Análise da vida em fadiga de virabrequins 17cr-ni6,6 por ensaio de flexão rotativa

Abstract

O virabrequim é um componente essencial para o funcionamento de máquinas motorizas; ele é o responsável por transformar a energia química da combustão no cilindro em energia de rotação o que faz todo o sistema de operação funcionar. Por esse motivo, é comum que o virabrequim esteja submetido a diversas tensões durante seu funcionamento oriundas do pistão, do sistema de freio. O grande número de diferentes cargas (flexão, torção) ao qual o componente é submetido pode levar ele a fratura, muitas vezes por fadiga, sendo está responsável por aproximadamente 90% das falhas em componentes mecânicos. Logo, o presente trabalho tem como objetivo estudar a vida em fadiga dos virabrequins por ensaio de flexão rotativa para aplicação em motores de máquina; além de, avaliar o comportamento do mesmo após diferentes tratamentos térmicos. Para isso, o virabrequim de aço 17Cr-Ni6,6 foi submetido a processos de tratamentos térmicos específicos que variaram quanto a presença da etapa de normalização; foi avaliada sua microestrutura, dureza e profundidade de camada cementada. Por fim, realizou-se o ensaio de flexão rotativa e os dados obtidos foram comparados com aqueles adquiridos na análise de elementos finitos. Os resultados mostraram que a modificação no tratamento térmico do componente ocasionou a formação de uma camada cementada abaixo do especificado naqueles que foram submetidos ao tratamento térmico sem normalização, porém ao serem avaliados quanto a vida em fadiga os componentes não apresentaram diferença de comportamento. A análise por elementos finitos mostrou que a tensão máxima principal ocorre na região do primeiro filete da rosca o que é coerente com as quebras observadas no ensaio de flexão rotativa para cargas acima da tensão de escoamento. Novos estudos serão realizados com a inclusão de mais variáveis de processo, bem como novos ensaios para avaliar o comportamento do componente quando submetido a outras solicitações.

The crankshaft is an essential component for the operation of power machines; It is responsible for turning the chemical energy of combustion in the cylinder into rotational energy which makes the whole operating system work. For this reason, it is common for the crankshaft to be subjected to various stresses during operation from the piston and from the brake system for example. The large number of different loads (bending, twisting) to which the component is subjected can lead to fracture, often due to fatigue, being responsible for approximately 90% of mechanical component failures. Therefore, the present work aims to study the crankshaft fatigue life by rotary bending test for application in machine engines; besides, evaluate its behavior after different heat treatments. For this, the 17Cr-Ni6,6 crankshaft was subjected to specific heat treatment processes that varied as to the presence of the normalization step; Its microstructure, hardness and cemented hardness depth (CHD) were evaluated. Finally, the rotational flexion test was performed and the obtained data were compared with those obtained in the finite element analysis (FEA). The results showed that the change in the heat treatment of the component caused the formation of a CHD below the specified in without normalization step, but when evaluated for fatigue life the components showed no behavioral difference. Finite element analysis showed that the principal maximum stress occurs in the region of the first thread of the thread which is consistent with the breaks observed in the rotational flexural test for loads above the yield stress. Further studies will be performed with the inclusion of more process variables as well as new tests to evaluate component behavior when subjected to other requests.