AVALIAÇÃO MECÂNICA E MICROESTRUTURAL DE UM CABO DE AÇO SUBMETIDO A CARREGAMENTOS CÍCLICOS ROTATIVOS I.A.B. Barbosa 1 ; H.H. Bernardi 1,* ; W.M.M. Menezes 1 1 Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos - Professor Jessen Vidal Av. Cesare Mansueto Giulio Lattes, 1350 - Eugênio de Melo, São José dos Campos/SP,CEP: 12247-014, Brasil. Telefone: (12) 3905-2423 *heide.bernardi@fatec.sp.gov.br RESUMO O estudo da fadiga em cabos de aço é importante, pois o rompimento do cabo é causado, muitas vezes, pela fadiga do material. Portanto, o objetivo deste trabalho foi avaliar um cabo de aço 8x7+AA 1+6 por meio de ensaio de fadiga por flexão rotativa, e posteriormente foi realizado a caracterização microestrutural por microscopia (MEV e Estereoscópio). As amostras foram submetidas ao ensaio mecânico utilizando um raio de curvatura de 80 mm e de 30 mm. Os fios foram ensaiados em temperatura ambiente (sem solução salina) e em 40 C (imerso em uma solução salina supersaturada). As amostras submetidas a raios de curvaturas diferentes em temperatura ambiente, não resultaram em falha do cabo de aço e a análise microestrutural mostra que não há nenhuma evidencia de início de fratura. Já a amostra submetida ao ensaio imerso em solução salina resistiu a 557x10 3 ciclos, com o rompimento de um arame do material. PALAVRAS-CHAVE: fadiga; flexão rotativa; cabo de aço. 1. INTRODUÇÃO 1.1. Características do cabo de aço O cabo de aço é definido por um conjunto de pernas dispostas em forma de hélice, podendo ter uma alma (núcleo) de material metálico ou de fibra (1). Os cabos de aço são caracterizados de acordo com o número de pernas dispostos na corda, quantidade de arame arranjados em cada perna e o tipo de alma (Figura 1). Os fios individuais (arame) são torcidos em hélice para formar a perna. No entanto, as pernas são torcidas, envolta de uma alma, para formar o cabo de aço (1). Assim sendo, um cabo de aço classificado como 6x7 tem seis pernas contendo cada uma delas sete arames. Além disso, um arame designado como 1 + 6 tem seis arames torcidos em torno de um arame central (2). 4588
A alma (núcleo) é o centro do cabo de aço e pode ser feito de fibra ou de aço. Os núcleos de aço consistem em uma perna de cabo (AA) ou uma corda de fio independente (AACI) (2). A AACI aumenta a força e a resistência ao esmagamento e ao aquecimento, além disso, oferece melhor suporte para os fios externos (3). Figura 1. Componentes básicos de um cabo de aço. Adaptado de (4). Os arames podem estar dispostos nas pernas do cabo de aço em dois tipos: (a) cabos compostos com arames de mesmo diâmetro, composição simples e (b) cabos compostos com arames de diâmetro diferentes. As composições mais conhecidas dos cabos com diâmetros diferentes são Seale, Filler e Warrington (3, 5). Na composição Filler as pernas do cabo de aço possuem arames principais e arames finos, que servem de enchimento para a boa acomodação dos outros arames. Na Seale, as pernas são compostas de pelo menos duas camadas adjacentes com mesmo número de arames, sendo que os arames de uma mesma camada possuem o mesmo diâmetro. E na Warrington, os arames das pernas têm pelo menos uma camada constituída de arames de dois diâmetros diferentes e alternados (1). De acordo com a torção das pernas do cabo de aço, tem-se: (a) cabos de torção cruzada ou normal; (b) cabos de torção paralela ou Lang e (c) cabos de torção composta ou reversa. No entanto, a torção das pernas dos fios em um cabo de aço pode ser feita no sentido à direita ou à esquerda (1, 2, 3, 5). Os cabos de aço podem ou não ser pré-formados, embora, na maioria das aplicações, os cabos de arame pré-formados sejam mais recomendados do que os não pré-formados (3). Além disso, os cabos de aço pré-formados são mais flexíveis do que as cordas não pré-formadas, assim sendo, a vida das cordas de arame préformadas dura mais, porque eles têm uma grande resistência à flexão (6). 4589
1.2. Fadiga de Materiais A falha por fadiga (fratura) em um material metálico é devido a uma tensão repetitiva, que pode ser inferior ou superior ao limite de escoamento. É um fenômeno comum nos componentes sujeitos a carregamentos dinâmicos, ou seja, constantemente submetidos a tensões cíclicas de tração, compressão, flexão e/ou torção. Portanto, o ensaio de fadiga por flexão rotativa é utilizado para medir a resistência de um material à fadiga (7). Em relação aos cabos de aço, o estudo da fadiga é importante, pois estes tipos de materiais são amplamente usados em maquinaria de elevação, e o rompimento do cabo é causado, na maioria das vezes, pela fadiga do material (5, 8, 9, 10). 1.3. Corrosão em cabos de aços A grande utilização dos cabos de aços em pontes, que são submetidos a esforços mecânicos e a ações intempéries, faz com que esse material venha a sofrer corrosão sob tensão (CST). A CST, é um tipo de fratura ambiental, sendo um processo de degradação em que a resistência de metais e ligas é reduzida e pode levar a falhas catastróficas de componentes estruturais (11). Os materiais estão sujeitos a sofrer corrosão sob tensão, quando estão submetidos a tensões (tração, compressão e torção) e em contato com um meio corrosivo (12). O meio corrosivo pode ter duas variáveis: (a) uma solução corrosiva e (b) a temperatura. Uma solução de sais dissolvidos pode aumentar a velocidade de corrosão aumentando a condutividade da solução. No entanto, o aumento da temperatura acelera o processo de corrosão, pois diminui a polarização e aumenta a condutividade do eletrólito, tornando mais fácil a passagem da corrente (13). Morgado e Souza-Brito (10) estudaram os danos causados em cabos de aço de uma ponte suspensa, no qual em alguns fios ocorreram falhas devido à oxidação excessiva, ou seja, corrosão. Estudos em barras de aço em relação aos efeitos da corrosão sob tensão são encontrados na literatura (14, 15, 16), porém, o desempenho dos cabos de aço é diferente quando comparado com os vergalhões. Baseado nisso, o objetivo deste trabalho foi avaliar mecanicamente um cabo de aço 8x7+AA 1+6 por meio de ensaio de fadiga por flexão rotativa em duas condições: (a) cabo de aço ensaiado em temperatura ambiente e (b) cabo de aço ensaiado imerso em uma solução salina supersaturada em 40 C. Após os ensaios, 4590
as amostras foram caracterizadas microestruturalmente utilizando microscopia eletrônica de varredura e estereoscópio. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Material Neste trabalho foi estudado um cabo de aço 8x7+AA 1+6 (usado na indústria automobilística para o levantamento de janelas), cujas dimensões estão mostradas na Tabela 1. A notação AA do cabo de aço significa que o mesmo apresenta uma alma de aço, que é composta por uma perna de cabo. A Tabela 2 mostra os detalhes desta especificação. Para os testes mecânicos, foram ensaiados três corpos de provas (CDP s). Tabela 1. Dimensões dos componentes do cabo de aço 8x7+AA 1+6. Cabo de Aço Perna Alma Arame 1,5206 ± 0,0045 mm 0,420 ± 0,001 mm 0,742 ± 0,0018 mm 0,137 ± 0,0010 mm Tabela 2. Especificação do cabo de aço 8x7+AA 1+6. Adaptado de (2). Corte Transversal Típico do Cabo de Aço 8x7+AA 1+6 Especificações Dimensão de 730 mm Comprimento Dimensão do Diâmetro 1,5206 mm Número de Pernas 8 Número de arames por Pernas 7 (6 arames torcidos em torno de um arame central) Tipo de Alma Alma de aço (AA) Tipo de Construção Composição simples Tipo e Direção da Torção regular à direita Torção Pré-formados Sim 2.2 Avaliação mecânica e microestrutural 4591
Os ensaios de fadiga por flexão rotativa foram realizados na máquina modelo ROTATFLEX 180, mais detalhes sobre a máquina pode ser obtido em (17). Para os ensaios de fadiga os CDP s foram submetidos a parâmetros de ensaios distintos: (a) Uma primeira amostra de 280 mm de comprimento (nomeada CDP 1) foi submetida ao ensaio de fadiga por flexão rotativa em temperatura ambiente, utilizando um raio de curvatura em flexão de 80 mm, resultando em uma amplitude de deformação teórica de 0,08% (εa). (b) Uma segunda amostra de 190 mm de comprimento (nomeada CDP 2), também ensaiada em temperatura ambiente, foi ensaiada utilizando um raio de curvatura em flexão de 30 mm, resultando em uma εa = 0,23%. (c) Uma terceira amostra de 200 mm de comprimento (nomeada CDP 3), foi ensaiada utilizando um raio de curvatura em flexão de 30 mm (εa = 0,23%), sendo submersa em solução salina supersaturada (CNaCl/água = 250 g/l) e em uma temperatura de 40 C. Além disso, um CDP (nomeado CDP 4) foi deixado em repouso imerso na solução, a fim de avaliar a corrosão sem deformação. A velocidade de rotação foi a mesma para todas as condições de ensaio em fadiga por flexão rotativa, em torno de 600 rpm. A análise microestrutural das amostras ensaiadas em temperatura ambiente foi realizada com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura (MEV) da marca TESCAN modelo VEGA3. A tensão de aceleração utilizada foi de 25 kv. As imagens foram geradas no modo de elétrons secundários (SE). As amostras imersas em solução salina supersaturada, foram caracterizadas com o auxílio de um microscópio estereoscópio da marca Olympus SZ61. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A vida em fadiga de um material é determinada pelo número de ciclos em fadiga, e as condições de fadiga no qual a amostra foi submetida, como a velocidade média de rotação do fio (ω), o diâmetro do fio utilizado (d), o raio de flexão do fio (R) e a amplitude de deformação do fio (εa). Em relação a amplitude de deformação (εa), esta pode ser calculada de acordo com a Equação A (11) : = d ε 2 R 100% a (A) 4592
Para os três CDP s estudados nesse trabalho, os ensaios de fadiga por flexão rotativa foram realizados em duas condições diferentes, em relação ao comprimento do CDP e o raio de flexão do fio, resultando em uma amplitude de deformação de εa = 0,08% (CDP 1) e εa = 0,23% (CDP 2 e 3). No caso de cabo de aço, a variação em εa não alterou significativamente a vida em fadiga do material, pois para mesmo tempo de ciclagem, independente da amplitude de deformação, os materiais deformados apresentavam um número de ciclos próximo. A Figura 2a mostra o tempo de ensaio (t) em relação ao número de ciclos (N f ) para ambos os CDP 1 e 2. O ensaio do CDP 1 foi interrompido quando atingiu um número de ciclos de 524x10 3 e para o CDP 2 quando atingiu 1,8x10 6. Os dois CDP s de cabo de aço ensaiados não sofreram ruptura após os testes, mostrando que este material pode suportar em torno de 1,8x10 6 ciclos sem se fraturar por fadiga, apresentando uma boa característica mecânica para a sua aplicação. Morgado e Brito (10) estudaram um cabo de aço, utilizado em uma ponte suspensa, composto por 84 fios, distribuídos por 12 pernas, com 7 (6 + 1) arames torcido em cada. Os arames possuíam uma espessura em torno de 4,5 mm cada, no qual suportou 2,0x10 6 ciclos antes de fraturar por fadiga. Embora o tipo de ensaio não tenha sido o mesmo utilizado neste trabalho, os resultados apresentados pelos autores são equivalentes, pois ambos determinam a vida em fadiga do material. A Figura 2a mostra o tempo de ensaio (t) em relação ao número de ciclos (N f ) para o CDP 3, no qual apresentou o rompimento de um arame do cabo de aço quando este atingiu 557x10 3 ciclos. O tempo de vida em fadiga em flexão rotativa diminuída drasticamente em comparação com o CDP 2 (mesmo raio de flexão, porém em temperatura ambiente), devido a condições severas de temperatura e umidade que o cabo de aço estava submetido. 4593
50 45 40 CDP 1 (ω média = 627,5) CDP 2 (ω média = 633,0) 16 14 CDP imerso em solução salina em 40 C Tempo de Ensaio (h) 35 30 25 20 15 Tempo de Ensaio (h) 12 10 8 6 10 5 4 0 300000 600000 900000 1200000 1500000 1800000 Número de Ciclos em Fadiga (N f ) 2 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Número de Ciclos em Fadiga (N f ) (a) (b) Figura 2. Relação da vida em fadiga por horas de ensaios para amostras de cabo de aço (a) sem imersão em solução salina e (b) imerso em solução salina em 40 C. Para complementar a análise mecânica, foi realizada a caracterização microestrutural para avaliar as mudanças na superfície do fio, depois deste ser submetido a esforços cíclicos. A Figura 3 apresenta a micrografia geral da região central do fio sem deformação (material inicial) e das amostras submetidas ao ensaio de flexão rotativa. O material de partida (Figura 3a) e os CDP s 1 e 2 (Figuras 3b e 3c) apresentam superfícies similares embora submetidos a condições diferenciadas, não apresentando defeitos superficiais (trincas e fissuras) que evidenciasse o início de uma fratura. Embora os CDP s 1 e 2 tenham sido submetidos a 524x10 3 e 1,8x10 6 ciclos, respectivamente, as microestruturas das superfícies não apresentam nenhuma alteração quando comparado com o material de partida, sendo apenas observado que os arames que compõem as pernas do cabo de aço, apresentam uma certa rugosidade. Portanto, pode-se dizer que o cabo de aço analisado (CDP 1 e CDP 2) não sofreu fratura por fadiga porque o esforço que ele sofreu durante o teste foi abaixo do limite de fadiga do mesmo. 4594
(a) (b) (c) Figura 3. Micrografia com ampliação de 150x da região central do cabo de aço do: (a) material de partida, (b) CDP 1 e (c) CDP 2. (MEV-SE). A Figura 4 apresenta a micrografia da região central do CDP 4 imerso em solução salina supersaturada à 40 C (Figura 4a) e o CDP 3, submetido a mesmas condições de intempéries em condição de fadiga por flexão rotativa (Figura 4b). Ambas as amostras apresentam corrosão nos cabos de aço. O CDP 3 apresenta o rompimento de um arame em uma região do cabo. A Figura 4c, apresenta a micrografia da região rompida em uma maior ampliação, podendo ser observado a agressividade do efeito da corrosão. A agressividade da corrosão é devido ao NaCl ser um eletrólito forte, aumentando a condutividade elétrica, que é fundamental no mecanismo de corrosão eletroquímica. Além disso, há o efeito da temperatura, pois as reações de corrosão são aceleradas com o amento da temperatura, pois afetam a solubilidade dos produtos de corrosão (13). (a) (b) (c) Figura 4. Micrografia da região central do cabo de aço do: (a) material de imerso sem deformação (CDP 4) e material imerso e deformado do (b) CDP 3 e (c) detalhe do rompimento do arame no CDP 3 (Estereoscópio). 4595
4. CONCLUSÃO As análises mecânica e microestrutural em um cabo de aço 8x7+AA 1+6 permite concluir que o teste de fadiga realizado em duas condições distintas no cabo de aço em temperatura ambiente não resultou em falha, sendo que a amostra com uma amplitude de deformação teórica de 0,08% resistiu a 524x10 3 ciclos de flexão durante 14 horas, enquanto a amostra com 0,23% resistiu a 1,8x10 6 ciclos por 47 horas. As análises microestruturais mostram que não há nenhuma evidencia de início de fratura (trincas e fissuras) nas amostras submetidas ao ensaio de fadiga por flexão rotativa. Isso se deve, pelo fato que o cabo de aço analisado não sofreu fratura por fadiga porque o esforço que ele sofreu durante o teste foi abaixo do seu limite de fadiga. Entretanto, quando submetido a condições de intempéries mais agressivas, resultou na falha de um arame em 557x10 3 ciclos, devido ao processo de corrosão do cabo de aço. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Departamento de Materiais e Processos do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) pela utilização do MEV e do Microscópio Estereoscópio. REFERÊNCIAS (1) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6327: 2006: Cabos de aço para uso geral Requisitos mínimos. Rio de Janeiro, 2006. (2) CIMAF. Wire Rope Technical Manual. Osasco-SP, 2013 (3) DELTA. Wire Rope Identification and Construction. 1st ed. 2017. (4) WIRE ROPE WORKS MESSILOT LTD. Disponível em: http://www.messilot.co.il/basic-terms. Acessado em 14/04/2017. (5) RUDENKO, N. Máquinas de elevação e transporte. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1976. (6) KISWIRE. Steel Wire Rope. 1st ed. Busan, Korea, 2015. (7) ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo: Cengage Learning, 2014. 4596
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AVALIAÇÃO MECÂNICA E MICROESTRUTURAL DE UM CABO DE AÇO SUBMETIDO A CARREGAMENTOS CÍCLICOS ROTATIVOS ABSTRACT The study of fatigue in steel cable is important, because the failure of these materials, is mostly caused by fatigue. Therefore, this work aims to study the mechanical characterization of an 8x7 + AA 1 + 6 steel cable subjected to cyclic loading to test its failure. Microstructural characterization will be performed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Stereoscopic Microscopy. The samples were subjected to the mechanical test using a bending radius of 80 mm and 30 mm. The wires were tested at room temperature (without saline solution) and at 40 C (immersed in a supersaturated saline solution). Samples subjected to different radii of curvatures at room temperature did not result in failure of the wire rope and microstructural analysis shows that there is no evidence of fracture initiation. The sample submitted to the test immersed in saline solution was resistant to 557x103 cycles until the fracture of its wire. KEYWORDS: Fatigue; rotation beam; steel cable. 4598