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6ª Conferência sobre
Tecnologia de Equipamentos
DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES ELÁSTICAS E PLÁSTICAS DO FERRITE E
DO AUSTENITE EM AÇO DUPLEX POR TENSOMETRIA DE RAIOS-X
Vladimir Monin1, Joaquim T. de Assis1, Tetyana Gurova2; Joel R. Teodósio2
1-Instituto Politécnico, UERJ - Brasil
2-Depto de Metalurgia e Mecânica, UFRJ - Brasil
Trabalho apresentado no IEV2002 - Conferência Internacional sobre Evaluación de
Integridad y Extensión de Vida de Equipos
Salvador, agosto, 2002.
As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores
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SINOPSE
A importância do uso do método de tensometria de raios X consiste na
possibilidade de analisar o estado de tensões separadamente em cada componente
do material compósito. O aço duplex, utilizado é muito na indústria petroquímica
estruturalmente, é um exemplo de material compósito que contém
aproximadamente iguais quantidades do ferrite e do austenite. Estas fases do aço
duplex têm diferentes propriedades elásticas e plásticas, por isso para prognosticar
o comportamento mecânico do aço duplex carregado por forças externas é
necessário saber as características individuais do ferrite e do austenite.
Neste trabalho foi analisado como a carga aplicada ao aço duplex se
distribui entre suas componentes de ferrite e o austenite. Para isso uma máquina
portátil de carregamento por flexão pura foi montada no diffratômetro de raio X
permitindo analisar a curva tensão-deformação do aço duplex e também
determinar as tensões individuais no ferrite e no austenite em todo intervalo de
carga, a partir de zero até fratura da amostra de aço duplex carregada por flexão
pura. As tensões individuais na ferrite e no austenite foram medidas pelo método
de tensometria de raio X conhecido como método do ‘sen2ψ’. Os módulos de
elasticidade utilizados para a determinação das tensões no ferrite e no austenite
foram calculados como valor médio entre os valores calculados pelas teorias de
Foight e Reiss.
INTRODUÇÃO
O aço duplex usado neste trabalho é aço padrão composto de frações de volume
aproximadamente iguais de ferrite e austenite. As propriedades mecânicas deste tipo de
material multifásico, como, por exemplo, o limite de escoamento, pode ser expresso pela
seguinte equação:
σ dup = σ α ∗ f α + σ γ ∗ f γ
(1)
onde σdup., σα, e σγ são os valores para as propriedades mecânicas para o aço duplex, para
o ferrite e para o austenite, respectivamente; fα , fγ são frações de volume das componentes
de α- e de γ-fases. Entretanto, é bem conhecido que σα e σγ na equação (1) são diferentes
para determinadas amostras feitas de ferrite e austenite e para aço duplex onde o ferrite e o
austenite são componentes da microestrutura. Então, o estudo dos materiais compósitos e
do comportamento mecânico de cada fase é fundamental para se entender o mecanismo da
distribuição das tensões entre seus componentes e para avaliar a contribuição de cada
componente na composição das propriedades mecânicas.
Para obtermos esses valores podemos utilizar o método de medições de tensões por
difração de raios X que dá esta possibilidade, pois o perfil de difração é o resultado do
espalhamento independente e individual para ferrite e austenite.
O objetivo deste trabalho é estudar as características mecânicas de cada componente
do aço duplex nas regiões de deformação elástica e plástica, usando o método de difração
de raios X.
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MATERIAL E TÉCNICA EXPERIMENTAL
O aço duplex aqui estudado é fabricado por laminação a quente e temperado a alta
temperatura, contendo aproximadamente 0,5 da fração de volume de ferrite e austenite. O
carregamento das amostras é feito por flexão pura usando um dispositivo portátil que
permite realizar o carregamento das amostras e medir os valores de deformação da tensão
aplicada (figura 1). A portabilitdade deste dispositivo permite a sua montagem diretamente
no minidifratômetro de raios X para que se possa efetuar in situ medidas de tensões de cada
fase do aço duplex através de método de difração de raios X.
Figura 1. Dispositivo portátil para realizar carregamento por flexão.
Foram feitas medidas de difração usando o difratômetro portátil [1] desenvolvido
pelos autores que utiliza um detector sensível à posição. As reflexões (211)α e (220)γ do
comprimento de onda do Cr-Kα foram utilizados para as medidas. Os valores das
constantes elásticas do raio X para (211)α e (220)γ foram retiradas de [2].
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METODOLOGIA E RESULTADOS EXPERIMENTAIS
De acordo com a definição dos principais parâmetros de teste de dobramento, as
seguintes equações foram utilizadas para calcular a tensão aplicada e deformação da
camada superficial da amostra:
F = k*∆lspr.
(2)
σappl. = 6k∆lspr.*(L+h/2)*cosα/bh2
(3)
ε = h*sinα/lbase
(4)
tgα/2 = 2δ/ lbase
(5)
onde F e k são os coeficientes de carga da mola, usado para carregar a amostra; δ é a
deflexão da amostra sobre carga; α é o ângulo de deflexão, lbase é a distância entre os pontos
de contato usados para medir a magnitude da deflexão; L é o tamanho de braço de
momento da força que produz a flexão pura.
A determinação da tensão foi feita pelo uso do tradicional método do sin2ψ para o
caso de tensão unidimensional. A equação para o cálculo de tensão da componente na
direção axial tato para o ferrite como para o austenite é [2]:
σ = E*ctgθ0 (θ90 - θ0) /( 1+ v)
(6)
onde E e v são constantes elásticas do material, θ é a magnitude do ângulo de difração, θ90
e θ0 são os ângulos de difração calculados pela regressão linear da dependência 2θ =
f(sin2ψ) dos dados experimentais, onde ψ é um ângulo entre a normal à superfície e a
normal aos planos de reflexão.
Os dados experimentais do diagrama de tensão-deformação para a região elástica
são apresentados na figura 2.
Deformação * 10000
350,0
300,0
250,0
200,0
150,0
100,0
50,0
0,0
0,0
5,0
10,0
15,0
Tensão (MPa)
Figura 2. Diagrama de tensão-deformação.
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O valor do módulo de elasticidade determinado do diagrama é igual a
E=205300Mpa, que corresponde ao valor do módulo obtido numa medida em uma máquina
de ensaios Instron. Isto demonstra que o equipamento portátil de carga e a técnica
experimental utilizada permitem obter resultados de características mecânicas do aço
duplex analisado com alta acurácia e precisão.
Os dados de difração permitem a determinação da tensão residual no estado pósfabricação do aço duplex e as medidas in situ da distribuição das tensões em ferrite e
austenite no diagrama de tensão-deformação nas regiões elásticas e plásticas.
Os valores da tensão residual obtidos para as fases ferrite e austenite σαres= - 95MPa
e σγres = +100MPa são aproximadamente iguais. A medida de tensão em cada fase sobre
carga na região elástica pode ser caracterizada pela função linear com inclinações quaseparalelas. Isto indica que as fases ferrite e austenite têm constantes elásticas com valores
semelhantes. A distribuição de tensões na região de deformação macroplásctica para o
ferrite e austenite mostrou que a relação entre a tensão aplicada e a tensão axial atuando nas
fases ferrite e austenite correspondem à equação de equilíbrio e podem ser expressas como:
σappl. = (σα + σγ)/2
(7)
Nesta região a curva de carga tensão-deformação para a fase ferrite se situa abaixo
da curva de tensão aplicada e para a fase austenite se situa acima. A diferença entre os
valores de tensão para ferrite e austenite é de 300MPa quando a deformação macroplástica
é igual a 5%.
CONCLUSÕES
Foi analisado o estado de tensão nas fases ferrite e austenite do aço duplex antes e
durante o carregamento. O estado de tensão residual inicial nas fases é caracterizado por
tensão compressiva na fase do ferrite e trativo para o austenite. A região elástica é
caracterizada por funções lineares quasi-paralelas tanto para o ferrite e como para o
austenite. A região plástica mostrou diferença entre a tensão aplicada e a tensão de fase.
Esta diferença aumenta com o aumento da deformação plástica.
BIBLIOGRAFIA
1 - ASSIS, J. T.; MONINE, V.; PEREIRA, F. R. Portable diffractometer for
measurements both in-laboratory and in-field conditions Em. FIFTH
INTERNATIONAL WORKSHOP ON NEW APPROACHES TO HIGH-TECH:
NONDESTRUCTIVE TESTING AND COMPUTER SIMULATIONS IN SCIENCE
AND ENGINEERING, 2001, St. Petersburg Proceedings of SPAS - NDTCS-2001,
St. Petersburg SPAS - The St. Petersburg Academy of Science on Strength
Problems, 2001, v. 1, n. 1, p. D48-D48
2 - HAUK, V – Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods –
Evaluation-Application-Assessment – Elsevier Science – Amsterdam, 1997