[pt] Inúmeros sistemas de Engenharia estão submetidos a cargas cíclicas durante longos tempos quando em serviço. Sendo assim, a determinação do desempenho de materiais no regime de super longa vida em fadiga (107–1012ciclos) tornou-se de grande relevância na estimativa da vida útil de componentes mecânicos e estruturas. Neste contexto, o uso de equipamentos de ensaios que operem em frequências ultrassônicas, normalmente em 20 kHz, viabilizou estudos sobre a resistência à fadiga de materiais em regime de altíssimo ciclo. Até o momento, a principal contribuição destes estudos foi mostrar que não existe um limite de fadiga para materiais após 107ciclos, o que permite questionar várias metodologias de projeto desenvolvidas ao longo dos anos com base em uma vida infinita do material sob condições cíclicas de carregamento. O presente trabalho teve como objetivo investigar a resistência à fadiga de altíssimo ciclo de dois aços estruturais, DIN 34CrNiMo6 e DIN 42CrMo4, adotados na fabricação de eixos virabrequins de centrais termoelétricas que falharam por fadiga em serviço, de maneira prematura. Os corpos de prova selecionados para os testes foram dos tipos ampulheta, ampulheta entalhado e cilíndrico entalhado, com dois diferentes raios de arredondamento. Os ensaios foram realizados em equipamento ultrassônico, com amplitude de tensões que variaram entre 0,3 – 0,5 do limite de resistência mecânica dos materiais e conduzidos até um número alvo de ciclos para falha de 109 ciclos. Considerando os ensaios de corpos de prova ampulheta, os resultados revelaram a maior resistência à fadiga do aço DIN 34CrNiMo6, apesar dos dois materiais apresentarem propriedades mecânicas semelhantes. Como poderia ser esperado, a presença de concentradores de tensão reduziu a vida em fadiga de ambos os materiais. Entretanto, o aço DIN 42CrMo4 apresentou a maior sensibilidade ao entalhe, com uma pequena diminuição do número de ciclo para a falha. / [en] The DIN 42CrMo4 e DIN 34CrNiMo6 steel behavior analysis in fatigue regime in very high cycle. The uncountable engineering systems are submitted loading cyclic during long time in services. So, the determination of material performance in regime in super long life in fatigue (107–1012cycles) belong the high relevance to estimate the live cycle of mechanical of components and structures. Based on it, the use of testing equipment to operate in ultrasonic frequency, normally in 20 kHz. That permits the studies about material fatigue resistance in very high cycle. In this moment, the main contribution of these studies was to demonstrate that no exist fatigue limit to material after 107 cycles, that it allows to question many projects methodologic that was developed long of years based on infinite material life under of loading cyclicals conditions. This present work had the objective to investigate the fatigue resistance in very high cycle of two structure steels (DIN 42CrMo4 and DIN 34CrNiMo6). These steels are used to manufacturing of crankshaft of thermoelectric central that failure due to fatigue in services in premature way. The selected specimens had the three types of format; Hourglass, notched Hourglass and notched Cylindrical with two different rounding of radius. These tests were performed in ultrasonic equipment, with variation of stress between 0,3 – 0,5 of material mechanical resistance and they are performed until maximum number of cycles per failure of 109 cycles. Considering the test of hourglass specimens, the results presented higher fatigue resistance of DIN 34CrNiMo6 steel, although DIN 42CrMo4 as same mechanical properties of DIN 34CrNiMo6 steel. And as it is waited the existence of stress concentrators accelerated the fatigue life in both materials. However, the DIN 42CrMo4 presented higher sensibility to notch, with small decrease of number of cycles to failure.

[pt] O presente trabalho teve como objetivos avaliar a influência de heterogeneidades metalúrgicas sobre o limiar de propagação de trincas de fadiga e apresentar alternativas de materiais para a fabricação de eixos virabrequins de motores Diesel / gás natural de unidades geradoras de plantas termoelétricas, uma vez que tais componentes mecânicos fabricados com aço DIN 34CrNiMo6 vêm apresentando falhas por fadiga com baixo número de ciclos de carregamento. Corpos de prova foram usinados de aços SAE 4140, SAE 4340 e DIN 42CrMo4. Inicialmente, conduziram-se ensaios de tração para a determinação das propriedades mecânicas dos materiais. Ensaios de propagação de trincas de fadiga foram realizados em espécimes do tipo C(T) entalhados, submetidos a um carregamento cíclico. Pré-trincas de fadiga, com comprimentos variando entre 1,3 mm e 1,6 mm, foram induzidas nos corpos de prova de acordo com a norma ASTM E647. Em sequência, foram levantadas as curvas da/dN versus delta K dos materiais, com ênfase para a determinação da variação do fator de intensidade de tensão do limiar de propagação (delta Kth) de cada aço. Neste contexto, o aço SAE 4140 apresentou um valor de (delta Kth) superior aos demais, o que significa que suporta maiores tamanhos de trinca antes do início da propagação. Análises por técnicas de microscopia evidenciaram a presença de inclusões na região de propagação das trincas, dando origem a um caminho preferencial para o crescimento das mesmas. Os resultados destas análises indicaram a presença de uma menor quantidade de inclusões no aço SAE 4140, permitindo uma associação desta característica microestrutural com o valor do delta Kth do material. Desta maneira, no que se refere à iniciação de trincas de fadiga, o aço SAE 4140 apresenta-se como alternativa viável para substituição do aço 34CrNiMo6 na fabricação de eixos virabrequins para motores de usinas termoelétricas. / [en] The present study had as objectives to evaluate the influence of metallurgical heterogeneities on the fatigue cracking propagation threshold and to present alternative materials for the manufacture of crankshafts of diesel / natural gas engines of thermoelectric plants generating units, since such components mechanics manufactured with DIN 34CrNiMo6 steel has been presenting faults due to fatigue with a low number of loading cycles. Test specimens were machined from SAE 4140, SAE 4340 and DIN 42CrMo4 steels. Initially, tensile tests were conducted to determine the mechanical properties of the materials. Fatigue crack propagation tests were performed on C(T) specimens subjected to cyclic loading. Fatigue pre-cracks, with lengths ranging from 1.3 mm to 1.6 mm, were induced in the test specimens according to ASTM E647. In sequence, da/dN versus delta K curves of the materials were raised, with emphasis on the determination of the tensile strength factor of the propagation threshold (delta Kth) of each steel. In this context, the steel SAE 4140 presented a value of (delta Kth) superior to the others, which means to support larger crack sizes before the beginning of the propagation. Analysis by microscopy techniques evidenced the presence of inclusions in the region of crack propagation, giving rise to a preferential path for their growth. The results of these analyzes indicated the presence of a smaller number of inclusions in the steel SAE 4140, allowing an association of this microstructural characteristic with the value of the delta Kth of the material. In this way, with regard to the initiation of fatigue cracks, the SAE 4140 steel is presented as a viable alternative for the replacement of 34CrNiMo6 steel in the manufacture of crankshafts for motors of thermoelectric power plants.

[pt] As previsões de falhas por fadiga tornam-se críticas sob condições multiaxiais de carregamento, uma vez que a complexidade do estado de tensões requer uma análise com base em modelos mais avançados do que aqueles adotados para carregamentos uniaxiais. Neste contexto, alguns critérios foram desenvolvidos para tentar prever a falha de componentes submetidos a carregamentos cíclicos multiaxiais. Um exemplo de componente mecânico sujeito a fadiga multiaxial quando em serviço são os eixos virabrequim de unidades geradoras de plantas termoelétricas. Usualmente projetados segundo o critério de Findley, falhas recentes de eixos virabrequim ocorridas no parque termoelétrico nacional, tem provocado o questionamento da eficiência de tal critério. Desta forma, o presente estudo teve como objetivo analisar a aplicabilidade de seis modelos (Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri e Spagnoli e Liu e Mahadevan) de fadiga multiaxial de alto ciclo, baseados no plano crítico, para prever a falha de eixos virabrequim de unidades geradoras. Para aplicação dos modelos, adotaram-se diferentes parâmetros de carregamento (tensão média e defasagem de aplicação das tensões normais e cisalhantes) e propriedades de material (resistência à fadiga), partindo de valores encontrados na literatura. Observou-se uma divergência entre os resultados de cada modelo estudado, sendo uns mais conservadores do que os outros, em função do carregamento e propriedades do material. Entretanto, o modelo de Papadopoulos, com base na facilidade de aplicação e sensibilidade de previsão da falha, mostrou-se mais adequado. / [en] The fatigue failure prediction becomes critical under multiaxial loading conditions, since the complexity of the stress state requires analysis based on models more advanced than those adopted for uniaxial loads. In this context, some criteria were developed in an attempt to predict the failure of components subjected to multiaxial cyclic loads. An example of mechanical component subject to multiaxial fatigue is the crankshaft of thermoelectric plants. It is usually projected according to the Findley criterion. However, recent failures of crankshafts occurring in the national thermoelectric park, put on doubt the efficiency of such criterion. In this way, the present study aimed to analyze the applicability of six models (Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri e Spagnoli and Liu e Mahadevan) of high cycle multiaxial fatigue, based on the critical plane, to predict failure on crankshaft of generating units. For the models application, different loading parameters (medium stress and out-of-phase stresses) and material properties (fatigue limit) were adopted, starting from values found in the literature. A divergence between the results of each model was observed, some of them were more conservative than the others, depending on the loading and material s properties. However, the Papadopoulos model, based on easy application and failure prediction sensitivity, proved to be more suitable than the others.

[pt] Eixos de virabrequim estão sujeitos a carregamentos multiaxiais quando em serviço. Por se tratar de um estado complexo de tensões, os modelos aplicados na determinação da vida em fadiga de tais componentes devem permitir, também, uma abordagem multiaxial, mais avançados do que aqueles adotados para carregamentos uniaxiais. O objetivo deste trabalho foi prever a falha em serviço de eixos virabrequins de unidades geradoras Diesel ou gás de plantas termoelétricas. Falhas recentemente ocorridas em eixos virabrequins no parque termoelétrico nacional justificam o presente estudo, para garantir eficiência e segurança nas operações industriais. Com base no método de elementos finitos, foram calculadas as tensões atuantes em um eixo virabrequim de unidade geradora a gás, com 10 mancais, duas bielas por mancal e fabricado com aço estrutural DIN 34CrNiMo6. Em sequência, adotando-se estas tensões atuantes calculadas, foram aplicados diversos critérios de fadiga para prever sua falha. Para tal, adotaram-se os modelos de Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri e Spagnoli, Liu e Mahadevan, Mises, Sines e Crossland, todos de fadiga de alto ciclo, baseados no plano crítico ou na tensão de von Mises. Propriedades de resistência à fadiga do material foram retiradas da literatura. Os resultados obtidos indicaram que o componente é seguro quando avaliado usando tais critérios. / [en] Crankshaft axles are subject to multiaxial loading when in service. Because the resulting state of stresses is complex, models applied to determining the fatigue life of such components employ a multiaxial approach as well, more advanced than those adopted for uniaxial loads. The objective of this work is to predict the failure in service of crankshafts of diesel or gas generating units of thermoelectric plants. Crankshafts reported recent failures in the national thermoelectric power plant justifies the present study, to guarantee efficiency and safety in such industrial operations. Based on the finite element method, the resulting stresses on a DIN 34CrNiMo6 structural steel gas generating unit crankshaft, with 10 bearings, two connecting rods per bearing were calculated. Using these finite element calculated stresses, several fatigue criteria were applied to predict this cranckshaft structural failure. Models due to Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri and Spagnoli, Liu and Mahadevan, Mises, Sines and Crossland, all of high cycle fatigue based on the critical plane or von Mises strain, were adopted. Material fatigue properties used in the analyses were compiled from specidized literature. Obtained results indicated that the component considered is safe regarding fatigue loadings, as evaluated using such criteria.