Previsão de vida de iniciação de fendas por fadiga em ligas de alta resistência sujeitas a esforços de flexão-torção.

Abstract

O objetivo do presente trabalho traduz-se no estudo do comportamento à fadiga de peças entalhadas geradas a partir da liga de alta resistência DIN 34CrNiMo6 e sujeitas a carregamentos proporcionais de flexão combinada com torção. Propriedades como a elevada ductilidade, alta temperabilidade, elevada tenacidade e resistência garantem que a liga supracitada seja selecionada para uma vasta gama de componentes de engenharia. Com efeito, é usual esses mesmos componentes estarem sujeitos a condições de serviço severas e a carregamentos complexos. Além disso, devido a requisitos funcionais é também usual apresentarem descontinuidades geométricas precursoras de fenómenos de concentração de tensões. A combinação de todos estes fatores torna a falha por fadiga suscetível, razão pela é imperativo encontrar uma metodologia de previsão de vida à fadiga exequível e fiável, a fim de reduzir o risco de falha inesperada em serviço. Nesta dissertação pretende-se explorar o conceito de densidade de energia de deformação, assim como o seu potencial na previsão das vidas de iniciação das peças. Para além disto, pretende-se também explorar a capacidade do parâmetro Smith-Watson-Topper (SWT), parametrizando a sua evolução, e tentando estabelecer uma possível relação com a vida à fadiga. O comportamento elasto-plástico do material, quer em termos de relações energéticas, quer em termos de parâmetro SWT, foi estudado com base em ensaios de fadiga oligocíclica. Estes ensaios foram realizados em controlo de deformação, para amplitudes de deformação, ∆ε/2, a variar entre 0,4% e 2%, num total de oito ensaios, e com uma razão de deformação, R_ε, igual a -1. No que toca aos ensaios de fadiga multiaxial, mais concretamente aos carregamentos proporcionais de flexão combinada com torção, foram consideradas duas razões entre o momento fletor (B) e o momento torsor (T): B=2T e B=T. A orientação do momento fletor relativamente à raiz do entalhe foi igual a 0º, 45º e 90º, e a razão de tensão, R, foi de aproximadamente zero. As geometrias dos provetes utilizados nos ensaios de fadiga consistiram em barras de secção circular com entalhes laterais em forma de U.O efeito do entalhe no comportamento à fadiga foi contabilizado com recurso à Teoria das Distâncias Críticas (TCD). As previsões de vida à fadiga foram obtidas com recurso aos modelos Smith-Watson-Topper (SWT), densidade de energia de deformação plástica, densidade de energia de deformação total, parâmetro Smith-Watson-Topper (SWT) e, ainda, com base na deformação plástica cíclica. No que diz respeito às previsões de vida à fadiga, o modelo SWT e o modelo da densidade de energia de deformação total foram aqueles que deram melhores resultados, traduzindo-se em valores mais próximos das vidas experimentais e desvios-padrão inferiores.

The main objective of the present work is the study of fatigue crack initiation behaviour in notched DIN 34CrNiMo6 steel bars under proportional bending-torsion loading. Properties such as high ductility, deep hardenability, toughness and strength make this alloy a prime choice for a vast range of engineering components. In fact, these components are often subjected to severe service conditions and complex loading. Furthermore, due functional requirements, they contain geometric discontinuities which are likely to cause stress concentration phenomenona. The combination of all these factors makes these components susceptible to fatigue failure, reason why it is imperative to find reliable fatigue life prediction models in order to minimize the risk of unexpected failure. In this dissertation, it is intended to explore the concept of strain energy density as well as its potential to predict the fatigue crack initiation life. In addition, it is also intended to explore the capacity of the Smith-Watson-Topper (SWT) parameter, parameterizing its evolution, and trying to establish a possible relationship with fatigue life. The elasto-plastic behavior of the material, in terms of both energy relationships and SWT parameter, was studied based on uniaxial low-cycle fatigue tests. These tests were performed in strain-controlled conditions, for total strain amplitudes, ∆ε/2, varying between 0.4% and 2%, in a total of eight tests, and with a strain ratio, R, equal to -1. With regard to the multiaxial proportional bending-torsion fatigue tests, two ratios of the bending moment (B) to the torsion moment (T) were considered, more specifically B = 2T and B = T. The orientation of the bending moment with respect to the notch root was equal to 0º, 45º and 90º, and the stress ratio, R, was approximately equal to zero. The specimens used in experimental tests consisted of circular cross-section round bars with lateral U-shaped notches.The notch effect on fatigue behavior was accounted for using the Theory of Critical Distances (TCD). Fatigue life predictions were obtained using the following approaches: Smith-Watson-Topper (SWT) model, plastic strain energy density model, total strain energy density model , a model based on the Smith-Watson-Topper (SWT) parameter, and a model based on the cyclic plastic strain. With regard to fatigue life predictions, the SWT model and the total strain energy density model exhibited the best results, i.e. values closer to the experimental lives and lower standard deviations.