8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º ONGRESSO IBEROAMERIANO DE ENGENHARIA MEANIA usco, 23 a 25 de Outubro de 2007 ANÁLISE DOS SINAIS OBTIDOS DO MARELO E DO ORPO-DE-PROVA DURANTE ARREGAMENTO POR IMPATO DE UM ENSAIO HARPY Luís Alexandre atussi Paschoalotto 1, Ruddy Fernandes Moreira 1, Ruís amargo Tokimatsu 1, Itamar Ferreira 2 1 Universidade Estadual Paulista - UNESP, Faculdade de Engenharia, Avenida Brasil entro, 56; U, Av. Brasil entro, 56, Ilha Solteira SP, EP: Universidade Estadual de ampinas UNIAMP, idade Universitária "Zeferino Vaz", Barão Geraldo - ampinas - SP EP luisalexandrecp@hotmail.com e ruis@dem.feis.unesp.br RESUMO O ensaio de impacto harpy é um ensaio bastante utilizado no meio mecânico para determinação de, por exemplo, resistência à fratura dinâmica nos materiais através da energia local absorvida para que aconteça a fratura completa do corpo de prova. Atualmente essa energia global não é muito utilizada quantitativamente pelo fato de não se considerar vários fatores que interferem na resposta do ensaio harpy clássico. Esse é o motivo da instrumentação desse ensaio, pois assim pode-se contar com uma gama maior de informações com respeito ao rompimento do corpo de prova. No presente trabalho, pretende-se instrumentar corpos-de-prova harpy-v padronizados segundo a norma ASTM E-23 e o martelo pendular e confrontar os sinais força-tempo obtidos pelas duas células de carga tanto no ensaio de impacto como no ensaio monotônico. Vale ressaltar que o sinal e a curva obtidos pelo martelo são reações ao rompimento do corpo de prova, por isso os corpos de prova serão também instrumentados para que se possa comparar os sinais e curvas obtidas. O martelo harpy será instrumentado segundo os procedimentos estabelecidos pela norma ISO (2000). O ensaio de carregamento monotônico, por ter uma curva já consagrada, será utilizado para comparação dos sinais obtidos pelo ensaio harpy instrumentado. A instrumentação do martelo e do corpo-de-prova harpy se dará pelo seguinte arranjo: célula de carga (transdutor), sistema de condicionamento e aquisição de sinais e um microcomputador, para tratamento do sinal. omo resultado, as curvas força-tempo serão analisadas e delas serão extraídas propriedades mecânicas como força para início de fratura e também a tenacidade à fratura dinâmica que serão comparadas aos resultados obtidos no ensaio monotônico. PALAVRAS HAVE: harpy Instrumentado, tenacidade à fratura dinâmica, propriedade mecânicas, comportamento dinâmico.

2 INTRODUÇÃO Ensaio harpy Instrumentado Há algum tempo vários pesquisadores têm estudado métodos e técnicas para se determinar à tenacidade À fratura dinâmica a partir do ensaio de impacto. [Rodrigues et al. (2001)] Entre estes estudos e propostas, uma modificação do ensaio de impacto harpy clássico vem recebendo grande atenção. Este novo ensaio, conhecido como ensaio de impacto harpy Instrumentado, [Yamamoto et al. (1993)], surgiu como uma alternativa promissora, pois objetiva a caracterização precisa de um processo dinâmico de fratura, a despeito das inúmeras complicações relacionadas à instrumentação. Esta modificação normalmente compreende a instrumentação do martelo, transformando em uma célula de carga, do pêndulo harpy, por meio de extensômetros elétricos, de modo a se obter mais informações a cerca do ensaio. A Figura 1 ilustra esquematicamente o comportamento da curva força-tempo como função da temperatura para um aço de média resistência. A instrumentação permite identificar os vários estágios no processo de fratura. O valor da energia é associado à área sob a curva força vs tempo até o carregamento máximo. Este valor de impulso é convertido em energia aplicando a lei do movimento de Newton, que considera a velocidade do pêndulo decrescente durante o processo de deformação e fratura. Esta velocidade decrescente é proporcional à força instantânea aplicada no corpo de prova em qualquer tempo particular [Hertzberg, (1995)]. P= F P= F P=P M F P A 2780 N 60 μs P=0 A P=0 A P=0 A -107 o -93 o -79 o -46 o P F P A 2780 N 120 μs sem e P F P A sem e P F P A -32 o -18 o 21 o Fig. 1 Resposta força vs tempo para um aço de média resistência mecânica [Shockey, 1995]. O ensaio consiste em se registrar, os sinais da força de impacto do martelo no corpo-de-prova, e plotá-los na forma de gráficos de Força vs Tempo e de Força vs Deslocamento. No sistema instrumentado e informatizado harpy, o deslocamento na linha de carga é obtido, e a partir das curvas P vs t e P vs S obtém-se informações sobre a carga (força) de escoamento, P e, carga máxima, P m. Este último parâmetro é de especial importância no cálculo da tenacidade à fratura dinâmica, K Id. É medida a carga de inicio da instabilidade da trinca e a carga de termino da instabilidade da trinca, bem como os seus desvios tempos de deslocamentos de escoamento, respectivamente, te e Se, Máximo, t m e S m e total, t t e S t. Da curva Força vs Deslocamento é possível determinar as energias relativas aos processos de nucleação e iniciação (Ei) e de propagação (Ep) da trinca assumida numa analise simples, como, respectivamente, a energia até a força máxima e após a força máxima, que não são possíveis de serem distinguidas nos ensaios clássicos. A energia total absorvida no impacto também pode ser obtida pela integração numérica da curva, como mostrado na Figura

3 E = Fvdt E = E + E t i p Fig. 2 urva Força vs Deslocamento durante um ensaio de impacto harpy instrumentado [Fernandez et al. 2002]. MATERIAS E MÉTODOS Materiais omo dito anteriormente, o material a ser utilizado é o aço ABNT 4340, de qualidade aeronáutica. A composição química (balanço com Fe) está apresentada na Tabela 1. Tabela 1. omposição química (% em peso) de aços de baixa liga e utra-alta resistência, normalmente utilizado na fabricação de componentes de aeronaves. AÇO Si Mn P,S* r Mo Ni V ,38-0,43 0,20-0,35 0,60-0,90 0,01 0,70-0,90 0,20-0,30 1,50-2, Os corpos de prova harpy-v foram confeccionados com entalhe arredondado (raio de 0,25 mm) de acordo com a norma ASTM E23 e as dimensões foram acompanhadas com o projetor de perfil. Após serem confeccionados, os corpos-de-prova foram submetidos a um tratamento térmico com rigoroso sistema de controle; forno com atmosfera e crescimento de temperatura controlados. Austenitizou-se os corpos-de-prova a 1143K e foi feita a têmpera. Em seguida, os corpos-de-prova foram revenidos e agrupados de acordo com as temperaturas de revenido: 473K, 573K, 673K e 773K. Os extensômetros utilizados foram strain-gages do tipo roseta dupla 90º e a máquina harpy convencional utilizada era da marca Heckert, modelo 423/18 com capacidade para 300J e precisão de 0.5J no dial de leitura. Instrumentação do Ensaio harpy A instrumentação do martelo pendular da máquina harpy foi feita de acordo com a norma ISO (2000), em que a medida da força será obtida utilizando-se dois extensômetros elétricos de resistência, posicionados no martelo pendular para formar o transdutor de força, ou seja, este martelo foi transformado numa célula de carga, e mais dois extensômetros colocados em uma peça inerte às vibrações originarias do ensaio e de mesmo material do cutelo do martelo (compensador) para que seja formada a ponte de Wheatstone. Do mesmo modo, foi afixado um extensômetro roseta dupla no corpo-de-prova de acordo com a figura 5 e outro corpo-de-prova igualmente instrumentado foi utilizado como compensador. A cadeia de medição composta por transdutores, amplificador dinâmico e sistema de gravação de sinais deverá ter freqüência de resposta de no mínimo 100kHz e tempo de subida de no máximo 3,5µs.

4 Figura 4: Posicionamento do extensômetro roseta dupla no corpo-de-prova harpy A calibração foi realizada de forma estática através de forças já conhecidas e com um sistema que reproduzia as condições dinâmicas do ensaio. A figura 5 representa esquematicamente um sistema de aquisição de sinais, mas é válido ressaltar que na representação do corpo-de-prova instrumentado deve-se observar que os dois extensômetros representados na figura foram substituídos por um strain-gage roseta dupla 90º. Figura 5: Arquitetura do sistema que será empregada na instrumentação (Norma ISO ). O software utilizado para captura de sinais do osciloscópio digital (canal 1 direcionado para o sinal proveniente do martelo e canal 2 para o corpo-de-prova) foi o Wavestar e, visto que, o condicionador de sinais utilizado possuía dois canais, os sinais provenientes dos dois canais foram capturados simultaneamente. Metodologia para o ensaio de flexão em três pontos com carregamento monotônico Os ensaios de flexão com corpo-de-prova apoiado em três pontos foram realizados em temperatura ambiente em uma máquina MTS modelo 810 (10t.) com o software TestStar II para controle da máquina e aquisição dos dados. Foram realizados três ensaios para cada condição de entalhe e respectivamente em cada condição de tratamento térmico. Os procedimentos para realização dos ensaios de flexão foram observados na norma ASTM E-399(90). A Figura 6 mostra a representação esquemática do ensaio de flexão em três pontos. Na Figura 7 está apresentada a montagem experimental do ensaio de flexão.

5 Figura 6: Representação esquemática do ensaio de flexão em três pontos com carregamento monotônico. Figura 7: Montagem experimental para o ensaio de flexão em três pontos. Durante o ensaio de flexão em três pontos, o deslocamento de abertura da trinca (MOD) foi medido a partir de um lip on gage MTS modelo com abertura inicial de 12mm. O MOD foi plotado em função da carga aplicada. Para a fixação do lip on gage no P foram utilizados dois dispositivos chamados Knife edges. Estes dispositivos foram confeccionados em aço a partir de usinagem em retífica plana universal e furadora universal. Os Knife edges eram aparafusados na rosca M3X5 do P. O posicionamento dos Knife edges foi feito com auxílio de um gabarito que se encaixava no entalhe do P. A Figura 8 mostra em detalhe a fixação dos Knife edges no corpo-de-prova. Figura 8: Detalhe da fixação dos Knife edges no corpo-de-prova. RESULTADOS E DISUSSÕES Martelo e orpo-de-prova instrumentados no Ensaio harpy Foram encontradas inúmeras dificuldades nesta etapa do ensaio devido ao nível de ruído presente no momento da ruptura dos corpos-de-prova e ao baixo número de corpos-de-prova ensaiados, pois muitas destas células de carga foram utilizadas pra compreendimento da cadeia de medição. Assim, o melhor resultado obtido está representado na Figura 9 que representa os sinais obtidos no osciloscópio sendo o canal 2 para o martelo e o canal 1 para o corpo-deprova com tratamento térmico de têmpera.

6 Figura 9: urvas obtidas no osciloscópio para o P temperado anal 1 para o P e canal 2 para o martelo. Os dois sinais capturados simultaneamente no Ensaio harpy instrumentado foram submetidos à rotina computacional G3M criada pelo próprio G3M (Grupo de aracterização Mecânica e Microestrutural dos Materiais) da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira/UNESP. Esta rotina foi criada especialmente para o Ensaio harpy instrumentado e utiliza a integração numérica para o cálculo da energia líquida de fratura para os corpos-deprova. Os resultados obtidos com a dada rotina computacional estão na figura 10. Figura 10 Resultados obtidos através do tratamento pela rotina computacional G3M À esquerda sinal do martelo pendular e à direita sinal do corpo-de-prova

7 Nota-se que com a rotina computacional foi possível determinar a energia líquida de fratura do corpo-de-prova. Um dos grande problemas do ensaio harpy convencional é o fato de que a energia obtida no dial é uma energia global que é utilizada apenas qualitativamente. Através da instrumentação foi possível transformar a energia global em energia líquida de fratura. Observa-se também a boa repetibilidade dos resultados gerados para a condição temperada dos corpos-de-prova, comparando as curvas de energia líquida obtidas para o martelo e o corpo-de-prova. Ensaio de flexão em três pontos com carregamento monotônico Os resultados obtidos nos ensaios de flexão estão divididos conforme a severidade do entalhe. Os Ps com a presença da pré-trinca por fadiga foram alvos de estudos para determinar o parâmetro tenacidade à fratura. Por outro lado os resultados dos Ps com o entalhe arredondado são de grande utilidade para caracterizar e determinar as propriedades mecânicas a serem determinadas nas curvas obtidas no ensaio de Impacto harpy Instrumentado. Para os Ps com pré-trinca são apresentadas curvas de carga em função do TOD para as diferentes condições microestruturais. Foi considerada uma curva de cada condição para apresentação na figura 11. Escolheram-se as curvas ensaiadas a partir de Ps com o comprimento de pré-trinca (a) semelhantes arga [N] F; a=4,79 mm TE; a=4,79 mm R4; a=4,52 mm R5; a=4,79 mm R6; a=4,75 mm R7; a=4,83 mm ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 TOD [mm] Figura 11: urva da carga em função do TOD para as diferentes condições ensaiadas ONLUSÕES Este trabalho apresentou um método alternativo de instrumentação do ensaio harpy segundo a norma ISSO (2000) que além da presença de extensômetros no martelo pendular, inclui extensômetros colados nos corpos-deprova. Foram utilizados um método de calibração para o martelo e para o corpo-de-prova e uma rotina computacional desenvolvidos no próprio G3M que se mostraram muito eficientes e otimizaram a captura dos sinais provenientes das células de carga envolvidas no ensaio. Assim, podemos concluir que um grande passo foi dado na direção da sair de uma máquina harpy lássica e chegarmos a uma máquina harpy Instrumentada, pois a rotina computacional para tratamento dos sinais foi implementada, o sistema de calibração foi otimizado e com os ensaios realizados e as dificuldades encontradas pode-se entender melhor os procedimentos a serem adotados para uma captura adequada dos sinais provenientes principalmente dos corpos-de-prova, e assim, compreender melhor a curva harpy Instrumentado.

8 Nos resultados apresentados acima podemos observar que foi possível a captura simultânea dos sinais do martelo e corpo-de-prova e que os valores observados no tratamento com a rotina computacional G3M são parecidos e coerentes, porém ainda não foi possível a comparação com os resultados dos ensaios com carregamento monotônico e o sinal proveniente dos corpos-de-prova ainda é muito inferior aos capturados no martelo pendular instrumentado. Tais problemas se devem ao nível de ruído ainda existente nos sinais capturados e ao fato de que ainda não foram realizados ensaios suficientes para total aprimoramento da captura destes sinais. Finalmente, é necessário enfatizar que a busca da captura do sinal proveniente do corpo-de-prova instrumentado tem como incentivo o fato de que os resultados obtidos trariam informações muito mais significativas do que aquelas provenientes do martelo pendular que já são obtidas com certa facilidade, pois, no martelo instrumentado o resultado obtido é a reação ao rompimento do corpo-de-prova enquanto que no corpo-de-prova trata-se do próprio rompimento causado pelo impacto do martelo. Isso nos leva a crer que um sinal com muito mais informações pode ser obtido no ensaio com corpos-de-prova instrumentados. REFERÊNIAS 1. Rodrigues, A. R., harpy Instrumentado Determinação da tenacidade à fratura dinâmica de materiais metálicos, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira, pp Kobayashi, T., Yamamoto, I. and Ninomi, M. Evaluation of dynamic fracture toughness parameters by instrumented harpy impact test. Engineering Fracture Mechanics, v.24, nº5, p , Hertzberg, R. W. Transition temperature approach to fracture control. Deformation and fracture mechanics of engineering materials., 4.ed. New York: J. Wiley, p , Shokey, D. A. Dynamic fracture testing. NEWBY, J. R. (oord.) ASM handbook: Mechanical Testing. 9.ed. Ohio: ASM, p Rubio, L., Fernández-Sáez, J.and Navarro,., Determination of Dynamic Fracture-initiation Toughness using Three-point Bending Tests in a Modified Hopkinson Pressure Bar, Society for Experimental Mechanics, Vol. 43, nº4, pp UNIDADES E NOMENLATURA P t S P e K Id Ei Ep a Energia de Fratura (J) Força Máxima de Fratura (N) Força durante rompimento do corpo-de-prova (N) tempo de fratura (s) deslocamento (m) arga de escoamento (N) Tenacidade à fratura dinâmica (J) energia de inciação da trinca (J) energia de propagação da trinca (J) comprimento de pré-trinca (m)

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