O uso das ligas de alumínio em aplicações estruturais tem crescido consideravelmente nas últimas décadas. Nos transportes, a baixa massa específica do alumínio resulta em uma alta razão resistência/ peso, favorecendo a fabricação de aviões, trens e automóveis. Com a crescente preocupação em reduzir a emissão de gases poluentes, vem tornando-se promissora a alternativa de reduzir o peso dos veículos substituindo peças convencionalmente produzidas com outros materiais por peças de alumínio. As ligas tratáveis termicamente da série 6xxx são frequentemente escolhidas para estas aplicações. Assim, para que o emprego dessas ligas seja otimizado, é importante um estudo mais detalhado de suas propriedades mecânicas, principalmente sob solicitações cíclicas. Neste trabalho foram estudadas ligas de Al-Si-Mg que são amplamente utilizadas nas indústrias automotivas, em especial na fabricação de componentes de carroçarias para caminhões e ônibus. Foi realizado o estudo do comportamento em fadiga de baixo ciclo e fadiga multiaxial das ligas AA6005 T6, AA6063 T6 e AA6351 T6, fornecidas pela CBA (Companhia Brasileira de Alumínio) visando caracterizar e comparar essas ligas em sua microestrutura, propriedades de tração e fadiga. As propriedades básicas de fadiga foram determinadas por meio do método ε-N (fadiga de baixo ciclo) e os ensaios foram realizados com controle de deformação total, onda triangular e taxa de deformação 0,005 seg-1. As análises dos laços de histerese elasto-plástica permitiram inferir sobre aspectos microestruturais relacionados às propriedades mecânicas das ligas estudadas. O comportamento em fadiga multiaxial foi avaliado por meio de carregamentos combinados axial-torcional em fase e fora de fase. Para ajustar os dados experimentais obtidos, foram testados alguns dos modelos encontrados na literatura. Os cálculos baseados no modelo de plano crítico, proposto por Fatemi e Socie, apresentaram resultados satisfatórios. Também foram realizadas análises microestruturais e fractográficas para as três ligas. As superfícies de fratura dos ensaios de fadiga multiaxial mostraram resultados diferentes de acordo com o carregamento adotado. A avaliação comparativa das três ligas estudadas fornece subsídios para fundamentar a seleção de materiais para a fabricação de componentes estruturais para o setor automotivo. / The use of aluminum alloys in structural applications has grown considerably in recent decades. In transportation, the low density of aluminum results in a high strength-to weight ratio, proving attractive for production of aircrafts, trains and automobiles. With a growing concern for the reduction of pollutant gas emissions, aluminum alloys are becoming a promising alternative to diminish vehicle weight through the replacement of conventionally produced parts made from other heavier materials for aluminum parts. The heat treatable alloys from the 6xxx series are often chosen for these applications. Therefore, to optimize the employment of these alloys, a detailed study of their mechanical properties, primary under cyclic solicitations is necessary For the present study Al-Mg-Si alloys were chosen, which are widely used in automotive industries, particularly in the manufacturing of components for trucks and bus bodies. The low-cycle fatigue behavior and multiaxial fatigue of the three following aluminum alloys: AA6005 T6, AA6063 T6 and AA6351 T6, provided by CBA (Brazilian Aluminum Company), were assessed, with the aim of characterizing and comparing these alloys in their microstructure, tensile properties and fatigue. The basic properties of fatigue were studied by ε-N method (low cycle fatigue) and the experiments were performed with total strain control, triangular waveform and with a constant deformation rate of 5.0x10-3 s-1. The analyses of hysteresis loops elasto-plastic provided insight about microstructural aspects, related to mechanical properties of the studied alloys. Multiaxial fatigue behavior was assessed in combined axial-torsion loading in phase and out of phase. To adjust the experimental data, some models found in the literature were tested. Calculations based on critical plane model, proposed by Fatemi Socie, presented satisfactory results. Furthermore, microstructure analyses and fractography were performed for these three alloys. The fracture surface of multiaxial fatigue assays demonstrated different results according to the adopted loading. Comparative evaluation of the three studied alloys provides support for the selection of materials for manufacturing structural components of the automotive sector.

Para o correto dimensionamento da maioria dos componentes estruturais é necessário informações sobre a resposta do material quando submetido à fadiga de alto e baixo ciclo, bem como conhecer as propriedades monotônicas (não-cíclicas) e cíclicas dos materiais. Na literatura são encontradas amplas divulgações de dados sobre diversos materiais de engenharia (Ex. SAE J1099 Technical Report on Fatigue Properties). Porém, quando se trata de ferro fundido nodular estas informações são limitadas, sendo assim, visa-se neste trabalho caracterizar as propriedades monotônicas e cíclicas destes materiais em complemento aos trabalhos já publicados na literatura e propor métodos para a estimativa destas propriedades a partir da dureza. Faz-se necessário a proposição de métodos estimativos das propriedades mecânicas destes materiais baseados na dureza devido às suas grandes variações que são inerentes ao processo de fundição. Em um mesmo componente podem existir diferentes classes de ferro fundido, que apesar de possuir a mesma composição química, podem apresentar variações nas propriedades mecânicas devido à formação de diferentes estruturas metalúrgicas que são sensíveis às taxas de resfriamento do material que variam de acordo com as características geométricas da peça que está sendo fundida, principalmente a variação da espessura. Neste estudo a determinação das relações entre as propriedades monotônicas e cíclicas dos ferros fundidos nodulares foram obtidas a partir do tratamento dos dados publicados na literatura levando-se em consideração o índice de qualidade. Foi proposto um modelo contínuo com relação à dureza para a estimativa das propriedades monotônicas, do coeficiente de resistência cíclico e do expoente de encruamento cíclico e para a estimativa das propriedades cíclicas que experimentalmente demonstraram não ter correlação com a dureza foi proposto uma forma discreta, que consistiu na recomendação de valores típicos definidas por faixas de dureza. / For the correct design of the most part of structural components is necessary to have information about the material response under both high cycle and low cycle fatigue, as well as the knowledge of monotonic and cyclic materials properties. In literature a major publication of several engineering material data can be found (e.g, SAE J1099 - Technical Report on Fatigue Properties), but regarding to ductile iron this information is quite limited. Therefore, this work aims to characterize the monotonic and cyclic properties of this material in complementing to the available data in the literature and also make a proposition of methods to estimate this properties from hardness. The mechanical properties estimation model from hardness is relevant to take into account the inherent variations of casting process, which for the same chemical composition can be found different grades in a same part. This fact occurs due to the formation of different metallurgical structures that is influenced by cooling ratio which changes accordingly to geometrical characteristic of the part, especially the thickness variation. In this study the determination of the relation between monotonic and cyclic properties from hardness has been determined from literature data processing taking into account the Quality Index. For monotonic properties, the cyclic strength coefficient and the cyclic strain hardening exponent estimation has been proposed a continuous method based on hardness and for the cyclic properties that experimentally showed to remain independent of hardness has been recommended one set of properties for specific hardness ranges.

[pt] O método EN baseia-se na quantificação do dano causado pela deformação decorrente do histórico de carregamento. O objetivo desse modelo consiste em estimar o número de ciclos para iniciar uma trinca por fadiga. Diferente do método SN o número de variáveis envolvidas nesse modelo é menor. Entretanto, requer um número maior de constantes, que nem sempre podem ser obtidas experimentalmente. Esse fato levou a formulação de diversos modelos que se propõem a estimar as constantes de Coffin-Manson, que na maioria dos casos levam a previsões de vida não conservativas, como visto em outros trabalhos. Contudo a maioria dos casos existentes na literatura não abordam o efeito de regiões de concentração de tensão e a influência de carregamentos com amplitudes variáveis. A metodologia usada nessas pesquisas consiste em avaliar a influência desses aspectos através da comparação entre a vida em fadiga experimental e a estimada segundo as constantes de Coffin-Manson medidas e estimadas segundo diferentes modelos. Esse estudo avalia o dano à fadiga segundo 2 tipos de concentradores de tensão e quatro históricos de carregamentos de amplitude variável. Considerando os modelos de Manson, Muralindhran-Manson, Bäumel-Seeger and Meggiolaro-Castro os resultados mostram que a vida em fadiga prevista usando os parâmetros de Coffin Manson obtidos segundo o método de Meggiolado-Castro e por Baumel-Segger são os que mais se aproximam das vidas estimadas baseada nas constantes experimentais. Nos demais casos nota-se que a regra de concentração de tensão exerce uma maior influência no resultado e levam a vidas à fadiga não conservativas. / [en] The strain-life designed is based on the damaged caused by the strain as a result of a loading history. The purpose of this approach is estimating the number of cycles to initiate a fatigue crack. Compared with the stress life method the EN needs a lower number of variables. However, it needs a large number of parameters that are not directly measurable properties of a material and conduct the necessary number of tests to obtain them is not always an option. This fact leads to the formulation of different models to estimate Coffin- Manson s constants, which in most of the cases can result in a non-conservative fatigue life prediction, as seen in several papers. However, in these studies, it is not considered a specimen with a stress concentration factor neither under a variable amplitude loading history. The methodology used in this research is evaluating the influence of these aspects by comparing the fatigue life experimental with the estimated by using the Coffin Manson s experimental constants and the fatigue life calculated with different models to estimate the Coffin-Manson s parameters. This study evaluated the fatigue damage based on four load histories and two types of samples with different stress risers. Considering the models of Manson, Muralidharan-Manson, Bäumel-Seeger, and Meggiolaro-Castro the results indicated that the fatigue life predicted using the Coffin Manson s parameter obtained by Meggiolaro-Castro and Baumel-Segger s model are more similar to the life calculated with the experimental constants. The other models are more influenced by the stress concentration s rule and can lead to not conservative fatigue life.

[pt] Componentes estruturais de usinas térmicas para geração de energia sofrem transientes térmicos durante a operação da planta devido a partidas e paradas, variações de potência requerida e ocorrências causadas por anomalias. Estes transientes térmicos geram distribuições de temperaturas não uniformes ao longo da espessura dos componentes e, consequentemente, geram tensões térmicas. As variações destas tensões ao longo do tempo podem causar fadiga nos pontos mais solicitados destes componentes. A análise de fadiga para um ponto crítico do componente fornece o dano acumulado por meio do fator acumulado de dano ou CUF. O cálculo do CUF é feito baseado no conhecimento das histórias de tensões e deformações que ocorrem nos pontos críticos, no uso de modelos de geração de dano ciclo a ciclo e no uso de algoritmos para contagem de ciclos. Esta dissertação apresenta e discute modelos de dano a fadiga e suas associações aos modelos de contagem de ciclos existentes que são possíveis de serem aplicadas a componentes de usinas térmicas. Uma seleção de combinações entre modelos de dano e métodos de contagem foram utilizadas em dois exemplos nomeados estudos de caso. / [en] Structural components of power plants are subjected to thermal transients during their operational life. These thermal transients generate unequal temperature distributions across the components wall thickness, causing severe thermal stresses. The repetition of the thermal transients and, consequently, repetition of stress and strain variations are responsible for fatigue damage of the structural components. In such cases, fatigue damage is assessed by calculating the cumulative usage factor or CUF. CUF calculations are based on the stresses and strains histories, on experimental fatigue curves and fatigue damage models, and on algorithms used to determine the number of cycles a given stress or strain range occurs during the life period considered. This thesis presents and discusses fatigue damage models and their association with existing cycle counting models that are applicable to power plant components. A selection of combinations of damage and cycle-counting models was used in two case study examples.

[pt] A falha mecânica conhecida como fadiga é caracterizada pela iniciação e/ou propagação de trincas, causada por forças variáveis. Suas metodologias tradicionais calculam uma tensão elástica uniaxial equivalente que atua no componente, a fim de compará-la com os dados experimentais de comportamento mecânico do material do componente sob cargas uniaxiais. Esta hipótese pode levar a resultados não conservativos, por considerar que o material é igualmente sensível a tensões normais e cisalhantes, o que é falso em várias aplicações práticas. Portanto, dados torcionais e multiaxiais são necessários para melhor prever a vida em fadiga dos componentes. Para executar estes experimentos, o presente trabalho propõe uma variedade de projetos de componentes e metodologias de montagem para que se possa usar em uma máquina de tração-torção Instron 8874 uma garra hidráulica originalmente projetada para uma máquina tração pura Instron 8501. É proposto um método simplificado para estimar, por controle de deslocamento, as propriedades de fadiga de baixo ciclo em cisalhamento (gama)N, evitando assim a necessidade de usar equipamentos caros e diferentes tipos de corpos de prova. Este método é usado para caracterização das ligas Aço SAE 1020 e Alumínio 6351-T6 e os dados levantados são comparados com as propriedades medidas de fadiga de baixo ciclo em tração (epsilon)N, identificando assim se o material é mais sensível a tensões normais ou cisalhantes. Um programa numérico é usado para ajustar as curvas (epsilon)N e (gama)N nos dados experimentais, e seus procedimentos de implementação são discutidos. Por fim, são propostos e calibrados modelos de fadiga multiaxial de plano crítico mais adequados para cada material testado, com base nos dados medidos. / [en] The mechanical failure known as fatigue is characterized by the formation and/or propagation of cracks caused by variable forces. Its traditional methodologies normally calculate an equivalent uniaxial tensile stress acting on the component, in order to compare it with the known experimental mechanical behavior data of the component s material measured under uniaxial loads. This assumption can lead to non-conservative results because it considers the material to be equally sensitive to shear and tensile stresses, which is not true in a wide range of practical applications. Therefore, torsional and multiaxial experimental data is necessary to better predict the fatigue life of components. To execute those experiments, the present work proposes a variety of component designs and assembly methodologies to use on an Instron 8874 axial-torsional testing machine a hydraulic grip originally designed for an Instron 8501 uniaxial testing machine. Furthermore, a simplified method to estimate shear (gamma)N low-cycle fatigue properties via displacement-controlled experiments is proposed to avoid the need of using expensive equipment and different specimen designs, and used for characterization of SAE 1020 Steel and 6351-T6 Aluminum alloys. This data is compared with the measured tensile (epsilon)N low-cycle fatigue properties to identify if these materials are tensile or shear sensitive under multiaxial loading conditions. A numerical computing code is used to fit (epsilon)N and (gamma)N curves to the experimental data, and its implementation procedures are discussed. Finally, the most suitable critical-plane multiaxial fatigue models are proposed and calibrated for each material tested, based on the measured data.