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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2012.tde-16112012-111233
Document
Author
Full name
Edison Marcelo Serbino
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2012
Supervisor
Committee
Tschiptschin, André Paulo (President)
Bose Filho, Waldek Wladimir
Colosio, Marco Antonio
Goldenstein, Hélio
Vatavuk, Jan
Title in Portuguese
Estudo dos mecanismos de fadiga e análise de desempenho em mola para válvula automotiva em regime de alto e ultra-alto ciclo.
Keywords in Portuguese
Aço de alta resistência
Austêmpera
Fadiga
Mola válvula
Abstract in Portuguese
Este trabalho apresenta um estudo dos mecanismos de fadiga em mola para válvula automotiva, realizado através da análise do comportamento mecânico correlacionado ao aspecto microestrutural. As amostras foram fabricadas em aço de alta resistência Si-Cr, submetidas a tratamentos térmicos convencionais (têmpera e revenimento) e não convencionais (austêmpera), obtendo um mesmo nível de dureza (aproximadamente 610 HV). Os corpos de prova foram submetidos a ensaios de bancada com diversos níveis de carregamentos, controlados através de variação da amplitude de tensão cisalhante. Esta variação promoveu diferentes regimes de fadiga, conhecidos como alto e ultra-alto ciclo, para maiores e menores níveis de amplitudes de tensões, respectivamente. O desempenho foi medido através do cálculo da vida total em fadiga, probabilidade de sobrevivência, além da verificação do relaxamento da força elástica e da tensão residual. As amostras foram caracterizadas através de métodos metalográficos, determinação da composição química, ensaios de dureza e resistência à tração, além de técnicas difratométricas de raios-X. As superfícies de fratura foram investigadas utilizando técnicas de microscopia eletrônica de varredura Os mecanismos de início e propagação das trincas, de ambas as amostras, foram semelhantes, apesar do tratamento térmico proposto de austêmpera produzir uma microestrutura mista, com predominância de bainita inferior, contendo regiões esparsas de austenita retida. A microestrutura bainítica, resultante da austêmpera, quando comparada com as amostras martensíticas, geradas pela têmpera e revenimento, propiciou um aumento da vida total em fadiga nos maiores níveis de amplitudes das tensões, tendendo à equalização com a diminuição desta amplitude, além de apresentarem um maior relaxamento elástico, gerando uma discreta diminuição de magnitude da tensão média. Por outro lado, não houve relaxamento das tensões residuais, em ambas as amostras, após uma quantidade significativa de ciclos, portanto este fenômeno não influenciou em sua vida total.
Title in English
Study on the fatigue mechanisms and performance analysis in automotive valve spring under high-and-ultra-high-cycle regime.
Keywords in English
Austempering
Fatigue
High strength steel
Valve spring
Abstract in English
This paper presents a study on the valve spring fatigue mechanisms, carried out through analysis of mechanical behavior correlated to microstructural aspect. The samples were made of high strength steel Si-Cr, obtained by conventional (quenching and tempering) and unconventional (austempering) heat treatments, generating a single level of hardness (approximately 610 HV). The samples were subjected to bench test with various loading levels, controlled through shear stress amplitude fluctuation. This variation has promoted distinct fatigue regimes known as high and ultra-high cycle, for greater and smaller levels of stress amplitudes, respectively. The performance was measured by calculating the fatigue total life, survival probability, verification of the elastic force and residual stress relaxation. The samples were characterized by means of metallographic methods, chemical composition analysis, hardness/tensile strength testing and X-ray diffractometry techniques. The fracture surfaces were investigated using scanning electron microscopy techniques. The cracks initiation and propagation mechanisms were similar in both samples; despite the proposed austempering heat treatment produced a mixed microstructure with predominance of lower bainite, containing sparse regions of retained austenite. The bainitic microstructure, resulting of austempering, when compared with martensitic samples, generated by quenching and tempering, led to an increase in fatigue total life under higher levels of stress amplitudes, but tending to be the same as the stress amplitude deacresases and the number of cycles increases. On the other hand, there was no residual stresses relaxation in both samples, after a significant amount of cycles, so this phenomenon did not influence the total life.
 
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Publishing Date
2012-11-28
 
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