ESTUDO DO COMPORTAMENTO EM FADIGA DA LIGA Ti-13V-11Cr-3Al

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1 ESTUDO DO COMPORTAMENTO EM FADIGA DA LIGA Ti-13V-11Cr-3Al Carlos A. R. P. Baptista, Elisa B. Taddei, Miguel J. R. Barboza, Sérgio Schneider Departamento de Engenharia de Materiais, FAENQUIL, C.P. 116, , Lorena, SP Resumo Este trabalho teve como objetivo a determinação das propriedades de fadiga da liga Ti- 13V-11Cr-3Al, fornecida na forma de barras forjadas com diâmetro 7,6 mm. A caracterização básica do material abrangeu as análises química e microestrutural, bem como a obtenção das propriedades mecânicas através do ensaio de tração. Ensaios controlados pela deformação total foram realizados para se determinar as curvas de fadiga elástica, plástica e total. O comportamento tensão-deformação cíclico foi associado às condições do material. A curva experimental deformação-vida foi comparada à curva obtida pelo método estimativo das inclinações universais. O trabalho foi complementado com análises fractográficas por MEV. Fadiga. Palavras-Chave: Ligas de Titânio, Comportamento Mecânico, Propriedades de Abstract The aim of this work was to obtain the fatigue properties of cold-worked bars (7.6 mm in diameter) of the alloy Ti-13V-11Cr-3Al. Chemical and microstructural characterization were performed, as well as tensile tests through which the basic mechanical properties of the material were determined. Total strain-amplitude controlled tests were performed in order to obtain the elastic, plastic and total fatigue curves. The cyclic stress-strain behaviour was related to the material s conditions. The experimental strain-life curve was compared to that obtained by the universal slopes method. Fractographic analyses by SEM are also included. Keywords: Titanium Alloys, Mechanical Behaviour, Fatigue Properties. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36301

2 Introdução A combinação de propriedades mecânicas e físicas das ligas de titânio as torna atraentes ao emprego principalmente nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, naval e na emergente aplicação em implantes ortopédicos [1, 2]. Em temperatura ambiente o titânio apresenta-se com estrutura HC (fase α), que se transforma em CCC (fase β) a 1156 K. A adição de elementos de liga visa basicamente a manutenção de uma ou outra fase. A manipulação microestrutural das ligas de titânio através de tratamentos térmicos baseia-se na nucleação e crescimento da fase α a partir de β ao se resfriar o material. A transformação martensítica também é possível quando a fase β é resfriada rapidamente. Dois tipos de martensita podem ser formados: α (HC) e α (ortorrômbica) [3, 4, 5]. Os elementos de liga que favorecem a fase β (chamados betagênicos) reduzem a temperatura de transformação alotrópica. Dentre eles se incluem os metais de transição do grupo IV. As ligas Ti-β são aquelas cujo teor de estabilizadores β faz com que a temperatura de início da martensita seja inferior à temperatura ambiente, ou seja, o material retém 100% da fase β após a têmpera. Se este ainda estiver no campo α + β, a fase β será metaestável, precipitando uma segunda fase (usualmente α) com o envelhecimento e aumentando a resistência mecânica. As ligas Ti-β constituem um dos grupos mais promissores de ligas de titânio em termos de processamento, propriedades e aplicações potenciais, apresentando os mais altos níveis de resistência mecânica, à fadiga e aos ambientes agressivos [2, 6]. Apesar de suas vantagens, as ligas Ti-β ainda são de uso restrito, devido em parte aos custos mais altos (quando comparadas às ligas α + β) e rotas de processamento complexas. O baixo módulo de elasticidade, embora seja um dos fatores limitantes ao seu uso estrutural, torna estas ligas ideais ao emprego em implantes ortopédicos, destacando-se neste campo a recente liga Ti-13Nb-13Zr [2]. Dentre as ligas estruturais, uma das mais bem sucedidas é a Ti-13V- 11Cr-3Al, utilizada em componentes de alta resistência na indústria aeronáutica. Além disso, de acordo com a norma ASTM E399 (90) esta é a liga mais indicada para a confecção de braços para clip gauges empregados nos ensaios de tenacidade à fratura, devido à sua alta relação entre o limite de escoamento e o módulo de Young. A liga Ti-13V-11Cr-3Al solubilizada apresenta resistência à tração da ordem de 700 MPa e alongamento de 40%. Após envelhecida, o limite de resistência ultrapassa 1,2 GPa, com um alongamento de 8% [5, 7]. A possibilidade de confecção de clip gauges para baixas temperaturas no DEMAR/FAENQUIL CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36302

3 motivou o estudo do comportamento mecânico desta liga a 77 K, cujos resultados foram mostrados em um trabalho anterior [8]. O presente trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades de fadiga da liga Ti- 13V-11Cr-3Al através de ensaios controlados pela deformação total. As curvas deformaçãovida e a curva tensão-deformação cíclica são determinadas experimentalmente a partir dos laços de histerese elasto-plástica. Os resultados experimentais são comparados aos obtidos através de um método preditivo. Além disso, análises via MEV das superfícies das amostras fraturadas permitem associar características morfológicas de fratura com o nível de deformação cíclica. Este trabalho insere-se também num programa que, numa etapa posterior, pretende estudar o comportamento em fadiga da liga Ti-13Nb-13Zr, que vem sendo produzida e pesquisada no DEMAR/FAENQUIL [9]. Propriedades de Fadiga Um dos aspectos mais importantes dos metais e ligas para uso estrutural é a descrição de seu comportamento em fadiga. Os métodos disponíveis consistem de equações em que se relaciona a vida em fadiga determinada experimentalmente com grandezas macroscópicas associadas à solicitação cíclica, as quais podem ser medidas ou calculadas. A forma tradicional de apresentação dos dados de fadiga é através das curvas S/N propostas por Wöhler, as quais são adequadas para o regime de fadiga de alto ciclo. Em tensões elevadas, ocorre a deformação plástica generalizada dos corpos de prova e a fadiga resulta de deformação cíclida em vez de tensão cíclica. As primeiras proposições relacionando os dados de fadiga com a deformação se devem a Manson e Coffin e datam do início da década de 50. Através do chamado método de Coffin-Manson relaciona-se a variação da deformação plástica com o número de ciclos para a fratura, descrevendo-se o comportamento em fadiga de baixo ciclo. Atualmente, a apresentação dos dados de fadiga em termos da deformação é considerada mais importante que as curvas S/N. A forma de representação mais aceita da curva de fadiga foi proposta por Morrow [10] e é dada pela equação (1), onde ε é a variação da deformação total, E é o módulo de Young, 2N f é o número de reversões para a falha (um ciclo tem duas reversões), σ f e ε f são os coeficientes de resistência e ductilidade à fadiga e b, c são respectivamente os expoentes de resistência e ductilidade à fadiga. Esta abordagem considera a fadiga de baixo ciclo e de alto ciclo numa única expressão, além de ser empregada no conceito de deformação localizada, utilizado para prever o número de ciclos necessários para iniciar uma trinca. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36303

4 ε σ = f b c ( 2N f ) + ε f ( 2N f ) (1) 2 E O processo de obtenção das propriedades de fadiga através de testes de laboratório consome um tempo considerável. Por isso é altamente desejável, nos estudos preliminares de projeto, a estimativa do comportamento em fadiga a partir de parâmetros obtidos mais facilmente. Dos diversos estudos dedicados ao desenvolvimento de técnicas preditivas da curva de fadiga, um dos mais simples, proposto por Manson [11], considera que os expoentes de resistência e ductilidade à fadiga têm o mesmo valor para todos os materiais. Manson considerou estes valores iguais respectivamente a -0,12 e -0,6 como mostra a equação (2), onde σ t é o limite de resistência RA é a redução em área do material. Este procedimento foi denominado método das inclinações universais. Avaliações comparativas [12, 13] mostraram ser este um dos métodos mais efetivos dentre os disponíveis. 012, 1 ( f ) ( f ) σ ε = 35, t + ln E N 1 RA 06, 06, N (2) Material e Métodos. O material foi recebido na forma de barras cilíndricas com 7,6 mm de diâmetro. Através de análise química por ICP encontrou-se, para os teores de elementos de liga e para o ferro, os valores mostrados na Tabela 1. Estes valores são comparados com as faixas de variação estabelecidas para esta liga de acordo com a especificação AMS A análise metalográfica mostrou que a microestrutura do material compõe-se de grãos alongados da fase metaestável β, conforme pode ser observado nas Figuras 1 (seção transversal) e 2 (seção longitudinal). A Tabela 2 apresenta as propriedades mecânicas do material, obtidas através de ensaios de tração. Os valores mostrados correspondem à média e desvio padrão dos resultados de três ensaios. Tabela 1. Composição da Liga (% em peso) Elemento V Cr Al Fe Mat. Recebido 14,1 11,1 3,32 0,18 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36304

5 AMS ,5-14,5 10,0-12,0 2,5-3,5 0,35 máx. Figura 1. Microestrutura do material, corte transversal (aumento 100 ) Figura 2. Microestrutura do material, corte longitudinal (aumento 200 ) Tabela 2. Propriedades Mecânicas do Material Propriedades Limite de escoamento, σ e (MPa) 1472 ± 10 Limite de resistência, σ t (MPa) 1544 ± 10 Módulo de Young, E (MPa) ± 670 Redução em Área, RA (%) 16,3 ± 2,0 Tensão de fratura real, σ f (MPa) 1758 ± 26 Deformação plástica real de fratura, ε f 0,066 ± 0,014 Coeficiente de resistência, K (MPa) 1767 ± 27 Expoente de encruamento, n 0,0288 ± 0,0021 Os ensaios de fadiga de baixo ciclo foram realizados em uma máquina servohidráulica MTS com capacidade de 250 kn. Os corpos de prova foram usinados na forma CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36305

6 cilíndrica segundo as recomendações da norma ASTM E-606(92). Estes foram lixados e polidos visando uniformizar a rugosidade. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente, com controle de deformação total. Foi adotada onda senoidal com freqüência de 0,1 Hz. Os laços de histerese foram captados através de um processador digital de sinais, com intervalo de 0,1 segundo para aquisição dos pontos. As amplitudes de deformação adotadas abrangeram a faixa de 0,8 até 2,6%. Resultados e Análises O material se comportou de duas formas distintas na faixa de deformações analisada. Para os níveis inferiores (até ε/2 = 0,015), observou-se tendência à assimetria de carregamento, conforme mostrado na Figura 3(a). A deformação é dificultada em tração e facilitada em compressão (como o efeito Bauschinger), fato que pode ser associado à estrutura de grãos alongados (Figura 2) proveniente de deformação a frio e possivelmente à existência de textura. Nos níveis superiores de deformação ocorreu o amolecimento cíclico, exemplificado na Figura 3(b), que poderia estar associado à dissolução ou cisalhamento de precipitados. A Figura 4 superpõe os pontos obtidos nos ensaios de fadiga à curva tensãodeformação monotônica. (a) (b) Figura 3. Endurecimento (a) e amolecimento (b) cíclicos Para a determinação das curvas deformação-vida, as amplitudes de deformação elástica e plástica foram obtidas conforme o esquema da Figura 5. Os resultados dos ensaios de fadiga são mostrados na Figura 6 e as propriedades de fadiga calculadas estão na Tabela 3. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36306

7 Figura 4. Comportamentos tensão-deformação monotônico e cíclico Figura 5. Exemplo de laço de histerese obtido nos ensaios Tabela 3. Propriedades de fadiga da liga Ti-13V-11Cr-3Al Propriedades Coeficiente de resistência à fadiga, σ f 2693 Expoente de resistência à fadiga, b -0,127 Coeficiente de ductilidade à fadiga, ε f 0,734 Expoente de ductilidade à fadiga, c -0,989 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36307

8 Figura 6. Curvas deformação-vida obtidas experimentalmente As curvas obtidas pelo método estimativo das inclinações universais são mostradas na Figura 7. Observa-se que a vida de transição, definida pela intersecção das linhas elástica e plástica e cujo valor é 50 reversões para a curva experimental, está em torno de 30 reversões pelo método estimativo. Contudo, a vida estimada chega a ser 10 vezes maior que a experimental para um mesmo nível de deformação, conforme mostra a Figura 8. Figura 7. Método estimativo CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36308

9 Figura 8. Comparação entre as vidas experimental e prevista Figura 9. Fractografia de amostra com ε/2 = 1,0% As superfícies de fratura também apresentaram características distintas, dependendo do nível de deformação. No caso de baixas amplitudes, é nítida a presença de duas regiões, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36309

10 uma rugosa e outra lisa. Esta última não está presente nas fraturas correspondentes às amplitudes mais altas de deformação. As Figuras 9 e 10 são fractografias obtidas por MEV correspondentes aos dois casos citados. Os mecanismos de fratura de ambas as amostras são semelhantes quanto à diversificação e a presença de microcavidades de tamanhos e profundidades variadas, apresentando-se na grande maioria em formatos equiaxiais, isentos de partículas internas e marcas de deformação nas paredes laterais. No entanto, a amostra fraturada com ε/2 = 1,0% (Figura 9) apresenta pequenos alvéolos no interio dos dimples de maior dimensão. A amostra fraturada com ε/2 = 2,5% (Figura 10) apresenta-se com uma pequena parcela de dimples com formatos parabólicos, juntamente com a formação de membranas agrupando uma grande quantidade de microcavidades de pequeno diâmetro e grande profundidade. Destacam-se ao longo da supefície, facetas com marcas de deformação superficial, possivelmente associadas a amolecimento de grão. Figura 10. Fractografia de amostra com ε/2 = 2,5% Conclusão Através de ensaios controlados pela deformação total, foram determinadas as propriedades de fadiga da liga Ti-13V-11Cr-3Al. A análise do comportamento cíclico do material mostou uma tendência de amolecimento para amplitudes de deformação acima de 1,5%. Os ensaios com baixa amplitude de deformação apresentaram comportamento inverso, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36310

11 que foi associado à microestrutura do material. Fractografias obtidas via MEV também mostraram características distintas associadas à amplitude de deformação cíclica. A avaliação do método estimativo das inclinações universais mostrou que este pode incorrer em erros de até 10 vezes na previsão da vida em fadiga, para o caso desta liga. Agradecimentos Os autores agradecem ao CTA/IAE/AMR pela obtenção das micrografias ópticas. Referências Bibliográficas 1. Burte, H. M.; Eylon, D. Compatibility of Energy and Aerospace Interests in Titanium. Journal of Metals, V34(1), p.20-22, Eylon, D.; Vassel, A.; Combres, Y.; Boyer, R. R.; Bania, P. J.; Schutz, R. W. Issues in the Development of Beta Titanium Alloys. Journal of Metals, V46(7), p.14-15, Donachie Jr., M. J., Titanium A Technical Guide, ASM International, Metals Park, Ohio, Brick, R. M.; Pense, A. W.; Gordon, R. B. Structures and Properties of Engineering Materials. McGraw Hill, New York, 500p., ASM Handbook, V2, Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, ASM International, p , Bania, P. J. Beta Titanium Alloys and Their Role in the Titanium Industry. Journal of Metals, V46(7), p.16-19, Wagner, L.; Gregory, J. K. Improve the Fatigue Life of Titanium Alloys, Part I. Advanced Materials & Processes, p.36v-36z, V3, Barboza, M. J. R.; Baptista, C. A. R. P.; Schneider, S.; Silva, O. M. M. Estudo da Degradação Microestrutural de uma Liga de Titânio em Função da Taxa de Deformação e da Temperatura. In: Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Natal (RN). Anais (em CD-ROM), ABCM, p.14-27, Schneider, S. G.; Nunes, C. A.; Schneider, S. Avaliação das Propriedades Mecânicas da Liga Ti-13Nb-13Zr a Temperaturas Criogênicas. In: Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Natal (RN). Anais (em CD-ROM), ABCM, p , CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36311

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