• JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
 
  Bookmark and Share
 
 
Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2022.tde-23052022-110205
Documento
Autor
Nome completo
Márcio Henrique Ferreira
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2022
Orientador
Banca examinadora
Bose Filho, Waldek Wladimir (Presidente)
Cabezas, Carlos de Souza
Diaz, Julian Arnaldo Avila
Maluf, Omar
Moreto, Jéferson Aparecido
Título em português
Nucleação e propagação de trincas por fadiga em ligas de ferro fundido em condições de carregamentos termomecânicos
Palavras-chave em português
fadiga de baixo ciclo (FAC)
fadiga termomecânica (FTM)
fadiga termomecânica sobreposto por alto ciclo (FTM+FAC)
ferro fundido cinzento
ferro fundido vermicular
propagação de trinca
Resumo em português
A indústria automotiva está constantemente sujeita a novas demandas para o atendimento dos regulamentos e normas ambientais, impostas para restrição da emissão de gases, redução de peso e maior rendimento energético. Desta maneira, estes fatores exigem melhorias na eficiência do motor, que por consequência, exigirá melhorias no projeto onde mais altas temperaturas e redução do tamanho do componente devem ser consideradas, consequentemente a busca por materiais que apresentem propriedades físicas, químicas e mecânicas melhoradas. Nos dias atuais, foi observado que algumas das principais falhas que ocorrem nos motores diesel estão associadas a formação de trincas no cabeçote atribuída a fadiga termomecânica que consiste em carregamentos mecânicos e térmicos aplicados independentemente e fora de fase, sendo estes carregamentos oriundos de tensões internas geradas do aquecimento devido a ignição do motor e o seu consequente resfriamento pelo sistema de arrefecimento e no desligamento. Entretanto, outros fatores podem também estar associados a estas falhas, como os carregamentos cíclicos de baixa amplitudes que estão presentes durante o funcionamento normal do motor. Um outro fator que tem sido considerado é que defeitos tipo 'trincas' podem já estar presentes, por estes componentes serem fundidos, e assim a vida em fadiga deveria ser tratada como vida em propagação em condições de carregamentos termomecânicos. Considerando as diferentes possíveis abordagens em projeto, o principal objetivo deste trabalho foi estudar a vida em fadiga considerando primeiramente os ensaios que representem o mais próximo as condições reais de trabalho que os materiais dos cabeçotes dos motores diesel são submetidos, permitindo assim a seleção de materiais para projeto. Em segundo lugar, na intenção de compreender melhor os fatores influentes e micromecanismos envolvidos na falha destes materiais, ensaios primários e de fadiga isotérmica foram realizados. Para tanto, um conjunto de ensaios especiais foi elaborado, tais como, fadiga termomecânica e fadiga termomecânica sobreposta por fadiga de alto ciclo, na tentativa de simular os ensaios o mais próximo possível das condições de serviço a que estes materiais são submetidos quando em funcionamento. Ainda, considerando a hipótese de que trincas são prontamente formadas nos ferros fundidos e que a maior parte da vida seria então a de propagação ao invés de nucleação, foram levantadas a curva da taxa de propagação de trinca por fadiga, considerando assim a pré-existência de defeitos tipo trinca para possível aplicação no projeto considerando vida em propagação. Por fim, foram realizados ensaios de tração a quente e ensaios de fadiga isotérmica para melhor entendimento dos micromecanismos de fadiga. Já os ensaios de fadiga termomecânica e fadiga termomecânica sobreposta por fadiga de alto ciclo foram realizados a partir de uma temperatura de 50 a 420 °C fora de fase, acrescentado uma amplitude de deformação de 0,1% em 2Hz para o ensaio de fadiga termomecânica sobreposta por fadiga de alto ciclo. A partir dos resultados foi observado que o ferro fundido vermicular apresentou maior vida em fadiga, independentemente do tipo de ensaio e que tanto na temperatura de 50 °C quanto 420 °C, ocorreu um ligeiro endurecimento cíclico em ambos materiais. Os valores das constantes m e C foram bem distintos para o ferro fundido vermicular e para o ferro fundido cinzento, sendo respectivamente m = 4,66 e C = 5,21 x 10-8 e 3,13 e 3,94 x 10-4. Assim, para baixos valores de ΔK, o ferro fundido vermicular possui taxa de propagação de 1 ordem de grandeza menor, entretanto, partir de valores de ΔK entre 20 e 30 MPa.m0,5, a taxa de propagação são similares. Tanto a redução de vida quanto aumento da taxa de propagação do FFC250 são devidos a morfologia da grafita lamelar do FFC250 que atuam como concentradores elevados de tensão e caminhos fáceis para a propagação de trinca.
Título em inglês
Fatigue crack nucleation and propagation in cast iron alloys under thermomechanical loading conditions
Palavras-chave em inglês
cast iron
compact
gray
high cycle fatigue (HCF)
thermomechanical fatigue (TMF)
thermomechanical fatigue superimposed over high cycle (TMF+HCF)
Resumo em inglês
The automotive industry is constantly subject to new demands to comply with environmental regulations and standards imposed for restricting gas emissions, reducing weight and increasing energy efficiency. Thus, these factors require improvements in engine efficiency, which will therefore require design improvements where higher temperatures and reduced component size must be considered, hence the pursuit of materials that have improved physical, chemical and mechanical properties. Nowadays, it was observed that some of the main faults that occur in diesel engines are associated with cracking in the cylinder head attributed to thermomechanical fatigue consisting of mechanical and thermal loads applied independently and out of phase, these loads being generated from internal stresses. Heating due to ignition of the engine and its consequent cooling by the cooling system and shutdown. However, other factors may also be associated with these faults, such as the low amplitude cyclic loads that are present during normal engine operation. Another factor that has been considered is that cracked defects may already be present because these components are fused, and thus fatigue life should be treated as propagating life under thermomechanical loading conditions. Considering the different possible approaches in design, the main objective of this work was to study the fatigue life considering firstly tests that represent as close as the real working conditions that the materials of the heads of the diesel engines are submitted, thus allowing the selection of project materials. Secondly, in order to better understand the factors and micromechanisms involved in the failure of these materials, primary and isothermal fatigue tests will be performed. To this end, a set of special tests was elaborated, such as thermomechanical fatigue and thermomechanical fatigue superimposed by high cycle fatigue, in an attempt to simulate the tests as close as possible to the service conditions to which these materials are submitted when in operation. Also, the fatigue crack propagation rate curve will be raised, considering the preexistence of crack type defects for possible application in the project considering propagation life. Finally, hot tensile tests and isothermal fatigue tests will be performed to better understand the fatigue micromechanisms. At the end, the useful life of each material will be correlated with the microstructures and fracture micromechanisms developed in each type of test. The thermomechanical fatigue and thermomechanical fatigue overlapped by high cycle fatigue loads were performed from a temperature of 50 to 420 °C out of phase, adding a strain amplitude of 0.1% at 2Hz for the thermomechanical fatigue test overlapped by high cycle fatigue. A partir dos resultados foi observado que o CGI-450 apresentou maior vida em fadiga, independentemente do tipo de ensaio e que tanto na temperatura de 50 °C quanto 420 °C, ocorreu um ligeiro endurecimento cíclico em ambos materiais. The values of the constants m and C were quite different for the CGI450 and CG250, being m = 4.66 and C = 5.21 x 10-8 and 3.13 and 3.94 x 10-4, respectively. Thus, for low values of ΔK, the CGI450 has a propagation rate of 1 order of magnitude smaller, however, from values of ΔK between 20 and 30 MPa.m0,5, the propagation rate becomes similar. Both the reduced life and increased propagation rate of the CG250 are due to the CG250's lamellar graphite morphology, size and distribution which act as high stress concentrators and easy pathways for crack propagation.
 
AVISO - A consulta a este documento fica condicionada na aceitação das seguintes condições de uso:
Este trabalho é somente para uso privado de atividades de pesquisa e ensino. Não é autorizada sua reprodução para quaisquer fins lucrativos. Esta reserva de direitos abrange a todos os dados do documento bem como seu conteúdo. Na utilização ou citação de partes do documento é obrigatório mencionar nome da pessoa autora do trabalho.
Data de Publicação
2022-05-24
 
AVISO: Saiba o que são os trabalhos decorrentes clicando aqui.
Todos os direitos da tese/dissertação são de seus autores
CeTI-SC/STI
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP. Copyright © 2001-2022. Todos os direitos reservados.