INFLUÊNCIA DA SOLDA NA VIDA EM FADIGA DO AÇO SAE 1020

Transcrição

1 INFLUÊNCIA DA SOLDA NA VIDA EM FADIGA DO AÇO SAE 1020 H. W. L. Silva, M. P. Peres, H. J. C. Woorwald Rua Sebastião Martins, 55 - Lagoa Dourada I - Cruzeiro - SP - CEP: hwlsilva@dglnet.com.br UNESP/Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá RESUMO Neste trabalho é avaliado o comportamento da propagação de trincas e a resistência à fadiga na estrutura de uma prensa mecânica excêntrica sujeita a solicitações cíclicas, após a recuperação por solda a arco elétrico utilizando eletrodo AWS E Para tanto foram feitos ensaios determinando a vida em fadiga do metal base e do metal base com solda, obtendo-se as curvas de fadiga s-logn e as curvas de propagação de trinca a x N nas mesmas condições. Em ambos os casos foram utilizados os recursos de microscopia eletrônica de varredura, para verificar a origem e o tamanho da trinca e, também, o aspecto da superfície de fratura. Palavras Chaves: Fadiga, Propagação de Trinca, Superfície de Fratura, Solda INTRODUÇÃO Prensas são equipamentos de grande porte utilizados para estampagem e corte de peças (1). Uma prensa está sujeita aos mais variados tipos de esforços e solicitações, dentre eles o carregamento por fadiga, por se tratar de uma estrutura dinâmica. A importância de se prever a vida útil de elementos estruturais sob carregamentos cíclicos, demanda um estudo bastante amplo das propriedades relacionadas com os materiais e o desenvolvimento de métodos para a correta aplicação do conhecimento, em projetos de estruturas mecânicas (2), (3). As curvas s -logn são obtidas analisando os dados sobre a vida útil submetido a carregamento de amplitude constante. Foi feita uma análise da resistência a propagação de trinca por fadiga, onde a taxa de propagação da trinca está relacionada com os parâmetros de carregamento de amplitude constante e das constantes C e n do material. Uma análise utilizando o recurso da microscopia eletrônica de varredura tem por finalidade verificar a nucleação das trincas, sua possível formação e propagação. O objetivo do presente trabalho é fazer uma caracterização completa da resistência à fadiga, e do comportamento do crescimento da trinca por fadiga, considerando os corpos de prova do material como recebido e com adição de solda. A prensa em estudo como mostra a figura 1, apresenta as seguintes especificações técnicas: Capacidade de prensagem Ton Curso do cabeçote móvel - 558,8 mm Mesa: comprimento entre colunas ,8 mm Mesa: comprimento total ,8 mm Largura entre colunas ,8 mm Largura total mm 3339

2 Figura 1 Prensa mecânica excêntrica. MATERIAIS E MÉTODOS O material utilizado neste trabalho é o aço SAE 1020, e que foi retirado da estrutura da própria prensa em estudo ( figura 1) e apresenta a seguinte composição química indicada na tabela I. Tabela I Composição química do aço carbono SAE Elemento de liga % C Mn P máx S máx Especificado 0,18-0,23 0,30-0,60 0,040 0,050 Encontrado 0,20 0,70 0,009 0,021 Comparando os valores da tabela I, verifica-se que os valores encontrados estão de acordo com os valores especificados pela norma SAE J403h. Foram confeccionados corpos de prova para ensaios de fadiga e propagação de trinca por fadiga de acordo com as normas ASTM E 466/96 e ASTM E 647/95. Do material retirado da estrutura da prensa, duas placas foram cortadas ao meio onde foi usinado um chanfro duplo V reproduzindo da forma mais real possível, todo o processo de soldagem utilizado na recuperação da trinca na estrutura da prensa em estudo. Logo após foi realizado um tratamento térmico de alívio de tensões, após o qual, foram confeccionados os corpos de prova de fadiga e os de propagação de trinca por fadiga. RESULTADOS E DISCUSSÕES Foram realizados ensaios de fadiga para determinar as curvas s logn tanto para o metal base como para o metal base com adição de solda sob carregamento de tração-tração de amplitude constante, utilizando à máquina universal de ensaios mecânicos MTS As curvas obtidas neste ensaio estão representadas na figura 2. Comparando-se, os resultados obtidos entre as duas condições verifica-se, que o metal base com adição de solda e submetido ao tratamento de alívio de tensão, apresenta nesta condição um ganho na resistência a fadiga do material. Ensaios de propagação de trinca por fadiga também foram realizados sob carregamento de amplitude constante para o material em questão. Todos os corpos de prova foram cortados no sentido longitudinal da laminação. A propagação da trinca por fadiga foi observada através de um estereoscópio acoplado ao equipamento universal de ensaios mecânicos. A freqüência dos ensaios foi mantida a 20Hz até a ruptura, fazendo-se leituras em média a cada ciclos. As superfícies de todos corpos de prova foram retificadas para melhor visualização da trinca. 3340

3 A taxa de propagação da trinca, da foi calculada variando-se o fator intensidade de tensão?k. dn Ressalta-se que, o comportamento dos dados indica que no início houve alguma variação nos resultados seguida por um período de certa estabilidade, e na fase final observa-se um crescimento instável até a ruptura final. As curvas obtidas a x N estão mostradas na figura Metal Base Sentido Longitudinal Metal Soldado Sentido Longitudinal Tensão (MPa) Ciclos (N) Figura 2 Curva s logn do metal base e do metal base com solda. 0,009 Metal Base Sentido Longitudinal R=0,1; f=20 Hz Metal de Adicão de Solda R=0,1; f=20 Hz a comprimento da trinca (m) 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0, x10 5 2x10 5 3x10 5 4x10 5 Ciclos (N) Figura 3 - Curva a x N do metal base e do metal base com solda. A taxa de propagação da trinca pode ser representada por uma função potencial de amplitude do fator intensidade de tensão da n = C (?K) ( modelo de Paris (4) ), obtendo-se dessa forma os valores dn experimentais de C e n do material. Para o material em estudo foram obtidos os seguintes valores de C e n conforme mostra a tabela II. 3341

4 Tabela II Valores de C e n obtidos da equação de Paris. Material C n Metal Base Sentido Longitudinal (MBSL) 6,048E-14 4,666 Metal de Adição de Solda (MAS) 4,731E-14 4,327 Com o auxílio da microscopia eletrônica de varredura é possível observar a origem, formação, nucleação e propagação da trinca, bem como, analisar toda a superfície fraturada como ilustra as figuras 4 e 5. Da análise das superfícies fraturadas observa-se que no ensaio de fadiga, ocorre uma pequena nucleação da trinca seguida de uma região de transição até acontecer a ruptura por tração. Da mesma forma ocorre para as superfícies fraturadas dos ensaios de propagação. Figura 4 Aspecto da superfície de fratura do ensaio de fadiga do metal base sentido longitudinal. Figura 5 Aspecto da superfície da fratura do ensaio de propagação de trinca do metal de adição de solda. CONCLUSÃO Da análise das curvas de fadiga conclui-se que através da recuperação da estrutura adicionandose o metal de solda, esta apresenta um ganho considerável na sua resistência à fadiga. Tal conclusão vem ser reforçada quando se observa as curvas de propagação da trinca, onde é possível notar que esta ocorre de forma mais lenta no metal de adição de solda. Fica evidente então que o processo de solda a arco elétrico com eletrodo revestido AWS E 7018, utilizado na recuperação de trincas que surgem na estrutura da prensa em questão, no que diz respeito a vida em fadiga, só melhora a sua resistência. REFERÊNCIAS 1. CLEARING, Division U.S. Industries, Innocenti, Service Manual, C. P. M. Pereira, V. A. Pastukhov, H. J. C. Voorwald, M. P. Peres, Análise da Acumulação de Dano e Propagação de Trincas por Fadiga em Liga de Alumínio 7475-T761, Anais do 11º CBECIMAT- Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências dos Materiais, Águas de São Pedro, SP,

5 3. M. P. Peres, Estudo do Efeito do Tempo e da Temperatura na Vida em Fadiga do Aço ABNT 4340 que Sofreu Eletrodeposição de Cádmio, Tese de Doutorado, FAENQUIL/DEMAR, Lorena, PARIS, P. C., ERDOGAN, F., A Critical Analyze of Crack Propagations Laws, Journal of Basic Engineering, Transaction ASME, serie D, v.85, p ,

6 INFLUENCE OF THE WELD IN THE FATIGUE LIFE OF SAE 1020 STEEL H. W. L. Silva, M. P. Peres, H. J. C. Woorwald Rua Sebastião Martins, 55 - Lagoa Dourada I - Cruzeiro - SP - CEP: hwlsilva@dglnet.com.br UNESP/Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá ABSTRACT In this work is studied the behavior of the crack propagation and fatigue resistance from the structure of a mechanic eccentric press subjects to a dynamic load, after the structure had bean recovered by electric arc welding using AWS E 7018 electrode. This study was done through tests using only the base metal of the structure and the base metal that was recovered by welding, fatigue curves s -logn. The crack propagation curves a x N under similar conditions were obtained for the specimens, in both cases the resources of scanning electron microscopy was used to verify sites of crack origins, its size and fracture surface aspects. Key words : Fatigue, Crack propagation, Fracture surface, Weld 3344