COMPARAÇÃO DE DANOS CAUSADOS POR FADIGA MULTIAXIAL EM AÇO SAE 8620, EM AMBIENTE NEUTRO E CORROSIVO

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1 COMPARAÇÃO DE DANOS CAUSADOS POR FADIGA MULTIAXIAL EM AÇO SAE 8620, EM AMBIENTE NEUTRO E CORROSIVO Paulo de Tarso Vida Gomes, gomespt@cdtn.br 1 Emerson Giovani Rabello, egr@cdtn.br 1 Nelson do Nascimento Atanázio, nnaf@cdtn.br 1 André Luiz Nogueira, andrelnogueira@yahoo.com.br 2 Nilton da Silva Maia, niltonmaia@civil.cefetmg.br 3 Tanius Rodrigues Mansur, tanius@cdtn.br 1 1 Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear CDTN, Avenida Presidente Antônio Carlos, Campus da UFMG - Pampulha - CEP Belo Horizonte- MG Brasil 2 Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais DEMEC/UFMG, Avenida Presidente Antônio Carlos, Campus da UFMG - Pampulha - Belo Horizonte- MG Brasil 3 Centro Federal de Educação Tecnológica - CEFET MG - Belo Horizonte- MG Brasil Resumo: Ao longo dos anos, tem-se estudado o comportamento de materiais sob fadiga, realizando ensaios de corposde-prova padronizados submetidos a carregamentos uniaxiais, sejam de flexão ou tração. Entretanto, nas condições reais de trabalho de uma peça ou estrutura, as cargas a que estas estão sujeitas não são exclusivamente uniaxiais, o que torna estes ensaios pouco representativos da solicitação real de trabalho. Na maioria dos componentes empregados em equipamentos e estruturas que estão submetidos a carregamentos cíclicos o estado de tensão é complexo. Nos eixos submetidos à torção e flexão simultânea, por exemplo, verificam-se estados multiaxiais de tensão. Fatores adicionais, tais como características do meio (neutro ou corrosivo) podem influenciar na resistência à fadiga de materiais. Este trabalho apresenta os resultados obtidos na medição de dano provocado por fadiga multiaxial (torção e flexão) em corpos-de-prova, em meio neutro (ar) e em meio corrosivo (solução de NaCl a 3,5%). Para determinação dos danos utilizou-se o método de medição da variação da resistência elétrica. Palavras-chave: Fadiga multiaxial, Dano. 1. INTRODUÇÃO No contexto da mecânica do contínuo, dano em materiais é definido como uma propriedade que diminui a resistência do componente, podendo inclusive provocar a sua falha. O processo de criação de dano consiste na nucleação de descontinuidades superficiais (microtrincas) e/ou volumétricas (vazios ou micro poros) no material (Collins, 1993, Alvarenga Jr. et al, 2001 e Lemaitre et al, 1987) Componentes mecânicos de uma maneira geral sofrem danos durante a sua vida útil, sempre que as solicitações externas ultrapassarem as tensões admissíveis. Aplicações onde o problema de fadiga é determinante, a medição do dano é de fundamental importância. Todas as vezes que a tensão alternada externa for superior ao limite de resistência à fadiga, ocorrerá um dano no material, o qual é irrecuperável e acumulativo (Lemaitre et al, 1987 e Dieter, 1998). Quando a tensão alternada aplicada for inferior ao limite de resistência à fadiga, o dano criado terá efeito em vida de gigaciclos. Existem várias técnicas distintas para medição de dano. Cada uma destas técnicas apresenta vantagens e desvantagens em função das suas aplicações (Lemaitre et al, 1987). Medição de dano de fadiga utilizando-se a variação da resistência elétrica é a técnica que será utilizada neste trabalho para medir dano provocado por fadiga de alto ciclo. Considerando-se a fadiga flexo-rotativa de alto ciclo, (B. Sun e Guo. Y, 2003) apresentam a Equação 1 como uma maneira de medir dano. Embora os esforços aplicados aos corpos-de-prova não sejam devido à fadiga flexo-rotativa de alto ciclo, e sim, multiaxiais de flexão e torção, os danos serão calculados pela Eq. (1). R R D = 1 = (1) R R Sendo:

2 R o incremento na variação da resistência elétrica entre o material virgem e o material danificado, R a resistência elétrica do material virgem e, R a resistência elétrica do material danificado. Se D = 1, R o que significa a ruptura do corpo-de-prova. Para desenvolver-se um estudo experimental envolvendo previsão de vida de fadiga quando um corpo-de-prova está submetido a um estado multiaxial em fase e com a mesma freqüência de solicitação está sendo proposta neste trabalho a configuração de solicitação mostrada na Fig. (1). Figura 1. Diagrama de solicitações no corpo-de-prova. Outro fator importante no estudo da fadiga é o meio em que ela ocorre, pois, a resistência à fadiga de um aço varia muito dependendo se o meio é neutro ou corrosivo. Neste trabalho foram estudados corpos-de-prova em meio neutro (ar em temperaturas entre 18ºC e 20 ºC) e em meio corrosivo (solução de NaCl a 3,5% em peso). As tensões que atuam na seção transversal dos corpos-de-prova são: Tensões em H: As tensões normais (σ x ) são produzidas pelo momento M Z. O momento M Y não provoca tensões normais em H, pois o mesmo (H) está situado na linha neutra correspondente a este momento. Na Fig. (2) apresenta-se a localização dos pontos estudados, em relação à seção transversal do corpo-de-prova. Figura 2. Localização dos pontos estudados. O momento torsor T provoca o cisalhamento horizontal (τ xy ). A força cortante V não provoca tensões de cisalhamento em H, pois este (H) está situado na fibra superior da seção. Tensões no ponto K: A tensão normal (σ x ) em K é produzida pelo momento fletor MY. A tensão de cisalhamento (τ xy ) é provocada pelo momento torsor T e pela força cortante V. Na Fig. (3) apresenta-se o diagrama de tensões atuantes no corpo-de-prova. Devem-se observar sempre os sinais das tensões. Figura 3. Diagrama de tensões atuantes no corpo-de-prova. As tensões normais e de cisalhamento produzem as tensões principais dadas pela Eq. (2). 2, σ x + σ y σ x σ y 2 max σ min ± τ xy σ = + (2) 2 2

3 2. METODOLOGIA 2.1. Corpos-de-prova Neste trabalho utilizou-se o aço SAE Ensaios de tração em três corpos-de-prova foram realizados para determinação de características mecânica do aço. O material testado foi de lote único. Tabela 1Na Tab.(1) apresentam-se as propriedades mecânicas do aço obtidas nos ensaios de tração. Tabela 1. Caracterização mecânica do aço SAE CP σ 0.2 σ R σ Rup A S [MPa] [MPa] [MPa] [%] [%] Média 464 ± ± ± 6 20 ± 1 66 ± 1 Sendo: CP a identificação do corpo-de-prova; σ 0.2 o limite de escoamento, σ R o limite de resistência, σ RUP o limite de ruptura, A o alongamento e S a estricção do material. Todos os corpos-de-prova foram entalhados de modo a concentrar os danos e facilitar a medição da variação da corrente elétrica durante os ensaios de fadiga. Na Fig. (4) apresenta-se o desenho mecânico do corpo-de-prova utilizado Máquina de Fadiga Multiaxial Figura 4. Corpo-de-prova e suas dimensões. Foi projetada e construída uma máquina para ensaios de fadiga, instrumentada, para determinação das propriedades de fadiga de materiais, em ambiente controlado, com capacidade para ensaiar corpos-de-prova com carregamentos simultâneos de flexão e torção. Os esforços são aplicados ao corpo-de-prova por meio de um sistema de excêntricos especialmente projetados para esta finalidade. A aplicação dos carregamentos é feita em fase. Na Fig. (5) apresenta-se uma foto (visão superior) do equipamento desenvolvido para ensaio de fadiga multiaxial. Figura 5. Equipamento para ensaios de fadiga multiaxial.

4 Os valores das cargas aplicadas aos corpos-de-prova por meio dos excêntricos são medidos em corpos-de-prova instrumentados com extensômetros elétricos (strain gages), Fig. (6). Para medir o número de ciclos utiliza-se um contador eletrônico projetado e construído para este fim Ensaios em Ambiente Neutro Figura 6. Instrumentação do corpo-de-prova para aferição do carregamento. Os ensaios em ambiente neutro foram realizados ao ar em temperaturas entre 18ºC e 20 ºC. Foram ensaiados 3 grupos de corpos-de-prova, com valores de tensões distintos. Para cada grupo foram ensaiados 4 corpos-de-prova. A Tab. (2) apresenta a identificação dos corpos-de-prova de cada grupo e a Tab. (3) os respectivos valores de tensões de ensaio. Tabela 2. Identificação dos corpos-de-prova para cada grupo de carregamento. Grupo Nº dos Corpos-de-prova Nº dos Corpos-de-prova ensaiados em ambiente neutro ensaiados em ambiente corrosivo 1 12, 13, 14, 15 18, 19, 20, , 27, 28, 29 22, 23, 24, , 36, 37, 40 41, 42, 43, 46 Tabela 3. Valores de tensões de nos corpos-de-prova. Grupo Tensão flexão (MPa) Tensão torção (MPa) Tensões Principais. (MPa) σ x τ xy Máxima Mínima ,9-9, ,2-36, ,7-11, ,3-24, ,6-4, ,8-13,8 Antes do inicio dos ensaios de cada grupo, a máquina de fadiga foi calibrada e os valores de tensões aferidos utilizando-se o corpo-de-prova instrumentado ligado a um sistema de aquisição de dados modelo AGILENT (marca HP) e um computador, Fig. (7). Figura 7. Sistema para aquisição de dados para aferição do carregamento a ser aplicado nos corpos-de-prova.

5 Em seguida, o corpo-de-prova a ser ensaiado foi montado na máquina de fadiga e submetido a determinado número de ciclos de fadiga. Ao fim destes ciclos, o corpo-de-prova foi retirado da máquina e posicionado no gabarito para leitura de sua resistência elétrica. Todas as medidas de resistência elétrica foram realizadas usando-se uma ponte Kelvin, marca Tinsley Instruments, modelo QJ57E e uma fonte de tensão digital CHROMA, modelo 62006P Na Fig. (8) apresentam-se o equipamento utilizado para medição da variação da resistência elétrica e o gabarito utilizado para garantir que a variação da resistência será sempre medida no mesmo ponto. Figura 8. Equipamento utilizado para medição de resistência elétrica dos corpos-de-prova. Na Fig. (9) apresenta-se a máquina de fadiga durante testes em ambiente neutro Ensaios em Ambiente Corrosivo Figura 9. Máquina de fadiga durante teste em ambiente neutro. Os ensaios em ambiente corrosivo foram realizados em solução de NaCl a 3,5% em peso, em temperaturas entre 18ºC e 20 ºC, em regime de circulação forçada em torno da região entalhada do corpo-de-prova. Foram ensaiados 3 grupos de corpos-de-prova, com valores de tensões distintos. Para cada grupo foram ensaiados 4 corpos-de-prova. Os parâmetros e os procedimentos dos ensaios de fadiga foram os mesmos dos ensaios em ambiente neutro. Para evitar a corrosão na região de contato elétrico das pontas de prova de medição da resistência elétrica e o corpode-prova, estas regiões foram protegidas com massa de proteção ABM 72, marca HBM. Na Fig. (10) apresenta-se a máquina de fadiga durante testes de fadiga em ambiente corrosivo. Figura 10. Máquina de fadiga durante teste em ambiente corrosivo.

6 2.5. Determinação do Dano Os valores de danos foram obtidos a partir da Eq. (1), utilizando-se os valores de resistência elétrica medidos durante os ensaios de fadiga. Foram gerados gráficos dos valores de danos em função do número de ciclos de fadiga e em função da relação N/Nf (número de ciclos para determinado valor de dano dividido pelo número de ciclos para a fratura, para cada corpo-de-prova). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Ensaios de Fadiga Multiaxial Na Fig. (11) apresenta-se um gráfico típico obtido na fase inicial (os valores utilizados nos ensaios estão mostrados na Tabela 3) de calibração da máquina de fadiga multiaxial. Nota-se que os valores flutuam entre +200 e -160 MPa no carregamento de flexão e +180 e -190 MPa no carregamento de torção. Observa-se também uma pequena variação nos valores máximos e mínimos durante o ensaio. Tal fato se deve a problemas de usinagem (folgas e excentricidade) das peças que atuam no carregamento dos corpos-de-prova. Apesar disso observou-se que a variação nos carregamentos foi constante durante os ensaios. Observa-se também a aplicação em fase das tensões. Tensão aplicada (MPa) Calibração da máquina para realização de ensaios de fadiga multiaxial Tempo (segundos) Torsão Flexão Figura 11. Calibração da Máquina de Fadiga Multiaxial. Nas Fig. (12) a (14) apresentam-se os valores de danos calculados a partir da Eq. (1) utilizando-se os valores da variação da resistência elétrica, obtidos experimentalmente. Observa-se nos 3 grupos de ensaio que o número de ciclos para a fratura dos corpos-de-prova ensaiados em ambiente corrosivo é muito menor do que o número de ciclos para a fratura dos corpos-de-prova ensaiados em ambiente neutro. Observa-se também que há uma grande dispersão dos valores dos números de ciclos para os corpos-de-prova ensaiados em ambiente neutro e menor dispersão para os ensaiados em ambiente corrosivo. A dispersão tende a diminuir com o aumento da tensão de fadiga. Corpos-de-prova conjunto Ciclos CP 12 neutro CP 13 neutro CP 14 neutro CP 15 neutro CP 19 corrosão CP 20 corrosão CP 21 corrosão CP 18 corrosão Figura 12. Evolução dos danos para os corpos-de-prova do conjunto 1.

7 Corpos-de-prova conjunto Ciclos CP 26 neutro CP 27 neutro CP 28 neutro CP 29 neutro CP 22 corrosão CP 23 corrosão CP 24 corrosão CP 25 corrosão Figura 13. Evolução dos danos para os corpos-de-prova do conjunto 2. Corpos-de-prova conjunto Ciclos CP 34 neutro CP 36 neutro CP 37 neutro CP 40 neutro CP 41 corrosão CP 42 corrosão CP43 corrosão CP 46 corrosão Figura 14. Evolução dos danos para os corpos-de-prova do conjunto 3. Nas Fig.(15) a (17) apresentam-se os valores experimentais de danos em função de N/Nf, onde N é o número de ciclos para um determinado dano e Nf é o número de ciclos na fratura. Observa-se que é possível medir a variação dos valores de danos somente a partir de valores acima de N/Nf=0,5. Isto se deve, provavelmente, a pouca sensibilidade da medição da variação de resistência elétrica no inicio dos ensaios, onde o dano é pequeno. Outra observação importante é que mesmo que haja uma grande diferença entre o número de ciclos para a fratura, a relação N/Nf não varia muito entre os corpos-de-prova ensaiados. Corpos-de-prova conjunto 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 N/Nf CP 12 neutro CP 14 neutro CP 15 neutro CP 19 corrosão CP 20 corrosão CP 21 corrosão CP 18 corrosão CP13 neutro Figura 15. Evolução dos danos em função de N/Nf. Conjunto de corpos-de-prova 1.

8 Corpos-de-prova conjunto 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 N/Nf CP26 neutro CP 28 neutro CP 29 neutro CP 22 corrosão CP 23 corrosão CP 24 corrosão CP 25 corrosão CP27 neutro Figura 16. Evolução dos danos em função de N/Nf. Conjunto de corpos-de-prova 2. Corpos-de-prova conjunto3 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 N/Nf CP 34 neutro CP 37 neutro CP 40 neutro CP 41 corrosão CP 42 corrosão CP 43 corrosão CP 46 corrosão CP36 neutro Figura 17. Evolução dos danos em função de N/Nf. Conjunto de corpos-de-prova CONCLUSÕES A partir da medição de danos provados por fadiga multiaxial em corpos-de-prova de aço SAE 8620 em ambiente neutro e ambiente corrosivo, conclui-se que: 1- O equipamento construído para a realização dos ensaios funcionou, de uma maneira geral, como esperado. Os problemas encontrados foram, principalmente, relativos ao sistema de carregamento dos corpos-de-prova, o qual apresentou defeitos de usinagem (folgas de montagem e excentricidade), dificultando a aplicação de esforços de fadiga reversa (R=-1). 2- Os resultados mostram que é possível medir danos por meio da variação da resistência elétrica considerando a resistividade elétrica variável, embora haja a necessidade de criar procedimentos que possibilitem fazer a medição sem retirar o corpo-de-prova da máquina de fadiga e que garantam que não haja contato entre as superfícies de fratura durante a medição da resistência elétrica. 3- Embora este estudo tenha sido feito baseado em teorias de fadiga uniaxial, os resultados obtidos mostram uma boa aderência quando aplicados à fadiga multiaxial. 4- A análise dos resultados mostra que os corpos-de-prova submetidos à corrosão apresentam menores dispersões na medição dos danos e valores de vida menores que os submetidos ao meio normal. 5- Observa-se para os corpos-de-prova submetidos ao ambiente corrosivo uma diminuição média, para os três conjuntos ensaiados, em torno de 85% para o número de ciclos correspondente à falha do material.

9 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq); à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) e ao Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN) pelo suporte para a realização deste trabalho. 6. REFERÊNCIAS Alvarenga Jr., A., Mansur, T. R. e Palma, E. S., 2001, Influência do Dano de Fadiga sobre as Propriedades do Aço 8620, Anais do XVI Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica - COBEM, Vol. 12, pp AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E-1823, 1996, Standard terminology relating to fatigue and fracture testing. 21 p. Collins, J. A., 1993, Failure of Materials in Mechanical Design, John Wiley & Sons, 2. Ed., 654 p. Dieter, G. E., 1998, Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill Books Company, SI Edition, 331 p. Lemaitre, J. and Dufailly, J., 1987, Damage Measurements, Engineering Fracture Mechanics. Vol. 28, No. 516, pp Sun, B.; Guo, Y., 2003, High-cycle fatigue damage measurement based on electrical resistance change considering variable electrical resistivity and uneven damage, International Journal of Fatigue,No. 26, pp DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. COMPARISON OF MULTIAXIAL FATIGUE DAMAGE IN STEEL SAE 8620, IN NEUTRAL AND CORROSIVE ENVIRONMENTS Paulo de Tarso Vida Gomes, gomespt@cdtn.br 1 Emerson Giovani Rabello, egr@cdtn.br 1 Nelson do Nascimento Atanázio, nnaf@cdtn.br 1 André Luiz Nogueira, andrelnogueira@yahoo.com.br 2 Nilton da Silva Maia, niltonmaia@civil.cefetmg.br 3 Tanius Rodrigues Mansur, tanius@cdtn.br 1 1Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear CDTN, Avenida Presidente Antônio Carlos, Campus da UFMG - Pampulha - CEP Belo Horizonte- MG Brasil 2 Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais DEMEC/UFMG, Avenida Presidente Antônio Carlos, Campus da UFMG - Pampulha - Belo Horizonte- MG Brasil 3 Centro Federal de Educação Tecnológica - CEFET MG - Belo Horizonte- MG Brasil Abstract: Over the years, the behavior of materials under fatigue has been studied, using specimens subjected to uniaxial loadings, in both bending or tensile modes. However, in actual working conditions, the loads to which parts or equipment are subject are not uniquely uniaxial, what makes those experiments not representative of their behavior during service. In most of components employed in equipment and structures subjected to cyclic loading the stress state is complex. In shafts subjected to bending and torsion simultaneously, for example, multiaxial stress states do appear. Additional factors, such as the characteristics of the environment (neutral or corrosive) can influence on the fatigue resistance of materials. This paper presents the results obtained in the measurement of multiaxial (torsion and bending) fatigue damage in specimens for neutral (air) and corrosive (NaCl 3.5% solution) environmental conditions. For determinations of the fatigue damage the electrical resistivity changing experimental method was employed. Keywords: Multiaxial Fatigue, Damage. RESPONSIBILITY NOTICE The authors are the only responsible for the printed material included in this paper.