DISPOSITIVO PARA NUCLEAÇÃO DE PRÉ-TRINCAS POR FADIGA EM CORPOS DE PROVA DE TENACIDADE À FRATURA

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1 DISPOSITIVO PARA NUCLEAÇÃO DE PRÉ-TRINCAS POR FADIGA EM CORPOS DE PROVA DE TENACIDADE À FRATURA José Divo Bressan Depto. de Engenharia Mecânica, Centro de Ciências Tecnológicas CCT - UDESC, Campus Universitário, Joinville/SC, , dem2jdb@joinville.udesc.br Daniel Kohls Depto. de Engenharia Mecânica, Centro de Ciências Tecnológicas CCT - UDESC, Campus Universitário, Joinville/SC, , d.kohls@zipmail.com.br Resumo: No intento de mitigar ou resolver na sua totalidade o problema da integridade ou de resistência à ruptura de estruturas ou componentes, aumentando a sua vida útil em serviço, é relevante o enfoque da Mecânica da Fratura que concerne os estudos estruturais modernos aplicados a análise de tensões e mecanismos de fraturas em corpos sólidos ou estruturas. O estudo da tenacidade à fratura pode ser feito por meio de diversos parâmetros obtidos de ensaios de fratura, os quais inserem fissuras nos corpos de prova entalhados que garantem dentro de alguns limites a máxima severidade para o entalhe. Estes ensaios podem ser descritos como: tenacidade à fratura por deformação plana (K 1C ) indicados para materiais frágeis de alta resistência mecânica; deslocamento crítico da abertura da ponta da trinca (CTOD) e integral J 1C que permitem avaliar a tenacidade à fratura em materiais duteis de menor resistência mecânica em condições de elastoplasticidade. A proposta deste trabalho trata do projeto, confecção e testes de um dispositivo de baixo custo para a nucleação de pré-trincas por fadiga em corpos de prova de tenacidade à fratura do tipo SENB de aço SAE Com o auxílio de uma máquina de tração e um sistema de aquisição de dados pode-se realizar ensaios do tipo K 1C, CTOD e J 1C. O dispositivo para a nucleação de trincas é um aperfeiçoamento do sistema já desenvolvido por Guimarães et al. (2001) cujo funcionamento é baseado na aplicação de uma carga em um corpo de prova através de um atuador linear, sendo este comandado por um mecanismo excêntrico ajustável. Os resultados obtidos dos ensaios são apresentados, discutidos e considerados encorajadores. Palavras-chave: Ensaio de tenacidade à fratura, SENB, CTOD, K 1C, SAE INTRODUÇÃO No intento de mitigar ou resolver na sua totalidade o problema da integridade ou de resistência à ruptura de estruturas ou componentes, aumentando a sua vida útil em serviço, é relevante o enfoque da Mecânica da Fratura que concerne os estudos estruturais modernos aplicados aos mecanismos de fraturas em corpos sólidos ou estruturas (Meguid, 1989). A fratura frágil, que pode ocorrer de forma intergranular ou por clivagem, tem sua importância por ser um modo de fratura que ocorre de forma repentina associado a altas velocidades de propagação de uma fissura. O fator de concentração de tensões é uma das principais causas deste tipo de fratura, o que torna inerente ao material a sua capacidade de absorver as deformações plásticas localizadas na ponta da trinca. Se houver a inserção de um entalhe mecânico num componente, as regiões próximas à ponta da trinca formam um estado triaxial de tensões, fazendo com que haja uma restrição às deformações plásticas, e conseqüente fragilização do material.

2 O estudo da tenacidade à fratura pode ser avaliado por diversos parâmetros, os quais inserem no ensaio corpos de prova entalhados que garantem dentro de alguns limites a máxima severidade para o entalhe (Meguid, 1989). Estes ensaios podem ser descritos como: tenacidade à fratura por deformação plana (K 1C ), indicados para materiais de alta resistência mecânica; deslocamento crítico da abertura da ponta da trinca (CTOD) e integral J 1C que permitem avaliar a tenacidade à fratura em materiais de menor resistência mecânica em condições de elasto-plasticidade. 2. CORPO DE PROVA Para a realização dos ensaios, os corpos de prova precisam ser normalizados bem como o próprio método de ensaio. As principais normas que referenciam estes ensaios são a ASTM 399 (ASTM,1993) e a BS 7448 (British Standard, 1991) e que apresentam conjuntamente as formas de obtenção de K IC, J IC e CTOD. A norma prevê várias formas de corpos de prova, porém um dos CDP mais utilizados é o tipo SENB (single edge notched bend) (Anderson, 1995). A configuração deste corpo de prova é dada essencialmente pelo tipo de solicitação o qual está submetido, neste caso sendo a flexão. Para o ensaio, os corpos de prova devem apresentar a formação de uma pré-trinca aguda na raiz do entalhe obtida por fadiga (Figura 1) feito por meio de uma carga cíclica, e que precisa satisfazer duas condições básicas que são: a) o raio da ponta da trinca de falha precisa ser tão grande quanto ao raio inicial da trinca por fadiga; b) a zona plástica produzida durante a trinca por fadiga precisa ser pequena comparada a zona plástica da fratura (Anderson, 1995). Esta prétrinca é feita no dispositivo de nucleação de pré-trinca por fadiga. Entalhe com a formação de uma pré-trinca Carga aplicada Figura 1. Corpo de prova do tipo SENB com a forma representativa da aplicação da carga para o ensaio. 3. DISPOSITIVO DE NUCLEAÇÃO DE PRÉ -TRINCA O princípio de funcionamento do dispositivo de pré-trincamento está baseado na formação de uma trinca em um corpo de prova do tipo SENB sujeito à um esforço de flexão máxima na região do entalhe. O equipamento desenvolvido e construído foi baseado no trabalho de Guimarães et al. (2001). Para se efetuar a nucleação da trinca, o corpo de prova é apoiado na parte superior em dois dispositivos com regulagem lateral em uma barra ranhurada. Uma haste de regulagem da barra ranhurada pode também permitir um ajuste na altura desta conforme o dimensionamento dos corpos de prova. Na parte inferior há um pino atuador guiado por uma bucha de bronze e que tem um movimento oscilante ascendente e descendente proporcionando a nucleação e propagação da trinca na região do entalhe do corpo de prova. Este movimento oscilante do pino atuador é comandado por um rolamento radial fixado juntamente com um acoplamento e este sobre um eixo excêntrico. O eixo excêntrico por sua vez é apoiado em mancais de rolamento presos a suportes laterais assegurando a rigidez do sistema. O movimento de rotação é dado por um motor elétrico ligado ao eixo excêntrico por meio de um acoplamento elástico para evitar problemas de alinhamento entre as partes. Todo o sistema é montado sobre uma base com amortecedores de impacto na parte inferior evitando vibrações externas ao dispositivo de nucleação de pré-trincas.

3 Barra ranhurada Dispositivos de apoios do corpo de prova Corpo de prova Pino atuador Acoplamento Inversor de Freqüência Haste de regulagem Bucha do pino atuador Eixo excêntrico Suportes do eixo excêntrico Motor elétrico Rolamento radial para ação do eixo atuador Suporte do motor Base de apoio Amortecedores de impacto Figura 2. Conjunto do dispositivo para nucleação de pré-trincas por fadiga. O controle do número de ciclos é feita através de um inversor de freqüência ligado ao motor. Para o controle das tensões aplicadas ao corpo de prova, fixa-se um strain gauge na haste atuadora de modo que assim os sinais do sensor podem ser monitorados. 4. ENSAIOS CTOD E K 1C O ensaio consiste em monitorar a carga aplicada bem como as características da abertura da trinca durante o ensaio em uma máquina de tração após a nucleação da pré-trinca. A ASTM disponibiliza a norma 1290 (ASTM, 1989) (versão americana da norma CTOD) e que permite a medição do CTOD em CDP compactos e SENB. O conceito de CTOD (crack-tip opening displacement) (Weels, 1961) visa demonstrar o comportamento da fratura aguda pela abertura entre os planos da trinca, onde os conceitos da mecânica da fratura linear não podem ser mais aplicados Isto se deve ao fato das pequenas espessuras de aços de médio e baixo carbono comumente utilizados em aplicações estruturais não manterem as condições de deformação plana nas temperaturas usuais de trabalho.

4 Estimativas experimentais do CTOD são feitos para separar os componentes elásticos e plásticos, sendo que o componente plástico é obtido assumindo que o ensaio do CDP gira na dobra plástica. Este conceito é ilustrado na Figura 3 para o CDP do tipo SENB. A deformação plástica da abertura da trinca, Vp, é dado para o CTOD através da construção similar de triângulos e medida com um clip gauge (Equação 1) o qual possibilita monitorar a abertura da trinca pela leitura da variação dos sinais advindos de um extensômetro fixado no braço do transdutor. Os métodos de ensaio da ASTM podem ser utilizadas para materiais dúcteis e frágeis, ou em ligas na transição ductil-frágil. V p z Suporte de fixação para o clip gauge a W θ δp r p =(W-a) Carga P Centro aparente de rotação Figura 3 Representação do corpo de prova SENB sofrendo a abertura da trinca durante o ensaio. δ rp ( W a0 ) = V p rp ( W a0 ) + a0 + z (1) onde: δ = deslocamento da abertura da ponta da trinca; r p = fator de rotação plástica; W = largura do corpo de prova; a 0 = comprimento da trinca; V p = deslocamento da abertura da trinca; z = espessura do suporte de fixação do clip gauge. Com a preparação do corpo de prova este pode ser submetido ao ensaio de tenacidade à fratura K IC fazendo-se a leitura da variação da carga com o crescimento da trinca. 5. ENSAIO J 1C O ensaio J 1C (ASTM, 1997) semelhantemente ao ensaio K 1C também vem a determinar a resistência à fratura de uma trinca, porém em condições de fratura dúctil, ou seja, em estados elastoplásticos onde há propagação estável da trinca. O procedimento da ASTM na curva J-R utiliza a definição da teoria da deformação de J, que corresponde a taxa de energia dissipada do crescimento da trinca. A deformação J é relacionada a área abaixo da curva carga-deformação de uma trinca estacionária (Anderson, 1995). A fratura no ensaio de J IC se dá pela propagação de uma trinca prénucleada previamente por fadiga junto ao entalhe do corpo de prova. Os corpos de prova utilizados neste ensaio seguem a norma E 813 da ASTM com algumas variações daqueles do ensaio K IC. 6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Abaixo, apresenta-se na Figura 4 o gráfico dos resultados do coeficiente de tenacidade à fratura K 1C em função da trinca inicial dos ensaios com nove corpos de prova do tipo SENB em aço SAE 1045 com as seguintes características dimensionais: B = 11mm, W = 22mm e a o = 10,895mm.

5 50,00 K1C ( MPa x m^1/2 ) 45,00 40,00 35,00 30,00 9,50 10,00 10,50 11,00 11,50 12,00 Comprimento inicial da trinca (ai) [mm] Figura 4 - Gráfico de K 1C em função do comprimento inicial da trinca em corpos de prova do tipo SENB de aço SAE Para a obtenção do coeficiente de tenacidade à fratura K 1C considerou-se o coeficiente K I como sendo máximo, ou seja, K I = K 1C dado o material ser frágil e de acordo com a norma ASTM E399. Empregou-se a máquina universal de ensaios mecânicos com célula de carga de 2 toneladas, marca EMIC, anos 2001 para realizar o ensaio de flexão. Os valores registrados pode ser observado na Figura 5, que mostra a evolução da carga em função da abertura da trinca Carga [N] ,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 Abertura da trinca d [mm] Figura 5 - Gráfico da carga aplicada em função da abertura da trinca (CTOD) de um CDP tipo SENB em aço SAE 1045.

6 7. CONCLUSÕES Com base nos resultados experimentais obtidos do ensaio de tenacidade à fratura empregando-se corpos de prova de flexão (SENB) entalhados e pré-trincados, podemos concluir os seguintes: - o equipamento para realizar pré-trinca por fadiga em cdp de tenacidade à fratura desenvolvido por Guimarães et al. é barato, de fácil construção e de boa confiabilidade, - as pré-trincas geradas nos corpos de provas foram de tamanho razoavelmente controlável, dependendo do número de voltas e do valor do excêntrico ajustado no equipamento, - o aço SAE 1045 testado apresentou os resultados do coeficiente de tenacidade à fratura K 1C na faixa que varia entre aproximadamente 40 e 42 MPa.(m) 1/2. 8. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer o CNPq e a CAPES pelo apoio financeiro recebido na forma de bolsa de pesquisa. Gostariam também de agradecer a colaboração recebida do Dr. V.A. Guimarães e o suporte financeiro recebido da Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC. 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Anderson, T.L., 1995, Fracture Mechanics, Fundamentals and Applications. Department of Mechanical Engineering. Texas A&M University College Station, Texas. BS 7448, 1991, Fracture mechanics toughness tests Part 1. Method for determination of K IC, critical CTOD and critical J values of metallic materials, 39p.British Standard. BS 5762: 1979, Methods for Crack Opening Displacement (COD) Testing. British Standards Institution, London. E , 1993, Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials. American Society for Testing and Materials, Philadelphia. E , 1997, Standard Test Method for J IC, a Measure of Fracture Toughness. American Society for Testing and Materials, Philadelphia. E , 1989, Method of Crack Tip Opening Displacening Testing. American Society for Testing and Materials, Philadelphia. Guimarães, V.A.; Hein, L.R.O. e Zangrandi Filho, J., 2001, Sistema de Baixo Custo para Nucleação e Pre-trincas por Fadiga em Corpos de Prova de Tenacidade a Fratura. Materials Research. V.4, n.3, pp Meguid, S.A., 1989, Engineering Fracture Mechanics. Department of Mechanical Engineering, University of Toromto, Canadá. Elsevier Applied Science. Irwin, G. R., 1971, Analysis of stresses and strain near the end of a crack transversing a plate, Journal of Applied Mechanics, v. 24, 1957, in Rolfe, S. T. Barson, J. M.. Fracture and fatigue control in structures application of fracture mechanics, ed. By N. M. Newmark and W. J. Hall, New Jersey, p Weels, A. A., 1961, Unstable crack propagation in metals cleavage and fast fracture, Cranfield Crack Propagation Symposium, 1, p

7 APPARATUS FOR PRE-CRACK GENERATION BY FATIGUE IN FRACTURE TOUGHNESS SPECIMENS Abstract: Aiming at mitigating or solving structural, components integrity or strength to rupture problems, increasing useful life in service, it is relevant to approach by Fracture Mechanics. It deals with modern structural studies applied to stress and strain analysis and fracture mechanisms of solids and structures. The fracture toughness studies can be performed by various parameters obtained from fracture tests which introduce a crack into notched specimens and ensure a maximum severity to the notch within certain limits. These tests can be described as: plane strain fracture toughness (K 1C ), used to high strength brittle material; critical crack opening displacement (CTOD) and J 1C which allows fracture toughness of ductile material to be evaluated under elastoplasticity conditions. The objective of the present work is the design, construction and tests of a low price apparatus for nucleation and growth of pre-crack by fatigue in fracture toughness specimens of SAE 1045 SENB type. Using a tensile test machine and an acquisition data system, K 1C, CTOD and J 1C test can be performed. The present apparatus is a development of the equipment presented by Guimarães et al. (2001) whose operation is based on a load applied to the specimen by a linear actuator which is commanded by an eccentric mechanism. The experimental results obtained from the tests are shown, discussed and considered encouraging. Key-words: Fracture toughness test, SENB, CTOD, K 1C, SAE 1045.