Development of scratch test methodologies for bulk materials: Single Scratch and Multiple Scratch approaches

Abstract

[ES] El desgaste por abrasión es uno de los mayores problemas en industrias como la agricultura, minería y transporte. La correcta selección de materiales para la fabricación de componentes para maquinaria tiene una gran importancia con tal de reducir los costes de reemplazo y reparación de piezas. El estudio de la resistencia al desgaste del acero es un tema complejo, puesto que muchos parámetros pueden influir en ello y diversas condiciones pueden ocasionar serios problemas de desgaste. En nuestro caso, llevamos a cabo dos ensayos de ralladura distintos usando diferentes configuraciones, en los cuales es posible simular tanto mecanismos de deformación de ciclo simple como ciclos repetidos. Analizando el desgaste producido durante los ensayos se dedujo tanto el grado de penetración en el acero como el coeficiente cutting-to-plasticity en los diferentes grados del acero empleados para las distintas pruebas. El ensayo de Ralladura Simple se ha llevado a cabo con tal de comprobar la resistencia al desgaste del acero. Para el desarrollo de esta prueba, se utilizaron 5 muestras distintas en las cuales se aplicaron 3 tipos de carga diferentes: constante, progresiva e incremental. La resistencia al desgaste de estos grados de acero se cuantificó mediante el análisis del grado de penetración y el coeficiente cutting-to-plasticity en términos de dureza, carga normal aplicada, etc. La prueba de Ralladura Múltiple se realizó con el objetivo de estudiar cómo influye el endurecimiento de la superficie en el comportamiento del acero. Este ensayo se llevó a cabo en los mismos grados de acero que la prueba anterior y consta de dos partes diferentes: pre-deformación y ralladura. En el primer paso, se crea una capa endurecida por debajo de la superficie con un penetrador esférico mediante la aplicación de una carga cíclica sobre la superficie del material. En el segundo paso, se ralla el material arrastrando un penetrador Rockwell de menor tamaño que el esférico sobre la ranura realizada en el paso anterior. Mediante este método, se evaluó la resistencia al desgaste de los materiales y los resultados mostraron diferentes clasificaciones de los materiales en comparación con el ensayo de Ralladura Simple. Como conclusión se dedujo que esta diferencia se debe principalmente al efecto del endurecimiento de la superficie del material durante el proceso de desgaste.

[EN] Abrasive wear is a major problem in several industries such as agriculture, mining and transportation. The selection of an appropriate material of a machine component is of great importance in order to reduce the costs of replacement and reparation. The study of wear resistance in steel is a complex task, as many parameters can influence it and different conditions can potentially lead to different wear problems. In our case, we performed two different scratch tests methodologies under several configurations, in which it is possible to simulate both single-cycle and repeated-cycle deformation mechanisms. The wear induced by the scratch tests is analyzed and the degree of penetration and the cutting-to-plasticity coefficient in different steel grades were deduced. The Single-pass Scratch test was performed in order to test wear resistance on steels. For developing this experimental methodology, five steel grades were tested by applying three different types of loads: constant, progressive and incremental. The wear resistance of these steel grades was quantified by analyzing both the degree of penetration and the cutting-to-plasticity coefficient in terms of hardness, normal load, etc. The Multi-pass Dual Indenter Scratch test aimed to study the influence of surface hardening on wear resistance of steels. This method was applied on the same steel grades as in the Single scratch test. The method is divided into two different steps: pre-deformation and scratching. In the pre-deformation step, a subsurface hardened layer is created with a spherical indenter by applying cyclic load on the material surface. In the scratching step, a final scratch using a small Rockwell indented is placed on the bottom of the groove and is sliding to scratch the pre-hardened surface. Using this method, the wear resistance of the materials was evaluated and showed different ranking of the materials compared to the single scratch test. This difference is mainly linked to the effect of work-hardening of the material during the wear process.