AVALIAÇÃO DO EFEITO DA APLICAÇÃO DO TRABALHO A FRIO STRESSWAVE NA VIDA EM FADIGA DA LIGA DE ALUMÍNIO 7475-T7351.
André Luiz Santos de Oliveira* Luiz Augusto de Freitas*
Kátia Regina Cardoso** Luiz Edno Pereira***
Resumo. Este trabalho tem por objetivo, avaliar o efeito do método de trabalho a frio conhecido como “Stresswave” em ligas de alumínio. Este processo gera tensões residuais compressivas na superfície onde é aplicado. Ensaios de fadiga foram realizados em corpos de prova fabricados a partir de placas de alumínio aeronáutico 7475-T7351, com e sem a aplicação do processo de Stresswave. 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 para o aumento da vida em fadiga nas estruturas de aeronaves.
Palavras-chave: Fadiga, Deformação plástica a frio, ensaios mecânicos.
Abstract. The main objective of this paper is the evaluation of effect on fatigue of a cold-working method named “Stresswave” in a aluminum alloy. This process generates compressive residual stresses on the applied surface. Fatigue test were run in specimens machined from plates of aeronautical aluminum alloy 7475-T7351, with and without the use of Stresswave cold-working. The results have shown a relative increase in fatigue resistance, when compared to the properties of the base material, that is, without applying the “Stresswave” method. Thus, this method can be considered promising, to improve fatigue life in aircraft structures.
Key words: Fatigue, Cold-working plastic deformation, Mechanical testing.
1.INTRODUÇÃO
A prevenção de falhas por fadiga em estruturas metálicas de aeronaves, têm despertado o interesse da indústria aeronáutica, por várias décadas e especialmente nos últimos anos, com a necessidade de aumentar a durabilidade das aeronaves, visando principlamente o aumento de segurança e a diminuição dos custos de operação. Em estruturas metálicas as trincas por fadiga surgem, frequentemente, nos furos de junções de peças.
Pode-se considerar que 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), 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.
Nesa 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.
Fig.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: (a) mostra um quadro de tensão reversa, assim chamada porque as tensões de tração têm valor igual às tensões de compressão, (b) todas as tensões são positivas, ou seja, o corpo de prova ou componente está sempre submetido a uma tensão de tração, o gráfico (c) representa a aplicação de tensões positivas e negativas, como no primeiro caso, só que as tensões de compressão têm valores diferentes das tensões de tração.
Fig. 2 – Ciclos de tensões variáveis.
A aparente ''fraqueza'' de um material, sob condições cíclicas, quando comparada com a resistência estática, tem sido objeto de uma grande quantidade de pesquisas. O metal pode suportar, a aplicação de tensões cíclicas por um determinado tempo, mas sem qualquer dano superficial vísivel a olho nu. Quando então trincas microscópicas iniciam e gradualmente, se propagam por fadiga durante as cargas subseqüentes. Finalmente, após a trinca ter atingido um tamanho crítico, ocorre uma ruptura repentina. (PETERSON, 1950)
Uma superfície mal acabada contém irregularidades, que atuam como entalhes, resultando em um aumento do nível da tensão local devido à redução da área por onde o esforço se distribui, 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.
A resistência à 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, 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, mudança brusca de seções e furos que, tipicamente aumentam a tensão em sua região em 2 vezes ou mais, fazendo esta ser mais suscetível à falha por fadiga, por alterarem o fluxo de tensão, como mostra a figura 3.
Fig. 3 – Linhas de tensões concentradas em um furo.
A vida em fadiga pode ser melhorada, sempre que possível, evitando 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.
Um dos modos mais tradicionais aumento de resistência ã fadiga é o trabalho a frio, que consiste em defirnar plasticamente o material e, assim, introduzido tensões residuais de compressão no produto. 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, movimentos normais 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.
A indústria aeronáutica assim como muitas outras vêm utilizando diversos métodos de trabalho a frio para aumentar a resistência à fadiga de estrututras metálicas. Entre muitos exemplos podemos citar o jateamento de superfícies com esferas de aço ou de vidro (shot peening) de superfícies usinadas, como revestimento de asas, e o processo de expansão a frio de furos (cold expansion) de junções mecânicas rebitadas, parafusadas ou pinadaS.
A processo de expansão de furos consiste em fazer um furo com diâmetro levemente menor que o especificado e, usando uma máquina pneumática, passar um mandril escalonado e com um diâmetro na ponta maior pelo furo, como esquematizado pela figura 4.(FIGUEIREDO, 2005)
Fig. 4 – Ilustração esquemática processo de expansão de furos. (SCHIJVE, 2001)
A expansão produz uma zona de deformação plástica em torno do furo, e maior que o diâmetro do mesmo.Isto implica que o material deformado elasticamente em torno dessa zona plástica irá execer uma pressão sobre a mesma causando a tensões residuais compressivas tangenciais em torno do furo Depois de expandido, uma fresa alargadora tem que ser usada para eliminar imperfeições deixadas pela ferramenta e deixar o furo no seu diâmetro especificado. Esse procedimento pode reduzir sensívelmente o nível da tensão residual compressiva. (SCHIJVE, 2001)
Um novo método de trabalho a frio (ColdWork) aplicado em furos, chamado Stresswave tem o mesmo princípio da expansão de furos, vem sendo desenvolvido para aplicação em estruturas aeronáuticas.
O Método Stresswave 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 5, diferentemente do método de (cold expansion). Com isso, o furo pode ser realizado já no seu diâmetro final, eliminando uma etapa (alargamento) do processo. Além disso, há um melhor controle do tamanho da zona plástica. A figura 6 mostra o aspecto de uma região deformada plasticamente após aplicação do método.
Fig. 5 – Ilustração esquemática do método.
Fig. 6 – Fotografia Stereoscópica da região deformada.
A ação do processo, figura 7 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 8.
Fig. 7 – Análise gráfica da aplicação do processo e efeito da deformação plástica a frio.
A criação de uma zona de tensões residuais compressivas, resultante da deformação plástica ocorrida no material devido à aplicação do método Stresswave, também se reduz à tensão tangencial de tração, concentrada ao redor do furo decorrida pelo esforço de trabalho sofrido. Com isso, deverá contribuir como retardo da iniciação de trincas, aumentando assim a resistência à fadiga do material ou estrutura.
Fig. 8 – Tensões residuais compressivas radias resultantes da deformação plástica a frio.
2.MATERIAL E MÉTODOS
Utilizou-se neste trabalho, uma liga de alumínio 7475-T7351 com 1.5 polegadas de espessura, que apresenta 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.
Uma quantidade de vinte corpos de prova, cuja geometria é descrita na figura 9, foi submetida 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 desse processo na fadiga do material, 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, (vide capítulo 3).
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”
Fig. 9 - Croqui do corpo de prova de ensaio.
3.RESULTADOS
A figura 10 apresenta a curva S-N1 obtida dos ensaios de fadiga nos 20 corpos de prova sem ''Stresswave'', enquanto a figura 11 apresenta a curva S-N2 obtida dos ensaios dos 20 corpos de prova com ''Stresswave''. As curvas demonstram que para um dado nível de tensão, o número de ciclos necessário para falhar um corpo de prova em que o processo de “Stresswave” foi aplicado (S-N2) é significativamente maior quando comparado ao material base (S-N1).
Fig. 11 - Curva S-N2
4.DISCUSSÃO
Os resultados mostram que foi necessário aplicar níveis de tensões mais altos nos ensaios dos corpos de prova com “Stresswave” do que nos corpos de prova do material base, para obtenção de um número de ciclos mais próximo entre eles. Como exemplo, o nível de tensão de 45ksi foi incluído na curva S-N2 para que fosse obtido um número de ciclos correspondentes àquele para 35ksi na amostra sem “Stresswave”, 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.
Comparando com outro método de Cold work citado anteriormente, o “Stresswave” se destaca quando o assunto é ciclo do processo de aplicação. O método demonstra a possibilidade de automação em uma escala industrial, onde o método de cold expansion não apresenta a mesma condição, por possuir várias etapas no processo de sua aplicação. Além de não garantir uma total extensão das tensões residuais compressivas por conta da fenda da bucha, particularidade do própio processo de aplicação.
Tendo em vista a automação do Stresswave, novas análises deverão ser empregadas, para garantir o mesmo sucesso alcançado em âmbito laboratorial na escala industrial.
5.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 é o mesmo dos métodos tradicionais como a expansão de furos e o “shot peening”, ou seja, o encrumaento (na zona plástica) e conseqüente introdução de tensões residuais compressivas próximos 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.
Assim pode-se considerar o método Stresswave eficaz para a indústria quando se busca processo de fabricação que resultam em uma alta durabilidade do produto, ou seja, uma alta resistência à fadiga.
6.REFERÊNCIAS
DIETER, GEORGE E. – Metalurgia mecânica – 2a. Edição – Guanabara Dois – 1981 FIGUEIREDO, Avaliação da inserção de tensões residuais compressivas a frio em furos para aumento da vida em fadiga nas ligas de alumínio 7050-T7451 e 7475-T7351. São José dos Campos, 2005. Monografia (Graduação) – Univap, Universidade do Vale do Paraiba.
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.
JAAP SCHIJVE, Fatigue of Mateials and Structures, Kluwer Academic Publishers, 2001
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 at 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.
