MATERIAIS E MÉTODOS - R EDET E M ÁT IC A E ME NG E N H AR IA D EM AT E R IAIS

“ A palavra método vem do grego methodos, met' hodos que significa, literalmente, "caminho para chegar a um fim" WIKIPÉDIA ________________________________

3.1 – MATERIAIS

Os itens abaixo apresentam uma descrição sucinta da composição química, tratamento térmico utilizado nos aços, preparação dos materiais e corpos-de-prova.

3.1.1 – Análise Química

Foi realizada a análise química dos dois tipos de aço utilizando-se um espectrômetro de emissão óptica, da marca ThermoARL, modelo ARL-4460 disponível na companhia ArcelorMittal Tubarão. O laboratório segue a Norma ASTM E350 (2005), realizando a média simples entre três análises. Os valores médios são mostrados na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Composição química nominal (% em peso) dos materiais utilizados.

Material C Si Mn P S Al Cu A21H 0,492 0,304 0,710 0,019 0,020 0,017 0,080 4130 0,279 0,222 0,739 0,015 0,013 0,030 0,063 Material Ni Cr Mo V Nb Ti B A21H 0,120 0,214 0,038 0,002 0,001 0,025 0,0001 4130 0,218 1,100 0,239 0,006 0,000 0,003 0,0002

3.1.2 – Tratamento Térmico das Ligas ASTM A21H e AISI/SAE 4130

Com foco nas propriedades mecânicas da Norma ASTM A21 (1978), o fabricante do material grau H realizou o forjamento do material, e posterior tratamento térmico de têmpera em óleo e revenimento, com temperatura de austenitização de 845°C e temperatura de revenimento de 595°C.

Já o fabricante do material AISI/SAE 4130 realizou o forjamento do material e posterior tratamento térmico de têmpera em água e revenimento com temperatura de austenitização de 875°C e temperatura de revenimento de 550°C, para atingir as propriedades mecânicas especificadas, Tabela 2.4.

3.1.3 – Preparação dos Materiais

Os corpos-de-prova utilizados foram retirados dos próprios eixos que atualmente são empregados pela companhia ArcelorMittal Tubarão, ou seja, foram consideradas duas situações:

a) Material ASTM A21H conforme recebido (eixos novos do estoque – estado de entrega);

b) Material AISI/SAE 4130 conforme recebido (eixos novos do estoque – estado de entrega).

Os eixos utilizados para a retirada dos corpos-de-prova foram submetidos ao ensaio de ultra-som conforme Norma ASTM A388 (2007), e ao ensaio por líquidos penetrantes de acordo com a Norma ASTM E165 (2002), para se atestar a integridade dos materiais utilizados. O ensaio de ultra-som com foco na detecção de descontinuidades internas e o ensaio de líquidos penetrantes na detecção de descontinuidades superficiais, abertas à superfície. Nenhuma descontinuidade foi detectada.

3.1.4 – Elaboração dos Desenhos dos Corpos-de-Prova

Visando a fabricação dos corpos-de-prova foram elaborados desenhos, utilizando o programa Microstation versão 8, de acordo com as normas aplicáveis para cada tipo de ensaio realizado.

As Figuras 3.1 a 3.3 ilustram os corpos-de-prova para ensaio de tração, de

tenacidade à fratura (CTOD) e de propagação de trinca por fadiga (

x

K

dNda ∆

Figura 3.1 – Representação esquemática do corpo-de-prova para ensaio de tração, ASTM E8 (2004).

Figura 3.2 – Representação esquemática do corpo-de-prova para ensaio de tenacidade à fratura (CTOD). Acabamento geral Ra=0,8

µ

m, exceto onde indicado, ASTM E1820 (1999).

Figura 3.3 – Representação esquemática do corpo-de-prova para ensaio de propagação de trinca por fadiga

(da/dN)x∆K

. Acabamento geral Ra=0,8

µ

m, exceto onde indicado, ASTM E647 (2000).

3.2 – MÉTODO

Os itens abaixo apresentam uma descrição das análises e ensaios mecânicos utilizados na caracterização dos aços estudados.

3.2.1 – Análise Microestrutural

Os corpos-de-prova foram cortados em uma máquina politriz, com refrigeração adequada, em quadrados de 10mm de aresta, e convenientemente embutidos a frio, com posterior lixamento numa seqüência normal de lixas de SiC, e polimento com alumina fina e pasta de diamante.

O reativo químico utilizado para revelar a microestrutura dos aços foi o Picral 4% (3ml de solução aquosa de ácido pícrico-C6H3N3O7 em 25ml de etanol-C2H5OH) e Nital 2% (2ml de ácido nítrico-HNO3 em 98ml de etanol-C2H5OH). Foram analisadas as seções longitudinais dos corpos-de-prova de cada aço.

A observação da microestrutura dos aços foi realizada em um microscópio ótico marca LEICA, modelo DMLM, com analisador de imagens Hitachi KP-M1Ap, disponível na companhia ArcelorMittal Tubarão, Figura 3.4.

Figura 3.4 – Microscópio ótico com analisador de imagens LEICA da companhia ArcelorMittal Tubarão.

3.2.2 – Ensaio de Tração

Foram retirados 3 corpos-de-prova para cada tipo de aço com o intuito de se determinar a caracterização mecânica inicial dos aços (limite de escoamento, limite de resistência mecânica, alongamento e a deformação) além de gerarem dados para os ensaios de fadiga, Figura 3.5. Logo, foram 6 corpos-de-prova assim distribuídos:

a) 3 corpos-de-prova para o eixo em material ASTM A21 grau H, conforme estado de entrega;

b) 3 corpos-de-prova para o eixo em material AISI/SAE 4130 conforme estado de entrega.

Figura 3.5 – Corpos-de-prova para ensaios de tração fabricados para cada aço estudado.

Os corpos-de-prova bem como a sua posição de retirada do eixo estão de acordo com a Norma ASTM E8 (2004) conforme demonstrado no croqui, Figura. 3.6.

Figura 3.6 – Esquema da posição de retirada do corpo-de-prova longitudinal dentro do eixo.

Os corpos-de-prova foram ensaiados na máquina servo-hidráulica Shimadzu, série UH-I com capacidade de 50ton e monitoramento por computador através de extensômetro axial disponível na companhia ArcelorMittal Tubarão, Figura 3.7. Os parâmetros adotados no ensaio de tração são mostrados na Tabela 3.2.

Figura 3.7 – Máquina Shimadzu de ensaios mecânicos da companhia ArcelorMittal Tubarão.

Tabela 3.2 – Parâmetros adotados para o ensaio de tração. Corpo-de-prova Cilíndrico

Orientação Longitudinal Diâmetro

D

=12,5mm Comprimento útil

A

= 50mm

Carregamento Controle de carga Máquina utilizada no ensaio Shimadzu de 50ton

Temperatura do laboratório Ambiente Umidade relativa do laboratório 60-70%

Limite de escoamento Medido a 0,2% de deformação,

computadorizado, através de extensômetro axial

3.2.3 – Ensaio de Tenacidade à Fratura (CTOD)

Os ensaios de tenacidade à fratura foram realizados na máquina MTS servo- hidráulica de 10 toneladas com monitoramento por computador através do programa TESTSTAR II versão 4.0, disponível no DEMET/EM/UFOP, Figura 3.8. Foram consideradas as condições apresentadas na Tabela 3.3.

Figura 3.8 – Máquina MTS de ensaios mecânicos do DEMET/EM/UFOP.

Os corpos-de-prova para os ensaios de tenacidade à fratura foram confeccionados de acordo com a Norma ASTM E1820 (1999) utilizando-se a geometria

compact tension C(T). A orientação utilizada foi a L-R, ou seja, propagação de trinca na

direção transversal do eixo, Figura 3.9. Os corpos-de-prova foram entalhados lateralmente até a espessura

b

₀

=0,8B

, visando a garantia do estado de deformação plana na ponta da trinca.

Foram retirados 10 corpos-de-prova compactos C(T), assim distribuídos:

a) 5 corpos-de-prova para o eixo em material ASTM A21 grau H, no estado de entrega;

Tabela 3.3 – Parâmetros adotados para o ensaio de tenacidade à fratura. Corpo-de-prova Tipo C(T) com entalhe lateral

Orientação L-R Espessura

B

=12,5mm Espessura efetiva N

B

=9,375mm Largura W=50mm Carregamento Senoidal

Máquina utilizada no ensaio Servo-hidráulica MTS 810 de 10ton Freqüência de ensaios para abertura da

pré-trinca por fadiga

30Hz

Razão de tensão

R=σ

_min

/σ

_maxpara abertura da pré-trinca por fadiga

0,1

Relação a /W inicial 25/50 Temperatura do laboratório Ambiente Umidade relativa do laboratório 60-70% Acompanhamento da trinca durante a

abertura da pré-trinca por fadiga

Computadorizado, através de compliance (flexibilidade) do corpo-de-prova, com utilização de clip-gage.

Figura 3.9 – Exemplo de corpo-de-prova que foi utilizado para tenacidade à fratura.

B

=12,5mm; W= 50mm e

b

₀

=0,8B

retirados na posição L-R. ASTM E1823 (1996).

Como citado no item 2.2.2.4, os corpos-de-prova foram submetidos a um pré- trincamento por fadiga, sendo a carga máxima de acordo com a Equação 2.17. A medição do comprimento da trinca também foi realizada pelo método indireto da

determinação da flexibilidade elástica do corpo-de-prova dando a medida

a

₀ (pré-trinca inicial). Após o término do ensaio, fraturou-se completamente o corpo-de-prova e a pré- trinca por fadiga foi novamente medida através do microscópio ótico, visto que há uma tendência de avanço de

a

₀durante a abertura da ponta da trinca gerando o

a

_máxque é o comprimento da trinca utilizado nos cálculos de CTOD. Como existe uma tendência para a profundidade da trinca variar através da espessura, o comprimento da trinca

a

_máx é definido como a média de três medidas igualmente espaçadas.

A determinação da componente plástica

V

_pm da Equação 2.19 é realizada através da traçagem de uma reta tangente a parte elástica da curva Carga x COD e então uma reta paralela a esta reta tangente passando pelo ponto de carga máxima. O valor na abscissa entre as duas retas é o valor de

V

_pm, Figura 3.10.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 P (k gf ) COD (mm) 4130

Figura 3.10 – Determinação experimental da componente plástica

V

_pm, para um dos corpos-de-prova do material do tipo AISI/SAE 4130. Neste caso

V

_pm

=1,2mm

V

3.2.4 – Ensaios de Propagação de Trinca por Fadiga

Os ensaios de fadiga também foram realizados na máquina MTS servo-hidráulica de 10 toneladas com monitoramento por computador através do programa TESTSTAR II versão 4.0, disponível no DEMET/EM/UFOP, Figura 3.8. Foram consideradas as condições apresentadas na Tabela 3.4.

Tabela 3.4 – Parâmetros adotados para o ensaio de propagação de trinca por fadiga. Corpo-de-prova Tipo C(T) sem entalhe

Orientação L-R Espessura

B

=12,5mm

Largura W=50mm Carregamento Senoidal

Máquina utilizada no ensaio Servo-hidráulica MTS 810 de 10ton Freqüência de ensaios 30Hz

Razão de tensão

R=σ

_min

/σ

_max 0,1 Relação a /W 12,5/50 Temperatura do laboratório Ambiente Umidade relativa do laboratório 60-70%

Acompanhamento da trinca Computadorizado, através de compliance (flexibilidade) do corpo-de-prova, com utilização de clip-gage.

Os corpos-de-prova para os ensaios de fadiga foram confeccionados de acordo com a Norma ASTM E647 (2000) utilizando-se a geometria compact tension C(T). A orientação utilizada foi a L-R, ou seja, propagação de trinca na direção transversal do eixo, Figura 3.11.

Figura 3.11 – Exemplo de corpo-de-prova utilizado no ensaio de propagação de trinca por fadiga.

B

=12,5mm; W= 50mm que foi retirado na posição L-R, ASTM E1823 (1996).

Foram retirados 4 corpos-de-prova compactos C(T), assim distribuídos:

a) 2 corpos-de-prova para o eixo em material ASTM A21 grau H, no estado de entrega;

b) 2 corpos-de-prova para o eixo em material SAE 4130 no estado de entrega.

De acordo com a Norma ASTM E647 (2000), a pré-trinca por fadiga exigida foi obtida através dos seguintes passos:

a) Cálculo do valor inicial de

∆K

para o ensaio de propagação de trinca;

b) Aplicação de um valor de

∆K

no corpo-de-prova ligeiramente superior ao obtido anteriormente;

c) Decréscimo automático de valor de

∆K

, até chegar ao valor inicial previamente calculado.

Em todos os ensaios a carga máxima foi calculada de tal forma a se obter a propagação da trinca sempre no regime linear-elástico, com a relação a/W entre 0,25 e 0,7. Para tal, utilizou-se o gráfico apresentado na Figura 3.12.

Na comparação entre os dois tipos de aços, estudou-se a variação da velocidade de propagação de trinca da dNcom o fator cíclico de intensidade de tensões

∆K

, inclusive na região do limiar

∆K

_th.

A medição do comprimento da trinca foi realizada pelo método indireto da determinação da flexibilidade elástica do corpo-de-prova. No lugar da observação visual, o comprimento da trinca foi estimado usando-se uma equação polinomial que correlaciona o comprimento da trinca com a flexibilidade elástica do corpo-de-prova, para uma dada geometria do corpo-de-prova.

Figura 3.12 – Requisitos normalizados de tamanho para corpos-de-prova de fadiga, Adaptado de ASTM E647 (2000).

Existe uma relação direta entre o comprimento da trinca e a flexibilidade elástica, que para o corpo-de-prova utilizado neste trabalho, é dada pela Equação 3.1.

( )

6 ,

2143

9 ,

1214

82 ,

236

460 ,

18 6695

,

4

001 ,

1 u

W

a

₌

₋

₊

₋

₊

₋

_{(Eq. 3.1)} Onde,

W

a

_{= comprimento da trinca normalizado pela largura do corpo-de-prova}

1

2 1

+













=

P

BEV

u

_x Corpo-de-Prova C(T) 2 max 4 ) ( _       = − ys L K a W

σ

π

Corpo-de-Prova M(T) ys N

σ

= W a / (corpo-de-prova C(T))

B

= espessura do corpo-de-prova

E

= módulo de elasticidade do material

V = deslocamento da abertura de trinca (COD)

P

= carga aplicada

V / = inclinação da curva COD/carga tomada durante o ensaio

Durante o ensaio de fadiga, o extensômetro (clip-gage) é colocado na “boca” do corpo-de-prova de forma a medir a abertura durante o ensaio, conforme mostrado na Figura 3.13. Desta forma registra-se instantaneamente o gráfico carga aplicada versus

COD. A partir deste gráfico, calcula-se o valor de

u

_x e o correspondente valor para o

comprimento de trinca.

(a) (b)

Figura 3.13 – Corpo-de-prova tipo C(T) com clip-gage; (a) detalhe do clip-gage no corpo- de-prova; (b) fixação do clip-gage no corpo-de-prova.

O cálculo da velocidade de propagação da trinca da dN é realizado através do método da secante à curva tamanho de trinca versus número de ciclos, conforme ilustrado na Figura 3.14. i i i i N N a a dN da − − = + + 1 1 _{(Eq. 3.2)}

Figura 3.14 – Método da diferenciação da secante, Manual MTS.

O fator

∆K

foi calculado por intermédio da Equação 3.3, ASTM E647 (2000)

) 6 , 5 72 , 14 32 , 13 64 , 4 886 , 0 ( ) 1 ( ) 2 ( 2 3 4 2 3

α

− + − + − + ∆ = ∆ W B P K (Eq. 3.3) Onde, W a/ =

α

válido para

a/W

≥0,2.

a = relação entre o tamanho de trinca e a largura do corpo-de-prova

Para a determinação do limiar

∆K

_thde propagação foi utilizado à técnica do decréscimo de carga, onde as cargas foram decrescidas com o crescimento da trinca e os dados do ensaio foram registrados até que o menor valor de

∆K

fosse atingido (

∆K

_th - propagação abaixo de 10-10_{m/ciclo). Nesse caso, utilizou-se a Equação 3.4 para o} controle de

∆K

(

)

[

]

expC

a

K

=∆

_th _n

−

∆

(Eq. 3.4) Onde,

C é o gradiente normalizado de

K

, neste caso negativo e igual a -0,08mm-1;

Assim inicia-se o ensaio com certo valor de

∆K

, que vai diminuindo progressivamente. O valor de

∆K

_th é calculado, a partir de uma regressão linear entre, pelo menos cinco pontos de da dNentre 10-6_{e 10}-7 _mm/ciclo.

A determinação da carga de fechamento de trinca (

P

_cl) consiste de um ajuste linear e quadrático na curva carga aplicada versus COD, para um ciclo de fadiga, conforme esquematizado na Figura 3.15.

Figura 3.15 – Ajuste linear e quadrático na curva P x COD, Manual MTS.

A união entre os dois ajustes linear e quadrático, chamado de “joelho”, é um valor de carga designado por

P

_j. O objetivo é determinar um valor particular para

P

_j que melhor se ajuste na união entre as duas curvas, e esse valor particular será então a carga de fechamento de trinca (

P

_cl). Para encontrar o melhor valor para

P

_j, determina-se então uma série de valores de

P

_j entre

P

_máx e P_min, e também a soma dos quadrados dos resíduos e.

P

_cl é o valor de

P

_j para um valor mínimo de e. A Figura 3.16 ilustra a determinação da carga de fechamento, considerando a relação

P

_j versus e.

P

Figura 3.16 – Determinação da carga de fechamento

P

_cl, Manual MTS.

3.2.5 – Análise Fratográfica

A análise fratográfica foi realizada em um microscópio eletrônico de varredura (MEV), modelo JEOL JSM 5510 da EM-UFOP, Figura 3.17 através do qual se analisaram diferentes superfícies de fratura dos corpos-de-prova utilizados nos ensaios de tração, tenacidade à fratura e propagação de trinca por fadiga. Para estes dois últimos os corpos-de-prova foram separados em duas partes, e foi tomada uma das partes para fazer a observação da superfície fraturada. Esta parte foi colocada na câmara de análise do MEV e em seguida foram realizadas varreduras ao longo da superfície de fratura, com aumentos compatíveis com as características observadas.

A caracterização das inclusões foi realizada por análise semi-quantitativa através do EDS (Espectômetro de Energia Dispersiva por Raios-X) instalado no MEV.

Para o ensaio de tenacidade à fratura foi observada a região de transição da pré- trinca por fadiga para o crescimento da trinca durante o ensaio de CTOD.

Para os ensaios de propagação de trinca por fadiga foram observadas as fraturas na região do limiar

∆K

_th(região I) e a região de propagação linear (região II).

Figura 3.17: Microscópio Eletrônico de Varredura JEOL JSM 5510 disponível na EM- UFOP.

CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

“Os resultados provêm do aproveitamento das oportunidades e não da solução dos problemas. A solução de problemas só restaura a normalidade. As oportunidades significam

explorar novos caminhos”. PETER DRUCKER. _______________________________________

Neste capitulo são apresentados os resultados dos ensaios laboratoriais e a discussão dos mesmos.

4.1 – ANÁLISE MICROESTRUTURAL

As Figuras 4.1 e 4.2 mostram as microestruturas da seção longitudinal dos eixos, para o material do tipo ASTM A21 e AISI/SAE 4130, respectivamente.

(a) (b)

Figura 4.1 – Microestrutura de um aço do tipo ASTM A21H; (a) e (b) seção longitudinal. Aumento de 500X e 200X respectivamente. Reativo Picral 4% e Nital 2%; (c) e (d) seção longitudinal. Aumento de 100X em duas regiões distintas. Sem ataque.

No documento R EDET E M ÁT IC A E ME NG E N H AR IA D EM AT E R IAIS (páginas 79-97)