Detection of failure mechanisms of tool steels by means of acoustic emission technique

Abstract

This thesis is focused on the calibration of the Acoustic Emission (AE) technique to detect and identify damage mechanisms in tool steels. The AE measurement procedure has been calibrated for two mechanical tests: fracture test (three-point bending test) and indentation test (spherical indentation). Fracture tests cause cracks due to tensile stress. The damage begins with the nucleation of cracks (cracking carbides and local plastic deformation) and afterwards, the cracks spread through the metallic matrix following the broken carbides. This research proposes an AE filtering process to detect each stage of fracture: the cracking of carbides (nucleation), the stage where the crack passes through to the steel matrix and final catastrophic failure. Spherical indentation tests enable the creation of a more complex distribution of stresses in an affected part of the specimen. Applying low level loads, an elastic field was created in the specimen under the ball indenter. Nevertheless, AE activity was detected in this elastic field, and these signals were related to the breaking of carbides located in the zone of maximum shear stress. An important feature of this test is that the cracking of carbides takes place without plastic deformation, and therefore the damage signals were clearly identified with carbide breakage. In both tests, carbide breakage was confirmed by means of AE as the cause of nucleation of cracks in tool steels. AE made it possible to identify the carbide breakage and the propagation of cracks through the metallic matrix and predict the final fracture of the specimen in bending tests. This thesis proposes a new acquisition and filtering configuration in fracture tests to eliminate spurious signals due to contact damage between the specimen and machine supports, as a methodology for identifying different damage mechanisms in small-sized specimens based on certain AE waveform features. From the standpoint of research into materials, coupling the proposed AE setup in each test significantly improves the tests, since it permits the evolution of the damge to be identified during the loading cycle. The laboratory results obtained endorse the possible use of AE in preventive maintenance in the tool-shaping industry. Barcelona 22

Aquesta tesi es centra en calibrar la tècnica d'emissió acústica (EA) per detectar i identificar mecanismes de dany en acers per eines. El procediment de mesura de l’EA s'ha desenvolupat i calibrat per a dos assajos mecànics: assaig de flexió i assaig d’indentació esfèrica. A l’assaig de flexió es generen esquerdes a la superfície de la proveta on la tensió de tracció és màxima. El dany s'inicia amb la nucleació d'esquerdes (trencament de carburs i deformació plàstica local) i després, les esquerdes es propaguen a través de la matriu metàl•lica seguint els carburs trencats. La monitorització de l’assaig amb EA, permet detectar i identificar cada etapa de la fractura: el trencament de carburs i plastificació (nucleació), creixement de l’esquerda a través de la matriu d’acer i la fallada catastròfica final de la mostra. L’assaig d' indentació esfèrica permeten la creació d'una distribució de tensions en la part afectada de la mostra més complexa. Amb l’ aplicació de càrregues baixes, es genera un camp de tensions en el rang elàstic sota l’indentador esfèric. Durant els assajos, es va detectar activitat d'EA en aquest rang elàstic, i aquests senyals es relacionen amb la ruptura de carburs situats a la zona d'esforç tallant màxim. Una característica important d'aquest assaig és que la ruptura de carburs es porta a terme sense deformació plàstica, i per tant els senyals de dany es van identificar clarament amb el trencament de carburs. En ambdós assajos, el trencament dels carburs va ser confirmat per mitjà de la EA com causa de la nucleació d'esquerdes en acers per a eines. L’EA va fer possible identificar el trencament de carburs i la propagació d'esquerdes a través de la matriu metàl•lica i predir la fractura final de la mostra en els assajos de flexió. Aquesta tesi proposa una nova configuració de filtratge en assajos de fractura per eliminar senyals espúries a causa del dany provocat pel contacte entre la mostra i els suports de la màquina, així com una metodologia per a l’identificació de mecanismes de dany en mostres de mida petita sobre la base de certes característiques de la forma d'ona dels senyals d’EA. Des del punt de vista de la recerca de materials, l'acoblament d’EA amb la configuració que es proposa en cada assaig millora significativament els resultats obtinguts dels assajos, ja que permet identificar l'evolució del dany durant el cicle de càrrega. Els resultats experimentals obtinguts avalen el possible ús de l’EA en el manteniment preventiu d’eines de conformat a la industria.

Esta tesis se centra en calibrar la técnica de la emisión acústica (EA) para detectar e identificar los mecanismos de daño en aceros para herramientas. El procedimiento de medida de la EA se ha desarrollado y calibrado para dos ensayos mecánicos: ensayo de flexión y de indentación esférica. En el ensayo de flexión se generan grietas en la superficie de la probeta donde la tensión de tracción es máxima. El daño se origina con la nucleación de las grietas (rotura de carburos y deformación plástica local) y después, las grietas propagan a través de la matriz metálica siguiendo la línea de carburos rotos. La monitorización del ensayo con EA permite detectar e identificar cada una de las etapas de la fractura: rotura de carburos y plastificación (nucleación), crecimiento de grietas por la matriz de acero y el fallo catastrófico final de la muestra. El ensayo de indentación esférica permite la creación de una distribución de tensiones en la parte afectada de la muestra más compleja. Con la aplicación de cargas bajas, se genera un campo de tensiones en el rango elástico situado bajo el indentador esférico. En los ensayos, se detectó actividad de EA en este rango, y estas señales se pudieron relacionar con la rotura de carburos situados en la zona de tensión tangencial màxima. Una característica importante de este ensayo es que la rotura de los carburos tiene lugar sin deformación plàstica del material, y por tanto las señales de daño se identificarion claramente con la rotura de estos carburos. En ambos ensayos, la rotura de los carburos fue confirmada mediante EA como causa de la nucleación de grietas en aceros para herramientas. La EA hizo posible identificar la rotura de carburos primarios y la propagación de grietas a través de la matriz metálica, y predecir la fractura final de la muestra en los ensayos de flexión. En esta tesis se propone una nueva configurción de filtrado para ensyaos de flexión para eliminar las señales espúrias a causa del daño rpovocado por el contacto entre la probeta y los soportes de la máquina, así como una metodoología para identificar los mecanismos de daño en muestras de pequeñas deimensiones sobre la base de ciertas características de la forma de onda de las señales de la forma de onda de las señales de EA. Desde el punto de vista de investigación de materiales, incorporar la EA, con la configuración propuesta, a cada uno de los ensayos mejora significativamente los resultados obtenidos, ya que permite identificar la evolución del daño durante el ciclo de carga. Los resultados experimentales obtenidos avalan el posible uso de la EA para el mantenimiento preventivo de herramientas de conformado en la industria.