Comportamiento a la fatiga de alto ciclaje del acero SAE 4340

Abstract

El presente trabajo se realizó a fin de estudiar el daño acumulado por fatiga en muestras de un acero SAE 4340. Para ello, se realizaron ensayos de fatiga en flexión rotativa, empleando muestras de fatiga mecanizadas según la norma ASTM E606. Asimismo, se realizaron ensayos de tracción a muestras previamente sometidas a diversos grados de daño por fatiga, pudiéndose determinar que estas presentan un valor mayor del esfuerzo de fluencia, a medida que aumenta el número de ciclos aplicados. Los ensayos de fatiga fueron efectuados a distintos niveles de esfuerzo que representan diferentes fracciones del esfuerzo de fluencia del material. Dichos ensayos permitieron determinar el comportamiento a la fatiga del material bajo condiciones de alto ciclaje (número total de ciclos entre 105y 106). Estos resultados se utilizaron para la construcción de la curva de Wöhler característica del material y en base a esta, fueron realizados los ensayos de daño acumulado en dos bloques de esfuerzos, tanto ascendentes como descendentes, incluyendo diferentes fracciones de vida consumida en cada bloque de aplicación de carga. Los resultados revelaron que el modelo de Kohout y Vechet describe satisfactoriamente la variación del número de ciclos a falla (Nf) con el máximo esfuerzo alternante aplicado a las muestras, particularmente en virtud de la elevada desviación estándar que se tiene en el valor de Nf a cada esfuerzo alternante. Los distintos modelos de daño acumulado empleados para determinar la vida remanente del material proveen resultados similares, con la excepción del modelo de Marco-Starky, el cual pareciera ser el que mejor predice el número de ciclos a falla para el segundo bloque de aplicación de carga. En el caso del modelo de Palmgren-Miner, el mismo sobre estima los valores de Nf para la secuencia descendente y los subestima en la secuencia ascendente. El análisis fractográfico indicó que tanto a altos como bajos esfuerzos alternantes la falla por fatiga está dominada por la iniciación y propagación de una grieta dominante, con ausencia notable de otras grietas primarias paralelas a la superficie de fractura, así como de grietas secundarias que se propaguen desde la superficie de fractura misma. Con La metodología empleada en este estudio, es posible determinar los cambios en las propiedades mecánicas estáticas en materiales previamente sometidos a fatiga, por lo que en principio sería posible evaluar el daño acumulado por fatiga a partir de los cambios en dichas propiedades, al menos en materiales tales como el acero SAE 4340.

ABSTRACT The present work has been carried out in order to study the cumulative fatigue damage in samples of a SAE 4340 steel. Rotating bending fatigue tests were conducted employing fatigue samples machined according to the ASTM E606 standard. Also, tensile tests were carried out employing samples with different prior cumulative fatigue damage, which allowed the conclusion that the yield stress of such samples increases as the cumulative fatigue damage also increases. Fatigue tests were conducted at different maximum alternating stresses, corresponding to different fractions of the initial static yield stress of the material. Such tests allowed the determination of the fatigue behavior of the material under high cycle fatigue conditions (total number of cycles between approximately 105 and 106). Such results were employed for determining the Wöhler curve of the material and for designing the two stress blocks cumulative fatigue tests, both under increasing and decreasing stress conditions. The results obtained indicated that the Kohout and Vechet model is able to describe satisfactorily the change in the number of cycles to fracture (Nf) with the maximum alternating stress applied to the material, particularly given the high standard deviation in the Nf values at each alternating stress. The different cumulative fatigue damage models employed for determining the remnant life of the material provide similar results, with the exception of the Marco-Stark model, which seems to provide the best results regarding the number of cycles to fracture attained in the second stress block. The Palmgren-Miner model predicts an over estimation of the Nf values for the decreasing loading sequence and an under estimation for the increasing loading sequence. The fractographic analysis indicated that both at high and low maximum alternating stresses the fatigue failure is dominated by the initiation and growth of a single dominant crack, with a noticeable absence of other primary cracks parallel to the fracture surface, as well as secondary cracks propagating from the latter. The methodology that has been employed in this work allows the determination of the static mechanical properties of materials subjected to prior fatigue damage. Therefore, in principle, it would be possible to evaluate the prior cumulative fatigue damage from the change in such mechanical properties, at least for materials such as the SAE 4340 steel.