Increasing knowledge and suggesting new heat treatment parameters for improved very high cycle fatigue (VHCF) strength of austempered ductile iron (ADI) are the main purposes of this thesis. The work was performed within Epiroc a mining and infrastructure company. They have performed internal research on VHCF properties of ADI had previously for one set of heat treatment parameters. The scientific community in contrast have extensively studied fatigue properties of ADI in the low to high cycle regime (≤10⁸ cycles) but only scarcely in the VHCF regime (>10⁸ cycles). Therefor the thesis is built upon the hypothesis: ‘Improvements in HCF strength should also mean improvements in VHCF strength’. Enabling utilization of published research on heat treatment effects on fatigue strength in the HCF regime (≥10⁷ cycles).

Finding an efficient way of exploring heat treatment parameters and their effects on the given Cu-Ni-Mo ADI alloy were a main objective. Thus, finding mechanical- and material properties characteristic for high cycle fatigue strength in the HCF regime became crucial. The potential in using these properties to develop and execute an experimental plan to evaluate heat treatments, yet minimizing the amount of fatigue testing required.

The first step was identifying the heat treatment parameters (and parameter ranges) that showed high HCF strength, which are: Austempering temperature (T_aus), austempering time (t_aus) and austenitization temperature (T_γ). Then finding the characteristic mechanical- and material properties for said high HCF strength material, found to be: high- ductility, unnotched impact energy and volume fraction of carbon stabilized austenite (VRA). With both heat treatment parameters, mechanical- and material properties distinctive of high HCF strength material an experimental plan was developed based on a full factorial design (2³). The factorial design was chosen for its simplicity and inherent strengths, especially as both individual and interaction effects can be estimated for all factors (heat treatment parameters). Two levels (2³), one high and one low, for each of the three factors (2³) were determined necessary, giving a total of 8 heat treatment trials. The primary response variables of interest (evaluated properties) for each heat treatment trial were: ductility, unnotched impact energy and volume fraction of carbon stabilized austenite. Meaning usage of the following tests: Tensile testing, impact energy testing, and X-ray diffraction. Specimens for testing were extracted from austempered Y-block type III, initially cast by a commercial foundry with an Epiroc specified chemical composition. The main and interaction effects from the heat treatment parameters on the response variables were both calculated and visually determined. The experimental data was validated against literature found data for similar heat treatments. The evaluated experimental results showed good correlation with literature for the given chemical composition. Ultimately resulting in recommendations for a new heat treatment parameters for improved high cycle fatigue strength.

Uppsatsen syfte är att öka förståelsen och föreslå nya värmebehandlingsparametrar för att förbättra gigacykelutmattningsegenskaperna för austempererat segjärn (ADI). Arbetet utfördes hos gruv- och infrastrukturföretaget Epiroc där de tidigare undersökt gigacykelutmattnings-egenskaper för ADI men endast för ett värmebehandlingsrecept. Utmattningsegenskaperna för ADI har undersökts akademiskt i stor utsträckning men då framförallt i låg- till högcykelområdet (≤10⁸ cykler) med endast ett fåtal studier i gigacykelområdet (>10⁸ cykler). Därför baserades arbetet på tesen: ’förbättringar i högcykelutmattning bör ge en förbättring vid gigacykelutmatning’. Den tesen möjliggör nyttjande av större mängd publicerad forskning som genomförts i området för värmebehandlingens inverkan på högcykelutmattning (>10⁷ cykler).

För att effektivt kunna utföra värmebehandlingsexperiment på den Cu-Ni-Mo legerade segjärnet var det kritisk att finna material- och mekaniska egenskaper som kännetecknar hög högcykelutmattningsgräns. Potentialen att kunna nyttja dessa egenskaper nyttjas för experimentering med värmebehandling men samtidigt hålla nere mängden utmattningsprov är hög.

Identifiering av de kritiska värmebehandlingsparameterana (och parameterområdena) som visades ge hög högcykelutmattningsstyrka var de första steget, vilka är: Austempereringstemperatur (T_aus), austempereringstid (t_aus), och austenitiseringstemperatur (T_γ). Hög dukilitet, slagseghet (onotchat) och hög volymfraktion kolstabiliserad austenit identifierades som de mekaniska och material-egenskaper som var karaktäriserande för dessa väl presterande material i högcykelutmattning. Med värmebehandlingsparameterar, material- och mekaniska egenskaper utmärkande för hög högcykelutmattningsgräns utvecklades en experimentell testserie baserat på faktoriell design (2³). Metodiken valdes för sin enkelhet och styrka, framförallt att kunna se effekten av både de individuella värmebehandlingsparameterna men även interaktionseffekterna mellan dem. För varje parameter (2³) testas två nivåer (2³), en hög och en låg vilket resulterar i totalt 8 olika värmebehandlingsförsök. Svarsvariablerna som utvärderas för varje värmebehandlingsförsök var primärt dukilitet, slagseghet och volymfraktion kolstabiliserad austenit. Vilket medger att följande provning utfördes på de 8 test materialen: dragprov, slagprov, röntgendiffraktion. Råmaterial för värmebehandling och provning gjöts av ett kommersiellt gjuteri i form av Y-block typ III med kemisk sammansättning enligt Epiroc’s specifikation. Provresultaten i form av individuella och interaktionseffekter bedömdes både grafiskt och beräknades fram samt att resultaten validerades genom jämförelse med resultat från litteraturen. Bra överrensstämmelse mellan de experimentella resultaten i arbetet och jämförd litteratur sågs för denna kemiska sammansättning. Slutligen föreslogs en ny uppsättning värmebehandlingsparameterar för ökad högcykelutmattningsgräns.