dapat mengukur cacat pada area tertentu dan tidak pada seluruh permukaan produk akhir.Oleh karena itu, produsen menggunakan pengujian arus eddy selama proses penarikan kawat untuk mengukur cacat permukaan pada kawat yang diproduksi secara terus menerus;pengujian ini dapat mengukur kedalaman cacat permukaan hingga 40 µm.Kawat baja kelas 2300MPa yang sedang dikembangkan memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi dan perpanjangan yang lebih rendah dibandingkan kawat baja kelas 1900-2200MPa yang ada, sehingga umur kelelahan pegas katup dianggap sangat sensitif terhadap cacat permukaan.Oleh karena itu, perlu dilakukan pengecekan keamanan penerapan standar pengendalian kedalaman cacat permukaan yang ada untuk kawat baja grade 1900-2200 MPa hingga kawat baja grade 2300 MPa.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengevaluasi umur kelelahan pegas katup mesin otomotif ketika kedalaman cacat minimum yang dapat diukur dengan pengujian arus eddy (yaitu 40 µm) diterapkan pada kawat OT kelas 2300 MPa (diameter: 2,5 mm): cacat kritis kedalaman .Kontribusi dan metodologi penelitian ini adalah sebagai berikut.
Sebagai cacat awal pada kawat OT, digunakan cacat berbentuk V, yang sangat mempengaruhi umur kelelahan, dalam arah melintang relatif terhadap sumbu kawat.Perhatikan perbandingan dimensi (α) dan panjang (β) suatu cacat permukaan untuk melihat pengaruh kedalaman (h), lebar (w), dan panjang (l).Cacat permukaan terjadi di dalam pegas, dimana keruntuhan terjadi terlebih dahulu.
Untuk memprediksi deformasi cacat awal pada kawat OT selama belitan dingin, digunakan pendekatan sub-simulasi yang memperhitungkan waktu analisis dan ukuran cacat permukaan, karena cacatnya sangat kecil dibandingkan dengan kawat OT.model global.
Tegangan tekan sisa pada pegas setelah shot peening dua tahap dihitung dengan metode elemen hingga, hasilnya dibandingkan dengan pengukuran setelah shot peening untuk memastikan model analitik.Selain itu, tegangan sisa pada pegas katup dari seluruh proses manufaktur diukur dan diterapkan pada analisis kekuatan pegas.
Tegangan pada cacat permukaan diprediksi dengan menganalisis kekuatan pegas, dengan mempertimbangkan deformasi cacat selama pengerolan dingin dan tegangan tekan sisa pada pegas akhir.
Uji kelelahan lentur putar dilakukan dengan menggunakan kawat OT yang terbuat dari bahan yang sama dengan pegas katup.Untuk mengkorelasikan tegangan sisa dan karakteristik kekasaran permukaan pegas katup yang dibuat dengan jalur OT, kurva SN diperoleh dengan memutar uji kelelahan lentur setelah menerapkan peening dan torsi dua tahap sebagai proses perlakuan awal.
Hasil analisis kekuatan pegas diterapkan pada persamaan Goodman dan kurva SN untuk memprediksi umur kelelahan pegas katup, dan pengaruh kedalaman cacat permukaan terhadap umur kelelahan juga dievaluasi.
Dalam penelitian ini, kawat kelas OT 2300 MPa dengan diameter 2,5 mm digunakan untuk mengevaluasi umur kelelahan pegas katup mesin otomotif.Pertama, dilakukan uji tarik kawat untuk mendapatkan model patah uletnya.
Sifat mekanik kawat OT diperoleh dari uji tarik sebelum analisis elemen hingga proses penggulungan dingin dan kekuatan pegas.Kurva tegangan-regangan material ditentukan dengan menggunakan hasil uji tarik pada laju regangan 0,001 s-1, seperti ditunjukkan pada gambar.1. Kawat SWONB-V digunakan, dan kuat luluh, kuat tarik, modulus elastis, dan rasio Poisson masing-masing adalah 2001,2MPa, 2316MPa, 206GPa, dan 0,3.Ketergantungan tegangan terhadap regangan aliran diperoleh sebagai berikut:
Beras.Gambar 2 mengilustrasikan proses patah ulet.Material mengalami deformasi elastoplastik selama deformasi, dan material menyempit ketika tegangan pada material mencapai kekuatan tariknya.Selanjutnya, penciptaan, pertumbuhan dan asosiasi rongga-rongga di dalam material menyebabkan kehancuran material.
Model patahan ulet menggunakan model deformasi kritis yang dimodifikasi dengan tegangan yang memperhitungkan pengaruh tegangan, dan patahan pasca-necking menggunakan metode akumulasi kerusakan.Di sini, inisiasi kerusakan dinyatakan sebagai fungsi regangan, triaksialitas tegangan, dan laju regangan.Triaksialitas tegangan didefinisikan sebagai nilai rata-rata yang diperoleh dengan membagi tegangan hidrostatis akibat deformasi material sampai dengan pembentukan leher dengan tegangan efektif.Pada metode akumulasi kerusakan, kehancuran terjadi ketika nilai kerusakan mencapai 1, dan energi yang dibutuhkan untuk mencapai nilai kerusakan 1 didefinisikan sebagai energi kehancuran (Gf).Energi rekahan sesuai dengan daerah kurva tegangan-perpindahan material yang sebenarnya mulai dari leher hingga waktu patah.
Dalam kasus baja konvensional, tergantung pada mode tegangan, patah ulet, patah geser, atau patah mode campuran terjadi karena daktilitas dan patah geser, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Regangan patah dan triaksialitas tegangan menunjukkan nilai yang berbeda untuk baja konvensional. pola patahan.
Kegagalan plastis terjadi di daerah yang memiliki triaksialitas tegangan lebih dari 1/3 (zona I), dan triaksialitas regangan patah dan tegangan dapat disimpulkan dari uji tarik pada spesimen dengan cacat permukaan dan takik.Di area yang berhubungan dengan triaksialitas tegangan 0 ~ 1/3 (zona II), terjadi kombinasi patah ulet dan keruntuhan geser (yaitu melalui uji torsi. Di area yang sesuai dengan triaksialitas tegangan dari -1/3 hingga 0 (III), keruntuhan geser yang disebabkan oleh kompresi, dan triaksialitas regangan dan tegangan patah dapat diperoleh dengan uji kesalingan.
Untuk kabel OT yang digunakan dalam pembuatan pegas katup mesin, patahan yang disebabkan oleh berbagai kondisi pembebanan selama proses pembuatan dan kondisi aplikasi perlu diperhitungkan.Oleh karena itu, uji tarik dan torsi dilakukan untuk menerapkan kriteria regangan kegagalan, pengaruh triaksialitas tegangan pada setiap mode tegangan dipertimbangkan, dan analisis elemen hingga elastoplastik pada regangan besar dilakukan untuk mengukur perubahan triaksialitas tegangan.Mode kompresi tidak dipertimbangkan karena keterbatasan pemrosesan sampel, yaitu diameter kawat OT hanya 2,5 mm.Tabel 1 mencantumkan kondisi pengujian tarik dan torsi, serta triaksialitas tegangan dan regangan patah, yang diperoleh dengan menggunakan analisis elemen hingga.
Regangan patah baja triaksial konvensional di bawah tekanan dapat diprediksi dengan menggunakan persamaan berikut.
dimana C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) potongan bersih (η = 0) dan C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Tegangan uniaksial (η = η0 = 1/3).
Garis tren untuk setiap mode tegangan diperoleh dengan menerapkan nilai regangan patah C1 dan C2 ke dalam persamaan.(2);C1 dan C2 diperoleh dari uji tarik dan torsi pada sampel tanpa cacat permukaan.Gambar 4 menunjukkan triaksialitas tegangan dan regangan patah yang diperoleh dari pengujian dan garis tren yang diprediksi oleh persamaan.(2) Garis tren yang diperoleh dari pengujian dan hubungan antara triaksialitas tegangan dan regangan patah menunjukkan tren yang serupa.Triaksialitas regangan patah dan tegangan untuk setiap mode tegangan, yang diperoleh dari penerapan garis tren, digunakan sebagai kriteria patah ulet.
Energi putus digunakan sebagai properti material untuk menentukan waktu patah setelah necking dan dapat diperoleh dari uji tarik.Energi rekahan bergantung pada ada tidaknya retakan pada permukaan material, karena waktu terjadinya rekahan bergantung pada konsentrasi tegangan lokal.Gambar 5a-c menunjukkan energi rekahan sampel tanpa cacat permukaan dan sampel dengan takik R0,4 atau R0,8 dari uji tarik dan analisis elemen hingga.Energi rekahan sesuai dengan luas kurva tegangan-perpindahan sebenarnya dari leher hingga waktu rekahan.
Energi patah kawat OT dengan cacat permukaan halus diprediksi dengan melakukan uji tarik pada kawat OT dengan kedalaman cacat lebih dari 40 µm, seperti ditunjukkan pada Gambar 5d.Sepuluh spesimen dengan cacat digunakan dalam uji tarik dan energi patah rata-rata diperkirakan sebesar 29,12 mJ/mm2.
Cacat permukaan standar didefinisikan sebagai rasio kedalaman cacat terhadap diameter kawat pegas katup, terlepas dari geometri cacat permukaan kawat OT yang digunakan dalam pembuatan pegas katup otomotif.Cacat kawat OT dapat diklasifikasikan berdasarkan orientasi, geometri, dan panjangnya.Walaupun dengan kedalaman cacat yang sama, besarnya tegangan yang bekerja pada cacat permukaan pada suatu pegas berbeda-beda tergantung pada geometri dan orientasi cacat, sehingga geometri dan orientasi cacat dapat mempengaruhi kekuatan lelah.Oleh karena itu, geometri dan orientasi cacat yang mempunyai dampak terbesar terhadap umur kelelahan pegas perlu diperhitungkan untuk menerapkan kriteria yang ketat dalam menangani cacat permukaan.Karena struktur butiran halus kawat OT, umur kelelahannya sangat sensitif terhadap bentukan.Oleh karena itu, cacat yang menunjukkan konsentrasi tegangan tertinggi menurut geometri dan orientasi cacat harus ditetapkan sebagai cacat awal dengan menggunakan analisis elemen hingga.Pada gambar.Gambar 6 menunjukkan pegas katup otomotif kelas 2300 MPa berkekuatan sangat tinggi yang digunakan dalam penelitian ini.
Cacat permukaan kawat OT dibagi menjadi cacat internal dan cacat eksternal sesuai dengan sumbu pegas.Akibat pembengkokan selama pengerolan dingin, tegangan tekan dan tegangan tarik masing-masing bekerja pada bagian dalam dan luar pegas.Patahan dapat disebabkan oleh cacat permukaan yang muncul dari luar akibat tegangan tarik pada saat pengerolan dingin.
Dalam praktiknya, pegas mengalami kompresi dan relaksasi secara berkala.Selama kompresi pegas, kawat baja terpelintir, dan karena konsentrasi tegangan, tegangan geser di dalam pegas lebih tinggi daripada tegangan geser di sekitarnya7.Oleh karena itu, jika terdapat cacat permukaan di dalam pegas, kemungkinan pecahnya pegas adalah yang terbesar.Dengan demikian, sisi luar pegas (lokasi di mana diperkirakan terjadi kegagalan selama pembuatan pegas) dan sisi dalam (di mana tegangan paling besar pada penerapan sebenarnya) ditetapkan sebagai lokasi cacat permukaan.
Geometri cacat permukaan garis PL dibagi menjadi bentuk U, bentuk V, bentuk Y, dan bentuk T.Tipe Y dan tipe T terutama terdapat pada cacat permukaan bahan mentah, dan cacat tipe U dan tipe V terjadi karena penanganan perkakas yang ceroboh dalam proses pengerolan dingin.Berkenaan dengan geometri cacat permukaan bahan mentah, cacat berbentuk U yang timbul dari deformasi plastis tidak seragam selama pengerolan panas dideformasi menjadi cacat jahitan berbentuk V, berbentuk Y, dan berbentuk T pada kondisi peregangan multi-lintasan8, 10.
Selain itu, cacat berbentuk V, berbentuk Y, dan berbentuk T dengan kemiringan takik yang curam pada permukaan akan mengalami konsentrasi tegangan yang tinggi selama pengoperasian pegas.Pegas katup menekuk selama pengerolan dingin dan memutar selama pengoperasian.Konsentrasi tegangan pada cacat berbentuk V dan cacat berbentuk Y dengan konsentrasi tegangan lebih tinggi dibandingkan menggunakan analisis elemen hingga, ABAQUS – perangkat lunak analisis elemen hingga komersial.Hubungan tegangan-regangan ditunjukkan pada Gambar 1 dan Persamaan 1. (1) Simulasi ini menggunakan elemen persegi panjang empat titik dua dimensi (2D), dan panjang sisi elemen minimum adalah 0,01 mm.Untuk model analitik, cacat berbentuk V dan Y dengan kedalaman 0,5 mm dan kemiringan cacat 2° diterapkan pada model 2D kawat dengan diameter 2,5 mm dan panjang 7,5 mm.
Pada gambar.Gambar 7a menunjukkan konsentrasi tegangan lentur pada ujung setiap cacat ketika momen lentur sebesar 1500 Nmm diterapkan pada kedua ujung masing-masing kawat.Hasil analisis menunjukkan bahwa tegangan maksimum sebesar 1038,7 dan 1025,8 MPa masing-masing terjadi pada puncak cacat berbentuk V dan Y.Pada gambar.Gambar 7b menunjukkan konsentrasi tegangan di bagian atas setiap cacat yang disebabkan oleh torsi.Ketika sisi kiri dibatasi dan torsi 1500 N∙mm diterapkan ke sisi kanan, tegangan maksimum yang sama sebesar 1099 MPa terjadi pada ujung cacat berbentuk V dan Y.Hasil tersebut menunjukkan bahwa cacat tipe V menunjukkan tegangan lentur yang lebih tinggi dibandingkan cacat tipe Y ketika memiliki kedalaman dan kemiringan cacat yang sama, namun mengalami tegangan puntir yang sama.Oleh karena itu, cacat permukaan berbentuk V dan Y dengan kedalaman dan kemiringan cacat yang sama dapat dinormalisasi menjadi cacat permukaan berbentuk V dengan tegangan maksimum yang lebih tinggi yang disebabkan oleh konsentrasi tegangan.Rasio ukuran cacat tipe V didefinisikan sebagai α = w/h menggunakan kedalaman (h) dan lebar (w) dari cacat tipe V dan tipe T;dengan demikian, cacat tipe-T (α ≈ 0), geometrinya dapat ditentukan oleh struktur geometri cacat tipe-V.Oleh karena itu, cacat tipe Y dan tipe T dapat dinormalisasi dengan cacat tipe V.Menggunakan kedalaman (h) dan panjang (l), rasio panjang didefinisikan sebagai β = l/h.
Seperti terlihat pada Gambar 811, arah cacat permukaan kabel OT dibagi menjadi arah memanjang, melintang dan miring, seperti terlihat pada Gambar 811. Analisis pengaruh orientasi cacat permukaan terhadap kekuatan pegas oleh elemen hingga metode.
Pada gambar.Gambar 9a menunjukkan model analisis tegangan pegas katup mesin.Sebagai kondisi analisis, pegas dikompresi dari tinggi bebas 50,5 mm ke tinggi keras 21,8 mm, tegangan maksimum yang dihasilkan di dalam pegas sebesar 1086 MPa, seperti ditunjukkan pada Gambar 9b.Karena kegagalan pegas katup mesin sebenarnya terutama terjadi di dalam pegas, adanya cacat permukaan internal diperkirakan akan berdampak serius terhadap umur kelelahan pegas.Oleh karena itu, cacat permukaan pada arah memanjang, melintang dan miring diterapkan pada bagian dalam pegas katup mesin menggunakan teknik sub-pemodelan.Tabel 2 menunjukkan dimensi cacat permukaan dan tegangan maksimum pada setiap arah cacat pada kompresi pegas maksimum.Tegangan tertinggi diamati pada arah melintang, dan rasio tegangan pada arah memanjang dan miring terhadap arah melintang diperkirakan 0,934–0,996.Rasio tegangan dapat ditentukan hanya dengan membagi nilai ini dengan tegangan transversal maksimum.Tegangan maksimum pada pegas terjadi pada bagian atas setiap cacat permukaan, seperti ditunjukkan pada Gambar 9s.Nilai tegangan yang diamati pada arah memanjang, melintang, dan miring masing-masing sebesar 2045, 2085, dan 2049 MPa.Hasil analisis tersebut menunjukkan bahwa cacat permukaan melintang mempunyai pengaruh paling langsung terhadap umur kelelahan pegas katup mesin.
Cacat berbentuk V, yang diasumsikan paling langsung mempengaruhi umur kelelahan pegas katup mesin, dipilih sebagai cacat awal pada kawat OT, dan arah melintang dipilih sebagai arah cacat.Cacat ini terjadi tidak hanya di bagian luar, dimana pegas katup mesin putus selama pembuatan, tetapi juga di dalam, dimana tegangan terbesar terjadi akibat konsentrasi tegangan selama pengoperasian.Kedalaman cacat maksimum diatur ke 40 µm, yang dapat dideteksi dengan deteksi cacat arus eddy, dan kedalaman minimum diatur ke kedalaman yang sesuai dengan 0,1% dari diameter kawat 2,5 mm.Oleh karena itu, kedalaman cacat adalah 2,5 hingga 40 µm.Kedalaman, panjang, dan lebar cacat dengan rasio panjang 0,1~1 dan rasio panjang 5~15 digunakan sebagai variabel, dan pengaruhnya terhadap kekuatan lelah pegas dievaluasi.Tabel 3 mencantumkan kondisi analitis yang ditentukan menggunakan metodologi permukaan respons.
Pegas katup mesin otomotif diproduksi dengan penggulungan dingin, temper, peledakan tembakan, dan pengaturan panas kawat OT.Perubahan cacat permukaan selama fabrikasi pegas harus diperhitungkan untuk mengevaluasi pengaruh cacat permukaan awal pada kabel OT terhadap umur kelelahan pegas katup mesin.Oleh karena itu, pada bagian ini, analisis elemen hingga digunakan untuk memprediksi deformasi cacat permukaan kawat OT selama pembuatan setiap pegas.
Pada gambar.10 menunjukkan proses penggulungan dingin.Selama proses ini, kawat OT dimasukkan ke dalam pemandu kawat oleh roller pengumpan.Pemandu kawat mengumpankan dan menopang kawat untuk mencegah pembengkokan selama proses pembentukan.Kawat yang melewati pemandu kawat dibengkokkan oleh batang pertama dan kedua hingga membentuk pegas koil dengan diameter dalam yang diinginkan.Nada pegas dihasilkan dengan menggerakkan alat pijakan setelah satu putaran.
Pada gambar.Gambar 11a menunjukkan model elemen hingga yang digunakan untuk mengevaluasi perubahan geometri cacat permukaan selama pengerolan dingin.Pembentukan kawat terutama diselesaikan oleh pin belitan.Karena lapisan oksida pada permukaan kawat bertindak sebagai pelumas, efek gesekan dari roller umpan dapat diabaikan.Oleh karena itu, dalam model perhitungan, feed roller dan wire guide disederhanakan sebagai bushing.Koefisien gesekan antara kawat OT dan alat pembentuk diatur sebesar 0,05.Bidang benda kaku 2D dan kondisi fiksasi diterapkan pada ujung kiri garis sehingga dapat diumpankan ke arah X dengan kecepatan yang sama dengan roller pengumpan (0,6 m/s).Pada gambar.Gambar 11b menunjukkan metode sub-simulasi yang digunakan untuk menerapkan cacat kecil pada kabel.Untuk memperhitungkan besarnya cacat permukaan, submodel diterapkan dua kali untuk cacat permukaan dengan kedalaman 20 µm atau lebih dan tiga kali untuk cacat permukaan dengan kedalaman kurang dari 20 µm.Cacat permukaan diterapkan pada area yang dibentuk dengan langkah yang sama.Pada model pegas secara keseluruhan, panjang kawat lurus adalah 100 mm.Untuk submodel pertama, terapkan submodel 1 dengan panjang 3mm dengan posisi memanjang 75mm dari model global.Simulasi ini menggunakan elemen delapan node heksagonal tiga dimensi (3D).Dalam model global dan submodel 1, panjang sisi minimum setiap elemen masing-masing adalah 0,5 dan 0,2 mm.Setelah analisis sub-model 1, cacat permukaan diterapkan pada sub-model 2, dan panjang serta lebar sub-model 2 adalah 3 kali panjang cacat permukaan untuk menghilangkan pengaruh kondisi batas sub-model, di Selain itu, 50% dari panjang dan lebar digunakan sebagai kedalaman submodel.Pada sub-model 2, panjang sisi minimum setiap elemen adalah 0,005 mm.Cacat permukaan tertentu diterapkan pada analisis elemen hingga seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.
Pada gambar.Gambar 12 menunjukkan distribusi tegangan pada retakan permukaan setelah pengerjaan dingin suatu kumparan.Model umum dan submodel 1 menunjukkan tekanan yang hampir sama yaitu 1076 dan 1079 MPa di tempat yang sama, yang menegaskan kebenaran metode submodeling.Konsentrasi tegangan lokal terjadi pada tepi batas submodel.Rupanya, hal ini disebabkan oleh kondisi batas submodel.Karena konsentrasi tegangan, sub-model 2 dengan cacat permukaan yang diterapkan menunjukkan tegangan sebesar 2449 MPa di ujung cacat selama pengerolan dingin.Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3, cacat permukaan yang diidentifikasi dengan metode permukaan respons diterapkan pada bagian dalam pegas.Hasil analisis elemen hingga menunjukkan bahwa tidak satu pun dari 13 kasus cacat permukaan yang gagal.
Selama proses penggulungan di semua proses teknologi, kedalaman cacat permukaan di dalam pegas meningkat 0,1–2,62 µm (Gbr. 13a), dan lebarnya berkurang 1,8–35,79 µm (Gbr. 13b), sedangkan panjangnya bertambah 0,72 –34,47 µm (Gbr. 13c).Karena cacat berbentuk V melintang ditutup lebarnya dengan cara ditekuk selama proses pengerolan dingin, maka cacat tersebut berubah bentuk menjadi cacat berbentuk V dengan kemiringan yang lebih curam dari cacat aslinya.
Deformasi Kedalaman, Lebar dan Panjang Cacat Permukaan Kawat OT pada Proses Pembuatan.
Terapkan cacat permukaan pada bagian luar pegas dan prediksi kemungkinan kerusakan selama pengerolan dingin menggunakan Analisis Elemen Hingga.Di bawah kondisi yang tercantum dalam Tabel.3, tidak ada kemungkinan rusaknya cacat pada permukaan luar.Dengan kata lain, tidak terjadi kerusakan pada kedalaman cacat permukaan 2,5 hingga 40 µm.
Untuk memprediksi cacat permukaan yang kritis, retakan eksternal selama pengerolan dingin diselidiki dengan meningkatkan kedalaman cacat dari 40 µm menjadi 5 µm.Pada gambar.14 menunjukkan retakan sepanjang cacat permukaan.Rekahan terjadi pada kondisi kedalaman (55 µm), lebar (2 µm), dan panjang (733 µm).Kedalaman kritis dari cacat permukaan di luar pegas ternyata 55 mikron.
Proses shot peening menekan pertumbuhan retak dan meningkatkan umur kelelahan dengan menciptakan tegangan tekan sisa pada kedalaman tertentu dari permukaan pegas;namun, hal ini menginduksi konsentrasi tegangan dengan meningkatkan kekasaran permukaan pegas, sehingga mengurangi ketahanan lelah pegas.Oleh karena itu, teknologi shot peening sekunder digunakan untuk menghasilkan pegas berkekuatan tinggi untuk mengkompensasi pengurangan umur kelelahan yang disebabkan oleh peningkatan kekasaran permukaan yang disebabkan oleh shot peening.Shot peening dua tahap dapat memperbaiki kekasaran permukaan, tegangan sisa tekan maksimum, dan tegangan sisa tekan permukaan karena shot peening kedua dilakukan setelah shot peening pertama12,13,14.
Pada gambar.Gambar 15 menunjukkan model analitis dari proses shot blasting.Model plastik elastis dibuat di mana 25 bola tembakan dijatuhkan ke area target garis OT untuk tembakan peledakan.Dalam model analisis peledakan tembakan, cacat permukaan kawat OT yang terdeformasi selama belitan dingin digunakan sebagai cacat awal.Penghapusan tegangan sisa yang timbul pada proses cold rolling dengan cara tempering sebelum proses shot blasting.Sifat-sifat bola tembakan berikut ini digunakan: massa jenis (ρ): 7800 kg/m3, modulus elastisitas (E) – 210 GPa, rasio Poisson (υ): 0,3.Koefisien gesekan antara bola dan benda diatur sebesar 0,1.Tembakan dengan diameter 0,6 dan 0,3 mm dikeluarkan dengan kecepatan yang sama yaitu 30 m/s selama lintasan penempaan pertama dan kedua.Setelah proses shot blasting (di antara proses manufaktur lainnya ditunjukkan pada Gambar 13), kedalaman, lebar, dan panjang cacat permukaan dalam pegas berkisar antara -6,79 hingga 0,28 µm, -4,24 hingga 1,22 µm, dan -2 ,59 hingga 1,69 µm, masing-masing µm.Karena deformasi plastis proyektil yang dilempar tegak lurus ke permukaan material, kedalaman cacat berkurang, khususnya lebar cacat berkurang secara signifikan.Rupanya, cacat tersebut ditutup karena deformasi plastis akibat shot peening.
Selama proses penyusutan panas, efek penyusutan dingin dan anil suhu rendah dapat bekerja pada pegas katup mesin secara bersamaan.Pengaturan dingin memaksimalkan tingkat tegangan pegas dengan menekannya ke tingkat tertinggi pada suhu kamar.Dalam hal ini, jika pegas katup mesin dibebani melebihi kekuatan luluh material, pegas katup mesin mengalami deformasi plastis, sehingga meningkatkan kekuatan luluh.Setelah deformasi plastis, pegas katup melentur, tetapi kekuatan luluh yang meningkat memberikan elastisitas pegas katup dalam pengoperasian sebenarnya.Anil suhu rendah meningkatkan ketahanan panas dan deformasi pegas katup yang beroperasi pada suhu tinggi2.
Cacat permukaan terdeformasi selama peledakan dalam analisis FE dan bidang tegangan sisa yang diukur dengan peralatan difraksi sinar-X (XRD) diterapkan pada sub-model 2 (Gbr. 8) untuk menyimpulkan perubahan cacat selama penyusutan panas.Pegas dirancang untuk beroperasi dalam rentang elastis dan dikompresi dari tinggi bebasnya 50,5 mm ke tinggi tegasnya 21,8 mm dan kemudian dibiarkan kembali ke ketinggian semula 50,5 mm sebagai kondisi analisis.Selama penyusutan panas, geometri cacat tidak banyak berubah.Rupanya, tegangan tekan sisa sebesar 800 MPa ke atas, yang ditimbulkan oleh peledakan, menekan deformasi cacat permukaan.Setelah penyusutan panas (Gbr. 13), kedalaman, lebar, dan panjang cacat permukaan bervariasi masing-masing dari -0,13 hingga 0,08 µm, dari -0,75 hingga 0 µm, dan dari 0,01 hingga 2,4 µm.
Pada gambar.16 membandingkan deformasi cacat berbentuk U dan berbentuk V dengan kedalaman yang sama (40 µm), lebar (22 µm) dan panjang (600 µm).Perubahan lebar cacat berbentuk U dan V lebih besar dibandingkan dengan perubahan panjang, hal ini disebabkan oleh tertutupnya arah lebar pada proses cold rolling dan shot blasting.Dibandingkan dengan cacat berbentuk U, cacat berbentuk V terbentuk pada kedalaman yang relatif lebih dalam dan dengan kemiringan yang lebih curam, sehingga menunjukkan bahwa pendekatan konservatif dapat diambil ketika menerapkan cacat berbentuk V.
Pada bagian ini dibahas mengenai deformasi cacat awal pada garis OT untuk setiap proses pembuatan pegas katup.Cacat kawat OT awal diterapkan pada bagian dalam pegas katup di mana kegagalan diperkirakan terjadi karena tekanan tinggi selama pengoperasian pegas.Cacat permukaan berbentuk V melintang pada kabel OT sedikit meningkat kedalaman dan panjangnya serta menurun tajam lebarnya karena pembengkokan selama belitan dingin.Penutupan dalam arah lebar terjadi selama shot peening dengan sedikit atau tanpa deformasi cacat yang nyata selama pengaturan panas akhir.Pada proses cold rolling dan shot peening terjadi deformasi besar pada arah lebar akibat deformasi plastis.Cacat berbentuk V di dalam pegas katup diubah menjadi cacat berbentuk T karena penutupan lebar selama proses pengerolan dingin.