Residual stress impact on fatigue performance of aluminum internal combustion engine cylinders

Abstract

A avaliação de falhas por fadiga em componentes manufaturados em ligas de alumínio submetidos ao tratamento térmico T6 é uma tarefa complexa, pois tensões residuais impostas por este tratamento podem ter grande influência sobre a durabilidade do componente. O presente trabalho tem como objetivo propor uma metodologia capaz de prever as tensões residuais impostas no tratamento térmico T6 realizado em cilindros de motores de combustão interna e o impacto destas tensões na vida em fadiga do componente. Para isto, foi proposta uma metodologia em duas etapas, onde primeiramente foi resolvido um problema térmico para obtenção da distribuição de temperatura, utilizada posteriormente como condição de contorno de um problema termomecânico. A primeira etapa da solu- ção do problema térmico é a solução de um problema inverso de transferência de calor para encontrar parâmetros térmicos que representem o histórico de temperatura medido experimentalmente durante o tratamento térmico. Na segunda etapa, com os parâmetros térmicos calibrados, e a distribuição de temperatura, um problema térmomecânico inelástico é resolvido para calcular as tensões residuais provenientes dos carregamentos térmicos calculados, considerando o efeito de viscosidade que o material sofre nas temperaturas alcançadas durante o tratamento térmico. Por fim, um teste de durabilidade em bancada foi simulado e os fatores de segurança para falhas em fadiga foram calculados, com e sem a influência das tensões residuais, o que mostrou que a precisão da predição do modelo de fadiga foi melhorada significativamente quando utilizada a metodologia proposta. Tal conclusão é corroborada por análises de sensibilidade executadas para avaliar desvios nas respostas frente as possíveis escolhas no desenvolvimento dos modelos.

The fatigue assessment of aluminum alloy components submitted to a T6 thermal treatment is a challenging task as the fatigue performance can be highly influenced by the residual stress input during the thermal treatment. The present work aims to propose a methodology capable of evaluating the residual stress input during the manufacturing process of an aluminum internal combustion engine cylinder and its impact on the component fatigue performance. For this, a two-step methodology was proposed, in which a thermal problem is solved to find the temperature distribution used later as a boundary condition in a thermomechanical problem. In the first step, an inverse heat transfer problem is solved to find the thermal parameters capable of reproducing the experimental temperature history acquired during the thermal treatment. In the second step, with the calibrated thermal parameters, and the temperature distribution, an inelastic thermomechanical problem is solved to evaluate the residual stress caused by the thermal loads. In addition, creep effects induced by the elevated temperatures achieved during the thermal treatment are considered. Finally, a bench test was simulated, and the endurance safety factors with and without residual stress influence were evaluated and compared to experimental fatigue data, which showed that the proposed methodology could significantly improve the model prediction accuracy. This conclusion is supported by sensitivity analyses carried out to assess deviations in responses due to possible choices in model development.