Fatigue life improvement of aeronautical aluminium alloys using peening techniques

Abstract

O Shot Peening e o Ultrasonic Peening são amplamente utilizados no tratamento mecânico de superfícies nas indústrias aeronáutica, aeroespacial e automóvel para melhorar a vida à fadiga de componentes metálicos. Este trabalho visa estudar as propriedades mecânicas do Liga AA 7475-T7351, aplicando processos diferentes de peening, tais como Ultrassonic Peening (USP) e Microshot Peening.O Shot Peening é uma técnica convencional que introduz tensões residuais de compressão à superfície e é amplamente utilizado no tratamento mecânico de superfícies nestas indústrias para melhorar a vida à fadiga de componentes metálicos.Enquanto que o benefício do shot peening para componentes de aço seja bem conhecido, a utilização deste processo de shot peening para ligas de alumínio pode ser prejudicial ao desempenho da fadiga se por exemplo o tamanho das esferas de shot peening e a rugosidade da superfície não forem adequados. Portanto, o presente trabalho tem como objetivo analisar os efeitos de shot peening em vários aspectos da vida de fadiga, entre os quais se destacam os efeitos na propagação de fendas de fadiga e os efeitos da tipologia das esferas utilizadas no comportamento à fadiga. Também se pretende perceber quais os parâmetros mais adequados para que a vida em fadiga seja beneficiada e obviamente as propriedades mecânicas.Foram realizados estudos sistemáticos sobre rugosidade, endurecimento superficial e realizados testes de fadiga uniaxial. Foi realizada difracção de raios-X e observada a superfície através de Microscopia Electrónica de Varrimento. Analisada a microestrutura através de microscópio óptico e microdureza através de ensaios de dureza.Os ensaios foram realizados em provetes com geometria plana e cilindrica. No estudo com provetes de geometria plana, utilizaram-se 2 espessuras, 4 e 8 mm, e razões de tensão 0,05 e 0,4. Para a análise comparativa de comportamento à fadiga entre o material base, e os processos de Microshot Peening e Ultrassonic Peening utilizaram-se provetes de 4 e 8 mm. Para a análise do efeito do shot peening na propagação de fendas de fadiga, foram utilizados os provetes de 8 mm.No ensaio com provetes cilíndricos, foi analisado o efeito das características das esferas na vida à fadiga da liga AA 7475-T7351.As principais contribuições do trabalho realizado são:a) Determinação e análise comparativa do efeito dos processos de Shot Peening e Ultrassonic Peening na vida em fadiga da liga AA 7475-T7351;b) Comparação dos resultados obtidos com o tratamento de Shot Peening e a abordagem das previsões analíticas do modelo Molski-Glinka; c) Avaliação do efeito do Shot Peening na propagação de fendas de fadiga da liga AA7475-7351;d) Discussão do efeito de cargas de amplitude contante e blocos de sobrecarga periódicos, aplicados sobre a liga AA 7475-T7531; e) Compreensão do efeito das diferentes dimensões das esferas utilizadas no tratamento superficial de Shot Peening na liga AA 7475-T7531;f) Comparação entre os diferentes materiais, vidro e aço, utilizados nas esferas utilizadas no tratamento de shot peening na liga AA 7475-T7531;Palavras-chave: Shot Peening, Melhoria da vida à fadiga, Ligas de alumínio, Aeronáutica

Shot Peening and Ultrasonic Peening are widely used in mechanical treatment of surfaces in the aeronautical, aerospace and automotive industries to improve the fatigue life of metallic components. This work aims to study the mechanical properties of the AA 7475 T7531 aluminum alloy, applying different peening processes, such as Ultrasonic Peening (USP) and Microshot Peening.Shot Peening is a conventional technique that introduces residual compressive stresses to the surface and is widely used in the mechanical treatment of surfaces in these industries to improve the fatigue life of metallic from their components.While the benefit of shot peening for steel componentes is well knwon, the use of this shot peening process for aluminum alloys can be detrimental to fatigue performance if, for exemple, shot peening bead size and surface roughness are not the appropriate.Therefore, the present work aims to analyze the effects of shot peening in various aspects to fatigue life, among which the effects on the propagation of fatigue cracks and the effects of the bead typology used in the fatigue behavior. It is also intended to understand which are the most suitable parameters for the fatigue life to be benefited and obviously the mechanical properties.Systematic studies on roughness, surface hardening and uniaxial fatigue tests were carried out. X-ray diffraction was performed and the surface was observed by Scanning Electron Microscopy. Analyzed the microstructure through optical microscope and microhardness through hardness tests.The tests were carried out on flat specimens and specimens with cylindrical geometry. In the study with specimens with plane geometry, two thicknesses were used, 4 and 8 mm, and stress ratios 0,05 and 0,4. For the comparative analysis of fatigue behavior between the base material, Microshot Peening and Ultrasonic Peening processes, 4 and 8 mm specimens were used.To analyze the effect of shot peening on the propagation of fatigue cracks, 8 mm specimens were used.In the test with cylindrical specimens, the effect of the bead characteristics on the fatigue life of the AA 7475-T7351 alloy was observed.The main contributions of the work carried out include:a) Determination and comparative analysis of the effect of Shot Peening and Ultrasonic Peening processes on fatigue life of AA 7475-T7351 alloy;b) Comparison of the results obtained with the Shot Peening treatment and the approach of the analytical predictions of the Molski-Glinka model;c) Evaluation of the Shot Peening effect on the propagation of fatigue cracks in the AA 7475-T7351 alloy;d) Discussion of the effect of constant amplitude loads and the effect of periodic overload blocks, applied on the AA 7475-T7351 alloy;e) Understanding the effect of the different bead dimensions used in the surface treatment of Shot Peening in the AA 7475-T7351 alloy;f) Comparison between the different bead materials, glass and steel, used in the Shot Peening treatment in the AA 7475-T7351 alloy.Keywords: Shot Peening, Fatigue life improvement, Aluminum alloys, Aeronautics.