Tratamento e análise de dados de ensaios de fadiga axial do aço AISI 316L processado por manufatura aditiva

Abstract

O crescimento da manufatura aditiva de materiais metálicos no cenário mundial, dado pelo interesse das indústrias pela tecnologia e todas as suas possibilidades, tem resultado em muitos estudos envolvendo os diferentes processos e materiais. As possibilidades de utilização de peças manufaturadas por este método, passam necessariamente pelo conhecimento das propriedades mecânicas necessárias para projetar estes componentes. Com isso, muitos estudos surgiram com o intuito de determinar as propriedades mecânicas de peças elaboradas por manufatura aditiva, comparando-as com componentes confeccionados por métodos tradicionais, objetivando comprovar a possibilidade de substituição da tecnologia, sem detrimento das suas propriedades mecânicas. Porém, uma grande parcela destes estudos, caracterizam os materiais por ensaios mecânicos como tração e impacto, deixando de contemplar fenômenos relacionados à esforços repetitivos como fadiga, por exemplo, determinados por ensaios dinâmicos. Neste trabalho foram executados ensaios de fadiga axial, conduzidos conforme ASTM E466-21 (ASTM, 2021b), em corpos de prova produzidos por manufatura aditiva, utilizando o método de deposição direta à laser, L-DED, com aço inoxidável AISI 316L, na forma de pó metálico. Foram produzidos 32 corpos de prova, dos quais 3 foram descartados, utilizando os resultados de 29 deles. Os resultados de fadiga foram apresentados na forma de curva tensão versus número de ciclos (S-N), determinando a equação e os coeficientes. Além disso, foi determinado o Limite de Resistência à Fadiga, LRF, usando o método Staircase, obtendo o resultado de 174,50 MPa, com desvio padrão de 14,56 MPa. Também foram executados ensaios de tração em 6 corpos de prova produzidos simultaneamente aos de fadiga, obtendo a média de 610 MPa, para o limite de resistência à tração, LRT, sendo este resultado usado como referência para a determinação dos níveis de tensão utilizados para o ensaio de fadiga. Como análise complementar, foram executadas fractografias, em duas amostras, uma submetida à tensão de 360 MPa, e outra com tensão de 182 MPa, classificadas como baixo e alto ciclo, respectivamente. As fractografias mostraram significativas diferenças entre os corpos de prova considerados de alto e baixo ciclo, como esperado. Também foram levantados os custos para a execução dos ensaios de fadiga, incluindo custo do pó metálico, da fabricação e usinagem dos corpos de prova, assim como a execução dos ensaios de fadiga, que somaram um total de R$ 74.327,55. Com base nos resultados obtidos, pode-se dizer que o aço AISI 316L processado pelo método de deposição direta a laser, apresenta bom comportamento mecânico nos ensaios estáticos. Porém em relação à fadiga, seu desempenho mostrou-se um pouco abaixo de valores encontrados na literatura, quando comparado a outros processos de manufatura aditiva e também com métodos de produção convencionais.

Abstract: The increase of additive manufacturing of metallic materials in the world scenario, due to interest of industries in the technology and all its possibilities, has resulted in many studies involving different processes and materials. The possibilities of using parts manufactured by this method necessarily involve knowledge of the mechanical properties required to design these components. Thus, many studies have emerged with the aim of determining the mechanical properties of parts made by additive manufacturing, comparing them with components manufactured by traditional methods, aiming to prove the possibility of replacing the technology, without detriment to its necessary mechanical properties. However, a large portion of these studies characterize materials by mechanical tests, such as traction and impact, failing to contemplate phenomena related to cyclics requirement such as fatigue, for example, determined by dynamic tests. Thus, this study aimed to perform axial fatigue tests were carried out, conducted in accordance with ASTM E466-21 (ASTM, 2021b), on specimens produced by additive manufacturing, using the direct laser deposition method, L-DED, with AISI 316L stainless steel, in the form of metallic powder. 32 specimens were produced, of which 3 were discarded, using the results of 29 of them. The fatigue results were presented in the form of a stress versus number of cycles curve (S-N), determining the equation and coefficients. In addition, the Fatigue Resistance Limit, LRF, was determined using the Staircase method, obtaining a result of 174.50 MPa, with a standard deviation of 14.56 MPa. Tensile tests were also performed on 6 specimens produced simultaneously with the fatigue specimens, obtaining an average of 610 MPa, for the tensile strength limit, LRT, this result being used as a reference for determining the stress levels used for the fatigue test. As a complementary analysis, fractographs were performed on two samples, one subjected to a tension of 360 MPa, and the other with a tension of 182 MPa, classified as low and high cycle, respectively. The fractographs showed significant differences between the specimens considered of high and low cycle, as expected. The costs for carrying out the fatigue tests were also determined, including the cost of the metallic powder, the cost of manufacturing and machining the test specimens, as well as the execution of the fatigue tests, which added up to a total of R$ 74,327.55. Based on the results obtained, it can be said that the AISI 316L steel processed by the direct laser deposition method presents good mechanical behavior in static tests. However, in relation to fatigue, its performance was slightly below the values found in the literature, when compared to other additive manufacturing processes and also to conventional production methods.