Study of the stress gradient and the size effect in fretting fatigue

Abstract

A fadiga por fretting está relacionada com o processo de dano, localizado na fronteira de contato entre dois corpos submetidos a cargas de fadiga. A previsão desse fenômeno é de grande importância na análise, por exemplo, da vida de lâminas de discos de turbinas. Na fadiga por fretting, o campo de tensão é máximo na superfície de contato, sendo observado um alto gradiente de tensão sob essa superfície. A diferença de escala entre experimentos realizados em laboratórios e os sistemas industriais, motivaram, nessa pesquisa, uma investigação da influência do efeito de tamanho na previsão de vida em fadiga por fretting. Para quantificar o efeito do gradiente de tensão e o efeito de tamanho, diferentes testes foram realizados na Universidade de Brasília em um equipamento servo-hidráulico com dois atuadores especialmente desenvolvido para ensaios de fadiga por fretting. Os parâmetros de testes foram definidos de forma que induzissem diferentes gradientes de tensão nos corpos de prova e posteriormente foram ajustados de modo que o volume solicitado sob a região de contato fosse o mesmo. Após os ensaios, para investigar os mecanismos de dano, os corpos de prova foram analisados por meio de um microscópio confocal laser. Foi demostrado nesta tese que para a liga Ti-6Al-4V, uma abordagem não local, baseada no campo de velocidades em uma determinada área ao redor da região de contato consegue prover boas previsões de vida em fadiga por fretting. Uma análise da influência das forças de fadiga nos processos de iniciação e propagação de trincas foi realizada e indicaram que essas forças não podem ser negligenciadas. De fato, se cerca de 75% dos mecanismos de iniciação de trinca em fadiga por fretting são controlados por tensões de contato (cisalhantes e pressão de contato) a consideração das tensões normais possibilita realizar previsões de vida mais realistas. O estudo do efeito do tamanho foi dividido em duas fases. A primeira investigou a influência do volume solicitado, reduzindo a largura de contato, porém, o gradiente de tensão sob a área de contato e a área de dano dentro da zona de deslizamento foram mantidas constantes. Na segunda, mantendo os parâmetro experimentais σB,max/p0 e Q/fP constantes, a influência da área de dano no interior da zona de deslizamento foi isolada enquanto que a área de dano sob a zona de deslizamento foi reduzida. Os resultados experimentais foram analisados utilizando o critério de fadiga da Curva Modificada de Wöhler em conjunto com a Teoria da Distância Crítica. Foi observado que nenhum desses dois parâmetros influenciam significativamente a vida em fadiga por fretting. Assim, o termo “efeito de tamanho” deve ser analisado somente com base no efeito do gradiente.