Tryckspänningar kan förlänga livslängden tiofaldigt
Tryckspänningar kan förlänga livslängden tiofaldigt hos vissa komponenter. Volvo 3P har kikat närmare på en av processerna för att nå dit - kulpening.
Ett välkänt faktum var att materialet i dessa komponenter genom inbyggda fördelaktiga restspänningar – även kallade tryckspänningar – stod emot böjningar på ett betydligt bättre sätt. Typiska komponenter som projektet berörde är styrarmar, framaxlar och spindlar.
I en felaktig process kan ofördelaktiga restspänningar orsakas genom till exempel riktning och svetsning. Det senare orsakas av stelkrympning i svetsgodset: när materialet kyls av klarar inte materialet av att trycka sig samman till den form det hade innan, varefter spänningar uppstår. Detta påverkar utmattningsegenskaperna negativt.
– När man belastar en sådan komponent i böjning, då får man en spänning i ytan. Om den belastningen växlar i tiden så uppstår utmattning. Men om man bygger in tryckspänning i ytskiktet så är den fördelaktig eftersom den motverkar till exempel dragspännig och öppningar av småsprickor. Den håller emot helt enkelt.
Kall metod
Experimentet har riktat in sig på kulpening. En kall ytförädlingsmetod som påminner om sandblästring – men är något helt annat.
– Nej, vanlig sandblästring ger inte de tryckspänningar som kulpening gör. Istället för sand skjuter vi med stålkulor under mycket kontrollerade former mot komponenten, och har full koll på hur mycket kulor det rör sig om, vilken hastighet kulorna har och hur länge vi ska behandla komponenterna med dem, säger Bengt Johannesson.
Enkelt beskrivet – varje skott som träffar materialet fungerar som en liten hammare, som skapar en liten inbuktning eller grop på ytan. För att gropen ska kunna skapas, måste ytfibrerna i materialet ge efter i spänning. Under ytan försöker fibrerna återställa ytan till sin ursprungliga form, och därmed uppstår det under gropen tryckspänningar som är fördelaktiga för materialet. Metoden har ingenting med slipning att göra, och lämnar inte heller några spån eller flis efter sig.
Bengt Johannesson ringar in behovet med kulpening och tryckspänning i en lika enkel beskrivning:
– Det är inte många av dagens bilar som skulle rulla om det inte vore för tryckspänning.
Rätt sätt
Han påpekar att det är viktigt att processen görs på rätt sätt. Volvo 3P har krav på att komponenterna ska ha en viss tryckspänning, vilket bara kan uppnås genom korrekt utförd kulpening.
– Vi har alltså ett material som är obelastat i mitten, och på ungefär en halv millimeters djup kan du få en tryckspänning på upp till mellan 3 till 500 megapascal.
Men det finns ett aber, för när materialet sedan belastas så kan tryckspänningarna relaxeras, alltså minska. Det finns flera provningar som visar på detta, men de har utförts med konstantamplitud, alltså när man provar med samma belastningsnivå hela tiden.
– Kunderna, alltså lastbilschaufförerna, utsätter våra bilar för en mängd olika belastningar. Jag menar du kör på dåliga vägunderlag, gör olika manövrar, du bromsar och så vidare. Då blir belastningen ganska slumpmässig.
Det är den här slumpmässigheten som Volvo 3P har gjort tester med, genom så kallad spektrumlast.
– Det är ganska lite forskat om det idag. Det är väldiga diskussioner när man kommer upp i plastiska området om tryckspänningen bidrar till något eller inte. Det har vi försökt ta reda på.
Provstavar
Testerna har utförts på provstavar av ett och samma material: mikrolegerad perlitiskt stål. Volvokoncernens fordon som rullar på vägarna idag har även varianter med härdat stål, och bolaget kan i framtiden komma att titta på andra material.
Provstavarna – runda, sex millimeter i diameter med en halvmillimeter skikt med ytspänning – har belastats till brott. Livslängden har varit det intressanta. Ickekulbombat material har jämförts med kulbombat, liksom konstantamplitud (upprepning med samma belastningsnivå) har ställts mot spektrumlast (olika belastningsnivåer slumpmässigt blandade). Projektet avslutas nu i oktober.
– Både genom spektrumlast och genom konstantamplitud så har vi märkt hur restspänningarna ändrar sig under tiden. Vi har lagt på enstaka högre laster och sett hur tryckspänningen har relaxerats.
– Vi har lärt oss mer vad gäller våra framtida prov. Vi kan till exempel inte belasta mer i provningen än vad chaufförerna utsätter våra bilar för. Då belastar vi komponenterna alldeles för högt. Vi kan också se vilka kulpeningsnivåer vi ska ha för att behålla den goda livslängden. Det kan påverka hur vi skriver våra tekniska bestämmelser mot våra underleverantörer.
Av Torbjörn Hallgren
FOTNOT: Pen är en spetsig ända på ett hammarhuvud, en smal, avlång, avrundad slagyta. Används vid till exempel metallarbete.
FAKTARUTA: Kulpening – så fungerar det
Under kontrollerade former skjuts stålkulor mot objektet. Varje skott som träffar materialet fungerar som en liten hammare, och skapar en liten inbuktning eller grop på ytan. För att gropen ska kunna skapas, måste ytfibrerna i materialet ge efter i spänning. Under ytan försöker fibrerna återställa ytan till sin ursprungliga form, och under gropen uppstår således tryckspänningar. Dessa är fördelaktiga för materialet. Metoden har ingenting med slipning att göra, och lämnar inte heller några spån eller flis efter sig.
