Previsão de vida à fadiga em peças entalhadas sujeitas a carregamentos multiaxiais

Abstract

DIN 34CrNiMo6 high strength steel, evaluated in this work, combines deep hardenability, high ductility, toughness and strength. This steel is a very important engineering material and is commonly used in the manufacture of a wide range of critical mechanical components such as: axles, shafts, crankshafts, pinions, connecting rods, valves, bolts, gears, torsion bars, among others. In general, such components are subjected to severe service conditions and relatively complex loading. Furthermore, due to functional requirements, these components have geometric discontinuities causing stress concentration phenomena. The combination of these service conditions, with the geometric details, makes them susceptible to fatigue failure. Thus, there is a need for reliable and efficient fatigue life prediction models in order to reduce the risk of unexpected in-service failure.In this sense, the main purpose of this thesis is the study of the fatigue behaviour of notched components, manufactured from DIN 34CrNiMo6 high strength steel, under in-phase bending-torsion loading. Regarding the loading, two ratios of the normal stress (σ) to the shear stress (τ) are considered, namely σ⁄τ=2 and σ⁄τ=4. For each ratio, the normal stresses are applied in two different planes, rotated 45° and 90° with respect to the longitudinal plane normal to the notch root. The specimen geometries used in the experimental tests consist of round bars with lateral U-shaped notches. The tests are conducted at stress ratios close to zero under constant-amplitude loading. Crack detection is carried out with a high-resolution digital system. Fatigue life predictions are obtained using the Coffin-Manson (CM) and Smith-Watson-Topper (SWT) models. The notch effect on fatigue behaviour is evaluated using the Theory of Critical Distances (TCD) and the Equivalent Strain Energy Density (ESED) concept.

A liga de alta resistência DIN 34CrNiMo6 avaliada neste trabalho conjuga alta temperabilidade, elevada ductilidade, tenacidade e resistência. É um material de engenharia muito importante, sendo habitualmente utilizado no fabrico de uma vasta gama de componentes mecânicos críticos, tais como: eixos, veios, cambotas, pinhões, bielas, válvulas, parafusos, engrenagens, barras de torção, entre outros. De uma forma geral, tais componentes estão sujeitos a condições de serviço severas e a carregamentos relativamente complexos. Além disso, por requisitos funcionais, apresentam descontinuidades geométricas que causam fenómenos de concentração de tensões. A combinação destas condições de serviço, juntamente com as especificidades geométricas, torna-os suscetíveis a falhas por fadiga. Deste modo, há necessidade de dispor de metodologias de previsão de vida à fadiga fiáveis e eficientes, a fim de reduzir o risco de falhas em serviço inesperadas. Nesse sentido, o objetivo principal da presente dissertação é estudar o comportamento à fadiga de peças entalhadas, concebidas a partir da liga de alta resistência DIN 34CrNiMo6, sujeitas a carregamentos proporcionais de flexão combinada com torção que atuam segundo diferentes orientações. Relativamente ao carregamento, são consideradas duas razões entre tensões normais (σ) e tensões de corte (τ), mais especificamente σ⁄τ=2 e σ⁄τ=4. Para cada uma destas razões, as tensões normais são aplicadas em dois planos diferentes, rodados 45º e 90º relativamente ao plano longitudinal normal à raiz do entalhe. As geometrias dos provetes utilizados nos ensaios de fadiga consistem em barras de secção circular com entalhes laterais em forma de U. Por sua vez, os ensaios são realizados para razões de tensão próximas de zero a amplitude de carga constante. A deteção da fenda é efetuada com o auxílio de um sistema digital de alta resolução. As previsões de vida à fadiga são obtidas recorrendo aos modelos de Coffin-Manson (CM) e Smith-Watson-Topper (SWT). O efeito do entalhe no comportamento à fadiga é considerado usando a Teoria das Distâncias Críticas (TCD) e o método da Densidade de Energia de Deformação Equivalente (ESED).