Influence of Hard Turning on the Surface Characteristics and Fatigue Life of 300M Ultra-High Strenght Steel

Le tournage dur est un procédé d'usinage fiable utilisé dans le cadre d'opérations de finitions pour les matériaux durs (45 HRC et plus). Ce procédé génère des surfaces ayant des propriétés modifiées qui peuvent être conçues sur mesure, pourvu que les conditions de coupes soient soigneusement sélectionnées. Le tournage étant un procédé complexe impliquant de nombreux paramètres interagissant les uns avec les autres, l'usage d'une technique d'optimisation à objectifs multiples est une approche efficace pour optimiser multiples caractéristiques de surface de façon simultanée. Les paramètres de coupes de l'usinage dur peuvent être optimisés dans le but de générer une rugosité de surface faible ainsi que des contraintes résiduelles de compression élevées. Ainsi, il est attendu du tournage dur qu'il puisse produire des surfaces adaptées améliorant la performance en fatigue. Toutefois, ceci n'est vrai que si le matériau usiné est exempt de défauts internes pouvant agir comme sites préférentiels pour l'initiation de fissures. Dans le cas des aciers à ultra haute performance tel que le 300M, la résistance à la fatigue est très élevée et la taille critique d'inclusion très faible. Par conséquent, lorsque les défauts internes sont plus sévères que les défauts de surface, ils agissent comme sites préférentiels pour l'initiation de fissures et la fatigue devient un mécanisme interne plutôt qu'un phénomène de surface. Ce projet comprend deux volets. Tout d'abord, un plan d'expérience fut développé pour évaluer l'influence des paramètres de coupe sur les caractéristiques de surfaces générées par le tournage dur. Un plan Taguchi L9 fut utilisé et quatre facteurs de contrôle – outil de coupe (T), vitesse de coupe (V), avance (f) and profondeur de passe (D) – furent évalués à trois différents niveaux (faible, moyen, élevé). Les tests d'usinages furent exécutés et les caractéristiques de surfaces évaluées. Les paramètres de rugosité de surface Ra, Rv and Rz varièrent entre respectivement 0.26 – 1.62 μm, 0.77 – 2.80 μm et 1.36 – 6.76 μm. Les contraintes résiduelles de surface axiales (ASRS) et circonférentielles (HSRS) varièrent respectivement entre 26 et -953 MPa et 326 et - 384 MPa. L'épaisseur de la couche blanche WL varia entre 0.69 et 1.24 μm. Une approche d'optimisation à objectifs multiples fut ensuite utilisée pour déterminer les conditions de coupes optimales permettant de produire des caractéristiques d'intégrité de surface pouvant améliorer la vie en fatigue sur la base des résultats du plan d'expérience. Les paramètres de coupe optimisés permirent de réduire le paramètre de rugosité de surface Ra de 50% et d'augmenter les contraintes résiduelles axiales de surface en compression de 307% par rapport à la condition de référence. La condition optimisée impliqua l'usage d'un outil de coupe céramique composite, d'une vitesse de coupe faible (V = 50 m/min), d'une avance faible (f = 0.051 mm/rev) ainsi que d'une profondeur de passe élevée (D = 0.762 mm). Ensuite, un ensemble de quatre conditions de coupe fut utilisé pour usiner des spécimens de fatigue dans le but d'évaluer l'influence des caractéristiques de surface générées par le tournage dur de finition sur la vie en fatigue de l'acier 300M ayant une dureté de 55 HRC. Ces conditions exclurent les combinaisons de vitesse de coupe et d'avance élevées pour éviter la création de défauts d'usinage. À nouveau, les tests d'usinages furent exécutés et les caractéristiques de surfaces évaluées. Les caractéristiques d'intégrité de surface Ra, ASRS and HSRS varièrent respectivement entre 0.30 et 1.21 μm, -438 et 14 MPa et -50 et 131 MPa. Les spécimens de fatigue caractérisés furent assujettis à des essais de fatigue en flexion rotative RR Moore (R = -1) a une contrainte d'amplitude de 965 MPa et une vitesse de rotation de 3300 RPM. Les vies en fatigue obtenues varièrent entre 1.0∙105 et 9.8∙106 cycles. Une analyse fractographique démontra que 57% des ruptures en fatigue furent causées par des initiations de fissures à des marques d'usinage en surface tandis que 43% des ruptures en fatigue furent causées par des initiations de fissures à des inclusions en sous-couche. L'ensemble des données de vie en fatigue pu être décrit par une unique distribution Weibull à deux paramètres ce qui démontre que les quatre conditions de coupe évaluées peuvent être considérées équivalentes en termes de vie en fatigue. La compétition entre les mécanismes d'initiation de fissure aux marques d'usinage et aux inclusions en sous-couche dans les échantillons usinées sous les conditions C1, C3 et C4 démontre que ces conditions ne peuvent être optimisées subséquemment. Au besoin, la propreté du matériau devrait être améliorée pour envisager une amélioration supplémentaire de la vie en fatigue. Enfin, il fut démontré que la relation de Murakami permettant la caractérisation de la sévérité des défauts sous-estime les valeurs de Kmax pour les rugosités de surface.Les publications formant le noyau de cette thèse sont les premières publiées sur l'acier à ultra haute performance 300M. Les résultats présentés au Chapitre 4 peuvent être utilisées pour la sélection de paramètres de coupe qui permettront de générer des caractéristiques d'intégrité de surface désirées. Les résultats présentés au Chapitre 5 peuvent être utilisés comme référence dans le cadre d'une nouvelle étude sur l'influence du tournage dur sur la vie en fatigue.

Abstract

Hard turning is a reliable machining process used for finishing operations on hardened materials (45 HRC and above). It produces surfaces with altered propertieswhich can be tailored to specific requirements provided cutting conditions are carefully selected. Because turning is a complex process involving many parameters interactingwith eachother, the use of amulti-objective optimization technique is effective for optimizingmultiple surface characteristics simultaneously.Hard turning cutting parameters can be optimized to generate low surface roughness and highly compressive residual stresses.Thus, it is expected that hard turning can produce engineered surfaces enhancing fatigue performance.However, this is only true if the machined material does not contain internal defects which can act as preferential crack initiation sites. In high strength steels such as 300M, fatigue strengthsarevery high and critical inclusion sizesvery small. Therefore, when internal defects are more severe than surface defects,inclusions act as preferential sites for crack initiation and fatigue becomes an internal mechanism rather than a surface phenomenon. This project is two-fold. First, a design of experiment(DoE)was developed to investigate the influence of cutting parameters on surface characteristics generated by hard turning.ATaguchi L9 design was used where four control factors –cutting tool (T), cutting speed (V), feed rate (f) and depth of cut (D) –were evaluated at three different levels (low, medium, high). Machining tests were performed,and surface characteristics wereevaluated.Surface roughness parameters Ra, Rvand Rzvaried between 0.26 –1.62 μm, 0.77 –2.80 μm and 1.36 –6.76 μmrespectively. Axial (ASRS) and hoop (HSRS) surface residual stresses varied between 26 and -953MPa and 326and-384 MParespectively. The white layer WLthickness was foundto range between 0.69 and 1.24μm.Amulti-objective optimization approach (Taguchi-PCA-GRA) was then used to determine optimum cutting conditionsleading to surface integrity characteristics enhancing fatigue lifebased on results from the DoE.Optimized cutting parameters allowed reducing surface roughness parameter Raby 50% and increasing axial compressive surface residual stresses by 307%with respect to the reference data. Those conditionsinvolved the use of a mixed ceramic tool, a low cutting speed (V = 50 m/min), a lowfeed rate (f = 0.051 mm/rev) and a high depth of cut (D= 0.762 mm). viiiSecond, a set of fourcutting conditions was used to machine fatigue specimensin orderto evaluate the influence of surface characteristics on the fatigue life of finish hard turned 55 HRC 300M steel. These conditions excludedcombinations of high feed rate and high cutting speed to avoidgenerating machining defects.Again, machining testswere performed, and surface characteristics evaluated. The resulting average surface integrity characteristics Ra, ASRSand HSRSranged between respectively 0.30and 1.21 μm,-438 and 14 MPa and -50 and 131MPa.Characterized specimens were subjected to RR Moore rotating bending fatigue tests (R= -1) at a stress amplitude of 965 MPa and a rotation speed of 3300 RPM. Resulting fatigue lives ranged between 1.0∙105 and 9.8∙106 cycles. A fractographic analysis showed that 57% of fatigue failures initiated from a feed markwhile 43% initiated from a subsurface inclusion. The entire fatigue life data set was best described by asingle two-parameter Weibull distributionshowing that the four cutting conditions evaluated can be considered as equivalent in termsof fatigue life. The competition between crack initiation at feed marks and subsurface inclusions in specimens machined under conditions C1, C3 and C4 shows that those conditions cannot be optimized further. If the need be, the material's cleanliness should be improved to further increase fatigue life.Last, the use of Murakami's equation to characterize the severity of defectswas shown to underestimate Kmax values for surface roughness.The publications that form the core of this thesis are the first published in the open literature when it comes to 300M ultra-high strength steel. The results presented in Chapter 4 can be used to select hard turning cutting parameters that will generate desired surface integrity characteristics. The results presentedin Chapter 5 can be used as a reference to investigate further the influence of hard turning on fatigue life.