Comportamento à fadiga de baixo número de ciclos do aço 4340 para diferentes temperaturas de revenido

COMPORTAMENTO Ã F A D I G A DE BAIXO N ÚMERO DE CICLOS DO AÇO 4340 P A R A D IFERENTES TEMPERATURAS DE REVENIDO

DISSERTAÇÃO SUBME T I D A Â UNIVE R S I D A D E FEDERAL DE SANTA C A T A R I N A PARA A O B T E N Ç Ã O DO G R A U DE "MESTRE E M ENGENHARIA"

E L T O N P A U L O M A T T U E L L A

COMPORTAMENTO Ã F A D I G A DE B A I X O N Ú M E R O DE CICLOS DO A Ç O 4340 P A R A DIFERENTES T E M P E R A T U R A S DE REVENIDO

E LTON P A U L O M A T T U E L L A

E S T A DISSERTAÇÃO FOI J U L G A D A A D E Q U A D A P A R A OBTENÇÃO DO T Í T U L O DE

"MESTRE E M ENGENHARIA"

E S P E C I A L I D A D E ENGENHARIA M E C Â N I C A E A P R O V A D A E M SUA F O R M A F I N A L P E L O P R O G R A M A DE PÕS-GRADÜAÇÃO,

Prof. d Sno^ijer, Dr.-Ing. Orienrador

Prof, A r n o Blass, Ph.D. / C o o r d e n a d o r do Curso

B A N C A EXAMINADORA:

Prof n d Sryoeijer, Dr.-Ing. Presidente

Prof. E d i s o n da Rosa, M.Sc.

à meus pais e à minha esposa

A G R A D E C I M E N T O S

Ao Prof. Berend Snoeijer, pela orientação.

à Arotec S/A. - Ind. e C o m . , na pessoa do EngÇ Êlcio V i n i c i u s Mattos de Assumpção, pelas informações referentes a u t i l i z a ção do equipamento,

- Ã CNEN, pelo apoio financeiro.

à Aços Villares S / A . , p e l a d oação do material u t i l i z a d o nos ensaios»

Ao Departamento de Q u i m i c a da UFSC, pelo suporte na u t i l i z a ­ ção da vidraria.

Aos técnicos A nildo C. Agostinho, Waldyr Ristow J r . , e J úlio F. Baumgarten, pelo auxílio.

à todas as pessoas que, d ireta ou indiretamente, c o n t r i b u í ­ ram para a r ealização do p r e s e n t e trabalho.

S I M B O L O G I A ... vii

RES U MO ... X A B S T R A C T ... xi

1. INTRODUÇÃO ... 01

2. R E V I S Ã O B I B L I O G R Á F I C A ... 03

2.1. Fad i ga - R e si stência ã Fadiga - Tensão Limite de Fadiga .... ... 03

2.2. F a d i g a de B aixo e A l t o N ú m e r o de Ciclos ... 07

2.3. C o m p o r t a m e n t o E s t á t i c o e P s e u d o e s t ã t i c o ... 09

2 . A. C a r r e g a m e n t o C í clico ... 14

2.4.1. Condiçoes de C ar r egamento Cíclico ... 15

2.4.2. R e s p o s t a do M a t e r i a l à Solic i t a ç õ e s Cíclicas .. 17

2.4.3. E s t i m a t i v a Q u a l i t a t i v a da R e s p o s t a do M a t erial à S o l i c i t a ç õ e s Cíclicas e p a rtir das P r o p r i e d a ­ des M o n o t Ô n i c a s ... 20

2.5. P r o p r i e d a d e s T e n s ã o - D e f o r m a ç ã o C í c l i c a - D e ­ finições . , ... ... ... ... 22

2.6. M u d a n ç a s has P r o p r i e d a d e s M e c â n i c a s devido ao

C a r r e g a m e n t o Cxclico ... 26

2.7. P r o p r i e d a d e s de F a d i g a sob D e f o r m a ç a o C í c l i c a . 30 3. P R O C E D I M E N T O E X P E R I M E N T A L ... 36

3.1. M a t e r i a l ... ... 36

3.2. Confe cç ã o dos Corpos de Prova ... 37

3.3. T r a t a m e n t o T é rmico e sua C a r a c t e r i z a ç ã o ... 4 0 3.4. E n s a i o Estático de T r a ç ã o ... 41 3.5. E n s a i o de F a d i g a ... ... 42 4. RESULT AD OS E X P ER I ME N TA I S E S U A A N Á LI SE ... 52 4.1. A n á l i s e M e t a l o g r á f i c a ... 52 4.2. E n s a i o s Mecânicos E s t á t i c o s e D i n â micos ... 53 5. C O N C L U S Õ E S ... 76 6. R E F E R Ê N C I A S B I B L I O G R A F I C A S ... 78

S I M B O L O G I A

A - Alongamento (%)

B - Fator de Bridgman

b - Expoente de resistência à fadiga

c - Expoente de dutilidade ã fadiga

dQ - Diâmetro inicial (mm)

dj_ - Diâmetro instantâneo (mm.)

E - Módulo de elasticidade (MPa)

e - Deformação nominal (mm/mm)

Eg - Deformação elástica nominal (mm/mm)

Ep - Deformação plástica n o minal (mm/mm)

eR - Deformação real (mm/mm)

ERg - Deformação real elástica (mm/mm)

ERf - Deformação real de fratura (mm/mm)

e*R£ - Coeficiente de dutilidade ã fadiga ou deformação real cíclica de fratura (mm/mm)

sRp - Deformação p l á stica real (mm/mm)

- D e f o r m a ç ã o total nominal (mm/mm)

F - Força (kgf)

Fmax ” F o r ç a m á x i m a (kgf)

Ff - Força de r u ptura (kgf)

k - Coefic i e n t e de resist ê n c i a m o n o t ô n i c o (MPa)

k' - C o e f i c i e n t e de r e s i s t ê n c i a cíclico (MPa)

Lq ~ C o m p r i m e n t o inicial (mm)

Li - C o m p r i m e n t o instantâneo (mm)

n - E x p o e n t e de e ncruamento m o n o t ô n i c o

n' - E x p o e n t e de encrua m e n t o cíclico

Nf - N ú m e r o de ciclos para a falha

2N^ - T r a n s i ç ã o da vida de fadiga

r - C o e f i c i e n t e de simetria do ciclo

R - C o e f i c i e n t e de correlação

S - Ã r e a da seção transversal (mm^)

Sq - Ã r e a da seção transversal inicial (mm^)

- Ã r e a da seção transversal i n s t a n t â n e a (mm^)

S£ - Ã r e a da seção transversal após a f r a t u r a (mm^)

- A m p l i t u d e da tensão (MPa)

^e0,2 " L i mite convencional de escoamento n o m i n a l (MPa)

Oui - T e n s ã o média (MPa)

Omax ” T e n s ã o m á x i m a (MPa)

^min ~ T e n s ã o m ínima (MPa)

(jR - T e n s ã o real (MPa)

o^e0,2 “ L imite convencional de escoamento real (MPa)

a'Reo^2 ~ L imite convencional de escoa m e n t o c í clico (MPa)

aRf - T e n s ã o real de fratura (MPa)

a'R£ - C o e f i c i e n t e de resistência à fadiga ou t e nsão real c í clica de fratura (1'lPa)

at " T ensão limite de resistência

Vg - C o e f i c i e n t e de Poisson elástico

Vp - C o e f i c i e n t e de Poisson plástico

R E S U M O

Foi e s t udado o comportamento do aço 4340 a s o l i c i t a ­ ções cíclicas de baixo n úmero de ciclos para o e stado t e m p erado e revenido, nas t e mperaturas de 200°C, 400°C e 600OC. Os e n ­ saios foram r ealizados com controle de deformação e ã t e m p e r a t u ra ambiente. Os r e s u l t a d o s obtidos nos ensaios r e v e l a r a m um com portamento d i f e rente p a r a cada uma das temperaturas de r e v enido testadas. Para todas as temperaturas verifi c o u - s e u m a m o l e c i ­ mento do material em relação ao ensaio de tração estático.

A B S T R A C T

T he behavior of 4340 Steel has been studied w i t h r e s ­ pect to low cycle fatigue for the as q u e n c h e d and tempered c o n d i t i o n at temper temperatures of 200OC, 4 00°C and 600°C. All

«

the tests were accomplished w i t h strain control at environment temperature.. The obtained test results have shown different b e h a viors for each temper temperature. For all the temperatures a s offtening effect of the m a t erial r e l a t e d to the tension test was observed.

1. I N T R O D U Ç Ã O

V e r i f i c a - s e que para algumas a p l i c a ç õ e s já existentes e outras surgidas devido o desenv o l v i m e n t o tecnológico, muitos componentes m e c â n i c o s e estruturais estão r o t i n e i r a m e n t e subme­ tidos a n íveis crescentes de s o l i c i t a ç o e s , u l t r a p a s s a n d o em a^ guns casos a t ensão limite de escoamento d e t e r m i n a d a no ensaio estático.

N e s t a s condições, a vida é da o r d e m de alguns m i l h a ­ res de c iclos de carregamento, que se inferior a 10^ é definido como r egime de fadiga de baixo número de ciclos.

As d eformações plásticas m a c r o s c ó p i c a s são caract e r í ^ ticas d e s t e regime.

C o n s i d e r a n d o - s e que a fadiga ê r e s p o n s á v e l pela m a i o ­ ria das falhas em serviço e que sua o c o r r ê n c i a sô é p o s sível na p r e s e n ç a de deform a ç õ e s plásticas, torna-se e v i d e n t e a importân cia do c o n h e c i m e n t o do comportamento dos m a t e r i a i s no regime plástico, através dos ensaios de fadiga de b a i x o n ú m e r o de ci­ clos,

já foram realizados inúmeros trabalhos com a finali­ dade de a v a l i a r o comportamento dos m a t e r i a i s n e stas condições de solicitação, especialmente no que diz r e s p e i t o ã influência

11 2 I

de d i f e r e n t e s composições e micro e s t r u t u r a s ‘ .

Estas informações podem ser u t i l i z a d a s p a r a uma m e ­ lhor c o m p r e e n s ã o do fenômeno de fadiga, ou a inda cano dados quan titativos que permitain a previsão da v i d a ú t i l de componentes. Em projeto, estes dados são importantes pois p e r m i t e m a

previ-são dos efeitos de d e s c o n t i n u i d a d e s geométricas em compon e n t e s estruturais, que agindo como concentradores de tensão a u m e n t a m a magnitude das tensões, p o d e n d o ultrap a s s a r o regime e l á s t i c o nestes pontos,

O presente trabalho foi realizado com o o b j e t i v o de a valiar q u a n t i t a tivamente a influê n c i a da temperatura de reveni- do nas propriedades de fadiga de baixo numero de ciclos do aço ABNT 4340, de alta resistência, bastante utilizado em c o m p o n e n ­ tes de grande responsabilidade, muitos dos quais, sujeitos a e levados níveis de solicitaçSes, tais como componentes u t i l i z a ­ dos na indústria aeron á u t i c a e automobilística.

Com isto tem-se c o n d ições de otimizar a e s t r u t u r a m e ­ talúrgica do material, b e m como a obtenção de dados que p e r m i ­ tam a elaboração de p r o jetos mais econômicos.

Foram ensaiados corpos de prova temperados e reveni- dos nas temperaturas de 200°C, 400°C e 600°C,

Os ensaios foreim r ealizados em uma m á q u i n a de ensaios MTS-810, e l e t r o - hidráulica do tipo "closed loop".

2

. RE VISÃO B I B L I O G R Á F I C A

2.1. Fadiga - R e s i s t ê n c i a â F a d t q a - Tensão Limite de

Fadiga

Entende-se por fadiga a falha progre s s i v a de u m m a t e ­ rial sob aplicaçSo de carga c í c lica inferior ao nível de tensaò r e q u e r i d o para causar a r u p t u r a no carreg a m e n t o estático

0 procedimento usual para a d e terminação da r e s i s t ê n ­ cia à fadiga de um mater i a l ê o e n saio de vários corpos de pro v a similares, submetidos i n d i v i d u a l m e n t e a diferentes a m p l i t u ­ des de carregamento cíclico atê o c o r r e r a falha, sendo esta de finida como a ruptura total do corpo de prova». Desta m a n e i r a ê ob t i d a uma relação entre a a m p l itude da tensão nominal e o

numero de ciclos p a r a a falha N^,

Uma cuírva a - N _ t ípica é e s q uematizada na F igura 1. S i L.

núm ero de e id o s p a ra a fa lh a , Jog N f

Figura 1 - Curva - N,p esquematizada.

C o m o decré s c i m o da solicitação v e r i f i c a - s e u m a umen­ to do n úmero de ciclos para que ocorra a ruptura, até ser atin gida a t ensão cíclica, na qual o corpo de p r o v a e n s aiado nao ron pe, parte h o r i z o n t a l da curva da Figura 1, d e n o m i n a d a tensão li mite de fadiga,

Para a m a i o r i a dos metais ferrosos e s t i m a - s e que não

7 r,

-ocorrendo a r u ptura ate 10 ciclos, o m a t e r i a l n a o r o mpera por

I 4

fadiga, c a r a c t e r i z a n d o assim uma vida infinita ' . Para os ma teriais não ferrosos, alumínio, cobre, m a g n é s i o e suas ligas, que não a p r e s e n t a m tensão, limite de fadiga característica, a re sistêncxa a fadiga ê d e f i n i d a como sendo a m ã x i m a tensão cí clica que o m a t e r i a l resistirá, sem que o c o r r a a r u ptura p a r a um

8

d e t e r m i n a d o c r i t é r i o de vida, normal m e n t e em t orno de 10 ou Q

5 x 1 0 ciclos, A F i g u r a 2 m o s t r a curvas a - típicas para me

d. X.

tais ferrosos e não ferrosos.

400 3 00

Q.

5

ZOO

o

IO

«0

c

100

«

■K. 0 oç<

i docê

1

higa de al umInio

10 10' 10 10 10

número de ciclo s p ara a fa lh a ,lo g N

F i g u r a 2 - Curvas típicas p a r a m a t e r i a i s fer­ rosos e não ferrosos 61.

Os ensaios de fadiga são realizados em m a q u i n a s e s p e ­ ciais, que s u b metem os corpos de prova a um dos seguintes esfor ços cíclicos: - tração - t r a ç ã o - c o m p r e s s ã o - flexão - t orção - combinados.

Um ciclo de t ensão ê caracterizado por;

Te n s ã o m ã x i m a o = a + a

m a x m a

T ensão m í n i m a o . = o - o

m x n m a

T ensão m é d i a _ ‘^max °min

% 2

Ajnplitude do ci.clo '^max ®min

C o e f i c i e n t e de simetria

do ciclo R =

°min *^max

Os tipos mais comuns de carregamentos c í c licos u t i l i ­ zados nos ensaios de f a diga são:

a) C a r r e g a m e n t o Repetido (Puisante) a = 2 a m a x a a . m i n = 0 m a R = 0

b) Carregamento A l t e r n a n t e a = m R = 0

-1

c) Carregamento Flutuante a = a + a m a x m a o = m ‘^max ®min a . = o - a m i n m a a = a *^max ®min R = om ~ °a •^m ^ '^a d) Carregamento A l e a t ó r i o

Para os tipos a, b e £ aprese n t a d o s anteriormente, ;im c iclo c o m pleto compreende duas inversões no carregamento.

2.2. F adiga de Baixo e A l t o N ú m e r o de Ciclos

V e r i f i c o u - s e que em algumas aplica ç õ e s tais co mo vasos de pressão, fuselagem pressurizada, m e c a n i s m o s do trem de a t e r r i z a g e m de aviões, componentes de armas, etc., a vida po de e n v o l v e r somente algumas centenas ou m i l h a r e s de ciclos de tensSo. N estas condiçoes um m a t erial pode ser solicitado à n í ­ ve i s de t e n s ã o superiores ao do seu limite de fadiga.

N e s t e sentido, o bjetivando u m a p r o v e i t a m e n t o mais r a ­ cional do m a t e r i a l ou a otimizaçao das estrut u r a s metalúrgicas no que. se refere ã resposta das mesmas q u a n d o submetidas a e l e ­ vados n í v e i s de solicitaçoes cj^clicais, t o r n a - s e necessãirio o co nh e c i m e n t o do comportamento dos- ma^teriais p a r a uma vida. finita,

A fadiga no regime de baixo n ú m e r o de ciclos é defini da como sendo a falha do m a t erial para v a lores de vida infe riores a 10^ ciclos. Para ocorrer a r u p t u r a n estas condições é ne c e s s á r i o u m nivel de solicitação que c o n d u z a o material ao es tado plástico, eviden c i a n d o assim u m a d e f o r m a ç ã o p l á s t i c a m a ­ croscópica no r e g i m e de baixo número de ciclos. E m função des ta s o l i c i t a ç ã o o c o r r e a formação d e inúmeras m i c r o t r i n c a s , que c o m SAia p r o p a g a ç ã o e processo de absorção das m e n o r e s pelas mai ores r e s u l t a em poucas trincas remanescentes, E s t a situação é re f e r i d a como n u c l e a ç ã o múltipla, Q uando uma ú n i c a frente de p r o p a g a ç ã o ê formada, geralmente o r i g i n a d a de uma, trinca que sur ge de u m d e f e i t o microestrutural, o p r o c e s s o de n u c l e a ç ã o é d i ­ to homogêneo. E m q u a lquer dos processos de n u c l e a ç ã o a maioria das m i c r o t r i n c a s s urgem no inicio da vida, e m t o r n o de 1% des- ta

Os ensaios de fadiga de b a i x o número de ciclos g e r a l ­ m ente são realizados com controle de deformação, ou seja, a so licitação ê fornecida e m termos da deformação c í c lica do m a t e ­ rial e não da tensão. Isto ê feito para aproximar o m S x i m o p o £ sível os ensaios ao p r o b l e m a real, para o qual os result a d o s se rão aplicados, Como exemplo p o d e-se citar o c a r r e g a m e n t o cicli C O originado de v a r i a ç õ e s da temperatura, onde as deform a ç o e s térmicas, total ou p a r c i a l m e n t e impedidas causam tensões, o u o carregamento cíclico de u m a e s t r u t u r a elástica c o n tendo p e q u e ­ nos locais de d e f o r m a ç ã o plástica, tais como em pontos de c o n ­ centração de tensões.

Já no r egime de alto ciclo, onde p r e d o m i n a a d e f o r m a ­ ção elástica, a n u c l e a ç ã o de trincas é um evento b a s t a n t e isola do, ocorrendo apenas a f o r mação de poucas m i c r o t r i n c a s e a

pro-^ ^ 8 1

pagação de uma delas ê s u f i c i e n t e para provocar a r u p t u r a '.

E m síntese, no regime de fadiga de b aixo ciclo, há pr e dominância do p r o c e s s o de p r o p a g a ç ã o da fissura sob altos n ^ veis de deformação, e n q u a n t o q u e no regime de fadiga de alto c^ cio a nucleação da t rinca o c u p a a m a i o r parte da vida.

No que se refere ao m e c a n i s m o de falha, e x i s t e m d i f e ­ renças, pois no regime de b a i x o ciclo esta se a p r e s e n t a similar â que ocorre q u a n d o da t r a ç ã o estática, enquanto que no regime de. alto ciclo ê config u r a d a como m e c a n i s m o real de fadiga, que compreende o e s tágio I, onde o c o r r e a nucleação da t rinca e sua propagação inicial ao longo dos planos de cisalhamento, o está gio II onde a p r o p a g a ç ã o da t rinca se realiza na d i r e ç ã o normal às tensões principais e, finalmente, o estágio III onde o c orre a ruptura final Resumindo, as p rincipais caract e r í s t i c a s

r. I 8

que diferenciam os dois regimes sao '

REGIME DE BAIXO C I C L O Equação de C o f f i n - M a n s o n (eq. 26) Relaxação da tensão m é d i a Deformação p l á stica p r o g r e s s i v a Análise elasto - p l á s t i c a REGIME DE A L T O C I C L O Equação de B a s q u i m (eq. 24) Efeitos da tensão m é d i a

Propagação da trinca pela m e c â n i c a linear elástica de fratura (MLEF)

Análise elástica,

2.3. 'Comportamento E s t á t i c o e P s e u doestãtico

10

Para a compreensão da fadiga dos materiais é n e c e s s á ­ rio “ ■ um amplo conhecimento da r e s p o s t a estática tensão - de formação dos mesmos, tais como: c o m p o r t a m e n t o a tração, compres são, propriedades de fratura e c o m p o r t a m e n t o p s e u doestãtico c o ­ mo o encontrado quando o corre a d e s c a r g a na tração e consequen te carregamento em compressão.

As relações básicas t ensão - deformação são, g e r a l m e n ­ te, determinadas através de ensaios de corpos de prova cilxndri C O S sob carregamento axial, e d e f i n i d a s em relação às dimensões dos corpos de prova antes do ensaio.

a prese n t e discussão, segundo Figura 3. T e n s ã o nominal o = (

1

) D e f o r m a ç ã o nominal G = AL (

2

) T e n s ã o real F Si (3) D e f o r m a ç ã o real _{^R - <tn ( ^ )} (4)

As d iferenças entre as propri e d a d e s reais e nominais são i n s i g n i f i c a n t e s na região de pequenas deformaçoes. Antes de ocorrer a estjricção localizada no corpo de prova, p o d e m ser utj. lizadas as relaçSes;

SR = In ( 1 - e ) (5)

er = O' ( 1 - e ) (6 )

F i g u r a 3 - M o delo de carreg a m e n t o axial do corpo de prova.

No que se refere a r e s p o s t a tensão - deformação do m a ­ terial (Figura 4), tem-se:

Tensão limite de r esistência max (7)

T e nsão real â fratura oRj =- ! l

Sf

(

8

)

Este valor deve ser c o r r i g i d o d evido a distri b u i ç ã o triaxial de tensões que ocorre no corpo de prova a partir da es tricção, através do fator de B r i d g m a n segundo a fórmula:

B = _{(1 - f ) In (1 -}

-1

(9)

onde:

R = raio de c u r v a t u r a da superfície externa do corpo de prova,

r = raio da seção onde o c o r r e u a estricção.

C oeficiente de estricção Z = 100 (-^--- (10)So - Sf

D eformação real de fratura _{^Rf = % (11)}

Sf

ou

t (io°o°- Z) > ‘12)

Tensão limite c o n v e n c i o n a l de escoam e n t o oRg q 2 ~ é a tensão necessária para c ausar u m a d e f o r m a ç ã o p l á stica de 0,2%.

Ex p o e n t e de encruamento n - ê o e x p o e n t e que a defor mação p l á s t i c a deve ser elevada para ser p r o p o r c i o n a l à tensão real. Ê t omado como sendo a inclinação de log 0'R vs log eRp,

oR = k . e r:n (13)

CoeficTiente de resistência k - é a t e n s ã o real reque rida para c ausar uma deformação p l á stica real unitária.

F i g u r a 4 - Curva tensão - d e f o r m a ç ã o monotônica.

F i g u r a 5 - Descarregamento do m a t e r i a l no p o n t o C den tro da região plástica.

0 compo r t a m e n t o elástico ê r e p r e s e n t a d o p e l a p orção linear inicial d a curva. A deformação p l á s t i c a o c orre acima do ponto A. Isto se torna evidente quando a carga ê r e m o v i d a como m ostra a F i g u r a 5. A curva de descar r e g a m e n t o ê p a r a l e l a a li­ nha e l á s t i c a original,

Da curva tensão - d eformação real p o d e - s e obter;

eR« ^ Lei de Hooke

^ £j eRp = (x)"" aR = k . eR^ como; eRj. = eR„ + e tem-se; que é a r e p r e s e n t a ç ã o m a t e m á t i c a da curva t e n s ã o - d e f o r m a ç ã o mo notônica, o b t i d a no ensaio de tração simples.

De acordo com a equação acima, todo p o n t o entre 0 e B na F igura 4, p o ssui estas duas componentes de d e formação, sendo que as d e f o r m a ç õ e s elásticas p redominam entre O e A, onde ê mui to d i f í c i l m e d i r d e f o r m a ç õ e s plásticas. O u tras v e r i f i c a ç ã o ê que em q u a l q u e r p o n t o e ntre 0 e B existe d e f o r m a ç ã o e l á s t i c a i- m e d i a t a m e n t e recuperável.

C o n s i d e r a n d o o d escarregamento e uma i n v ersão n a c a r ­ ga, o corre o que ê d e n o m i n a d o de evento p s e u d o estático, pois si

tua-se entre o ensaio de tração ou compre s s ã o simples e o d e s e n v o l v i m e n t o pleno de u m c iclo de c a r r e g a m e n t o . Este inclui todas as situações possíveis de t e n s ã o e deform a ç ã o que o m a t e ­ rial p o d e e x p erimentar antes de c o m p l e t a r o primeiro ciclo.

Observa-se que q uando o c a r r e g a m e n t o ê invertido, a c u r v a tensão - deformação se d e svia r a p i d a m e n t e da linha elãsti- ca, através do segmento BC, F i gura 6. Este comportamento ane lãstico contrasta com o a p r e s e n t a d o d u r a n t e o carregamento ini­ cial OA. O fenômeno ê conhecido como efeito Bauschinger

F igura 6 - Inversão do c a r r e g a m e n t o apôs tração d e n ­ tro do r egime plástico.

2.4. C a r regamento Cíclico

E x i s t e m dois aspectos b á s i c o s p a r a a compreensão dos efeitos das tensões e d e formações cíclicas impostas, no c o m p o r ­ t a mento a fadiga de um material, o p r i m e i r o ê 'um c o nhecimento c o m p l e t o das condições de carregamento. 0 segundo aspecto refe r e-se à resposta do m a t erial p a r a estas condições de carregamen

to i m p o s t a s .

2.4.1. Condições de Carreg a m e n t o C í clico

As condições mais simples e mais u t i l i z a d a s são a q u e ­ las onde o carregamento ê p e r i ódico e u n i f o r m e m e n t e repetido co mo m o s t r a a F igura 7,

A função que descreve o f e n ômeno do c a r r e g a m e n t o pode ser a tensão, o deslocamento ou a deformação. A tensão e a d e ­ formação são as mais utilizadas, pois p e r m i t e m caracterizar me lhor o compor t a m e n t o do material

Figura 7 - E s quema do c a r r e g a m e n t o cíclico.

Uma descrição simples deste c a r r e g a m e n t o é feita da seguinte maneira: uma das v a r i á v e i s ê c o n t r o l a d a de forma que os v a l o r e s m á x i m o s são constantes no d e c o r r e r dos ciclos, sendo p e r m i t i d o â o utra variar de acordo c o m as c a r a c t e r í s t i c a s do ma

terial. U m ciclo completo, por exemplo, entre os p ontos A e B na Figura 7 inclui duas inversões no carregamento.

Quando o m a t e r i a l é solicitado d e ntro do r e g i m e e l á s ­ tico, a tensão e a d e f o r m a ç a o são relacionadas entre si através do m õdulo de e l a s t i c i d a d e E, como mostra a F i g u r a 8.

F igura 8 - R e g i s t r o da tensão - d e f o r m a ç ã o c í c l i c a den tro do regime elástico.

Pode-se, na prática, visualizar o m o v i m e n t o c í c l i c o entre A e B, através de regist r a d o r e s simultâneos e i n t e r d e p e n ­ dentes dos sinais da t e n s ã o e da deformação.

Cargas que p r o d u z e m deformação p l á s t i c a c o n d u z e m à respostas tensão - d e f o r m a ç ã o mais complexas do que a a p r e s e n t a da na Figura 8, sendo uma exten s ã o do c o m portamento p s e u d o e s t á ­ tico descrito anteriormente,

A F igura 9 m o s t r a o registro da tensão - d e f o r m a ç ã o cí clica, g uando da p r e s e n ç a de deformações plásticas, U m c i c l o de

carregamento nestas condiçoes desenv o l v e uma cruva d e n o m i n a d a laço de histerese, que b a s e a d o na v a r i a ç ã o da tensão e da defor m a ç ã o é a m a n eira m a i s indicada para, descrever o compor t a m e n t o de um m a t erial durante o c a r r e g a m e n t o cíclico. Sua p r o p r i e d a d e mais importante ê a capaci d a d e de registrar a d eformação p l ã s t i ca por ciclo, Esta d e f o r m a ç ã o p l á s t i c a ê a q uantidade física me n s u r á v e l que permite a m e l h o r r e lação com o fenômeno da fádi ga, quando comparada, aos o u tros fatores presentes no

proces-l i o |

so ‘,

Figura 9 - D e s e n v o l v i m e n t o de u m laço de histerese,

2.4.2. Resposta do M a t e r i a l â Solicitações Cíclicas

Quando o m a t e r i a l ê solicitado ciclicamente d e ntro do regime plástico, geralm e n t e o corre u m processo de a m o lecimento ou endurecimento cíclico.

E m poucos casos o m a t e r i a l apresenta, u m c o m p o r t a m e n ­ to estável.

Em' controle de tensão, a função c o n t r o l a d a possui uma amplitude constante o^, a v a r i á v e l independente, deformação, pos­ sui a m e s m a frequência que a carga imposta, p o r ê m sua amplitude varia de acordo com a r e s p o s t a do material, N o caso de endureci mento c í clico a resist ê n c i a do m a t erial à d e f o r m a ç ã o aumenta can o número de ciclos,, result a n d o deformações m e n o r e s sob uma mes-' ma carga, Este processo ê similar ao t r a balho a frio na defor mação monotônica. Para o a m o lecimento cíclico ocorre uma d i m i ­ nuição g r a d u a l da resist ê n c i a ã deformação, eviden c i a d a pelo au mento na ampli t u d e da deformação. Neste caso a situação torna- se facilmente instável quando a deform a ç ã o p o r ciclo representar uma p a r c e l a elevada daquela v e r i f i c a d a na r u p t u r a estática.

ENDURECIMENTO

AMOLECIMENTO

F i g u r a 10 - Repre s e n t a ç ã o e s q u e m á t i c a da resposta do m a t erial ao c a r r e g a m e n t o cíclico.

Quando a variável contro l a d a i a deform a ç ã o de a m ­ p l i t u d e constante, e a variável indepe n d e n t e ê a tensão, verifi. ca-se r e s p e c t i v a m e n t e para o endur e c i m e n t o e amolec i m e n t o cícli co u m a u m e n t o e uma diminuição da t ensão d u r a n t e o c a r r e g a m e n ­ to, A F i g u r a 10 esquematiza estes c o m p o r t a m e n t o s para os dois casos, controle de tensão (A) e da d e f o r m a ç ã o (E)_,

©

©

Figura 11 - Laços de h i s t e r e s e com respo s t a à s olici­ tações cíclicas.

E m ambos os casos, o c o r r e m a j u s t a m e n t o s muito p e q u e ­ nos nas amplit u d e s da variável i n d e p e n d e n t e após a metade da vi da, para u m dado nível de solicitação cíclica.

repre-sentadas nos diagramas tensão - d e f o r m a ç ã o como m o s t r a a Figura 11, onde as situações (A) config u r a m u m e n d u r e c i m e n t o cíclico e (B) a m o l e c i m e n t o cíclico para as situações (1) controle de ten­ são e (2) c o n trole de deformação.

2.4.3, E s t i m a t i v a Quanti t a t i v a da R e s p o s t a do M a t e r i a l ã So-

licitações Cíclicas a p artir das P r o p r i e d a d e s Monotô-

nicas

0 amolecimento ou e n d u r e c i m e n t o c í c l i c o de u m certo 12 13 material, depende principalmente do seu estado inicial '

Ê a m p l a m e n t e aceito que os m a t e riais r e c o zidos e n d u r e c e m enquan to que m a t e r i a i s trabalhados a frio t e n d e m a amolecer. Para m a teriais c o m d u r e z a intermediária segue-se p e q u e n o s ajustamentos cíclicos.

A Figura 12 apresenta o comportamento do cobre OFHC nas condições (a) c o m p l e t a m e n t e recozido; (b) p a r c i a l m e n t e reco zido e (c) traba l h a d o a frio, configurando o que a n t e r i o r m e n t e foi exposto.

O casio n a l m e n t e p o d e m ser observadas respostas d i f e r e n tes em função de difere n t e s carregamentos cíclicos, ê o caso do aço do tipo Armco, cuja c u r v a tensão - deformação esquemática. Figura 13, m o s t r a os n iveis de tensão (a) que c a u s a m amolec i m e n to e (b) que causam e n d u r e c i m e n t o cíclico

F igura 13 - C u r v a t ensão - d eformação e s q u e m á t i c a para o aço do tipo Armco.

Uma m a n e i r a b a s t a n t e simples de p r ever o c o m p o r t a m e n ­ to cíclico de u m d e t e r m i n a d o material, p r o p o s t a por Smith,

12,14

Hirschberg e M a n s o n apud e através da r e l a ç a o entre

tensão limite de r e s i s t ê n c i a e a tensão limite c o n v e n c i o n a l de escoamento (0,2%) obtidas no ensaio de tração simples. P a r a va lores de Co-j- / <^eO 2 ^ m e n o r e s que 1,2 indicam a m o l e c i m e n t o c í ­ clico, se maiores que 1,4 o c o r r e r á o e n d urecimento c í c l i c o e pa

ra valores compreendidos entre 1,2 e 1,4, o comportamento do m a terial ê de uma relativa estabilidade, não sendo possível p r e ­ ver a resposta do mesmo.

2.5. Propriedades T e n s ã o - D e f o r m a ç ã o Cíclica - Defini ç õ e s

Estas propri e d a d e s são determinadas através do e n saio de corpos de prova submetidos a d e f o r m a ç ã o axial cíclica e defi nidas 11,13,15,16[ como segue:

- Curva tensão - d e f o r m a ç ã o c í c lica - ê o lugar geomét r i c o dos máximos de tensão real de s ucessivos laços de histe r e s e está veis, obtidos através do ensaio de corpos de prova p a r a dife rentes amplitudes de deformação. Um típico laço de h i s t e r e ­ se é mostrado na Figura 14(a). N a Figura 14(b) p o d e - s e ver a curva tensão - d e f o r m a ç ã o cíclica.

Figura 14 - Laço de h i s t e r e s e e curva tensão - d e f o r m a ção cíclica.

Da F igura 14(a) tem-se: AeRp AeR^ como:

AeRg

AcrR

(15) 2E (Lei de Hooke) (16) S u b s t ituindo-se C16) em C15) , tem-se; A e R p A e R ^ A o R 2 2 2E (17)

T e n s ã o limite convencional de e scoamento c i c l i c a o' o ~ é e ü , 2

a tensão r e q u erida para causar uma d e f o r m a ç ã o p l á s t i c a de 0,2% na curva, ciclica t e n s ã o d e f o r m a ç ã o .

Ex p oente de e n cruamento cíclico n' - é o e x p o e n t e no qual a amplitude d a deformação plástica p r e c i s a ser e l e v a d a para ser p r o p o r c i o n a l a amplitude da tensão. Seu v a l o r é obtido

A e R ^ AoR

d a inclin a ç a o de log - vs log —

C o e f i c i e n t e de resistência ciclico k' - é a t e nsão real r e ­ q u e r i d a para causar uma deformação p l á s t i c a u n i t á r i a na equa ção:

de u m aço pode m u d a r significativamente q u a n d o submetido a de formaçoes cíclicas dentro da região de d e f o r m a ç õ e s p l á s t i ­ cas. E m v i s t a disto, a curva tensão - d e f o r m a ç ã o c í clica ca racte r i z a m e l h o r a resposta de um aço nestas condições,

A e q uação d a curva tensão - d e f o r m a ç ã o pode ser reduzi da u t i l i z a n d o - s e as propri e d a d e s cíclicas.

Assim, da equação (17), vem:

AeRt AoR aeRp 2E * - r Da e q u a ç ã o (18): _ ,AoR,n'(U^jxi (20) 2 2k' S u b s t i t u i n d o - s e (20) em (19), tem-se; A e R t _ A a R .AoR. n V ' . 2 2E

E x i s t e m v ários m é t odos para a d e t e r m i n a ç ã o da curva tensão - d e f o r mação'cíclica, entre os quais p o d e - s e citar I I ;

Ensaio de passo m ú l t i p l o - consiste em submeter u m c orpo de prova a d i v ersos n í veis sequenciais de amplitude de d e f o r m a ­ ção cíclica. O n ú m e r o de ciclos em cada nível deve ser sufi ciente p a r a garan t i r a estabilidade do laço de histerese, mas o m enor possível, p a r a evitar possíveis danos p o r fadiga, A superposição dos laços de histerese e s t a b i l i z a d o s p e r m i t e m

obter, através da união dos v é r t i c e s dos mesmos, a curva ten são - deformação cíclica, ver F i gura 14(b).

E n s a i o de passo incrementai - submete-^se o corpo de prova à blocos de amplitude de d e f o r m a ç ã o g r a d u a l m e n t e decrescentes e em seguida crescentes, como m o s t r a a Figura 15. U m valor m á x i m o para a amplitude de d e f o r m a ç ã o de t 1,5 a t 2,0% é su ficiente para estabilizar o m a t e rial, sem o perigo d e c a usar a e s t r i c ç ã o ou romper o m e s m o antes de atingir o estado e s ­ tável. A curva cíclica é, então, d e t e r m i n a d a pelo lugar geo m é t r i c o dos extremos dos laços de h i s t e r e s e superpostos. Ge r a l m e n t e a curva é obtida após três ou quatro blocos de v a ­ riação, na amplitude da deformação.

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Figura 15 - E nsaio de p a s s o incrementai com a curva cíclica obtida.

T ração monotônica apôs e s t a b i l i z a ç ã o c í clica do material neste método traciona-se o corpo de prova até a ruptura após u ma série de aplicações de blocos de d e f o r m a ç ã o como no méto do anterior. 0 ensaio de tração deve ser conduzido após a a plicação de u m bloco de d e f o r m a ç õ e s decres c e n t e s e após e s ­ t a bilizados os laços de histerese.

- E n saio progressivo - o utro p r o c e s s o para a obtenção da c u r ­ v a cíclica tensão - d e f o r m a ç ã o é através da utilização dos la ços de histerese d i retamente o b t i d o s no ensaio. Para diferen tes amplitudes de deform a ç ã o r e g i s t r a - s e a tensão c o r r e s p o n ­ dente p a r a a metade da vida. Este p r o c e d i m e n t o conduz a pon t o s discretos sobre a curva t ensão - d e f o r m a ç ã o cíclica,

2.6. . Mudanças nas Propriedades M e c â n i c a s devido ao ' 'Carre­

gamento Cíclico

Baseando-se no que foi d e s c r i t o anteriormente, é r a ­ zoável se fazer \ima análise das p o s s í v e i s m u d a n ç a s nas proprie dades m e c â n i c a s causadas pelo c a r r e g a m e n t o cíclico.

A taxa de variação das p r o p r i e d a d e s mecânicas sofre uma influência significativa ao longo de u m ensaio. Esta influ ência é m á x i m a nos primeiros ciclos, algo e m torno de 10 a 20% da v i d a de fadiga. P e rmanecendo c o n s tante as condições de c o n ­ trole, u m m a t erial se ajustará r a p i d a m e n t e â sua condição de e quillbrio, que é refletida por u m laço de h i s t e r e s e p r a t i c a m e n ­ te estável

da curva m o n o t ô n i c a para os m a t e r i a i s que endurecem, e abaixo para os m a t e r i a i s que amolecem ciclicamente.

Sabe-se que cada metal possui u m a gama de resistência ou d u r e z a em potencial que poder ser a l c a n ç a d a por meio de con­ f o r mação a frio, recozido e tratamentos térmicos, etc.. Se um m e t a l estâ inicialmente mole, ele e n d u r e c e r á ciclicamente. No caso d e se apresentar inicialmente duro, o c o r r e r á o amole c i m e n ­ to, E m ambos os casos a tendência ê u m e s t a d o intermediário que r e f lete u m certo grau de equilíbrio, pois u m m e t a l neste estado sofre a penas pequenas modificações q u a n d o s u b m etido ao c a r r e g a ­ m e n t o cíclico,

O estado inicial é refletido p e l o expoente de e ncrua­ m e n t o m o n o t ô n i c o n. . Para a m a i o r i a dos m e t a i s o expoente de en cruam e n t o c í clico n' está compreendido entre 0,10 e 0,20 ^ L consequentemente, se o valor de n é baixo, c a r a c t e r i z a n d o um me tal endurecido, ocorrerá um aumento no v a l o r de n', em conse­ q u ê n c i a do amolecimento cíclico. Se n a p r e s e n t a - s e alto, carac terizando u m m a t e r i a l mole, em c o n s e q u ê n c i a do e n d u recimento cí clico, o v a l o r de n' diminuirá. Este c o m p o r t a m e n t o está e s q u e ­ m a t i z a d o na F i g u r a 16,

E m função das solicitações cíclicas p o d e m ocorrer m o ­ d i f i c a ç õ e s substanciais na r e sistência á d e f o r m a ç ã o dos metais e seu s i g n i f i c a d o prático é importante no p r o j e t o de peças su jeitas â fadiga, h resistência de \im m e t a l p u r o completamente r e c o z i d o p o d e aumentar de um fator de cinco ou mais, ou ser r e ­ d u z i d a de u m fator igual a dois se o e stado inicial apresentar u m alto grau de deformação a frio I I , a F i g u r a 17 m ostra cur vas m o n o t ô n i c a s e cíclicas para v ários materiais.

o

IO 0)

c

«>

■g b"

«D Ok ■O O 3 Q.

I

duro, frágil

n '>n

amolecimento

cíclico

/ mole, dutil

'

n‘< n

—

ciclica

— monoJona

endurecimento

c íc lic o

amplitude da deform ação p lá stic a

log à t p / 2

Figura 16 - C o m p a r a ç ã o entre os expoentes de encrua- m e n t o cíclico e monotônico. cr

(T

í

2 0 2 4 - T A / 7 0 7 5 - T 6

’

t 1 - 1 e _e . / _ 1 ^ —

i /

_{f " ' "}

/ S A E 4 3 4 0 ' ( 9 5 0 B H N ) — —1—---1— ^— 1— 1 / Ti 811 ,

MAN-TEN-STELL

-

c íc l i c a

--- MONOTONA

cr

_o

0.

z

o o IO 0.2

F igura 17 - Curvas t e n s ã o - d eformação m o n o t ô n i c a s e cí c licas I13'

des m e c â nicas estão resumidas no quadro a baixo 13

Q uadro 1 - Mudanças nas p r o p r i e d a d e s mecânicas.

P R O P R I E D A D E M E C Â N I C A E F E I T O E, m ó d u l o de elasticidade Dureza aR^, t e n s ã o de r e s i s t ê n ­ cia Z, c o e f i c i e n t e de e stric­ ção oRf, r e s i s t ê n c i a real â ru ptura eRf, d e f o r m a ç ã o de fra­ tura n, e x p oente de encruamen- to E f eito insignificante. Estas são as p r o p r i e d a d e s do e s ­ coamento, pois estão relaciona das com a facili d a d e com que a deform a ç ã o p l á s t i c a pode ocorrer, são todas p o t e n c i a l m e n t e altera das pelo c a r r e g a m e n t o cíclico. Se o m e t a l e n d u r e c e r ciclicamen te elas aumentam, se amolecer elas diminuem.

Estas p r o p r i e d a d e s p o d e m ser cla^ sificadas como de fratura, pois elas são a m e d i d a da r e s i s t ê n ­ cia à fratura, P o d e m ser modi ficadas, mas e m m e n o r grau do que as de escoamento.

Ê uma p r o p r i e d a d e de escoamento, e pode ser b a s t a n t e modificada pelo c a r r e g a m e n t o cíclico. T o ­ dos m etais p a r e c e m ajustar-se a um n' entre 0,10 - 0,20.

Conclui-se,; do anteriormente exposto, que as p r o p r i e ­ dades de e s c o a m e n t o determinadas no ensaio de t ração sintples, po­ d e m não r e f letir a capacidade de u m m a t e r i a l r e s istir â deforma ções repetidas. Logo, estas propr i e d a d e s d e v e m ser d e t e r m i n a ­ das após c ompletadas as mudanças das mesmas, como consequência

das solicitaçoes cíclicas.

Sob o aspecto metalúrgico, o amolecimento ou endureci mento cíclico, como conseq u ê n c i a do carregamento d e n t r o d a r e ­ gião de d e formaçoes plásticas, ê explicado com base na t e oria de discordâncias da seguinte maneira: a baixa d e n s idade de dis cordâncias em u m m a t e r i a l no estado inicial mole a u menta r a pida mente com o c a rregamento cíclico, resultando o endurecimento, atê atingir uma c o nfiguração estável característica do m a t e r i a l para o nível de solicitação. Na condição inicial endurecido, o corre um rearranjo de discor d â n c i a s conduzindo à uma c o n f i g u r a ­ ção que oferece menor r e s i s t ê n c i a â deformação e conseq u e n t e

amolecimento ,

2.7. Propriedades de F adiga sob Deformação C í clica

A resis t ê n c i a dos materiais à fadiga ê, geralmente, re lacionada com o n ú m e r o de inversões para causar a r u p t u r a com base em uma amplitude de d e f o r m a ç ã o ou carga constante.

As p r opriedades aqui definidas 1 1 ^ sgo d e ­ terminadas através do e nsaio de corpos de prova sob c o n t r o l e da amplitude da deformação, Como o ciclo de deform a ç ã o e n volve de formações plásticas, a situação pode ser analisada de acordo com a Figura 18,

As componentes e l á stica e plástica da d e f o r m a ç ã o são, r e s p e c t i v a m e n t e :

,AaR. A a R

Ae

= T Q = AeR.

-A a R

(23)

Figura 18 - Laço de h i s t e r e s e mecânico.

Observa-se que a m e d i d a que AeRp diminui, a amplitude da deformação torna-se m e n o r e a d e f o r m a ç ã o total aproxima-se d a elástica, Ê importante s a l i entar que a falha por fadiga só ocorre q uando existem d e f o r m a ç o e s plásticas I I , não s i g n i f i ­ cando que para uma tensão n o m i n a l abaixo da de escoamento esta r ã controlada a ocorrê n c i a da falha, pois m esmo nestas condiçoes p o d e m ocorrer deformações p l á s t i c a s localizadas.

Será feita uma análise p a r a as deformaçoes elásticas, p lásticas e total.

Para o caso das d e f o r m a ç õ e s elásticas a seguinte lei

113 I

AeRg , b --- ^ . E = oRa = 0Rf . (2N.) (24) ou

o

Ra T _ 2Nf = ( ^ ) b (25) Onde;

b - expoente de resist ê n c i a â fadiga - é aquele no qual a v i d a em inversões (2N£), d e v e ser elevada para ser propor c i o n a l a amplitude da tensão real. Ê tomado como sendo a i n c l i n a ­ ção de log vs log 2Nj, Seu valor estâ c o m p r e e n d i d o e n t r e ;

- 0,07 a - 0,12 segundo 15 ou

- 0 , 0 5 a - 0,12 segundo

oR^ - coeficiente de r e s i s t ê n c i a à fadiga - é a tensão real re querida para causar a r u ptura em uma inversão. É tomado co mo sendo a inclinação da curva log vs log 2Nf, p a r a

2Nf = 1 . Na p r á t i c a aR^ = aR^.

Observ a n d o - s e a e q uação (24), conclui-se que p a r a se atingir u m valor elevado de 2Nj deve-se ter um aR^ elevado, ou seja,um material com e l e vada resistência.

A Figura 19 m o s t r a a representação desta equação. Es te regime de fadiga aqui a n a l i s a d o conduz â vidas com e l e vado número de ciclos, d evido âs pequenas deformações envolvidas.

o Q. s lu o;

o ^

'«Ï o»

Vi «D 2 «> lu ^ ^ z Q. < ca

VIDA,

N« DE

INVERSÕES ATE A RUPTURA. 2 N f

Figura 19 - Curva t e n s ã o - v i d a do aço 1020 laminado a q uente

11

Quando se considera fadiga envolvendo deformaçoes p l ^ ticas, a seguinte expressão, c o n h e c i d a como relação de C o f f i n - Manson, descreve b e m o fenômenoi

A G Rt") I c --- £. = eRf . (2Nf)‘^ (26) ou (27) 2e'Rf Onde:

c - E x p oente de dutil i d a d e ã fadiga - é aquele no qual a vida em reversões (2Nf), n e c e s s i t a ser elevada para ser

propor-cional a amplitude da deformação. Seu v a l o r está c o m p r e e n ­ dido entre - 0,5 e - 0,7, sendo que o v a l o r - 0,6 é mais r e p r e s e n t a t i v o

e'Rj - C o e f i c i e n t e de dutilidade à fadiga - é a d e f o r m a ç ã o real r e q u e r i d a para causar a ruptura em uma inversão. Ê tomada como sendo a intersecção da curva log AeRp vs log 2N^, pa ra 2N^ = 1. Seu valor está c o m p r e e n d i d o entre eR,£ e eRf/2 em magnitude. Para os aços está c o m p r e e n d i d o entre 0 e 1. Supondo of = pode-se calcular eR^ através de ^ ^ ;

(28) < u q; » í to J O 0.

§

Q => Q. s

VIDA, N* DE INVERSÕES ATE A RUPTURA,

F i g u r a 20 - Curva deformação p l á s t i c a v i d a do ..aço 1020 laminado a q u e n t e H

a-tingir um v a l o r elevado de 2N£, o m a t e r i a l d e v e apresentar gran de dutilidade. Observações e x p erimentais i n d i c a m que para este caso ê de interesse que o material exiba t a m b e m grande c a p a c i ­ dade de encruamento,

A equaçao (26) está r e p r e s e n t a d a na F igura 20.

Consid e r a n d o agora a d e f o r m a ç ã o total, p o de-se e s c r e ­ ver:

(29)

Substituindo-se (24) em (26) , na e q u a ç ã o (29) tem-se;

, (2Nf)^ + e VRf .

.

(2Nf)^

(30)

F igura 21 - Vida do aço 1020 l a m inado à quente como função da amplitude da d e f o r m a ç ã o e l á s t i ­ ca, plástica e total 111

A Figura 21 m o s t r a as curvas da d e f o r m a ç ã o elástica, plást i c a e total vs o número de inversões, superp o s t a s em um único gráfico.

O b s e r v a - s e que para altos valores de AeR^/2 deve-se u tilizar m a t e r i a i s dúteis, enquanto que para v a l o r e s baixos ê in d icada a u t i l i z a ç ã o de materiais de alta resistência.

•

O ponto onde as componentes da d e f o r m a ç ã o e l á stica e plástica são iguais é denominado transição da v i d a de fadiga e denotado por 2N,j,, Sua importância reside no fato de poder ser utilizado como um ponto de referência b a s t a n t e útil, para carac terizar em qual dos regimes de fadiga, baixo ou alto ciclo, ocor

I 8

3. PROCEDIIŒNTO E X P E R I M E N T A L

Conforme jâ c itado anteriormente, o objetivo do p r e ­ sente trabalho ê a I n vestigação experimental do efeito da tempe ratura de revenido nas p r o p r i e d a d e s mecânicas e, em especial, no comportamento â fadiga, de baixo n úmero de ciclos de um aço de baixa liga e alta resistência.

Para este fim foram n ecessárias certas técnicas e pro cedimentos experimentais, os quais serão descritos neste c a p í ­ tulo.

3.1. Material

Os corpos de p r o v a u t i l i z a d o s nos ensaios de tração m o n o t ô n i c a e fadiga de b aixo n úmero de ciclos, foram obtidos a partir de barras de 19,05 m m de d i â metro do aço V M 40 (similar ao ABNT 4340), fabricado pela AÇOS VILLARES S/A..

0 Quadro 2 fornece a c omposição química das duas b a r ­ ras usadas para a confecção dos corpos de prova.

Quadro 2 - C o m p o s i ç ã o q u í m i c a da liga - % em peso,

ELEM ENTO

C

Mn

P

S

C r

N i

Mo

AMOSTRA 1

0 ,4 6

0 . 6 5

0 ,0 3 2

0 , 0 2 2

i . 5 5

_{1,9 6}

_{0 ,3 6}

AM OSTRA 2

0 .4 6

0 ,6 5

0 ,0 3 0

0 ,0 2 3

i , 5 6

1,9 6

0 ,3 6

0 Quadro acima m o s t r a que as diferenças encont r a d a s na composição q u í mica das duas barras é insignificante, não

in-fluenc i a n d o no comportamento do material.

3.2. Confecção dos C o r p o s de P r o v a

Para a d e terminação das p r o p r i e d a d e s mecânicas estâti cas e cíclicas, foram u tilizadas duas geometrias de corpos de p r o v a .

Os corpos de. prova p a r a a r e a l i z a ç ã o dos ensaios está ticos foram confeccionados segundo as normas da ABNT - N B R 6152.

Após usinados nas. suas d i m e nsões finais apresentaram a confi g u r a ç ã o geométrica da F i g u r a 22. d W 7

IO

M/4 - 5 0 140 -15- 30

F i gura 22 - C o n f i g u r a ç ã o g e o m é t r i c a dos corpos de pro va utilizados nos ensaios estáticos.

A forma e dimensões dos corpos de prova para os e n ­ saios de fadiga de-baixo número de ciclos, em v i rtude da não e x i s t ê n c i a de normas, são baseados e m inform a ç õ e s provenientes de trabalhos realizados neste campo 7 , 1 3 ,17,18,19 ^ recaindo a e s colha na configuração que m e l h o r de adapte aos equipamentos e xi s t entes e aos dados a serem obtidos.

Entre os fatores que d e v e m ser considerados, pode-se citar;

a) Dispo n i b i l i d a d e de m a t erial - este fator f r e q u e n t e m e n t e limi ta o tamanho e forma dos corpos de prova.

b) Forma da seção útil - é governada pelo tipo de e n s a i o e x e c u ­ tado e dos dados experimentais a serem obtidos. Quando se deseja informaçoes completas sobre a h i s t ó r i a da t ensão - de formação d u r a n t e o d e c orrer do ensaio do tipo tração - c o m p r e s são, p a r t i c u l a r m e n t e quando a fadiga é invest i g a d a no regime de baixo n ú m e r o de ciclos, onde a deformação p l á s t i c a em c a ­ da ciclo de c a r r e g a m e n t o dificulta a relação entre a tensão e a deformação, a utiliz a ç ã o de corpos de p r o v a cilíndricos ê mais s i g n i f i c a t i v a comparado com os outros m é t o d o s de e n ­ saio , P a r a os ensaios cíclicos foi e s c o l h i d o u m corpo de p r o v a com a confi g u r a ç ã o geométrica da F i g u r a 23, por apre sentar uma série de vantagens em relação aos corpos de prova cilíndricos e seção útil uniforme, tais como:

- a d e f o r m a ç ã o pode ser m e dida e controlada na seção t r a n s ­ v ersal onde o c o r r e a ruptura;

- p o d e m ser p r o d u z i d a s no m a t erial d e formações de c ompressão r e l a t i v a m e n t e grandes, sem o perigo de f l a m b a g e m do corpo de prova.

E xiste m e n o r p r o b a b i l i d a d e de que as falhas internas ou su­ p erficiais p o s s a m afetar os resultados, pois s o m ente uma pe quena p a r c e l a do corpo de prova é exposta ã d e f o r m a ç ã o m á x i ­ ma.

c) Capaci d a d e do e q u i p a m e n t o - os corpos de p r o v a d e v e m ser d i ­ mensio n a d o s de a c o r d o com a capacidade do e q u i p a m e n t o de en

saio empregado, Da m e s m a forma as e x tremidades rosqueadas dos corpos de p r o v a geralmente utilizadas p a r a a f i xação dos

mesmos no sistema de garras, devem ser p rojetadas de tal m a ­ neira que assegure a o c o r r ê n c i a da ruptura na seção útil do corpo de prova. U s u a l m e n t e ê satisfatória uma r e lação entre as áreas da extremidade, rosqueada e da seção r e d uzida de 4 a 6 13 I

140

T

M M

F i gura 23 - C o n f i g u r a ç ã o geométrica dos corpos de pro va utilizados nos ensaios cíclicos.

d) A cabamento s uperficial - ê u m parâmetro importante a ser con siderado no p r o j e t o e confecção dos corpos de prova. Deve- se evitar possí v e i s marcas, de. ferramentas ou riscos no senti do c i r c u n f e r e n c i a l , as quais poderiam funcionar como c o n c e n ­ tradores de tensão, o c a s i o n a n d o uma ruptura p r e m a t u r a dos cor pos de prova.

A e s p e c i f i c a ç ã o E 606-80 da ASTM, r e c o menda p a r a os ensaios de fadiga de b a i x o n ú m e r o de ciclos as geomet r i a s a p r e ­ sentadas na Figura 24,

Figura 24 - Corpos de p r o v a recomendados pela ASTM.

3.3. Tratamentos Térmicos e sua Caracterizaçao

Após a confecção dos corpos de prova, os mesmos foram encaps u l a d o s em tubos de vidro para p o s t e r i o r tratamento t é r m i ­ co, evitando-se desta m a n e i r a o c o ntato com a atmosfera do for no e consequente oxidação e/ou d e s c a r b o n e t a ç ã o superficial.

F igura 25 - Vista dos corpos de prova encapsulados em tubos de vidro.

pas.

Os tratamentos térmicos foram executados em três

eta-Na primeira, os corpos de p r o v a foram pré-aquecidos lentamente até a temperatura de 650°C, evitando-se, assim, dois