[pt] A determinação do limiar de propagação de trincas de fadiga oferece uma gama de utilização dos materiais na engenharia, na aplicação a projetos que sejam tolerantes ao dano. [delta]Kth é uma ferramenta que permite o estabelecimento de um critério de carregamento sob o qual as trincas não crescerão significativamente durante as operações de serviço do componente. Para sua determinação ser amplamente aplicada, foi necessário estabelecer e estudar os fatores que pudessem influenciá-lo positiva ou negativamente. Dentre os quais, a microestrutura apresentou grande importância porque precisou ser controlada desde a fabricação do material até a colocação em serviço do componente acabado. A finalidade do componente e os esforços a que são submetidos quando em serviço determinam a seleção do material. Assim, enumerou-se características básicas e requisitos mínimos que atenderam a segurança e reduziram a relação custo-benefício. Foram selecionados materiais (SAE 4340 e SAE 4140) cuja composição química e propriedades mecânicas fossem semelhantes ao 42CrMo4 para que pudessem servir de alternativa no emprego de eixos-virabrequim a fim de propor uma solução no problema prático o qual estes vinham rompendo muito abaixo do limite de vida em fadiga a que se propunham. Os resultados obtidos se mostraram satisfatórios pois nos ensaios de propagação de trinca de um dos materiais escolhidos (SAE 4140) obteve-se [delta]Kth de 12,48 MPa[raiz quadrada]m e no material de referência, [delta]Kth (médio) de 6,1 MPa[raiz quadrada]m. A observação da microestrutura do material de referência pode, com ressalvas, ser visto como indicativo de corroboração do resultado apresentado no [delta]Kth, pois foram localizadas ocorrências de inclusões dispersas na matriz metálica. / [en] The determination of the fatigue crack propagation threshold offers a range of materials utilization in engineering, in application to projects that are tolerant to damage. [delta]Kth is a tool that allows the establishment of a loading criterion under which the cracks will not grow significantly during the service operations of the component. For its determination to be widely applied, it was necessary to establish and study the factors that could influence it positively or negatively. Among them, the microstructure was of great importance because it had to be controlled from the material manufacturing to the placing putting into service of a finished component. The aim of the component and the stresses to which it is subjected when in service determine the material selection. Thus, basic characteristics and minimum requirements were listed which have attend the safety and has reduced cost-benefit ratio. Materials (SAE 4340 and SAE 4140) were selected whose chemical composition and mechanical properties that were similar to DIN 42CrMo4 so that they could serve as an alternative in the use of crankshafts to propose a solution in the practical problem which they were breaking well below the limit fatigue life that they proposed. The results obtained were satisfactory because in the fracture toughness tests of one of the chosen materials (SAE 4140) [delta]Kth of 12.48 MPa[square root]m was obtained and in the reference material, [delta]Kth(average) of 6.1 MPa[square root]m. The observation of the microstructure of the reference material may indicate, with restrictions, as a corroboration of the result presented in the [delta]Kth, because occurrences of dispersed inclusions in the steel matrix.

[pt] A avaliação da propagação de trincas de fadiga inclui a identificação da direção da trinca, o conhecimento do Fator de Intensidade de Tensões (SIF) equivalente, a determinação de uma taxa de crescimento de comprimento de trinca por número de ciclos da/dN e o estabelecimento de uma regra de propagação de trinca conectando SIF e da/dN, como uma regra de tipo Paris. Quando ocorrem cargas mistas e não proporcionais, esses parâmetros ainda não são totalmente compreendidos. Esta tese trata de algumas das variáveis que influenciam a propagação de trincas sob carregamento no modo misto não proporcional. A técnica de Correlação de Imagens Digitais (DIC) foi utilizada para a aquisição de imagens de corpos de prova submetidos a carregamento proporcional e não proporcional cíclico. Dois tipos de corpos de prova foram utilizados. Primeiramente, dois corpos de prova planos foram testados; um disk compact tension (DCT, em inglês) e um compact tension modificado (C (T) em inglês). Eles foram submetidos a carregamento cíclico induzindo o modo I de abertura de trinca ou modos I e II de abertura de trinca proporcionais. Em segundo lugar, os dados DIC adquiridos anteriormente, e em outro lugar, para cinco tubos finos sujeitos a carregamento cíclico foram analisados. Os tubos finos tiveram entalhes usinados a partir dos quais as trincas por fadiga iniciaram e se propagaram. Esses cinco tubos finos foram submetidos a diferentes casos de carga proporcional e não proporcional. Um corpo de prova tipo tubo fino foi exposto a carga axial e apresentou modo de abertura de trinca tipo I. Os outros quatro foram submetidos a carregamento de torção ou carga axial-torcional mista e exibiram todos os três modos de abertura de trinca I, II e III. Os campos de deslocamento adquiridos experimentalmente com a técnica DIC foram processados para calcular independentemente o SIF para cada modo de abertura existente usando formulações de mecânica de fratura elástica linear (MFLE). Uma formulação delas utilizou dados de deslocamento de campo completos adquiridos em pequenas áreas que circundavam a ponta da trinca. Outra formulação usou dados adquiridos de um par de pontos localizados ao longo dos flancos opostos das faces da trinca. Os SIFs determinados foram usados para encontrar os SIFs equivalentes e faixas de SIF equivalentes usando o critério da tensão máxima de tração (para ambas as versões 2D e 3D de combinações dos modos I-II e modos I-II-III respectivamente) que implicitamente incluíram o ângulo de propagação de trinca. Verificou-se que a inclusão do SIF no modo III experimentalmente determinado efetivamente faz diferença nas faixas do SIF e dos SIF equivalentes estimados. A curva da/dN versus faixa do SIF equivalente foi elaborado com as taxas de crescimento de trinca medidas experimentalmente e as faixas de SIF que foram encontradas usando a suposição amplamente aceita de que as trincas cresceram na direção que maximiza a tensão de tração. Para isso, extensões do modelo de Schollmann et. al. e bem como o modelo de Erdogan-Sih, que são geralmente aplicados ao carregamento proporcional, foram usados para determinar os SIFs equivalentes e faixas de SIF equivalentes para os casos de carregamento proporcional e não proporcional. Finalmente, a segunda zona da regra de Paris (da/dN versus faixa do SIF equivalente) foi plotada para os cinco casos de carregamento nos tubos finos mostrando que eles caíram dentro de uma faixa razoavelmente fina e dispersa. / [en] Fatigue crack propagation assessment includes identifying the crack direction, knowing the equivalent Stress Intensity Factor (SIF) range, determining a crack length growth rate per number of cycles (da/dN), and establishing a crack propagation rule connecting the equivalent SIF and da/dN rate, such as a Paris type of rule. When mixed and non-proportional loading occur, those parameters are not fully understood yet. This thesis deals with some of the variables that influence crack propagation under non-proportional mixed mode loading. The Digital Image Correlation (DIC) technique was used to acquire images of test specimens subjected to cyclic proportional and non-proportional loading. Two types of specimen samples were used. Firstly, two different plate test specimens were tested; a disk compact tension (DCT), and a modified compact tension, C(T). They were subjected cyclic loading inducing crack opening mode I or proportional crack opening modes I and II. Secondly, the previously and elsewhere acquired DIC data for five thin tubes subject to cyclic loading were analyzed. The thin tubes had pre-fabricated slit-notches from which fatigue cracks initiated and propagated. Those five thin tubes were subjected to different cases of proportional and non- proportional loading. One tube specimen was exposed to axial loading and presented mode I crack opening. The other four were subjected to torsion loading or mixed axial-torsional loading and exhibited all three I, II and III crack-opening modes. The experimentally acquired DIC displacement fields were processed to independently calculate SIF for each existing opening mode using linear elastic fracture mechanics (LEFM) formulations. One formulation used full field displacement data acquired in small areas that surrounded the crack tip. Another formulation used data acquired from a pair of points located along the opposite crack flanks. The determined SIFs were used to find equivalent SIFs and equivalent SIF ranges using the maximum tensile stress criterion (for both 2D and 3D versions of combinations of modes I-II and modes I-II-III respectively) which implicitly included the crack propagation angle. It was found that the inclusion of the experimentally determined mode III SIF indeed makes a difference in the determined equivalent SIF and equivalent SIF ranges. A da/dN versus equivalent SIF ranges plot was drafted with the experimentally measured crack growth rates and the SIF ranges that were found by using the widely accepted assumption that the cracks grew in the direction that maximizes the tensile stress. For this, extensions of the Schollmann et. al. model as well as of the Erdogan-Sih model, which are generally applied to proportional loading, were used to determine equivalent SIFs and equivalent SIF ranges for the cases of proportional and non-proportional loading. Finally, the second stage of the Paris rule (da/dN versus SIF range) was plotted for the five thin tubes loading cases showing that they fell inside a reasonably thin scattered band.