Comportamento em fadiga de um aço estrutural patinável soldado

Resumos

Esse trabalho apresenta o estudo do comportamento de juntas soldadas de um aço estrutural, do tipo SAC 50, sob fadiga. O material foi soldado através do emprego do processo ao arco elétrico com eletrodo revestido. Além dos ensaios mecânicos tradicionais, aplicaram-se metodologias da Mecânica de Fratura, através de ensaios de tenacidade à fratura (COD), e ensaios de propagação de trincas por fadiga. Avaliaram-se as características comportamentais das três regiões do material: zona fundida, zona termicamente afetada e metal base. Verificou-se, em termos de tenacidade, que as três regiões do material, pelo efeito da soldagem, apresentaram comportamento semelhante. Correlacionaram-se os valores obtidos nos ensaios de tenacidade com ensaios de impacto Charpy. A zona fundida apresentou valor de COD, deltam, maior que a zona termicamente afetada e que o metal-base, o que significa maior resistência à propagação de trincas. O efeito do fator R não influenciou significativamente o posicionamento das curvas de propagação de trinca por fadiga. No entanto, para R = 0,7, o valor-limiar (threshold), deltaKth, sofreu alteração, diminuindo para o caso do metal-base. Pôde-se verificar, também, que, para o ensaio de propagação de trinca por fadiga, o valor-limiar, para o metal- base foi inferior às outras regiões do CP, caracterizando um pior desempenho.

fadiga; junta soldada; aço estrutural

This study observes the behavior of welded joints of structural steel type "SAC 50" under fatigue. The material was welded by use the electric arc with coated electrodes process. Besides using the traditional mechanical tests, Fractural Mechanical Methods were applied while performing tests on fracture resistance (COD) and crack propagation caused by fatigue. The behavioral features for the material's three areas (cast zone, thermally affected zone and base metal) were determined. In terms of resistance, the conclusions were that the material's three areas presented similar behavior considering the welding effect. The values obtained after the resistance tests coincide with those related to the Charpy impact tests. The cast zone presented a higher COD value than the base metal i.e. higher resistance to crack propagation. The effect of the R factor did not present a strong influence in the position of the curves of crack propagation caused by fatigue. However, for R = 0.7, the threshold value (deltaKth), was altered, being reduced in the case of the base metal. For the crack propagation test caused by fatigue, the threshold value for the base metal was lower than that in other areas of the specimens, indicating a poorer performance.

fatigue; welded joint; structural steel

Comportamento em fadiga de um aço estrutural patinável soldado

Luiz Cláudio Cândido

Professor - DEMET/UFOP - E-mail: [e-mail]

Leonardo Barbosa Godefroid

Professor - DEMET/UFOP - E-mail: [e-mail]

José Geraldo Araújo Silva

Doutorando - REDEMAT/UFOP - E-mail: [e-mail]

Resumo

Esse trabalho apresenta o estudo do comportamento de juntas soldadas de um aço estrutural, do tipo SAC 50, sob fadiga. O material foi soldado através do emprego do processo ao arco elétrico com eletrodo revestido. Além dos ensaios mecânicos tradicionais, aplicaram-se metodologias da Mecânica de Fratura, através de ensaios de tenacidade à fratura (COD), e ensaios de propagação de trincas por fadiga. Avaliaram-se as características comportamentais das três regiões do material: zona fundida, zona termicamente afetada e metal base. Verificou-se, em termos de tenacidade, que as três regiões do material, pelo efeito da soldagem, apresentaram comportamento semelhante. Correlacionaram-se os valores obtidos nos ensaios de tenacidade com ensaios de impacto Charpy. A zona fundida apresentou valor de COD, d_m, maior que a zona termicamente afetada e que o metal-base, o que significa maior resistência à propagação de trincas. O efeito do fator R não influenciou significativamente o posicionamento das curvas de propagação de trinca por fadiga. No entanto, para R = 0,7, o valor-limiar (threshold), DK_th, sofreu alteração, diminuindo para o caso do metal-base. Pôde-se verificar, também, que, para o ensaio de propagação de trinca por fadiga, o valor-limiar, para o metal- base foi inferior às outras regiões do CP, caracterizando um pior desempenho.

Palavras-chave: fadiga, junta soldada, aço estrutural.

Abstract

This study observes the behavior of welded joints of structural steel type "SAC 50" under fatigue. The material was welded by use the electric arc with coated electrodes process. Besides using the traditional mechanical tests, Fractural Mechanical Methods were applied while performing tests on fracture resistance (COD) and crack propagation caused by fatigue. The behavioral features for the material's three areas (cast zone, thermally affected zone and base metal) were determined. In terms of resistance, the conclusions were that the material's three areas presented similar behavior considering the welding effect. The values obtained after the resistance tests coincide with those related to the Charpy impact tests. The cast zone presented a higher COD value than the base metal i.e. higher resistance to crack propagation. The effect of the R factor did not present a strong influence in the position of the curves of crack propagation caused by fatigue. However, for R = 0.7, the threshold value (DK_th), was altered, being reduced in the case of the base metal. For the crack propagation test caused by fatigue, the threshold value for the base metal was lower than that in other areas of the specimens, indicating a poorer performance.

Keywords: fatigue, welded joint, structural steel

1. Introdução

Os materiais, quando são solicitados por diferentes ações, sofrem deformações, chegando à ruptura mecânica após ser ultrapassado o limite de resistência do mesmo. No entanto, em muitos casos, a ruptura poderá ocorrer para níveis de carregamento inferiores ao limite de escoamento, bastando, para tal, que o material seja solicitado por ações cíclicas. A esse fenômeno dá-se o nome de fadiga.

Com a necessidade de utilização de novos materiais para a construção civil, o aço sempre tem tido uma grande aplicação. Porém, para sua adequada utilização, seria necessário desfazer a idéia de que o aço corrói e pode "jogar a construção no chão". De fato tal possibilidade existe, e não pode ser descartada. Pensando nisso, na década de 30, pesquisadores americanos (Dias, 1998) chegaram ao desenvolvimento do aço patinável. Esse aço contém um certo teor de cobre e outros elementos de liga, onde o produto de corrosão gera uma camada protetora no metal. Nesse trabalho, utilizou-se o aço com a classificação USI-SAC50 (soldável anticorrosivo). Segundo o Manual Brasileiro Para Cálculo de Estruturas Metálicas de 1989, as principais vantagens do emprego de um aço desse tipo são:

• Maior resistência mecânica (aproximadamente 40% a mais que um aço do tipo ASTM A-36).

• Maior resistência à corrosão (de 6 a 8 vezes maior que o aço ao carbono, dependendo do meio).

• Menor gasto com manutenção, pois o aço se autoprotege.

• Menor peso na estrutura, o que leva à economia na fundação.

Atualmente, o maior entrave para utilização desse tipo de aço (SAC50) é o seu preço, que gira em torno de 20% a mais que o preço do aço estrutural comum.

É sabido que, quando são adicionados elementos de liga ao aço, são alteradas algumas de suas características. Para o aço estrutural, uma característica preocupante é a soldabilidade, que é fator preponderante na fabricação de estruturas metálicas. No caso específico do tipo SAC50, onde é adicionado, principalmente, o elemento cobre, essa característica é até melhorada.

O método de soldagem permite uniões permanentes nos materiais; no entanto, em função do aporte térmico aplicado nos processos, geralmente, ocorre o desenvolvimento de mudanças estruturais nos mesmos e, ainda, interações com as vizinhanças da região de solda (por exemplo, interações: gás-metal; escória-metal, etc.) e surgimento de tensões residuais. A soldagem desenvolve regiões heterogêneas no material: a zona fundida, a zona termicamente afetada pelo calor e o metal-base. Portanto, ao ensaiar uma junta soldada à fadiga, com certeza os resultados obtidos serão diferentes daqueles que se obtêm somente com o metal-base (Wainer et alli, 1995; Marques,1991).

2. Materiais e métodos

A partir das chapas de aço estrutural do tipo SAC 50, com 12,5 mm de espessura, soldou-se o arco elétrico com eletrodo revestido. A caracterização química e a mecânica desse aço estão apresentadas nas Tabelas 1 e 2.

Tabela 1
- Composição química do aço tipo SAC-50 (% peso).

Tabela 2
- Propriedades mecânicas do aço tipo SAC-50.

A análise metalográfica do material, identificando as três zonas presentes no processo de soldagem (metal-base-MB, zona termicamente afetada-ZTA, zona fundida-ZF), está mostrada na Figura 1.

Figura 1
- Fotomicrografias das três zonas típicas do processo de soldagem (ataque com nital 3%; aumento de 100X).

Os corpos-de-prova (CPs) foram retirados do material soldado segundo as Figuras 2 e 3.

Figura 2
- Representação esquemática de como foram retirados os CPs para ensaio.

Figura 3
- Corpo-de-prova utilizado (tipo tração-compacto, ASTM E 399/90).

Para confecção dos CPs, utilizou-se a máquina de eletroerosão de eletrodo fixo, sendo que esses CPs foram pré-trincados por fadiga. Ensaiaram-se os CPs; objetivando o estudo de propagação de trincas, empregando-se uma máquina servo-hidráulica MTS (Metal Testing System), acoplada a um sistema computacional para coleta e processamento de dados.

Realizaram-se, também, ensaios de tenacidade à fratura. Para obtenção de dados de alongamento dos CPs, empregou-se uma "clipe-gage", que foi acoplada nas extremidades do entalhe.

A partir de ensaios de impacto, do tipo Charpy, com entalhe em V, foram obtidos valores de energia absorvida versus temperatura na região da ZTA.

3. Resultados e discussão

A Figura 4 apresenta os resultados dos ensaios de impacto do tipo Charpy, para CP com entalhe posicionado ao longo da espessura. Pode-se notar a transição dúctil-frágil do material, que, pelo critério da semi-soma das energias máxima e mínima, tem, para a energia média absorvida de 60J, a temperatura de transição de 0ºC.

Figura 4
- Curva de energia absorvida em ensaio de impacto na região da ZTA; entalhe ao longo da espessura. (MARTINS et alli, 2001).

Para um aço semelhante ao desse trabalho com espessura de 25 mm, Ratnapulli et alli encontraram, para energia absorvida Charpy, o valor de 90J.

Os ensaios de tenacidade à fratura foram realizados para as três regiões presentes na junta, sendo que os gráficos carga versus abertura de trinca (COD) estão apresentados através das Figuras 5-7, de onde foram retirados os valores para d_m, que estão mostrados na Tabela 3, onde nota-se que a zona fundida apresenta tenacidade um pouco superior às outras regiões, o que equivale dizer que essa região apresenta uma resistência à propagação de trinca maior que as outras regiões.

Figura 5
- Ensaio de tenacidade à fratura, corpo-de-prova com orientação T-L,entalhe no MB.

Figura 6 - Ensaio de tenacidade à fratura, CP com orientação T-L, entalhe na ZF.

Figura 7 - Ensaio de tenacidade à fratura, CP com orientação T-L, entalhe na ZTA.

Tabela 3
- Tenacidade à fratura d_m (orientação T-L).

Os resultados dos ensaios de fadiga estão mostrados na Figura 8, onde pode-se observar que o formato básico da curvas é independente do fator R, que é a relação entre as cargas mínima e máxima aplicadas. Pode-se observar, também, que o menor valor-limiar (threshold) ocorre para o metal-base com razão de carga igual a 0,7.

Figura 8
- Curva da/dN versus DK para metal de base, zona termicamente afetada e zona fundida; R = 0,7 e 0,3; f = 30 Hz.

4. Conclusões

Pelo exposto, podemos concluir que o metal-base apresenta menor resistência ao início de propagação de trinca, sendo que a zona fundida apresenta maior resistência, o que pode ser provavelmente devido à boa qualidade da solda executada, sendo que esse fato pôde ser comprovado, quando da realização dos testes de caracterização do material, pois, durante os ensaios de tração, o CP rompeu-se no metal-base.

O formato básico da curva de propagação de trinca por fadiga versus carregamento praticamente independe da relação de carga e que, em certos pontos da região II (região que obedece à equação de Paris), as curvas se superpõem.

Artigo recebido em 11/09/2001 e aprovado em 01/02/2002.

• AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Standard test method for measurement of fatigue grack growth rates, E 647-1988A.
• AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Standard test method for plane-strain toughness of metallic materials, E 399-1990
• DIAS, L. A. M. Estruturas de aço: conceitos, técnicas e linguagem 2. ed., São Paulo: Zigurate Editora, 1998.
• MARQUES, P. V. Tecnologia de soldagem Belo Horizonte: ESAB, 1991.
• MARTINS, G. P., GODEFROID, L. B., MORAIS, W. A., CIMINI JR., C. A., CÂNDIDO, L. C., SILVA, J. G. A. Influência de defeitos planares de soldagem na tenacidade à fratura de aço estrutural aplicado à construção civil. Projeto Fapemig TEC 2503/96, Abril-2001.
• RATNAPULI, R.C. et alii. Avaliação da tenacidade e da resistência à fadiga de juntas soldadas do aço USI-SAC-50. In: Congresso da ABM, 53. Anais... Belo Horizonte, p. 1193-1207, setembro/1998.
• WAINER, E. et alli. Soldagem: processos e metalurgia São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 1995.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  29 Out 2002
• Data do Fascículo
  Abr 2002

Histórico

• Recebido
  11 Set 2001
• Aceito
  01 Fev 2002