[pt] Pesquisas atuais evidenciam que diversos materiais com aplicação nas indústrias automotiva, ferroviária, aeronáutica e aeroespacial não apresentam um limite de fadiga. Porém, em torno de 1860 Wohler propôs a curva S-N (tensão - número de ciclos), admitindo um conceito que há um limite de fadiga, estipulado na época como 1E5 ciclos e considerado como vida infinita em fadiga. Contudo, com os avanços tecnológicos, inúmeros componentes falham na condição de vida infinita, de maneira contrária ao proposto por Wöhler. Atualmente, se considera 3 regimes distintos de fadiga: fadiga de baixo ciclo, fadiga de alto ciclo e fadiga de altíssimo ciclo. Nas indústrias automotivas há um extensivo uso de chapas de aço para a fabricação de componentes de geometria complexa. Neste contexto, o aço interstitial free (IF – aços com baixa quantidade de átomos intersticiais), é um dos materiais de largo emprego, em função da sua excelente estampabilidade. O aço IF apresenta uma microestrutura ferrítica com uma baixíssima quantidade de elementos intersticiais. Interstícios com carbono e nitrogênio são estabilizados pelo titânio (Ti) ou nióbio (Nb) formando frações de volume extremamente pequenas na matriz ferrítica de carbetos e nitretos. O trabalho baseia-se na investigação experimental dos danos microestruturais no aço IF após carregamentos cíclicos de longa duração. Amostras do aço IF estabilizado pelo Ti foram submetidas a ensaios ultrassônicos de fadiga com carregamentos superiores a 1E7 ciclos. Se observou o aparecimento de danos microestruturais (persistent slip bands, PSB s) após determinado número de ciclos. Por meio de análise no microscópio ótico foi estimado que 97,76 por cento da vida em fadiga foi destinado para nucleação de trinca enquanto 2,23 por cento para a propagação de trinca. Houve o projeto de um novo corpo de prova para a máquina de fadiga de altíssimo, com o intuito de acompanha a superfície do material durante os ensaios. É proposto a equação da curva S-N fadiga de altíssimo ciclo com os dados extraídos dos testes. E por fim, é sugerido um fator de correção na equação de deformação plástica cisalhante nos PSB s formados / [en] Current research shows that several materials with application in the automotive, railway, aeronautical and aerospace industries do not have a fatigue limit. However, around 1860 Wohler proposed the S-N curve (stress - number of cycles), admitting a concept that there is a fatigue limit, stipulated at the time as 1E5 cycles and considered as infinite fatigue life. Although, with technological advances, numerous components fail in the condition of infinite life, contrary to what Wöhler proposed. Currently, 3 different fatigue regimes are considered: low cycle fatigue, high cycle fatigue and very high cycle fatigue. In the automotive industries there is an extensive use of sheet steel for the manufacture of components with complex geometry. In this context, interstitial free steel (IF steel) is one of the widely used materials, due to its excellent stampability. IF steel has a ferritic microstructure with a very low amount of interstitial elements. Interstices with carbon and nitrogen are stabilized by titanium (Ti) or niobium (Nb) forming extremely small volume fractions in the ferritic matrix of carbides and nitrides. The work is based on the experimental investigation of microstructural damage in IF steel after long-term cyclic loading. Samples of Ti-stabilized IF steel were subjected to ultrasonic fatigue tests with loads greater than 1E7 cycles. It was observed the arising of microstructural damage (persistent slip bands, PSB s) after a certain number of cycles. By means of image analysis in the optical microscope, it was estimated that 97.76 percent of the fatigue life was destined for crack nucleation while 2.23 percent for crack propagation in very high cycle fatigue regime. There was the project of a new specimen for the very high fatigue machine, in order to accompany the surface of the material during the tests. It is proposed the equation of the curve S-N fatigue of very high cycle os with data extracted from the tests. Finally, a correction factor is suggested in the plastic shear deformation equation in PSB s based on experimental data.

[pt] As tecnologias de manufatura aditiva (MA) tornaram-se alvo de grande interesse industrial para fabricação de componentes e peças finais destinadas a inúmeras aplicações em diversos setores da indústria. Estes componentes, em sua maioria, são projetados para apresentar vida em serviço superior à 107ciclos, fazendo com que a análise do comportamento em fadiga no regime de altíssimo ciclo (VHCF) se tornasse um critério de projeto imprescindível. O aço inoxidável AISI 316L é um dos materiais mais processados por MA, com inúmeras abordagens na literatura. Contudo, ainda não há um conhecimento consolidado a respeito do comportamento deste material quando submetido a longas ou super longas vidas em fadiga após processamento pelas distintas técnicas disponíveis, nem tampouco dos mecanismos de iniciação de trincas predominantes. Em geral, no regime de VHCF as trincas tendem a se iniciar internamente ou em regiões subsuperficiais a partir de defeitos internos presente no material. Esse fato resulta em uma característica na superfície de fratura conhecida como fish-eye. Outro fenômeno que ocorre na superfície de fratura, mais especificamente dentro da região do fish-eye, é a formação de uma camada fina granular (FGA) ao redor dos sítios de iniciação de trincas. O presente trabalho analisou a resistência à fadiga de longa duração do aço AISI 316L manufaturado pela técnica de deposição por energia direcionada a laser (L-DED). Corpos de prova de duas condições de pós-processamento do material, com e sem tratamento térmico, foram submetidos a ensaios de fadiga em equipamento ultrassônico (frequência de 20±0,5 kHz), com R = -1 e tendo como alvo 109ciclos. Após o levantamento das curvas S-N das duas condições microestruturais, as superfícies de fratura foram analisadas. Os resultados da pesquisa indicaram que o tratamento térmico reduziu a vida em fadiga do material em função da população de defeitos metalúrgicos encontrada, bem como influenciou a formação de fish-eye e FGA durante a iniciação e propagação das trincas. Por fim, o tamanho do FGA foi quantificado experimentalmente, para permitir a comparação com dimensões de FGA estimadas por equações empíricas presentes na literatura. / [en] Additive manufacturing (AM) technologies have become a target of great industrial interest for manufacture of components and final parts intended for several applications in many sectors of the industry. Most of these components are designed to have a service life higher than 107cycles, making the analysis of the fatigue behavior in the very high cycle regime (VHCF) an essential design criterion. AISI 316L stainless steel is one of the most processed by AM, with numerous approaches in the literature. However, there is still no consolidated knowledge about the behavior of this material when subjected to long or super long fatigue lives after processing by the different available techniques, nor about the predominant crack initiation mechanisms. In general, in the VHCF regime, cracks tend to start internally or in subsurface regions from internal defects present in the material. This fact results in a characteristic in the fracture surface known as fish-eye. Another phenomenon that occurs at the fracture surface, more specifically within the fish-eye region, is the formation of a fine granular area (FGA) nearby the crack initiation sites. The present work analyzed the long-term fatigue strength of AISI 316L steel manufactured by laser directed energy deposition (L-DED) technique. Specimens of two post-processing conditions of the material, with and without heat treatment, were subjected to fatigue tests in ultrasonic equipment (frequency 20 ± 0.5 kHz), with R = -1 aiming 109cycles. After surveying the S-N curves of the two microstructural conditions, the fracture surfaces were analyzed. The research results indicated that the heat treatment reduced the fatigue life of the material as a function of the population of metallurgical defects found, as well as influenced the formation of fish-eye and FGA during the initiation and propagation of cracks. Finally, the size of FGA was experimentally quantified to allow comparison with the dimensions of the FGA estimated by empirical equations present in the literature.

[pt] A determinação da vida à fadiga para projetar estruturas e componentes mecânicos é extremamente importante. A curva S-N pode ser afetada por diferentes condições operacionais e alguns fatores são mais pronunciados no teste ultrassônico de fadiga, dependendo do material. A influência da alta frequência nos fenômenos de autoaquecimento e o efeito da frequência são discutidos. Um aspecto relevante em VHCF é o mecanismo de iniciação e propagação de trincas. Os fenômenos como olho de peixe e área fina granular (FGA) foram encontrados nas superfícies de fratura. Esta tese está dividida em 3 tópicos: evolução da temperatura, amplitude de deformação da microplasticidade e investigação da região FGA. Os materiais em estudo são os aços DIN 34CrNiMo6 e DIN 42CrMo4. O teste de fadiga ultrassônica foi realizado em diferentes condições de carregamento no modo intermitentes e acompanhado por câmera termográfica infravermelha. Esses resultados obtidos para a câmera termográfica foram usados para desenvolver um modelo de inteligência artificial usando aprendizado de máquina para prever a curva temperatura-número de ciclos. O modelo foi capaz de prever a temperatura e os valores do coeficiente de determinação estão acima de 0,98. Para prever a vida à fadiga, foram escolhidos parâmetros baseados em tensão, curva S-N tradicional, temperatura no início do teste, (razão de Rayleigh), dissipação de calor, Qcyc e gradiente de temperatura. A temperatura em estado estacionário foi atingida em aproximadamente 5E+04 ciclos em ambos os aços. Observa-se que o número de ciclos até a falha aumenta à medida que a inclinação da temperatura (fase I) e a dissipação de calor diminuem. (razão de Rayleigh) forneceu melhor concordância com os resultados experimentais seguido por Qcyc. Além disso, grãos ultrafinos na seção transversal do FGA entre 500 -700 nm dentro da superfície da fratura foram detectados pela análise FIB e EBSD. O local grain refinament foi escolhido como o melhor modelo para explicar a formação de FGA. As inclusões não metálicas Al2O3 foram responsáveis por todas as iniciações internas da trinca de fadiga. / [en] The determination of fatigue life to design structures and mechanical components is extremely important. The S-N curve can be affected by different operational conditions, and some factors are more pronounced under ultrasonic fatigue test, depending on the material. The influence of the high frequency in self-heating phenomena and frequency effect are discussed. A relevant aspect in VHCF is the mechanism of crack initiation and propagation. The fish-eye and fine granular area (FGA) phenomena were encountered on the fracture surfaces. This thesis is divided in 3 topics: temperature evolution, microplasticity strain amplitude, and investigation of the FGA region. The materials under study are DIN 34CrNiMo6 and DIN 42CrMo4 steel. Ultrasonic fatigue test was conducted at different intermittent driving and loading ratios, accompanied by an infrared thermographic camera. These results obtained by the thermographic camera were used to developed an artificial intelligence model using machine learning to predict the temperature-number of cycle curves based on the fatigue life. The model was able to predict the temperature and the coefficient of determination values to be above 0.98. In order to predict the fatigue life, parameters were selected based on stress, the traditional S-N curve, slope temperature at the beginning of the test, (Rayleigh ratio), heat dissipation, Qcyc, and gradient temperature. A steady state temperature was reached approximately in 5E+04 cycles with both steels. It is noticeable that the number of cycles to failure increases as slope temperature and heat dissipation decreases. (Rayleigh ratio) provided better agreement with the experimental results followed by Qcyc. Moreover, ultrafine grains in the cross–section of the FGA between 500 - 700 nm within the fracture surface were detected by FIB and EBSD analysis. Local grain refinement was choose the best model to explain FGA formation. The non-metallic inclusions were ultimately responsible for all internal crack initiations of Al2O3.

[pt] O presente trabalho se baseia na teoria dos defeitos equivalentes, também conhecida como teoria de Murakami, que permite a predição da vida-fadiga de materiais estruturais adotando o parâmetro (raiz quadrada de area), responsável por uma equivalência quantitativa entre heterogeneidades microestruturais (inclusões metalúrgicas) existentes na região de análise do material e descontinuidades mecânicas (furos) usinados nos corpos de prova. Neste contexto, a tese propõe novas equações, a partir da teoria de Murakami, para prever falhas por fadiga em carregamentos ultralongos (fadiga de altíssimo ciclo, VHCF) do aço DIN42CrMo4, de larga aplicação na fabricação de eixos virabrequins para unidades geradoras de usinas termoelétricas. Corpos de prova do aço DIN42CrMo4 foram usinados com furos de diâmetros variando entre 0,18 mm e 0,70 mm e ensaiados num regime de fadiga de altíssimo ciclo, variando o valor da amplitude de tensão do ensaio, para assim determinar em quais condições o material falha e obter a curva experimental S-N do aço DIN42CrMo4 na presença de diferentes tamanhos de defeitos (furos). Os resultados experimentais permitiram o desenvolvimento de equações em função do parâmetro e curvas de Wohler do material, em conformidade com diferentes descontinuidades mecânicas nos corpos de prova e resistências à fadiga do material. Consequentemente, se estabeleceu uma metodologia que permite uma correlação entre inclusões metalúrgicas, tensão aplicada e vida superlonga em fadiga de eixos virabrequins em serviço em usinas termoelétricas. / [en] The present work is based on the theory of equivalent defects, also known as Murakami s theory, which allows the prediction of the fatigue life of structural materials by adopting the parameter (square root of area), responsible for a quantitative equivalence between microstructural heterogeneities (metallurgical inclusions) existing in the region analysis of the material and mechanical discontinuities (holes) machined in the specimens. In this context, the thesis proposes new equations, based on Murakami s theory, to predict fatigue failures in ultralong loads (very high cycle fatigue, VHCF) of DIN42CrMo4 steel, widely used in the manufacture of crankshafts for generating units of thermoelectric power plants. DIN42CrMo4 steel specimens were machined with holes with diameters varying between 018 mm and 0.70 mm and tested in a very high cycle fatigue regime, varying the value of the test stress amplitude, to determine under what conditions the material failure and obtain the experimental S-N curve of DIN42CrMo4 steel in the presence of different sizes of defects (holes). The experimental results allowed the development of equations as a function of the parameter and Wohler curves of the material, in accordance with different mechanical discontinuities in the test specimens and resistance to fatigue of the material. Consequently, a methodology was established that allows a correlation between metallurgical inclusions, applied stress and super-long fatigue life of crankshafts in service in thermoelectric power plants.