SISTEMA DE BAIXO CUSTO PARA NUCLEAÇÃO DE PRÉ-TRINCAS DE FADIGA EM CORPOS DE PROVA DE TENACIDADE À FRATURA

I. C. M. Panizza, L. R. O. Hein, J. Zangrandi, V. A. Guimarães I.

Departamento de Materiais e Tecnologia, DMT, Universidade Estadual Paulista, Av. Eriberto Pereira da Cunha, 333, Bloco 1, Guaratinguetá SP, cep: 12500-000.

Palavras-chave:mecânica da fratura, tenacidade à fratura, K_IC, CTOD, J_IC.

Resumo

Um dos maiores problemas atuais no acompanhamento da integridade de componentes mecânicos é a possibilidade de ocorrência de uma fratura frágil, repentina e inesperada, mesmo quando o componente esteja submetido a condições normais de operação. A tenacidade à fratura pode ser avaliada através de diversos parâmetros, entre os parâmetros mais comuns, podemos citar a tenacidade à fratura em deformação plana (K_IC), deslocamento de abertura da ponta da trinca crítico (CTOD) e o parâmetro crítico em termos da integral J (J_IC). Os ensaios do tipo K_IC são mais indicados para materiais frágeis de elevada resistência mecânica. Já os ensaios CTOD e integral J_IC permitem estabelecer parâmetros de tenacidade à fratura para materiais dúcteis de menor resistência mecânica, em condições elasto-plásticas de deformação, segundo Hertzberg (1996).

O presente trabalho tem como objetivos o projeto e fabricação de uma máquina para a nucleação de pré-trincas de fadiga em corpos de prova do tipo SE(B) para a realização de ensaios de tenacidade à fratura. Com este equipamento é possível a realização de ensaios do tipo K_IC, CTOD e J_IC, em uma máquina de tração convencional instrumentada por um sistema de aquisição de dados. A contribuição que este projeto proporciona é a criação de tecnologia para laboratórios, com pequena quantidade de recursos financeiros que não dispõem de máquinas servo hidráulicas, conseguirem autonomia para a execução de ensaios de tenacidade à fratura.

Inicialmente foram realizadas as etapas de projeto e dimensionamento da parte estrutural, desenho e detalhamento de todos os seus componentes. Posteriormente foi realizada a montagem e os testes iniciais de funcionamento onde foram nucleadas trincas em diversos corpos de prova apropriados para a realização dos ensaios do tipo K_IC, CTOD e J_IC. O equipamento se baseia na concepção de aplicação de carga em um corpo de prova a partir de um mecanismo excêntrico onde se tem um controle de deslocamento por um anel graduado. A máquina para nucleação de pré-trincas de fadiga é uma máquina de pequeno porte. A concepção do equipamento se baseia em um eixo com dois anéis excêntricos onde se pode regular um deslocamento dentro de uma faixa de 0 a 1 milímetro. Este deslocamento possibilitará a aplicação de cargas da ordem de até 600 Kgf. O eixo excêntrico que tem como função aplicar movimentos alternados no corpo de prova transmite um esforço concentrado no entalhe, gerando uma trinca por fadiga no corpo de prova. Na parte superior da estrutura foi instalado um suporte para a fixação do corpo de prova. Este suporte inicialmente foi projetado para a fixação de corpos de prova do tipo SE(B). Está sendo desenvolvido um dispositivo para ensaios em corpos de prova do tipo C(T).

A instrumentação do atuador de aplicação de carga foi realizada através da colagem de dois "strain gage" na forma de roseta na sua base, saindo um conjunto de cabos apropriados para conexão no sistema de aquisição de dados como mostra a figura 3. Através da curva obtida foi desenvolvido um programa, que possibilitará fazer as leituras dos carregamentos aplicados em função do tempo, permitindo a contagem do número de ciclos e o ajuste da carga. Após a montagem do sistema foram realizados diversos ensaios em corpos de prova de flexão em três pontos. As trincas foram nucleadas de forma satisfatória, e atenderam aos requisitos solicitados pelas normas no que se refere ao tamanho da trinca e ao carregamento aplicado (figura 4).

Os controles dos carregamentos aplicados realizados pelo pino instrumentado foram precisos, podendo-se facilmente controlar os valores de carga máxima de fadiga previstos nas normas de tenacidade à fratura: ASTM E 399 (1990), ASTM E 813 (1989) e ASTM E 1290 (1993). De forma geral, o sistema apresentou-se de forma eficiente, podendo ser utilizado como uma forma alternativa para a nucleação de pré-trincas por fadiga em corpos de prova de tenacidade à fratura.

Referências:

- HERTZBERG,R.W. Deformation and fracture mechanics of engineering materials, ed by John Wiley & Sons, 4th edition, New York , p.315-371, 1996.
- AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, E - 399, Standard test methods for plane-strain fracture toughness of metallic materials Philadelphia, 31p., 1990.
- AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, E - 813, Standard test methods for JIC, a measure of fracture toughness. Philadelphia, 12p. 1989.
- AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, E - 1290, Standard test methods for Crack Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness Measurement. Philadelphia, 12p. 1989.