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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2020.tde-25082020-095014
Documento
Autor
Nome completo
Douglas Geovanni Bon
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2020
Orientador
Banca examinadora
Bose Filho, Waldek Wladimir (Presidente)
Angeloni, Mauricio
Spinelli, José Eduardo
Título em português
Vida em fadiga isotérmica e termomecânica de ferros fundidos cinzento classe 300 e vermicular classe 500
Palavras-chave em português
cabeçote de motor
fadiga isotérmica
fadiga termomecânica
ferro fundido cinzento
ferro fundido vermicular
trincas
Resumo em português
Em busca de motores a combustão de maior eficiência energética, as indústrias de motores diesel têm incentivado pesquisas buscando, simultaneamente, a redução de peso e o aumento da potência, visando as principais demandas de sustentabilidade exigidas pelas políticas ambientais vigentes, como por exemplo, a redução da emissão de gases e particulados de carbono para a atmosfera. Partes dos motores diesel, como o bloco de cilindros e o cabeçote, são submetidos a altos níveis de tensão, resultantes da restrição mecânica dos componentes em conjunto ao gradiente térmico gerado pelo acionamento e parada do motor. Essas tensões podem induzir a nucleação de trincas localizadas e com o tempo, por propagação destas, levar a falha do componente. O fenômeno que descreve todo esse conjunto de fatos é conhecido como fadiga termomecânica (FTM). Com a crescente adição de torque aos motores, resultante da elevação da temperatura e pressão dentro do bloco de cilindros e cabeçote, aumentou-se a taxa de propagação de trincas no material que constitui estas partes do motor e consequentemente, a redução da vida útil do componente. O objetivo do presente estudo é analisar a vida em fadiga isotérmica e termomecânica, identificar os micromecanismos de dano sob condições de FTM em novas ligas de alta resistência, de ferros fundidos cinzento classe 300 e vermicular classe 500, ligas processadas para serem alternativas de maior resistência mecânica na fabricação de blocos e cabeçotes de motores. Para isso, os ensaios de FTM simulam o ciclo térmico gerado no cabeçote do motor, por conta da ignição-operação-desligamento, em condições laboratoriais. Após a ignição, a temperatura atinge subitamente em torno de 420ºC, permanecendo nesta faixa durante a operação e após a parada do motor, retorna para a temperatura ambiente. Essa elevação brusca na temperatura causa deformações plásticas localizadas no material e com o posterior resfriamento do motor, tensões trativas são geradas. A complexidade da geometria do cabeçote torna o componente mais vulnerável a nucleação de trincas por fadiga, do que na maioria dos casos. Estas trincas estão entre as válvulas de admissão e exaustão, levando a falha do componente. Foram conduzidos ensaios de fadiga isotérmica por controle de deformação, com a imposição de uma deformação mecânica variável (ciclos de amplitude constante) em uma temperatura constante, em amostras dos dois ferros fundidos. Os ensaios de fadiga termomecânica fora-de-fase foram realizados nas amostras dos dois ferros fundidos, submetidas a ciclos térmicos em forma de onda trapezoidal com temperaturas mínimas e máximas de 50ºC a 420ºC, variando as condições de restrição mecânica. Os resultados nos mostram que a diferença de resistência mecânica e vida em fadiga do FFC 300 para o FFV 500 está relacionada às diferenças na morfologia, tamanho e distribuição das células de grafita, pois em ambos, as matrizes são perlíticas. No FFV 500, por conta do refinamento das células de grafita presentes, partículas de grafita mais espessas e com extremidades mais arredondadas, o processo de nucleação e propagação de trincas pela matriz é dificultado, propiciando maior resistência mecânica e vida em fadiga em comparação com o FFC 300.
Título em inglês
Isothermal and thermomechanical fatigue life of gray cast iron grade 300 and vermicular grade 500
Palavras-chave em inglês
compacted graphite cast iron
cracks
cylinder head
gray cast iron
isothermal fatigue
thermomechanical fatigue
Resumo em inglês
In search of more energy-efficient combustion engines, the heavy-duty engine industries have encouraged research aimed at simultaneously reducing the weight and increasing the density of these engines, aiming to meet the main sustainability demands required by current environmental policies, that is, the reduction of the emission of gases and particulates of carbon into the atmosphere. Parts of diesel engines, such as the cylinder head and block, are subjected to high levels of stress, resulting from the mechanical constraint of the components and the thermal gradient generated by starting and stopping the engine. These stresses can induce the nucleation of localized cracks and, over time, by propagation of these cracks, lead to component failure. The phenomenon that describes this whole set of facts is known as thermomechanical fatigue (FTM). With the increasing addition of torque to the engines, due to rise in temperature and pressure inside the block and cylinder head, the fatigue rate in the material that constitutes these parts of the engine has increased and, consequently, reduced the component's lifetime. The present study aims to analyze the life in isothermal and thermomechanical fatigue, as well as identifying the damage micromechanisms under conditions of TMF in new high-strength cast irons, gray grade 300 (GI300) and compacted graphite cast iron grade 500 (CGI500), materials developed as more resistant alternatives in the manufacture of engine blocks and cylinder heads. For this, the FTM tests simulate the thermal cycle generated in the cylinder head from the start-operate-stop of the engine, under laboratory conditions. After ignition, the temperature suddenly reaches around 420ºC, remaining in this range during the operation and after the engine stops it returns to room temperature. This sudden rise in temperature causes plastic deformations located in the material and with the subsequent cooling of the engine, it generates tensile stresses. The complexity of the cylinder head geometry makes the component more vulnerable to fatigue crack nucleation, which in most cases, these cracks are between the intake and exhaust valves, leading to component failure. Isothermal fatigue tests by strain control were carried out under a variable mechanical strain level (cycles of constant amplitude), at constant temperature and temperatures of two cast irons. The thermomechanical fatigue tests were carried out in the two cast irons samples, subjected to thermal cycles in the form of trapezoidal waves at temperature range 50ºC to 420ºC, varying mechanical constraint conditions. The results show that the difference in mechanical strength and fatigue life from the FFC 300 to the FFV 500 is related to the differences in the morphology, size, and distribution of the graphite cells, because in both, the matrices are pearlitic. In the FFV 500, the refinement of the graphite cells and thicker particles with more rounded edges make the process of nucleation and crack propagation through the matrix more difficult, providing greater mechanical resistance and fatigue life, when compared to the FFC 300.
 
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Data de Publicação
2021-06-15
 
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