Comportamento à fadiga de peças DIN 34CrNiMo6 entalhadas sujeitas a flexão-torção

Abstract

A liga DIN 34CrNiMo6 é um aço ao crómio-níquel-molibdénio de alta resistência, muito usado para aplicações onde seja necessário suportar maiores esforços do que aqueles a que são sujeitos os aços de construção ao carbono. Este material apresenta elevada ductilidade, temperabilidade, tenacidade e resistência. A nitruração confere-lhe uma excelente resistência ao desgaste e à fadiga sendo, portante, um material com uma vasta gama de aplicações que podem funcionar em condições de serviço severas e com carregamentos complexos tais como veios, eixos, engrenagens, parafusos e porcas, cavilhas, cambotas, bielas, entre muitas outras. Muitos destes componentes apresentam descontinuidades geométricas, como furos, entalhes ou até pequenos defeitos de fabrico, o que faz com que haja tensões acumuladas localmente. Estas características combinadas fazem com que o material fique vulnerável a falhas por fadiga. É, portanto, necessário desenvolver modelos de previsão de vida à fadiga fiáveis de modo a reduzir o risco de falhas inesperadas.Palavras-chave: Fadiga biaxial, Torção-flexão, Efeito do entalhe, Previsão de vida à fadiga, Iniciação de fenda, Distância crítica.O objetivo principal da corrente dissertação é estudar o comportamento à fadiga de peças entalhadas, compostas por aço de alta resistência DIN 34CrNiMo6, sujeitas a carregamentos combinados proporcionais de flexão e torção. Para isso serão realizados ensaios com provetes de secção circular com um entalhe lateral em forma de U contendo um micro furo central, considerando diferentes relações entre tensões de corte (τ) e tensões normais (σ), nomeadamente, σ= 2τ e σ= 4τ, e diferentes níveis de tensão. Após a realização dos ensaios desenvolvem-se modelos de previsão dos locais de iniciação da fenda, da trajetória da mesma na superfície do entalhe e, ainda, da vida de iniciação para os vários cenários de carregamento. Para concretizar estes objetivos, são desenvolvidos modelos numéricos elásticos para obtenção do estado local de tensão-deformação na zona do entalhe. O efeito do entalhe é contabilizado usando a Teoria das Distâncias Críticas (TDC) e a Densidade de Energia de Deformação Equivalente (DEDE). As vidas de iniciação são obtidas através do modelo baseado na Densidade de Energia de Deformação Total (DEDT).

DIN 34CrNiMo6 alloy is a high strength chrome-nickel-molybdenum steel, widely used for applications where greater stress is required than those that carbon steels are subjected. This material exhibits high ductility, toughness, deep hardenability and strength. Nitriding gives it excellent wear and fatigue resistance and is therefore a material with a wide range of applications that can operate in severe conditions and with complex load such as shafts, axels, gears, bolts, crankshafts, connecting rods, amount many others. Many of these components have geometric continuities, such as holes, notches or even minor manufacturing defects, which results in locally accumulated stresses. These combined characteristics make the material vulnerable to fatigue failure. It is therefore necessary to develop reliable fatigue life predictions models in order to reduce the risk of unexpected failures.The main purpose of current dissertation is to study the fatigue behavior of notched parts, composed of DIN 34CrNiMo6 high strength steel subject to proportional combined bending-torsion loads. For this, tests with circular cross section test specimens with a U-shaped lateral notch containing a central micro hole will be performed, considering different relations between shear stress (τ) and normal stress (σ), namely σ= 2τ and σ= 4τ, and different stress levels. After the tests, numerical models are developed for predicting the crack initiation sites, crack paths at the notch surface and fatigue initiation life for the different load scenarios. To achieve these objectives, linear-elastic numerical models are developed to obtain the local stress-strain at the notch root. The effect of the notch is accounted for by using the Theory of Critical Distances (TCD) and the Equivalent Strain Energy Density (ESED). Life predictions are obtained through the Total Strain Energy Density (TSED) model.