8 CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

Influncia da temperatura de revenido na tenacidade a fratura dinmica determinada em uma mquina de Ensaio Charpy Instrumentada.

Fabiano da Cruz Nogueira1, Rus Camargo Tokimatsu1, Itamar Ferreira2, Aparecido Carlos

Gonalves1, Vicente Ventrella1

Universidade Estadual Paulista - UNESP, Faculdade de Engenharia, Avenida Brasil Centro, 56; U, Av. Brasil Centro, 56, Ilha Solteira SP, CEP:15385000

2Universidade Estadual de Campinas UNICAMP, Cidade Universitria "Zeferino Vaz", Baro Geraldo - Campinas - SP CEP - 13.083-872

Contatos: fabiano@fototerra.com.br e ruis@dem.fei.unesp.br

RESUMO O ensaio de Impacto Charpy Convencional um ensaio mecnico consagrado no meio cientfico e

industrial. Sua funo determinar a energia total absorvida para causar a fratura completa de um corpo-de-prova entalhado. Entretanto, a energia global absorvia possui um valor de uso muito limitado e normalmente no aceito como um indicador qualitativo da resistncia fratura do material. Assim, atravs da instrumentao adequada, pode-se aumentar a quantidade de informaes obtidas e transformar esse ensaio em uma poderosa ferramenta da mecnica da fratura, utilizando-a na obteno de novos parmetros para caracterizao de materiais. No presente trabalho ser estudado a utilizao de toda conceituao da Mecnica da Fratura Elasto-Linear e da Mecnica da Fratura Elasto Plstica, mas utilizando como base de dados sinais dinmicos obtidos com o Ensaio Charpy Instrumentado, na tentativa de caracterizar o material atravs da digitalizao desses sinais dinmicos e para validar esse estudo utilizado como referncia, para comparao e correlao de resultados, o sinal e propriedades obtidos com os Ensaios Quase-Esttico (Ensaios Monotnicos), e a normatizao ASTM E-399/90. O material utilizado ser o ao estrutural ABNT 4340, em diferentes condies microestruturais que foram concebidas atravs de diferentes condies de tratamento trmico: como-temperado, revenido 473 K, 573 K, 673 K e 773 K. Tais corpos-de-prova tero dois tipos de raio de ponta, entalhe arredondado e agudo. Sero calculados KQ (KId) e JId aparente para os corpos-de-prova com entalhe arredondado e KQ (KId) e JId para os corpos-de-prova com entalhe agudo.

PALABRAS CHAVE Charpy Instrumentado, tenacidade fratura dinmica, propriedade mecnicas, comportamento dinmico e ao estrutural.

INTRODUO Desde 1999 foi realizada uma reviso literria pelo GC3M (Grupo de Caracterizao Mecnica e

Microestrutural dos Metais), sobre a instrumentao de uma mquina Charpy Convencional. Como ocorre com todos os ensaios mecnicos, o ensaio Charpy clssico possui vantagens e limitaes. As

principais vantagens dizem respeito facilidade de execuo e a obteno rpida dos resultados, lidos diretamente no mostrador da mquina de ensaio. A principal limitao relaciona-se a pouca informao extrada do processo de fratura, isto , apenas a energia global de ruptura do corpo de prova pode ser medida.

A instrumentao adequada de uma mquina de ensaios de impacto muito importante. possvel acompanhar o processo de fratura dos materiais ensaiados e obter informaes adicionais quando se compara com o ensaio convencional. Todavia, com a insero da instrumentao, qualquer que seja sua forma, alguns problemas podem surgir durante as etapas do processo, isto , desde a escolha do tipo de transdutor, sua localizao na mquina de ensaio, at a obteno dos sinais da fora em funo do tempo, sua interpretao e validao.

No mbito mundial, Ireland (1977), dos Estados Unidos, firmou-se como um cone no estudo aprofundado da instrumentao aplicada ao ensaio Charpy convencional, sobretudo durante a dcada de 70. Anlises minuciosas sob sua tica geraram diversas implicaes e condies necessrias que norteiam e validam at hoje a adequada instrumentao.

DESENVOLVIMENTO Mtodos de obteno dos valores de tenacidade fratura dinmica

Segundo Angamuthu et. al. (1999), desenvolveram dois mtodos para a estimativa dos valores da tenacidade fratura dinmica, respectivamente para materiais exibindo comportamento intrinsecamente dctil (JId) e essencialmente frgil (KId).

No primeiro mtodo, quando o inicio da trinca ocorre antes do ponto de carga mxima, no escoamento generalizado do espcime, segundo Kobayashi, a mecnica da fratura elasto-pltica, (MFEP) utilizada para avaliar o valor de JId, observando-se invariavelmente a ocorrncia de uma fratura dctil.

Figura 1 Explicao esquemtica do Mtodo Taxa de Alterao da Flexibilidade. Fonte: Yamamoto et. al. (1993).

( )aWBE

J iId =2

(1)

Onde: W a largura do corpo-de-prova; B a espessura do corpo-de-prova; a o comprimento inicial da pr-trinca; Ei a energia necessria para a iniciao da trinca; JId a tenacidade fratura do material na presena de uma trinca.

No segundo mtodo, quando o inicio da trinca ocorre no pico de carga mxima, ou seja, na instabilidade,

sem que se observe o escoamento generalizado, a mecnica da fratura linear-elastica (MFEL) empregada para se estimar o valor de KId, quando uma fratura frgil geralmente desenvolvida.

2

5,0)(6BM

aYMK Id = (2)

( ) ( ) ( ) ( )432 8,2511,2553,1407,393,1 WaWaWaWaY ++= (3) Onde: KId tenacidade fratura pelo modo de deslocamento 1 dinmico

M o momento fletor aplicado 4SPm

S a distancia entre os pontos Para corpos-de-prova do tipo flexo em 3 pontos em padro Charpy do tipo pr trincados a uma razo de

2,0=Wa , o valor de KId pode ser estimado pela equao 3. E a segunda maneira de se calcular, que foi utilizada nesse trabalho foi usando a norma ASTM E399 90,

cuja formulao e como foi obtida a carga utilizada para o calculo, est mostrada abaixo:

)(*)(2

3 Waf

BWSPK QQ = (4)

2

3

22

21

)*1(*)21(2

)]*7,2*93,315,2(*)1(*)(99,1[)(3)(

WaWa

Wa

Wa

Wa

Wa

Wa

Waf

++

= (5)

Onde: KId tenacidade fratura pelo modo de deslocamento 1 dinmico; PQ a carga (fora) candidata, (fora de iniciao da propagao da trinca, PQ=P5=Fiu); P5 a carga (fora) onde ocorre a propagao de trinca (deformao plana); Fiu a fora de iniciao da propagao de trinca; B a espessura do corpo-de-prova; W largura do corpo-de-prova; a o comprimento da trinca;

)( Waf

fator de forma utilizado pela E-399; S o vo livre (espao livre existentes entre os apoios do corpo-de-prova). Ambos os mtodos relatados acima foram desenvolvidos para atender a necessidade de obteno de dados,

com os ensaios monotnicos, mas como o advento desses mtodos e estudos realizados por vrios pesquisadores, esses conhecimentos que tem em sua essncia um conceito de mbito quase-esttico, comeou a ser aplicado na obteno de dados utilizando os ensaios dinmicos, para gerao dos sinais primrios (sinais dinmicos).

No presente trabalho, foi aplicado os dois mtodos descritos acima, numa tentativa de avalia a eficincia e aplicabilidade de ambos.

Clculo da tenacidade fratura (K), Mecnica da Fratura Linear-Elstica (entalhe arredondado e agudo)

Nessa seo, pode-se observar nas Tabelas 1 e 4, os valores calculados de tenacidade fratura aparente (KQA e KIdA) e de tenacidade fratura (KQ e KId). Na seo ser aberta uma discusso dos modelos matemticos empregados para o clculo da propriedade, bem como as tcnicas de determinao das cargas utilizadas para o seu clculo.

Tabela 1 Clculo da tenacidade Aparente Fratura, Entalhe Arredondado (Mecnica da Fratura Linear-Elstica).

Entalhe Arredondado / Tenacidade Aparente Fratura (MPa.m1/2)

Ensaio Monotnico Ensaio Charpy Instrumentado Instron Wolpert Mdia Movel Wavelets

Condio de

Tratamento Trmico KQAE[E-399/90] KQAA

[Angamuthu] KIdA[E-399/90] KIdA

[E-399/90] Como-temperado 45,1 (3,7)* 44,8 (3,7)* 64,1 (5,7)* 75,9 (2,9)*

473 K 127,6 (10) 126,6 (9,9) 123,7 (3,4) 137,9 (6)

573 K 106,2 (6,8) 110,3 (9,8) 93,2 (3) 100,2 (10,1)

673 K 110,3 (2,1) 109,5 (2,1) 127,3 (2,7) 142,9 (7,5)

Tem

pera

tura

de

Rev

enid

o (K

)

773 K 120,7 (2,2) 119,8 (2,2) 134,5 (1,6) 141,4 (8,4)

*Desvio Padro

Tabela 2 Clculo da tenacidade Fratura, Entalhe Agudo (Mecnica da Fratura Linear-Elstica). Entalhe Pr-Trincado / Tenacidade Fratura (MPa.m1/2)

Ensaio Monotnico Ensaio Charpy Instrumentado

Instron Wolpert [Mdia Movel]

Condio de

Tratamento Trmico KICP5[E-399/90]

KICFiu[E-399/90]

KId[E-399/90]

KId[Angamuthu]

Como-temperado 33,7 (2)* 23,5 (2,5)* 16,5 (2)* 16,5 (2)

473 K 47,6 (2,2) 31,4 (5) 45,5 (1,8) 45,4 (2)

573 K 53,5 (3) 38,9 (1) 30,2 (3,1) 30,1 (3,1)

673 K 82,6 (3) 75,7 (6) 47,2 (0,6) 47,1 (1)

Tem

pera

tura

de

Rev

enid

o (K

)

773 K 100 (3,1) 105,6 (2,2) 101,6 (7,7) 101,4 (8)

*Desvio Padro

Para facilitar a discusso dos resultados mostrados nessa seo, tanto dos sinais monotnicos e dinmicos, e para saber qual a influncia das foras de iniciao da trinca (Fiu e P5) extradas das curvas monotnicas tem sobre o clculo da tenacidade a fratura dos corpos-de-prova (KQP5 e KQFiu), da taxa de deformao e dos modelos matemticos empregados neste trabalho, optou-se por fazer a diferena percentual dos parmetros em discusso e a partir da obter algumas consideraes relevantes.

Conforme podemos observar nas Tabelas 1 e 2, quando levamos em conta os clculos realizados apenas com os ensaios monotnicos, mas modificando os mtodos de clculo, percebemos que as diferenas so pequenas, sendo a maior diferena encontrada de -3%, esses resultados vem nos mostrar que quase no h diferena entre os mtodos utilizados (Angamuthu e ASTM E-399) e esse comportamento pode ser percebido nos resultados obtidos na Tabelas, com os ensaios dinmicos dos corpos-de-prova de entalhe agudo, tambm no existem diferenas nesses resultados.

Quando analisamos os resultado da Tabela 2, onde se encontram os clculos de tenacidade dos ensaios monotnicos utilizando a carga P5 e a fora de iniciao da trinca, a Fiu nos podemos perceber que os valores encontrados com o uso da P5 sempre maior e a diferena percentual entre as tenacidades calculada com ela em relao a Fiu tem uma variao entre -5% a 29%, outro aspecto que tambm detectado que quanto menor o tempo

de fratura maior a diferena percentual encontrada, mostrando que a ferramenta em estudo no se comporta adequadamente com sinais que representam materiais com fraturar extremamente frgeis.

Um outro aspecto que pode ser discutido quando comparamos os resultados de tenacidade calculadas com as cargas monotnicas com as calculadas com as cargas dinmicas, podemos encontrar diferenas percentuais, variando de -1% para os casos mais dcteis (revenido a 773 K) at 51% para os casos mais frgeis (como-temperado), e isso mais uma vez vem nos confirmar que a ferramenta no tem uma boa resposta para sinais cujo tempo de fratura muito pequeno. Clculo da tenacidade fratura, Mecnica da Fratura Elsto-Plstica (entalhe arredondado e agudo)

Como j sabemos foram feitos diversos ensaios e a partir desses ensaios pode-se determinar a energia e os esforos envolvidos no processo da fratura dos corpos-de-prova ensaiados.

Nessa nova seo, foram mostrados nas Tabelas 3 e 4, os valores calculados de tenacidade fratura aparente (JQA e JIdA) e de tenacidade fratura (JQ e JId). Tabela 3 Clculo da tenacidade Aparente Fratura, Entalhe Arredondado (Mecnica da Fratura Elsto-Plstica).

Entalhe Arredondado / Tenacidade Aparente Fratura JIdA (kJ/m2) Ensaio Charpy Instrumentado

Instron Wolpert

Condio de

Tratamento Trmico

Ensaio Monotnico

[JQAM] Avaliao ISO [JIdASO]

Mdia Mvel [JIdAM]

Wavelets [JIdAW]

Como-temperado 49,5 (1,6)* 59,8 (10,2)* 51,3 (16,3)* 54,2 (16,4)*

473 K 138,4 (5,3) 135,6 (6,6) 127,6 (12,1) 134,1 (14)

573 K 103,4 (8,6) 107,3 (6,7) 84,3 (7,1) 95,9 (3,5)

673 K 118,1 (5,1) 171,9 (16,7) 151,2 (15) 157,9 (13,7)

Tem

pera

tura

de

Rev

enid

o (K

)

773 K 234,8 (0,8) 281,2 (29,1) 251,3 (29,9) 264,3 (31,1)

*Desvio Padro

Tabela 4 Clculo da tenacidade Fratura, Entalhe Agudo (Mecnica da Fratura Elsto-Plstica). Entalhe Pr-Trincado / Tenacidade Fratura JQ e JId (kJ/m2)

Ensaio Charpy Instrumentado Ensaio Monotnico

Instron Wolpert

Condio de

Tratamento Trmico [Jm] [JQM] Avaliao ISO

[JIdISO] Mdia Mvel

[JIdMM] Como-temperado 9,5 (0,5)* 37 (1.7)* 24,4 (4,1)* 36,4 (2,2)*

473 K 14 (2,3) 45.9 (2.1) 32,3(1,8) 40,9 (2,1)

573 K 17,3 (0,4) 43 (7.8) 27,3 (4,5) 31,4 (0,1)

673 K 29,5 (2) 53.4 (6.4) 42,6 (14,7) 40,6 (2)

Tem

pera

tura

de

Rev

enid

o (K

)

773 K 37,9 (5,2) 204.3 (5.1) 133,3 (2,3) 104,6(9,5)

*Desvio Padro

Os tipos de filtragens utilizados foram o da prpria Instron Wolpert (Avaliao ISO), a Mdia Mvel e a filtragem pela freqncia (Wavelets), os resultados de J podem se vistos e comparados diretamente, utilizando a Tabela 3 e 4.

Conforme podemos observar na Tabela 3, a qual diz respeito ao clculo da componente plstica da tenacidade a fratura aparente, onde o raio de ponta arredondado, podemos observar a influncia que os tipos de tratamento de filtragem empregados no tratamento dos sinais, esses sinais filtrados do origem as energias e os esforos envolvidos no processo a fratura, e atravs de alguns dados desses que so calculados os valores de J. como podemos observar existem diferenas entre os valores calculados, mas a diferena percentual pequena, quando levamos em conta que os resultados comparados so provenientes de ensaios distintos, com caractersticas distintas e que a nica coisa que esses resultados tem em comum o tratamento trmico realizado, e assim podemos ver que a variando existente de -45% 18% do valor, e quando comparamos a diferena numrica dos valores entre os obtidos no ensaio monotnico e os dinmicos, vemos que essa diferena tambm no so significativas no decorrer das condies de tratamento trmico, essa pouca disparidade dos resultados era esperada, porque o J muito dependente da energia envolvida no processo e da rea trabalha, e como essas duas grandezas nesta ocasio quase no se modificam, os resultados calculados para cada condio de tratamento trmico tambm no sofrem muita disparidade entre ela.

Quando levamos em considerao as taxas de deformao, os resultados dos ensaios com os corpos-de-prova com entalhes arredondados, ficam muito prximos quase no tendo diferena, tanto numrica quanto percentual, isso porque a taxa de deformao no tem grande influncia no clculo dessa propriedade como a rea trabalhada e a energia global, como j foi dito anteriormente, mas quando vamos fazer a mesma anlise para os corpos-de-prova com entalhe agudo, a diferena entre os resultados obtidos com as curvas monotnicas e com as curvas dinmicas ficam muito grande, mas a causa desse fenmeno no foi detectada a priori, mas quando calculada o trabalho realizado sob monotnica, como mostrado na Tabela 4, a grandeza JQM que corresponde a esse trabalho, mostra que os valores correspondente das curvas monotnicas comeam a ter uma aproximao dos resultados obtido das curvas dinmicas, mas ainda existe uma diferena razovel em relao algumas condies de tratamento trmico, como por exemplo podemos perceber na condio de revenido a 773 K, chegando a uma diferena percentual do valor de referncia de aproximadamente 50%, mas esse fenmeno ainda no se sabe ao certo o porqu ocorre. CONCLUSES

Quanto ao clculo da tenacidade a fratura KId, quando vamos levar em considerao a tenacidade aparenta

fratura, na presena de um entalhe arredondado, pode-se concluir que a ferramenta, apesar de ter uma disparidade entre os valores, mostrou eficaz quando o tempo de fratura maior, mas quando se observa os valores calculados na presena de um trinca aguda percebe-se alguns problemas nos resultados dos ensaios monotnicos e quando esse valor calculado fora da ferramenta, os resultados encontrados so outros, como pode-se observar nos resultados, esse problema na rotina no foi identificado apriori.

Quando se observa a tenacidade fratura a frente de uma trinca aguda, pode-se perceber que a uma queda nos valores calculados e isso leva a crer que o raio de ponta exerce uma influncia sobre essa propriedade. Nesta etapa foram utilizadas para o clculo de KQ, duas cargas a P5 e a Fiu, e levou-se com referncia os valores concebidos pela P5, pois esta utilizada na norma ASTM E-399, assim foi obtida diferena percentual, onde pode-se perceber que as foras envolvidas tem uma diferena considervel entre elas e que isso influnciou diretamente nos resultados, onde pode-se concluir que a carga utilizada tem uma influncia muito grande no valor de tenacidade. Um outro aspecto interessante que pode ser questionado mais uma vez a dificuldade da ferramenta em obter bons resultados em pequenos tempos de fratura, podendo perceber, que para condies de tratamentos como as revenidos a 773 K (-5%) essas diferenas so menores e a partir do momento que vai para condies mais frgeis, as diferenas encontradas vo aumentando, como na condio como-temperado(-29%).

Quanto ao clculo da tenacidade a fratura JId, quando vamos levar em considerao a tenacidade aparenta fratura, na presena de um entalhe arredondado, pode-se concluir que a ferramenta, apesar de ter uma disparidade entre os valores, mostrou eficaz quando o tempo de fratura maior, mas quando se observa os valores calculados na presena de um trinca aguda percebe-se alguns problemas nos resultados dos ensaios monotnicos e quando esse valor calculado fora da ferramenta, os resultados encontrados so outros, como pode-se observar nos resultados, esse problema na rotina no foi identificado apriori.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard test methods for notched bar impact testing of metallic materials. In: Annual book of ASTM standards: metals test methods and analytical procedures. Danvers: ASTM. p.136-55. (ASTM E23-96), 1996.

2. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard test methods for plane-strain fracture toughness of metallic materials. In: Annual book of ASTM standards: metals test methods and analytical procedures. Danvers: ASTM. p.407-37. (ASTM E399-90), 1996.

4. ANGAMUTHU, K.; GUHA, B.; Abd ACHAR, D. R. G. Investigation of dynamic fracture toughness (JId) behavior of strength mis-matched Q & T steel weldmenst using instrumented Charpy impact testing. Engineering Fracture Mechanics. Vol. 64, p 417-432, 1999.

5. IRELAND, D. R. Critical review of instrumented impact testing. Journal of Dynamic Fracture Toughness. v.1, p.47-62, 1977.

6. RODRIGUES, A. R. Charpy Instrumentado Determinao da tenacidade fratura dinmica de materiais metlicos. Ilha Solteira. 119p. Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica) - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista, 2001.

7. TOKIMATSU, R. C. Influncia de parmetros microestruturais e procedimentos de ensaios no comportamento mecnico de um ao de ultra resistncia e baixa liga. Campinas. 435p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecnica) - Faculdade de Engenharia Mecnica, Universidade de Campinas, 1995.

8 YAMAMOTO, I. KOBAYASHI, T. Evolution Method of Dynamic Fracture Toughness by the Computer Aided Instrument Charpy Impact Testing System. International Journal Pres. Ves. Piping, vol.55,p.295-312, 1993.

9. YAMAMOTO, I. et al. Introduction of a New Dynamic Fracture Toughness Evaluation System, Journal of Testing and Evalution, v.21, n.3,p.145-53,1993.

NOMENCLATURA

JQAM Tenacidade aparente fratura monotnica (candidata)

JIdAISO Tenacidade aparente fratura dinmica obtida pela Instron Wolpert

JIdAMM Tenacidade aparente fratura dinmica obtida pela aplicao da mdia mvel

JIdAw Tenacidade aparente fratura dinmica obtida pela aplicao das wavelets

Jm Tenacidade fratura monotnica

JQM Tenacidade fratura monotnica (Candidata)

JIdISO Tenacidade fratura dinmica obtida pela Instron Wolpert

JIdMM Tenacidade fratura dinmica obtida pela aplicao da mdia movel

KQAETenacidade aparente fratura dinmica obtida pela aplicao da formulao apresentada pela E-399 (candidata)

KQAATenacidade aparente fratura dinmica obtida pela aplicao da formulao apresentada por Angamuthu (candidata)

KIdA Tenacidade fratura dinmica obtida pela aplicao da formulao apresentada por Angamuthu

KICP5 Tenacidade fratura quase-esttica, obtida pela aplicao da carga P5

KICFiu Tenacidade fratura quase-esttica, obtida pela aplicao da carga Fiu