Ensaios Mecânicos

4.4.1 Limite de resistência à fadiga flexural

Para o teste de resistência à flexão, em três pontos, foram utilizados dois dispositivos: um composto por uma mesa com dois apoios cilíndricos de 1,6mm de diâmetro, distantes 20mm entre si, e outro para aplicação da força no centro da porção superior do corpo-de-prova, com ponta ativa na forma cilíndrica e diâmetro de 3,2mm (Figura 5).

FIGURA 5 - Dispositivo empregado para o ensaio de resistência à flexão em três pontos.

Os ensaios (n=10) foram realizados em equipamento MTS 810 (Material Test System, Minneapolis, EUA), gerenciado por programa Test Star II (IBM, EUA). Foram inseridos os seguintes parâmetros no sistema para o cálculo da resistência à flexão: 1. força máxima no momento da fratura, em Newtons (N); 2. distância dos apoios de suporte (20mm); 3. dimensões dos corpos-de-prova, os quais foram medidos individualmente, por meio de paquímetro digital (Mitutoyo, São Paulo, Brasil), com precisão de 0,01mm; 4.

velocidade de aplicação da carga (0,5mm/min) e 5. unidade de medida de tensão (MPa). Foi utilizada célula de carga de 10kN, até a ruptura dos corpos-de-prova, sendo a tensão máxima registrada.

Os valores de resistência à flexão foram calculados pelo programa Test Star II, a partir da seguinte expressão:

_3FD

2lh2

R =

onde: R = resistência à flexão em três pontos (MPa), F= força máxima na fratura (N), D= distância dos apoios de suporte (mm), l= largura do espécime (mm), h= espessura do espécime (mm) .

4.4.1.2 Aplicação do método de escada

A resistência à fadiga flexural, em MPa, foi obtida pelo método de escada (n=30) em equipamento MTS 810, com célula de carga de 10kN e velocidade de 0,5mm/min. O ensaio foi iniciado no primeiro corpo-de-prova com parâmetros de tensão inicial (60% da obtida no ensaio de flexão), freqüência, ciclos e incremento fixo (5% da tensão inicial empregada no ensaio de fadiga) adotados por Dixon e Mood14. No presente estudo, os valores utilizados estão descritos na Tabela 1.

Tabela 1 – Parâmetros adotados na determinação do limite de resistência à fadiga flexural

Tensão inicial (MPa) Freqüência (Hz) Número de ciclos Incremento (MPa)

55,91 2 10 mil 2,79

Como houve fratura do primeiro corpo-de-prova, o segundo foi testado com tensão diminuída em um incremento. Este mesmo procedimento foi repetido, reduzindo-se a tensão em sucessivos incrementos até se conseguir um valor que não rompesse o corpo-de- prova, dentro do número de ciclos proposto. Em seguida, a tensão foi elevada novamente do mesmo incremento até se conseguir um valor que rompesse o corpo-de-prova. Atingido este valor, foi realizado novo decréscimo e assim por diante, até que a variação concentrou-se em um degrau ou incremento (Figura 6).

2 5 ,2 2 2 8 ,0 1 3 0 ,8 0 3 3 ,5 9 3 6 ,3 8 3 9 ,1 7 4 1 ,9 6 4 4 ,7 5 4 7 ,5 4 5 0 ,3 3 5 3 ,1 2 5 5 ,9 1 5 8 ,7 0 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 2 7 2 9 N ú m e r o d o c o r p o -d e -p r o v a Tensão (MPa) • Fratura Sem fratura

Na Figura 6, verifica-se que 19 corpos-de-prova romperam e 11 não romperam. A Tabela 2 apresenta o número máximo de ciclos suportado pelos corpos-de-prova.

Tabela 2 – Número máximo de ciclos suportado pelos corpos-de-prova

Número do corpo-de-prova Ocorrência de fratura Número de ciclos suportado

1 SIM 24 2 SIM 22 3 SIM 24 4 SIM 18 5 SIM 30 6 SIM 27 7 SIM 26 8 NÃO 10 mil 9 SIM 43 10 SIM 25 11 SIM 38 12 NÃO 10 mil 13 NÃO 10 mil 14 NÃO 10 mil 15 SIM 17 16 SIM 31 17 SIM 49 18 NÃO 10 mil 19 SIM 11 20 SIM 24 21 NÃO 10 mil 22 NÃO 10 mil 23 SIM 19 24 SIM 28 25 NÃO 10 mil 26 SIM 44 27 NÃO 10 mil 28 SIM 50 29 NÃO 10 mil 30 NÃO 10 mil

Para se determinar o limite de fadiga médio, deve ser considerado o evento que ocorreu em menor número, com o objetivo de não incluir no cálculo matemático os corpos-de-prova da rampa inicial (neste estudo, descendente). No presente trabalho, foram empregados os corpos-de- prova que não se romperam, construindo-se, a partir deles, uma tabela auxiliar (Tabela 3).

Tabela 3 – Tabela auxiliar com os dados do método de escada do evento não ruptura Tensão (MPa) i ni ini i2ni 28,01 0 4 0 0 30,80 1 4 4 4 33,59 2 1 2 4 36,38 3 2 6 18 - - N=11 A=12 B=26

Nesta tabela, estão listados na coluna da esquerda, em ordem crescente, os valores de tensão nos quais ocorreu o evento adotado. A cada valor de tensão foi atribuído um índice de ordenação (i): i=0 corresponde a menor tensão; i=1 corresponde à tensão seguinte e assim por diante. O número de corpos-de-prova utilizados dentro de cada tensão é expresso por ni. Os produtos ini e i2ni equivalem ao índice de ordenação multiplicado pelo

número de espécimes em cada tensão. As letras N, A e B representam respectivamente a soma de ni, ini e i2ni. As expressões 1 e 2, a seguir, foram

Nestas expressões, d é o incremento fixo (2,79MPa) crescente ou decrescente da escada e Fdi é o valor da tensão para i=0 (28,01MPa). Na

expressão 1, o sinal (+) é usado quando o evento mais freqüente é o sem fratura; o sinal (-) é usado quando o evento mais freqüente é fratura.

F

=

[(A/N) + (1/2)]

δ =

{[(NB – A

)/N

] +

}

A ciclagem mecânica foi realizada também em equipamento MTS 810, com a mesma célula de carga e velocidade descritas para os testes anteriores. Este processo consistiu em submeter um total de trinta corpos- de-prova a 10 mil ciclos e 2Hz de freqüência, sem fraturá-los, em três situações distintas: 1. 30% da tensão máxima, sem apoio adicional nos espécimes (n=10) (Figura 7), 2. 30% da tensão máxima, com apoio adicional, total, nos espécimes (n=10) (Figura 8) e 3. 60% da tensão máxima, com apoio adicional, total, nos espécimes (n=10) (Figura 8). O objetivo do apoio adicional foi gerar tensões cíclicas, com valor numérico superior ao limite de resistência à fadiga flexural (Grupo 3). O Grupo 2 foi

estabelecido como parâmetro de comparação entre os Grupos 1 e 3. Após a ciclagem, os espécimes foram submetidos ao ensaio de flexão em três pontos.

FIGURA 8 - Ciclagem mecânica com apoio adicional, total, no espécime. FIGURA 7 - Ciclagem mecânica sem apoio

adicional no espécime.

4.5 Fractografia

Dez corpos-de-prova, representativos dos grupos experimentais, foram preparados para análise microscópica de suas superfícies fraturadas: 1. resistência à flexão (n=2); 2. método de escada (n=2); 3. resistência à flexão, após ciclagem mecânica com 30% da tensão máxima, sem apoio

adicional (n=2); 4. resistência à flexão, após ciclagem mecânica com 30% da tensão máxima, com apoio adicional, total (n=2); 5. resistência à flexão, após ciclagem mecânica com 60% da tensão máxima, com apoio adicional, total (n=2).

A avaliação em MEV teve o objetivo de verificar a presença de elementos que pudessem caracterizar e ilustrar a fratura por fadiga, de forma qualitativa. Para cada espécime, foram tomadas imagens em 50, 100, 200, 500 e 1500 vezes de aumento, totalizando 50 fotomicrografias.