Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica - Estudo do fenómeno de iniciação de fendas por fadiga na liga de Alumínio AlSi10Mg produzida por LB-PBF sujeita a esforços combinados de flexão-torção.

Abstract

Heat-treated AlSi10Mg alloys in components produced by FSL are widely used in aeronautics and aerospace applications. It is therefore essential to guarantee the safety and durability of components created for this purpose. It is therefore essential to study and understand the phenomenon of fatigue in this aluminum alloy.The main objective of this work is to analyze the fatigue behavior of tubular specimens with a through side hole produced by selective laser melting from the AlSi10Mg alloy, when subjected to multiaxial proportional bending-torsion loading. The aim is also to study the effect of heat treatment to relieve residual stresses in the fatigue behaviour. Experimental fatigue tests will be carried out for different ratios between normal stresses and shear stresses, σ/τ = 2 and σ/τ = 4/3, considering different stress levels for a stress ratio close to zero.During the fatigue tests, the specimens will be observed periodically using a high-resolution digital camera in order to relate the crack length to the number of cycles applied and also to detect the crack initiation zones and their respective initiation angles. After the fatigue tests, the fracture surfaces will be analyzed by scanning electron microscopy to identify the main fracture mechanisms.The experimental results will be compared with the numerical predictions of the initiation sites and initiation angles obtained through simulations using the Finite Element Method.The two main conclusions that can be drawn from this dissertation are the following: the locations and angles of initiation, crack paths and fracture surfaces depend on the σ/τ ratio; with regard to the effect of heat treatment by residual stress relieving, some of the treated specimens show faster crack propagation, however, the crack begins to initiate at a higher number of cycles when compared to the untreated specimens.

As ligas de AlSi10Mg em componentes produzidos por FSL, e tratadas termicamente são muito utilizadas em aplicações de aeronáutica e aeroespacial. Deste modo, torna-se indispensável garantir a segurança e durabilidade dos componentes criados para este fim. É, por isso, fundamental, estudar e compreender o fenómeno de fadiga nesta liga de alumínio.O objetivo principal deste trabalho consiste em analisar o comportamento à fadiga em provetes tubulares com um furo lateral passante, fabricados por fusão seletiva por laser a partir da liga AlSi10Mg, quando sujeitos a esforços proporcionais multiaxiais flexão-torção. Pretende-se, também, estudar o efeito do tratamento térmico de alívio de tensões residuais. Serão realizados ensaios experimentais de fadiga para diferentes relações entre as tensões normais e as tensões de corte, σ/τ= 2 e σ/τ = 4/3, considerando diferentes níveis de tensão para uma razão de tensões próxima de zero.No decurso dos ensaios de fadiga, a zona em redor do furo transversal dos provetes será visualizada periodicamente, com recurso a uma câmara digital de alta resolução de modo a relacionar o comprimento de fenda com o número de ciclos aplicados e também para determinar as zonas de iniciação da fenda e respetivos ângulos de iniciação. Após a realização dos ensaios de fadiga, as superfícies de fratura serão analisadas por microscopia eletrónica de varrimento para identificar os principais mecanismos de fadiga e fratura.Os resultados experimentais serão comparados com as previsões numéricas dos locais de iniciação e dos ângulos de iniciação obtidos através de simulações efetuadas através do Método dos Elementos Finitos. As duas principais conclusões que se podem retirar da presente dissertação são as seguintes: os locais e ângulos de iniciação, as trajetórias de fendas e as superfícies de fratura dependem da relação σ/τ; relativamente ao efeito do tratamento térmico por alívio de tensões residuais, alguns dos provetes tratados apresentam uma velocidade de propagação da fenda mais rápida, no entanto, a fenda começa a iniciar-se para um número de ciclos mais elevado quando comparado com os provetes não tratados.