Desenvolvimento de um modelo de previsão de vida à fadiga para componentes mecânicos entalhados sujeitos a carregamentos multiaxiais

Abstract

DIN 34CrNiMo6 high strength steel is a very important and versatile engineering material, combining high ductility with deep hardenability, toughness and strength. It is an ideal material for critical mechanical components, such as: axles, shafts, crankshafts, pinions, connecting rods, gears, torsion bars, among others. In general, these components are subjected to severe service conditions and complex loading, and have geometric discontinues which make them susceptible to stress concentration phenomena. To reduce the risk of fatigue failure resultant of these characteristics, it is necessary the development of accurate fatigue life prediction models.Therefore, the main objective of this thesis is the study of fatigue behavior in notched components, made of DIN 34CrNiMo6 high strength steel, under in-phase bending-torsion, single bending and single torsion loading. For the in-phase bending-torsion, three ratios between the bending moment (B) and the torsion moment (T) are considered, more precisely B=2T, B=T and B=2T/3. With this study it is intended to develop a fatigue life prediction methodology based on the finite element method. More specifically, the procedure consists of selecting an elasto-plastic constitutive model that allows to obtain, as accurate as possible, the stress-strain state in the critical zones of the notches. The specimen geometries used in the experiments are round bars with lateral U-shaped notches. The tests are conducted at stress ratios close to zero under constant-amplitude loading. The fatigue life predictions are performed through the Coffin-Manson (CM), Smith-Watson-Topper, and the Ellyin models. The second objective is the identification of a representative damage parameter which allows estimating the fatigue life for different loading scenarios, namely different relations between the normal and shear stresses.Overall, the life predictions obtained with the Ellyin energy model show good correlation, with about 84% of the cases within factors of 2. Relatively to the other two models, the results were less interesting.

A liga de alta resistência DIN 34CrNiMo6 é um material de engenharia muito importante e versátil, combinando elevada ductilidade com alta temperabilidade, tenacidade e resistência. É um material ideal para componentes mecânicos críticos, tais como: veios, eixos, pinhões, barras de torção, componentes aeronáuticos, entre outros, que, de uma forma geral, funcionam sob a ação de condições de serviço severas e são sujeitos a carregamentos relativamente complexos. Estes componentes mecânicos, apresentam ainda descontinuidades geométricas o que os torna suscetíveis ao fenómeno de concentração de tensões. Para que o risco de falha por fadiga resultante destas características seja reduzido é necessário ter modelos de previsão de vida à fadiga fiáveis e assertivos.Assim sendo, o objetivo principal da presente dissertação é o estudo do comportamento à fadiga de peças entalhadas, concebidas a partir da liga de alta resistência DIN 34CrNiMo6 sujeito a carregamentos de flexão, torção, e a carregamentos proporcionais combinados de flexão-torção. Dentro dos carregamentos combinados são consideradas três razões entre momento fletor (B) e momento torsor (T), mais precisamente B=2T, B=T e B=2T3. Com este estudo pretende-se desenvolver uma metodologia de previsão de vida à fadiga com recurso à simulação numérica por elementos finitos. Mais especificamente, o procedimento consiste na seleção de um modelo constitutivo elasto-plástico que permita obter, de uma forma precisa, o estado de tensão-deformação nas zonas críticas dos entalhes. As geometrias dos provetes utilizados nos ensaios de fadiga consistem em barras de secção circular com entalhes laterais em forma de U. Consideram-se razões de tensão próximas de zero e cargas com amplitude constante. As previsões de vida à fadiga são obtidas com os modelos de Coffin-Manson (CM), de Smith-Watson-Topper (SWT) e de Ellyin. O segundo objetivo é identificar um parâmetro de dano representativo, que permita estimar a vida à fadiga para diferentes tipos de solicitação, nomeadamente diferentes relações de proporcionalidade entre tensões normais e de corte.Globalmente, as previsões de vida obtidas com o modelo energético de Ellyin apresentam boa correlação, com cerca de 84% dos casos dentro de bandas de dispersão com fatores de 2. Relativamente aos outros dois modelos, os resultados foram menos interessantes.