Interplay of fretting wear, fatigue and damping: Influence of contact shape and mode of loading

• Applicant: Professor Dr. Valentin L. Popov
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2019 to 2026
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 434193846

• Final Report Year: 2025

Final Report Abstract

In diesem Projekt untersuchten wir die Triade „Verschleiß-Ermüdung-Dämpfung“ für den Fretting-Kontakt von Stahl auf Stahl. Dabei sollte geklärt werden, ob sich durch gezielte Gestaltung der (makroskopischen) Profile der Kontaktpartner oder des Lastprotokolls die Beziehungen zwischen Dissipation und Schädigung kontaktmechanisch konstruktiv steuern lassen. Zunächst wurde ein bereits existierender Versuchsstand zur Relaxationsdämpfung für die Zwecke des vorliegenden Projekts umgebaut und die Fretting-Regime anhand der Form der Hysterese-Kurven zwischen relativer tangentialer Verschiebung im Kontakt und der Reibkraft identifiziert. Anschließend wurden mehrere Langzeit-Fretting-Experimente durchgeführt; der Fokus lag dabei auf der Evaluation der Veränderung der Oberflächentopografie durch die Belastung. Dabei konnte eine der wichtigsten Ausgangshypothesen des Projekts bestätigt werden: Durch die Wahl der Profilgeometrie lässt sich insbesondere das Verschleißverhalten der Kontaktkörper gut steuern; Profile mit flacher Stirnfläche (gerade abgeschliffen oder auch an der Kante gerundet) weisen eine deutlich geringere Änderung der Oberflächentopografie im Zuge der Fretting-Belastung (im Gleitregime) auf als gekrümmte. In diesem Zusammenhang legen entsprechende numerische Rechnungen nahe, dass das Risiko der Rissbildung (im gemischten Regime) und damit der Ermüdung bei flachen Profilen nur gering gegenüber dem für glatt gekrümmte Körper erhöht ist. Die makroskopischen experimentellen Daten (Kräfte sowie globale Verschiebungen, und damit auch die dissipierte Energie) stimmen gut mit den entsprechenden numerischen Vorhersagen überein. Für die experimentell festgestellten Änderungen der Oberflächentopografie im Rahmen der langfristigen Fretting-Oszillation konnten allerdings keine adäquaten numerischen Modelle entwickelt werden. Das Ermüdungs- und Dissipationsverhalten des Kontakts hängt bei bimodaler Belastung auf sehr komplizierte (und untereinander unkorrelierte) Art von den Parametern der Oszillation (Frequenz- und Amplitudenverhältnisse, Phasenwinkel o.ä.) ab; es sollte daher möglich sein, durch gezielte Wahl dieser Größen verschiedene Regime, unabhängig von den klassischen „Fretting-Regimen“ (charakterisiert durch die Form der Hysterese-Kurve, s.o.) kontrolliert einzustellen.

Publications

• A Simple Semi-Analytic Contact Mechanical Model for Tangential and Torsional Fretting Wear of Axisymmetric Contacts. Symmetry, 13(9), 1582.
  Willert, Emanuel
  
• Determination of the stress state beneath arbitrary axisymmetric tangential contacts in Hertz-Mindlin approximation based on the superposition of solutions for parabolic contact.
  Willert, E.
  
• FFT-BASED IMPLEMENTATION OF THE MDR TRANSFORMATIONS FOR HOMOGENEOUS AND POWER-LAW GRADED MATERIALS. Facta Universitatis, Series: Mechanical Engineering, 19(4), 805.
  Willert, Emanuel
  
• Analytic contact solutions of the Boussinesq and Cattaneo problems for an ellipsoidal power-law indenter. Meccanica, 58(1), 109-117.
  Willert, Emanuel
  
• Explicit Analytic Solutions for the Subsurface Stress Field in Single Plane Contacts of Elastically Similar Truncated Cylinders or Wedges. Applied Mechanics, 3(4), 1337-1351.
  Willert, Emanuel
  
• Influence of Wear Profile Geometry on Critical Plane Fatigue Crack Initiation Criteria in Plane and Axisymmetric Elastic Fretting Contacts. Frontiers in Mechanical Engineering, 8.
  Willert, Emanuel
  
• A General Approximate Solution for the Slightly Non-Axisymmetric Normal Contact Problem of Layered and Graded Elastic Materials. Lubricants, 11(10), 450.
  Forsbach, Fabian & Willert, Emanuel
  
• Approximate contact solutions for non-axisymmetric homogeneous and power-law graded elastic bodies: A practical tool for design engineers and tribologists. Friction, 12(2), 340-355.
  Popov, Valentin L.; Li, Qiang & Willert, Emanuel
  
• Elastic Stress Field beneath a Sticking Circular Contact under Tangential Load. Solids, 5(1), 14-28.
  Willert, Emanuel
  
• Influence of Profile Geometry on Frictional Energy Dissipation in a Dry, Compliant Steel-on-Steel Fretting Contact: Macroscopic Modeling and Experiment. Machines, 11(4), 484.
  Willert, Emanuel
  
• On Boussinesq’s Problem for a Power-Law Graded Elastic Half-Space on Elliptical and General Contact Domains. Materials, 16(12), 4364.
  Willert, Emanuel
  
• Smith–Watson–Topper Parameter in Partial Slip Bimodal Oscillations of Axisymmetric Elastic Contacts of Similar Materials: Influence of Load Protocol and Profile Geometry. Eng, 5(1), 333-346.
  Willert, Emanuel