Fadiga multiaxial policíclica : modelagem e simulação

Abstract

O objetivo deste trabalho é o estudo de critérios de resistência à fadiga multiaxial de metais em regime de alto número de ciclos. Os modelos apresentados por vários autores propõem, como medidas principais, a contribuição das tensões normais e das tensões cisalhantes para a degradação por fadiga do componente, além dos parâmetros do material. A questão que se coloca no contexto de solicitações multiaxiais é: qual é a melhor medida para caracterizar a amplitude de tensões cisalhantes e como incorporar o efeito das tensões normais? O estudo desenvolve então, uma análise destas questões relacionadas à modelagem de um critério de resistência à fadiga. Tensões normais trativas contribuem de forma maléfica para a degradação por fadiga por agirem no processo de abertura de microtrincas; quase a totalidade dos modelos de fadiga multiaxial considera a tensão hidrostática como medida das tensões normais atuantes na solicitação à fadiga. Sabe-se que esta é basicamente uma média das tensões normais e propõe-se aqui a substituição desta, pela máxima tensão principal. A aplicação da proposta a um conjunto grande de resultados experimentais disponíveis na literatura confirmou a hipótese de que a pior situação, que corresponde à existência de uma micro-trinca ortogonalmente orientada à máxima tensão principal, deve ser considerada e fornece uma previsão de resistência à fadiga mais conservativa e portanto, a favor da segurança. Quanto às tensões cisalhantes, primeiro apresentam-se as propostas de alguns autores, destacando-se dentre elas a abordagem do envelope elíptico e do envelope prismático. As duas aproximações fornecem as mesmas boas previsões de resistência à fadiga para dados experimentais de carregamentos senoidais com ciclos de mesma freqüência. Avança-se a análise para carregamentos mais gerais cujas trajetórias se distanciam da forma de um elipsóide e verifica-se de maneira inédita que, para uma ampla faixa de histórias de carregamento, as medidas de amplitude de tensões cisalhantes obtidas pelo máximo envelope prismático são equivalentes às medidas correspondentes obtidas pelo mínimo envelope elíptico. Tal verificação foi comprovada considerando-se trajetórias com ciclos senoidais assíncronos proporcionais e fora de fase, e ciclos não senoidais selecionadas a partir de resultados experimentais relativos a situações limites de resistência à fadiga. ________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The aim of this work is to evaluate multiaxial high cycle fatigue criteria for metals. The models presented by many authors propose that the the normal and shear stresses are the main variables controlling the fatigue damage, as well as the materials parameters. In the multiaxial context, the fundamental question to be answered is: which is the best measure to characterize the shear stress amplitude and how the well known effect of the mean normal stresses can be incorporated in the modeling process? This work carries out an analysis of such issues! Tensile stresses reduce the fatigue strength of metals as they keep the crack faces opened. Almost the totally of the multiaxial fatigue models available in the literature considers the hydrostatic stress as a measure for the normal stresses acting upon the fatigue solicitation. The hydrostatic stress is basically an average of the normal stresses acting in three orthogonal planes passing through a material point. Here we claim that the worst situation in terms of fatigue solicitation corresponds to the existence of a micro-crack orthogonally oriented to the maximum principal stress. Therefore, the maximum principal stress rather than the hydrostatic stress should be considered as an appropriate measure of the mean normal stress effect on the fatigue solicitation. To validate this hypothesis available experimental data published in the literature were selected and compared with the estimates provided by a modified version of the Prismatic Hull criterion developed by Mamiya and Araujo. Concerning the shear stresses, some models which consider the Minimum Circunscribing Ellipsoid or the Maximum Prismatic Hull of the deviatoric stress path as an appropriate measure for the shear stress amplitude are presented. The analysis carried out considering different materials subjected to a broad range of loading paths involving sinusoidal loadings with distinct frequencies and non-harmonic loadings revealed the shear stress amplitudes measured by the prismatic hull are equivalent to the ones measured by the elliptic hull.