8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA
Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007
EFEITO DOS PITES DE CORROSÃO SOBRE A INICIAÇÃO DE TRINCAS POR
CORROSÃO-FADIGA NO AÇO ESTRUTURAL SAE 8620
Nelson do Nascimento Atanazio Filhoo*, Tanius Rodrigues Mansurº, Emerson Giovani Rabelloº
º Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear,
Rua Prof. Mário Werneck S/N, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, CEP 30123-970 *e-mail: nnaf@cdtn.br
RESUMO
A redução no tempo de vida de fadiga em componentes devido à presença de um meio agressivo vem se tornando muito comum chegando a ser, às vezes, catastróficos os danos causados em componentes industriais de engenharia, tais como, os de geração de energia nuclear e convencional, automobilística, aeronáutica e naval. As falhas causadas em componentes estruturais sujeitos ao carregamento cíclico são causadas a partir da iniciação e propagação de trincas em locais preferenciais como, por exemplo, concentradores de tensão como os pites de corrosão. A nucleação de trincas por corrosão-fadiga foi investigada pela realização de experimentos de fadiga flexo-rotativa em corpos-de-prova do aço SAE 8620. Foi utilizado um sistema com recirculação do meio corrosivo onde os corpos-de-corpos-de-prova ficaram submersos em uma solução aerada de NaCl 0,6M à temperatura ambiente. Foram utilizadas freqüências de carregamento de 11,7Hz e 60Hz com tensões cíclicas aplicadas na faixa de 10,8MPa a 297MPa e razão de carga (R) igual a -1. Os aspectos de iniciação e propagação de trincas por corrosão-fadiga foram avaliados utilizando-se microscopia eletrônica de varredura.
Palavras-chave: Corrosão-fadiga, pites, nucleação e propagação de trincas.
1. INTRODUÇÃO
A maioria das falhas de componentes mecânicos em serviço ocorre devido à fadiga do material. Cerca de 80-90% das falhas em aços estruturais estão relacionadas com a fadiga e fratura [1]. A fadiga é um processo de acúmulo de danos causados por tensões cíclicas e, quando na presença de um ambiente agressivo (corrosivo), é conhecida como corrosão-fadiga. Os danos causados por fadiga em componentes estruturais, normalmente, ocorre em regime elástico, em regiões de concentração de tensões e deformações onde as tensões locais excedem o limite de escoamento do material. Após certo número de ciclos, os danos acumulados no material causam a iniciação e a subseqüente propagação de trincas, em regiões danificadas plasticamente. Este processo pode, em muitos casos, ser a causa da fratura de componentes. Os concentradores de tensões e/ou deformações diminuem o tempo de iniciação de propagação de trincas [2].
O comportamento frente à corrosão-fadiga de um dado sistema material/meio refere-se às características que o material possui sob carregamento cíclico e na presença de um ambiente particular. O comportamento da corrosão- -fadiga depende de fatores metalúrgicos, mecânicos e eletroquímicos de um sistema particular [3]. Os danos causados por corrosão-fadiga ocorrem mais rapidamente que o esperado para a fadiga ou a corrosão agindo separadamente. Geralmente, ambientes agressivos diferentes causam efeitos diferentes em um dado material sob carregamento cíclico. Similarmente, o comportamento de diferentes materiais sob carregamento cíclico é usualmente diferente em um mesmo ambiente agressivo. O comportamento estabelecido para um dado sistema material/meio ou um dado conjunto de condições de testes não pode ser aplicado indiscriminadamente para outros sistemas ou condições.
A corrosão-fadiga de materiais metálicos tem atraído a atenção de muitos pesquisadores. Muitos materiais utilizados em engenharia são, em maior ou menor extensão, susceptíveis a corrosão em sua forma generalizada ou localizada. A redução da vida em fadiga de componentes estruturais na presença de um meio corrosivo é muito comum. Isto provém do fato da corrosão-fadiga ser responsável por muitas falhas em serviço em uma grande variedade de industrias tais como processamento, naval, aeronáutica, automobilística e geração de energia. Este fato tem sido considerado por engenheiros projetistas quanto à segurança dos projetos desenvolvidos [4,5].
Em geral, a vida em corrosão-fadiga de materiais metálicos é controlada principalmente pela iniciação e propagação de pequenas trincas superficiais. Há vários estudos sobre a iniciação e crescimento de pites e esses estão relacionados com os primeiros estágios do processo de corrosão-fadiga [6, 7, 8, 9]. As trincas causadas por corrosão-fadiga iniciam-se e crescem devido à presença de pites e causam a falha final das estruturas metálicas [10, 11, 12]. Neste estudo foi utilizado o aço SAE 8620 devido às suas aplicações em indústrias tais como geração de energia e automobilística [13,14].
2. MATERIAL E METODOLOGIA 2.1. Material
No presente estudo foi utilizado o aço estrutural SAE 8620. Na Tabela 1 encontra-se sua composição química e na Tabela 2 encontra-se suas principais propriedades mecânicas.
Tabela 1. Composição química do aço SAE 8620 (% p/p).
Ni Cr Mo Mn Cu Al Si P S C Fe
0,42 0,50 0,16 0,78 0,09 0,019 0,23 0,016 0,032 0,19 Bal.
Tabela 2. Propriedades mecânicas do aço SAE 8620. Limite de Escoamento σ0.2 (MPa) Limite de Resistência σR (MPa) Alongamento (%) Redução de Área (%) Dureza (HV) Dureza (HB) 464 634 20 66 202 192 Foi retirada uma amostra do material em estudo para análise microestrutural. Foi utilizado como solução de ataque químico Nital 2% para revelação da microestrutura e esta, foi analisada utilizando-se o software analisador de imagens QUANTIKOV [15]. Após a caracterização química, mecânica e microestrutural do material, foram confeccionados os corpos-de-prova utilizados nos ensaios de fadiga flexo-rotativa. A rugosidade média (Ra) de todos os corpos-de-prova foi de (0,09±0,02)µm. A configuração dos corpos-de-prova está apresentada na Figura 1.
FIGURA 1. Configuração dos corpos-de-prova utilizados. Dimensões em milímetros.
2.2. Metodologia
No presente estudo optou-se pelo ensaio por flexão rotativa, que é um método simples de determinação das propriedades de fadiga, com tensão média nula e razão de carga (R) igual a -1. Os ensaios de corrosão-fadiga foram realizados nas freqüências de 11,7Hz (700rpm) e 60Hz (3600rpm) em uma solução de NaCl 0,6M com pH igual a 6,2. Uma célula de contenção foi usada para a exposição dos corpos-de-prova à solução aerada de NaCl 0,6M como mostrado nas Figuras 2a e 2b. Foi utilizado um sistema de recirculação do eletrólito, onde este foi bombeado de um reservatório até a célula de contenção a uma vazão de 0,3L/h. Os ensaios foram realizados até a quebra dos corpos-de-prova com níveis de tensões entre 10,8MPa e 297MPa.
Após os ensaios de corrosão-fadiga, as superfícies laterais e de fratura dos corpos-de-prova foram examinados em detalhe utilizando-se um microscópio eletrônico de varredura (MEV) JEOL JSM-5310.
a) Célula de conteção b) Disposição da célula de conteção na máquina de fadiga flexo-rotativa.
FIGURA 2. Célula de conteção utilizada nos ensaios de corrosão-fadiga.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1. Microestrutura
A Figura 3 mostra a microestrutura do aço SAE 8620 em seção transversal. A Figura 3a mostra uma grande quantidade de inclusões não metálicas dispersas na matrix metálica. A Figura 3b apresenta a microestrutura do aço SAE 8620 com 55% de ferrita e tamanho médio de grão de ferrita igual a 12µm. A Figura 3c mostra a presença uma inclusão não metálica com tamanho médio de 10µm.
a) 200X b) 500X c) 1000X FIGURA 3. Microestrutura do aço SAE 8620.
A iniciação de trincas por fadiga em inclusões na superfície do material pode ocorrer pelo rompimento da continuidade inclusão-interface da matriz metálica ou pela fratura da própria inclusão. Estas inclusões podem agir como locais preferenciais para corrosão por pites induzida por uma partícula na estrutura metálica, e podem servir para diminuir ou eliminar a fração do tempo de iniciação de trincas por fadiga [16,17]. A separação interfacial matriz-inclusão é induzida durante o carregamento elástico, sendo a vida em fadiga reduzida pela presença de inclusões. A composição química das inclusões não foi identificada.
3.2. Iniciação de trincas por corrosão-fadiga
Nos estudos da fadiga e corrosão-fadiga, um dos objetivos principais para explicar os mecanismos de iniciação de trincas é identificar os locais preferenciais para nucleação destas trincas e, estes locais, estão associados a particularidades microestruturais e/ou a peculiaridades associadas a estes locais. Estes locais são possivelmente responsáveis pela fadiga prematura ou iniciação de trincas por corrosão-fadiga contribuindo para reduzir a vida de fadiga das ligas metálicas.
Os resultados da literatura [18,19] reportam que, os principais estágios de danos que conduzem à falhas por fadiga assistida por um ambiente corrosivo em superfícies livre de defeitos incluem: quebra do filme passivo superficial, iniciação e crescimento de pites, transição de um pite para uma trinca, crescimento e coalescimento da trinca. O ambiente age sobre o material através de sua superfície, produzindo um ataque químico uniforme ou localizado pela transferência de massa por difusão [20].
Todas as ligas usadas em engenharia desenvolvem filmes passivos superficiais como resultado de oxidação da superfície durante processamento. O grau de proteção fornecido pelo filme superficial à matriz metálica depende das taxas de difusão dos vários constituintes ambientais através filme e da estabilidade da própria camada contra ataque ambiental. Os aços de carbono e os aços carbono de baixa liga apresentam um baixo grau de passividade e são considerados ativos quando imersos em ambientes benignos como a água. Nestas ligas, quando imersas em ambientes aquosos, a corrosão acontece rapidamente.
Adições de elementos ligas tais como Cr, Cu e Ni melhoram a resistência à corrosão pela formação de um filme de óxido fortemente aderido na superfície da liga [21]. Isto aumenta a resistência à formação de pites de corrosão e são exigidos ambientes mais agressivos para quebrar o filme de óxido formado. A corrosão localizada (pites) na superfície de materiais acontece em grande parte em metais passivos ou ligas em contato com soluções aquosas neutras que contêm ânions agressivos como cloreto [22]. Em componentes de engenharia que exigem um elevado grau integridade superficial, deve se levar em consideração a formação de pites na superfície das estruturas. Se tensões residuais ou mecânicas agirem conjuntamente com um ambiente agressivo, o desenvolvimento prematuro de pites e subseqüentes trincas exercem o papel principal na vida total de um componente [23].
Vários fatores são importantes no comportamento frente à corrosão-fadiga. O efeito da diminuição da freqüência na nucleação e crescimento de pites pode ser observado na Figura 4. Esta figura mostra as superfícies laterais de corpos-de-prova após ensaios de corrosão-fadiga, usando o aço carbono SAE 8620 em uma solução aerada de NaCl 0,6M. Os testes foram realizados sob condições constantes, mas com freqüências de carregamento diferentes até o rompimento dos corpos-de-prova. A Figura 4(a) mostra o resultado do teste realizado a 11.7Hz e Figura 4(b) o resultado a 60Hz.
(a) σ = 198MPa e Nf = 135419 ciclos. Tempo de exposição: 194 minutos.
σ = 198MPa e Nf = 175893ciclos. Tempo de exposição: 94 minutos Figura 4. Efeito de freqüência no comportamento do aço SAE 8620 submetido à corrosão-fadiga.
A diminuição da freqüência aumentou o tempo de exposição de material ao ambiente corrosivo. O ambiente corrosivo favoreceu a formação de descontinuidades geométricas na superfície dos corpos-de-prova, e portanto, a nucleação de trincas por corrosão-fadiga. Como este processo é dependente do tempo, a influência do ambiente agressivo na vida em fadiga do material aumenta com o prolongamento da exposição deste material metálico a um determinado ambiente.
O ambiente agressivo evidentemente exerce uma forte influência sobre a iniciação de trincas por corrosão-fadiga. As descontinuidades geométricas (pites) funcionam como concentradores de tensões e deformações, favorecendo a iniciação de trincas de fadiga nestas regiões [22]. A iniciação de uma trinca através de um pite pode ser observada na Figura 5.
Figura 5. Iniciação de trincas por fadiga causada por um pite de corrosão. σ = 198MPa e f = 11.7Hz.
Em um ambiente agressivo, além do efeito mecânico associado com concentradores tensão e deformação na base dos pites, o efeito eletroquímico da corrosão exerce uma influência especial [22]. A corrosão por pites é um tipo de corrosão localizada causado por ataque anódico [24]. Geralmente é caracterizada por buracos ou pites na superfície metálica apresentando ou não uma corrosão uniforme. O ataque anódico localizado que se inicia pode se tornar autocatalíco por natureza. Quando isto acontece, o ambiente agressivo penetra no interior dos pites e imediatamente entra em contato com o metal de base, que age como uma região anódica em relação ao resto da superfície passiva (o material circunvizinho que não sofreu nenhuma corrosão), promovendo um processo de dissolução anódica do metal. Uma célula eletroquímica é criada dentro desta descontinuidade. A dissolução anódica acontece através da formação de íons metálicos Mn+ e, um aumento na concentração desses cátions no eletrólito dentro da descontinuidade, promove a atração eletrostática dos agressivos ânions cloreto presente no eletrólito [25]. A hidrólise dos íons Mn+ conduz a formação de íons H+, resultando em uma diminuição do pH no interior dos pites [24]. A migração dos ânions cloreto para o interior dos pites mantém o equilíbrio eletrostático no interior dos mesmos. Como resultado, há um aumento contínuo na concentração de ânions cloreto dentro dos pites e uma queda acentuada do pH do eletrólito estagnado no interior dos mesmos [26]. Estes fatores, associados com a deficiência de oxigênio nesta região, consumido principalmente pelas reações de repassivação do metal de base, criam um ambiente localizado e altamente agressivo que reduz a estabilidade do filme passivo. Isto contribui para a aceleração da dissolução anódica e impede a repassivação da região danificada. Estabelece-se, assim, um processo autocatalíco de corrosão no interior da trinca formada.
Adicionalmente, a dissolução anódica pode ser acelerada devido à alta concentração de deformações nas vizinhanças da descontinuidade. Os átomos nesta região estão em um estado de energia mais elevado, necessitando menor energia de ativação para removê-los da rede cristalina do que nas regiões menos danificadas do material. Complementando esta condição extremamente desfavorável, a dissolução anódica no interior da descontinuidade geométrica pode desbloquear o escorregamento que foi interrompido pelo acúmulo ou empilhamento de deslocações presentes nesta região, favorecendo o deslizando subseqüente e o processo autocatalítico [24]. A transição de um pite para uma trinca não é governada somente pela intensidade de tensão associada com a descontinuidade (pite) e a
tensão aplicada, mas também, é determinada pela eletroquímica local que controla o crescimento do pite [21,24]. As descontinuidades geométricas associadas com fatores eletroquímicos podem ser tão importantes quanto ou até mesmo mais significantes que os fatores relativos à concentração de tensão, particularmente no estágio de iniciação e no início de propagação de trincas por fadiga [27]. Como ilustrado na Figura 5, a descontinuidade geométrica mantém o eletrólito estagnado em seu interior contribuindo para o desenvolvimento de um eletrólito mais agressivo. Neste caso, os fatores eletroquímicos da corrosão localizada são muito importantes no estágio de iniciação de trincas por fadiga.
Os pites de corrosão possuem uma profundidade normalmente menor que um milímetro e funcionam como micro--entalhes localizados com elevado nível de tensão. Além disso, o nível do pH do ambiente corrosivo dentro dos pites pode ser mais ácido que o que circunda o restante do material, causando uma possível aceleração na taxa de crescimento de trincas por fadiga [22]. Uma vez que o estágio de desenvolvimento e crescimento dos pites e a iniciação de trincas ocasionadas pelos pites ocorreu, o estágio subseqüente de acumulação de danos por fadiga assistida pelo ambiente, é a fase de transição de um pite para uma trinca. A Figura 6 mostra a transição de um pite para uma trinca em um teste realizado a 60Hz.
Figure 6. Transição de um pite para uma trinca observada em um teste corrosão-fadiga.
4. CONCLUSÕES
A diminuição da freqüência de carregamento cíclico aumentou a taxa de corrosão por pites e a conseqüente nucleação de trincas por fadiga no aço SAE 8620, quando exposto a uma solução aerada de NaCl 0,6M. Como a corrosão-fadiga é um fenômeno dependente do tempo, a freqüência de carregamento é um parâmetro importante a ser considerado. A diminuição da freqüência aumentou o tempo de exposição da material ao meio corrosivo e o dano causado por corrosão-fadiga.
A presença dos pites durante o processo de fadiga foi responsável pela nucleação de trincas por corrosão-fadiga, sendo isto um ponto crítico do processo. Uma vez que os pites são formados, esses podem agir como concentradores de tensão ou deformação; a nucleação de trincas se inicia na base dos pites, onde o ambiente corrosivo é notavelmente muito mais agressivo. A interação dos pites de corrosão com os danos causados pelo carregamento em fadiga é um dano adicional causado aos componentes estruturais.
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6. UNIDADES E NOMENCLATURA
R Razão de carga de fadiga Hz Freqüência em Hertz rpm Rotações por minuto σ0.2 Limite de escoamento σR Limite de resistência MPa Megapascal HV Dureza Vikers HB Dureza Brinel Ra Rugosidade média µm Micrometros
