Nucleação e propagação de trincas por fadiga em ligas de ferro fundido em condições de carregamentos termomecânicos - Ferreira, Márcio Henrique (2022)
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.