Fatigue life of 1045 steel with an artificial small defect : experiments and modeling based on small crack growth

Abstract

Uma parte significativa da vida à fadiga dos materiais consiste no crescimento de pequenas trincas. Apesar do progresso na compreensão do crescimento de pequenas trincas de fadiga nos últimos 50 anos, ainda é um tema fundamental e ativo na pesquisa de fadiga. Nesse contexto, os objetivos do presente trabalho foram: (i) caracterizar experimentalmente o crescimento de pequenas trincas em aço carbono SAE 1045 com um pequeno defeito superficial quando submetido a carga cíclica e (ii) avaliar a precisão dos modelos de crescimento de pequenas trincas na previsão da vida útil à fadiga. Amostras cilíndricas com um furo cilíndrico artificial (com diâmetro e profundidade de 400 µm) foram submetidas a carga axial cíclica sob razões de carga de -1 e 0.1. Os testes foram conduzidos no regime de fadiga de alto ciclo, com vidas variando de 104 a 107 ciclos. O crescimento da trinca nas proximidades do furo foi monitorado interrompendo periodicamente os testes e medindo o comprimento da trinca usando um microscópio confocal à laser. O método polinomial incremental foi então utilizado para obter a taxa de crescimento da trinca em relação ao seu comprimento. Uma forma modificada do modelo de Fatemi para a taxa de crescimento de pequenas trincas foi desenvolvida substituindo o parâmetro Smith–Watson–Topper por um parâmetro do tipo Walker. As constantes do modelo foram determinadas ajustando os dados de crescimento de trincas obtidos sob carga uniaxial. Para verificar a precisão das previsões de vida útil à fadiga sob carga multiaxial, foram utilizados dados de teste axial/torcional previamente produzidos pelo grupo de pesquisa em Fadiga, Fratura e Materiais da Universidade de Brasília. Os dados incluíam condições de carga em fase e fora de fase, assim como a presença de tensão média. Foi demonstrado que o uso do parâmetro do tipo Walker proporcionou estimativas de vida útil aprimoradas, especialmente para os testes envolvendo tensão média. A maioria das estimativas de vida à fadiga estava dentro de um fator de 3 em relação às vidas medidas.