AVALIAÇÃO DO EFEITO DA INSERÇÃO A FRIO DE TENSÕES RESIDUAIS COMPRESSIVAS EM FUROS, PARA AUMENTO DE VIDA EM FADIGA NA LIGA DE ALUMÍNIO 7475-T7351.

AVALIAÇÃO DO EFEITO DA INSERÇÃO A FRIO DE TENSÕES RESIDUAIS

COMPRESSIVAS EM FUROS, PARA AUMENTO DE VIDA EM FADIGA NA LIGA DE

ALUMÍNIO 7475-T7351.

André L S Oliveira

, Luiz A Freitas

, Kátia Regina Cardoso

, Luiz Edno Pereira

UNIVAP/FEAU, Avenida Shisshima Hifumi, 2.911 - Urbanova Cep: 12244-000 – SJC/SP - Brasil, alsolive@hotmail.com

2

Embraer – Emp. Bras. de Aeronáutica S.A / VED, Rod. Pres. Dutra, Km 137 - SJC/SP – Brasil, alsolive@embraer.com.br

Resumo-Este trabalho tem por objetivo, avaliar o efeito de inserção de tensões residuais compressivas a frio em furos pelo método “Stresswave”, comparando as propriedades de limite de resistência à fadiga na liga de alumínio aeronáutico 7475-T7351 antes e após a aplicação do processo de trabalho a frio por este método. Os resultados obtidos demonstraram um relativo aumento na resistência à fadiga quando comparado com as propriedades do material base, ou seja sem a aplicação do método. Assim, pode-se considerar o método ''Stresswave'' promissor quando se almeja alcançar uma longa vida em fadiga numa estrutura de aeronaves.

Palavras-chave: Fadiga, Deformação plástica a frio, ensaios mecânicos.

Área do Conhecimento: Engenharia de Materiais, Ligas de alumínio, Fadiga de estruturas. Introdução

A prevenção de falhas por fadiga em estruturas metálicas de aeronaves, que se iniciam principalmente em furos para prendedores, tem despertado o interesse da indústria aeronáutica, por várias décadas e especialmente nos últimos anos, com a necessidade de aumentar a vida em fadiga destas estruturas, visando o aumento de segurança e a diminuição dos custos de operação das aeronaves.

A vida em fadiga é a estimativa de tempo durante o qual um material ou produto pode executar sua função, quando está sujeito a flutuações de tensão, antes que uma falha ocorra

Segundo norma ASTM E1150-87 (1987) coloca que este fenômeno é um processo de mudança estrutural permanente, localizada e progressiva, que ocorre em um material quando submetido a condições que produzem tensões e deformações flutuantes em algum ponto (ou pontos) e que, após um número suficiente de flutuações, pode culminar na formação de trincas ou fratura completa. Estas flutuações podem ocorrer tanto na aplicação da carga com o tempo (freqüência) como no caso de "vibração aleatória". Pode-se afirmar que 90% das falhas mecânicas de peças e estruturas são decorrentes deste fenômeno.

Na definição de fadiga, destacou-se que ela se deve a esforços cíclicos repetidos. Um ciclo de tensão corresponde a um conjunto sucessivo de valores de tensão, que se repete em uma determinada seqüência em um dado período de tempo, conforme demonstra a figura 1.

Figura 1 – Ciclo de tensão.

Experimentalmente, a tensão cíclica mais comum é caracterizada por uma função senoidal, onde valores de tensão são representados no eixo das ordenadas e o número de ciclos no eixo das abscissas. As tensões de tração são representadas como positivas e as tensões de compressão como negativas. A figura 2 apresenta três tipos de ciclos de tensão, o gráfico (a) mostra um quadro de tensão reversa, assim chamada porque as tensões de tração têm valor igual às tensões de compressão, o gráfico (b) mostra um quadro onde todas as tensões são positivas, ou seja, o corpo de prova ou componente está sempre submetido a uma tensão de tração, que oscila entre um valor máximo e um mínimo e o gráfico (c) representa um quadro de tensões positivas e negativas, como no primeiro caso, só que as tensões de compressão têm valores diferentes das tensões de tração.

Figura 2 – Ciclos de tensões variáveis.

A ''fraqueza'' aparente, sob condições cíclicas, quando comparada com a resistência estática, tem sido objeto de uma grande quantidade de pesquisas, bem como de muita controvérsia e especulação. O metal suporta a tensão cíclica por um determinado tempo e pela observação superficial não aparenta enfraquecido. Quando então trincas microscópicas aparecem e gradualmente, se propagam por fadiga durante as cargas subseqüentes. Finalmente, após a propagação da trinca ter atingido tamanho suficiente, ocorre uma repentina ruptura (PETERSON, 1950).

Uma superfície mal acabada contém irregularidades, como se fossem entalhes, resultando em um aumento do nível da tensão devido à redução da área por onde o esforço se distribui, fazendo com que neste ponto a tensão seja bastante elevada, tendendo a diminuir a resistência à fadiga.

Defeitos superficiais causados por polimento (queima superficial de carbono nos aços, recozimento superficial, etc.) também diminuem a resistência à fadiga.

Tratamentos superficiais por deposição (cromeação, niquelação etc.) e que formam uma camada, sobre a peça original, podem diminuir a resistência à fadiga, por introduzirem grandes mudanças nas tensões residuais, além de conferirem porosidade ao metal.

Por outro lado, tratamentos superficiais endurecedores (tratamento térmico, trabalho a frio) podem aumentar a resistência à fadiga.

O limite de fadiga depende da composição, da estrutura do material, das condições de conformação mecânica, do tratamento térmico entre outros. Além disto, as condições de operação, meio ambiente também influenciam consideravelmente no limite de resistência a fadiga, pois o ambiente corrosivo pode causar defeitos como pittings, que podem vir a tornarem-se pontos de concentração de tensões e conseqüentemente acelerar a iniciação e a propagação da trinca.

A forma também é um fator crítico, porque a resistência à fadiga é grandemente afetada por descontinuidades nas peças, como cantos vivos, encontros de paredes, mudança brusca de seções

e furos que , tipicamente aumentam a tensão em sua região em 2 vezes ou mais, fazendo esta ser mais suscetível a falha por fadiga, onde alteram o fluxo de tensão, como mostra a figura 3.

Figura 3 – Linhas de tensões concentradas em um furo.

A vida em fadiga pode ser melhorada

Sempre que possível, deve-se evitar a concentração de tensões.

Os projetos devem prever tensões contrárias favoráveis (opostas às tensões principais aplicadas), por meio de processos mecânicos, térmicos ou similares.

Defeitos metalúrgicos como inclusões, poros, pontos moles, entre outros, devem ser eliminados.

O trabalho a frio é um eficiente processo para introduzir tensões residuais de compressão na periferia dos furos, objetivando a melhoria das propriedades de resistência à fadiga nos componentes de engenharia. Além de aumentar a resistência mecânica de todos os tipos de ligas de alumínio, através do encruamento, que aumenta a densidade de discordâncias, o trabalho mecânico, adicionalmente, nas ligas endurecíveis por precipitação, acelera o aumento da dureza associado com a formação de precipitados (DIETER, 1981).

A deformação nas ligas de alumínio ocorre através dos processos de deslizamento (escorregamento), ou seja, movimento normal de discordâncias, sendo possível observarem nessas ligas bandas de deslizamento persistentes na superfície.

Para Willenborg, Engle e Wood (1971) as distorções do reticulado, associadas com as discordâncias e com as tensões resultantes da interação entre discordâncias, são as principais fontes de endurecimento resultante do trabalho a frio, entretanto, o aumento de resistência mecânica obtida através do trabalho mecânico é acompanhado por uma perda de ductilidade, medida pela baixa porcentagem de alongamento ou redução de área.

O tema desenvolvido é específico sobre um novo método de trabalho a frio (ColdWork) aplicado em furos, chamado “Stresswave'', que o tem o mesmo princípio, de outros métodos, já consagrados como o jateamento de superfícies

com esferas de aço ou de vidro (shot peening), e a expansão a frio de furos (cold expansion).

Este método consiste em aplicar na superfície do material uma deformação plástica decorrente da penetração de uma ferramenta tipo punção no mesmo ponto do furo, porém, antes que o mesmo seja realizado no local, como ilustra a figura 4.

A criação de uma zona de tensões residuais compressivas, resultante da deformação plástica ocorrida no material, deverá contribuir a fim de retardar a iniciação de trincas.

Com isso também se reduz a tensão tangencial de tração, concentradas ao redor do furo decorridas pelos esforços de trabalho sofridos.

Figura 4 – Ilustração esquemática do método. A ação do processo, figura 5 causa um fluxo plástico radial do material e resulta em uma zona anular de tensão compressiva residual, que se estende a uma distância de no mínimo igual ao raio do furo, conforme observado na figura 6.

Figura 5 – Análise gráfica da aplicação do processo e efeito da deformação plástica a frio. O objetivo é avaliar o efeito de inserção a frio de tensões residuais compressivas em furos por este método, comparando as propriedades de limite de resistência à fadiga antes e após a aplicação do processo, com base nos dados obtidos nos ensaios de fadiga.

Figura 6 – Tensões residuais compressivas radias resultantes da deformação plástica a frio.

Material e Métodos

Normalmente, tem-se procurado maximizar a razão da resistência e/ou rigidez, pela massa específica, obtendo-se, freqüentemente, soluções através do uso de materiais compostos e de ligas de alumínio de alta resistência (MIL-HDBK-5H – 1, 1998)

A baixa massa específica, aliada as propriedades mecânicas intermediárias, confere-lhes elevada resistência mecânica específica.

Nas aplicações aeronáuticas, a família de ligas de alumínio 7475, fornece uma combinação de alta resistência, alta tenacidade à fratura e boa resistência à propagação de trincas por fadiga, para valores altos do fator da intensidade de tensão (DIETER 1981), como mostra a tabela 1. Tabela 1 – Propriedades mecânicas de ligas de alumínio da série 7xxx.

Os corpos de prova, mostrados na figura 7, foram confeccionados a partir de placas de 1,50 polegadas de espessura da liga Al7475-T7351.

Uma quantidade de vinte corpos de prova foram submetidos ao processo de trabalho a frio pelo método ''Stresswave'' e em seguida foram inseridos furos de 7,93mm, conferindo ao corpo de prova um fator de concentração de tensão teórico (Kt) de 2,45. Outros vinte tiveram apenas a realização de furos, ou seja não foram submetidos ao processo de “Stresswave”..

Com o objetivo de analisar o efeito das tensões residuais compressivas nos furos (alto concentrador de tensão),os corpos de prova foram submetidos a ensaios de fadiga em diferentes níveis de tensões, sob uma onda senoidal de 20 Hertz, usando uma máquina servo-hidráulica MTS, controlada por computador. Os corpos de prova foram ensaiados até a falha ou até atingirem 2,0 milhões de ciclos no caso dos corpos de prova da curva S-N1 e 2,5 milhões de ciclos para os corpos de prova da curva S-N2..

Dados do corpo de prova: - CDP = Kt 2,45.

- Orientação do plano SL. - As dimensões estão em mm.

- Tolerância não especificada (linear = +/- 0,1 mm; angular = +/- 1º; rug. 2,8 Ra).

Quantidade:

20 corpos de prova sem “Stresswave” 20 corpos de prova com “Stressswave”

Figura 7 - Croqui do corpo de prova de ensaio. Resultados

Os valores obtidos na curva S-N1, figura 8 evidenciam o número de “ciclos” dos 20 corpos de prova sem ''Stresswave''.

Figura 8 - Curva S-N1

Os valores obtidos na curva S-N2, figura 9 evidenciam o número de “ciclos” dos 20 corpos de prova com ''Stresswave''

Figura 9 - Curva S-N2

As curvas acima demonstram,

comparativamente, que para um dado nível de tensão, o número de ciclos necessário para falhar um corpo de prova em que o processo de Stress wave foi aplicado (S-N2) significativamente maior quando comparado ao material base (S-1N) Discussão

Os resultados mostram que, nos ensaios dos corpos de prova com “Stresswave” foi necessário à aplicação níveis de tensões mais altos que para os corpos de prova do material base. Como exemplo está o nível de tensão de 45ksi que foi incluído na curva S-N2 para que se obtivesse números de ciclos correspondentes a 35ksi, que em relação curva S-N1.

Este benefício se estendeu a todos os níveis de tensão aplicados, resultando no aumento da resistência à fadiga para os corpos de prova submetidos ao método ''Stresswave''.

Assim, da resistência à fadiga dos corpos de prova com “Stresswave” evidenciaram a eficácia do método, e demonstraram um ganho de vida, em média, três vezes mais, em relação aos corpos de prova sem a aplicação desse método.

Conclusão

O método “Stresswave'' demonstrou-se eficaz , quando há a necessidade de aumentar a vida em fadiga de uma estrutura metálica.

O mecanismo de aumento da resistência à fadiga em corpos de prova onde esse método é empregado é o mesmo dos métodos tradicionais como a expansão de furos e o “shot peening” , ou seja o encrumaento e conseqüente introdução de

tensões residuais compressivas próximo à superfície.

Os resultados experimentais demonstraram um ganho de vida, em média, três vezes mais, em relação aos corpos de prova sem a aplicação deste método.

Referências

Dieter, George E. – Metalurgia mecânica – 2a. Edição – Guanabara Dois – 1981

GODEFROID, l. B. Propagação de trinca por fadiga sob carregamento com amplitude constante e variável em ligas de alumínio para a industria aeronáutica. Rio de Janeiro, 1993.Tese (Doutorado) – COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Military Handbook – Metallic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures - MIL-HDBK-5H – 1 December 1998

PETERSON, R.E., “ASTM Bull”, vol 205, pag 50, fev. (1950)

StressWave, Inc. Presentation for

Embraer - June 8, 2004

WILLENBORG, J., ENGLE, R.M., WOOD, H.A. A crack growth retardation model using an effective stress concept. Air Force Flight Dynamic Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base, 1971. OH. AFFDL-TR-71-1.

www.stress-wave.com acesso em 14 de Jun. 2009.