Comportamento e previsão da vida à fadiga multiaxial de componentes com entalhes

Abstract

Este trabalho tem como objetivo investigar o comportamento à fadiga da liga de alta resistência AISI 18Ni300 sujeita a carregamentos proporcionais multiaxiais combinados de flexão e torção. O programa de fadiga considerada razões entre tensões normais e tensões de corte iguais a 4/3, 2 e 4 e razão de tensões (R) próxima de zero. A geometria estudada é uma peça bi-material composta por um substrato de secção circular maciça produzido por técnicas subtrativas convencionais e por um implante tubular produzido pela técnica aditiva de Selective Laser Melting (SLM) contendo um furo transversal passante (entalhe). Pretende-se desenvolver critérios que permitam prever o local de iniciação da fenda, as trajetórias da fenda na fase inicial de propagação, e vida de iniciação de fenda para os diferentes cenários de carregamento.No decorrer dos ensaios de fadiga, os provetes foram visualizados periodicamente com recurso a uma câmara digital de alta resolução para relacionar o comprimento de fenda com o número de ciclos aplicados e também para deteção das zonas de iniciação da fenda e respetivos ângulos de iniciação. Após a realização dos ensaios de fadiga, as superfícies de fratura foram examinadas por microscopia eletrónica de varrimento. Numa segunda fase, foi desenvolvido um modelo numérico linear elástico, pelo método dos elementos finitos, que permitiu caracterizar os campos de tensão e deformação na região do furo para as várias condições de carregamento aplicadas nos ensaios experimentais. Os locais de iniciação, os ângulos de iniciação, e as trajetórias de propagação à superfície da peça foram previstos numericamente pelo valor máximo da primeira tensão principal, pelo valor da primeira direção principal no local de iniciação, e pelo campo de tensões principais, respetivamente.O efeito do entalhe no comportamento à fadiga foi estimado com base no critério de Densidade de Energia de Deformação Equivalente e na Teoria das Distâncias Críticas através do Método de Linha (LM) e do Método do Ponto (PM). As previsões de vida à fadiga foram obtidas com a aplicação dos Modelos Smith-Watson-Topper e Coffin-Manson e pelo parâmetro Smith-Watson-Topper. O modelo de CM foi o que permitiu obter melhores resultados, nomeadamente erros menores e desvios-padrão inferiores.

This work aims to investigate the fatigue behaviour of the AISI 18Ni300 maraging steel subjected to combined multiaxial proportional loads of bending and torsion. The fatigue behaviour considered in this study has ratios of the normal stresses to the shear stresses equal to 4/3, 2 and 4 and a stress ratio (R) close to zero. The studied geometry is a bi-material specimen composed of a substrate of solid circular cross-section produced by conventional subtractive techniques and by a tubular implant produced by the Selective Laser Melting additive technique containing a through-hole. It is intended to develop criteria to predict the crack initiation sites, as well as the crack initiation trajectories and the crack initiation orientations in the early stage of growth for the different loading scenarios. During the fatigue tests, the specimens were periodically observed using a high resolution digital camera. After the fatigue test campaign, fracture surfaces were examined by Scanning Electron Microscopy to identify the failure micro-mechanisms. In a second phase, a linear elastic numerical model was developed by the Finite Element Method, which allowed the characterization of the stress and strain fields in the hole region for the loading conditions applied in the experimental tests. Crack initiation sites, crack orientation angles and surface crack paths were numerically predicted on the basis of the maximum value of the first principal stress, first principal direction at the initiation site, and from the first principal stress field, respectively.The notch effect on fatigue was accounted for via the Equivalent Strain Energy Density concept, and the Theory of Critical Distances by the Line Method and the Point Method. Fatigue life predictions were obtained using the Smith Watson-Topper and Coffin Manson models as well as the Smith-Watson Topper parameter. The Coffin-Manson models gave the best predictive results, with lower errors and lower standard deviation values.