Fatigue behavior of forged inconel 718 including the effects of axial/ torsional loading and high temperature

Abstract

O objetivo deste trabalho é investigar os efeitos da alta temperatura no comportamento à fadiga do Inconel 718 forjado sob condições de carregamento axial/torcional. Para tanto, testes de fadiga controlados por deformação foram realizados à temperatura ambiente e 450 ◦C em corpos de prova tubulares de paredes finas extraídos de um disco de turbina forjado. Trajetórias de carregamento axial, torcional e proporcional foram testadas e todos os testes foram conduzidos a uma frequência de carregamento de 0.5 Hz com razões de deformação axial e de cisalhamento iguais a zero. A deformação equivalente de von Mises aplicada resultou em vidas de fadiga dentro da faixa de 104 a 106 ciclos, que é a vida típica do componente de interesse neste estudo. Sob esses níveis de carregamento e independente da temperatura, o Inconel 718 apresentou acomodamento elástico após o primeiro ciclo de carregamento. Devido ao comportamento elástico no regime estabilizado, o modo de controle de teste pôde ser alterado, passando a ser controlado por carga. A mudança no modo controle possibilitou o uso de frequências mais altas, que chegaram a até 5 Hz. Observou-se que para uma dada trajetória de carregamento e deformação equivalente prescrita, as vidas de fadiga dos testes a 450 ◦C foram maiores que a dos testes à temperatura ambiente. Além disso, as vidas mais longas foram observadas nos ensaios torcionais, seguidos dos ensaios proporcionais e axiais em todas as temperaturas e deformações equivalentes prescritas testadas. A capacidade do modelo de plasticidade cíclica proposto por Chaboche em descrever o comportamento cíclico do Inconel 718 também foi abordada. Este modelo simulou com sucesso o comportamento tensão-deformação deste material sob todas as condições de carregamento e temperaturas investigadas. Além disso, o comportamento de fratura do material foi examinado. Para ambas as temperaturas, os ensaios axiais falharam por trincas de tração Modo I, enquanto trincas de cisalhamento Modo II foram observadas nos ensaios torcionais e proporcionais. Após análises em microscópio eletrônico de varredura, concluiu-se que o modo de propagação transgranular foi o mecanismo de falha predominante em todas as condições testadas. Apesar disso, elementos de fratura intergranular foram identificados no local de iniciação das trincas dos ensaios proporcionais. A vida em fadiga do Inconel 718 foi estimada pelo critério de fadiga de Fatemi–Socie (FS) e pela versão multiaxial do modelo de Smith–Watson–Topper (SWT), resultando em estimativas dentro de um fator-de-dois para FS e de um fator-de-quatro para SWT. Além disso, as direções das trincas também foram determinadas pelos dois modelos de plano crítico usados e comparadas com a orientação das trincas observadas experimentalmente. O modelo SWT previu corretamente a direção das trincas dos ensaios axiais, enquanto o modelo FS foi mais preciso na determinação da orientação das trincas observadas nos ensaios torcionais. Nenhum dos dois modelos conseguiu prever corretamente os ângulos do plano crítico em todas as condições de carregamento testadas.