AVALIAÇÃO DO EFEITO DA INSERÇÃO A FRIO DE TENSÕES RESIDUAIS
COMPRESSIVAS EM FUROS, PARA AUMENTO DE VIDA EM FADIGA NA LIGA DE
ALUMÍNIO 7475-T7351.
André L S Oliveira1, Luiz A Freitas2 , Kátia Regina Cardoso1, Luiz Edno Pereira2
1
UNIVAP/FEAU, Avenida Shisshima Hifumi, 2.911 - Urbanova
Cep: 12244-000 – SJC/SP - Brasil, [email protected]
2
Embraer – Emp. Bras. de Aeronáutica S.A / VED, Rod. Pres. Dutra, Km 137 - SJC/SP – Brasil,
[email protected]
Resumo-Este trabalho tem por objetivo, avaliar o efeito de inserção de tensões residuais compressivas a
frio em furos pelo método “Stresswave”, comparando as propriedades de limite de resistência à fadiga na
liga de alumínio aeronáutico 7475-T7351 antes e após a aplicação do processo de trabalho a frio por este
método. Os resultados obtidos demonstraram um relativo aumento na resistência à fadiga quando
comparado com as propriedades do material base, ou seja sem a aplicação do método. Assim, pode-se
considerar o método ''Stresswave'' promissor quando se almeja alcançar uma longa vida em fadiga numa
estrutura de aeronaves.
Palavras-chave: Fadiga, Deformação plástica a frio, ensaios mecânicos.
Área do Conhecimento: Engenharia de Materiais, Ligas de alumínio, Fadiga de estruturas.
Introdução
A prevenção de falhas por fadiga em estruturas
metálicas de aeronaves, que se iniciam
principalmente em furos para prendedores, tem
despertado o interesse da indústria aeronáutica,
por várias décadas e especialmente nos últimos
anos, com a necessidade de aumentar a vida em
fadiga destas estruturas, visando o aumento de
segurança e a diminuição dos custos de operação
das aeronaves.
A vida em fadiga é a estimativa de tempo
durante o qual um material ou produto pode
executar sua função, quando está sujeito a
flutuações de tensão, antes que uma falha ocorra
Segundo norma ASTM E1150-87 (1987) coloca
que este fenômeno é um processo de mudança
estrutural permanente, localizada e progressiva,
que ocorre em um material quando submetido a
condições que produzem tensões e deformações
flutuantes em algum ponto (ou pontos) e que, após
um número suficiente de flutuações, pode culminar
na formação de trincas ou fratura completa. Estas
flutuações podem ocorrer tanto na aplicação da
carga com o tempo (freqüência) como no caso de
"vibração aleatória". Pode-se afirmar que 90% das
falhas mecânicas de peças e estruturas são
decorrentes deste fenômeno.
Na definição de fadiga, destacou-se que ela se
deve a esforços cíclicos repetidos. Um ciclo de
tensão corresponde a um conjunto sucessivo de
valores de tensão, que se repete em uma
determinada seqüência em um dado período de
tempo, conforme demonstra a figura 1.
Figura 1 – Ciclo de tensão.
Experimentalmente, a tensão cíclica mais
comum é caracterizada por uma função senoidal,
onde valores de tensão são representados no eixo
das ordenadas e o número de ciclos no eixo das
abscissas.
As
tensões
de
tração
são
representadas como positivas e as tensões de
compressão como negativas. A figura 2 apresenta
três tipos de ciclos de tensão, o gráfico (a) mostra
um quadro de tensão reversa, assim chamada
porque as tensões de tração têm valor igual às
tensões de compressão, o gráfico (b) mostra um
quadro onde todas as tensões são positivas, ou
seja, o corpo de prova ou componente está
sempre submetido a uma tensão de tração, que
oscila entre um valor máximo e um mínimo e o
gráfico (c) representa um quadro de tensões
positivas e negativas, como no primeiro caso, só
que as tensões de compressão têm valores
diferentes das tensões de tração.
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e furos que , tipicamente aumentam a tensão em
sua região em 2 vezes ou mais, fazendo esta ser
mais suscetível a falha por fadiga, onde alteram o
fluxo de tensão, como mostra a figura 3.
Figura 2 – Ciclos de tensões variáveis.
A ''fraqueza'' aparente, sob condições cíclicas,
quando comparada com a resistência estática, tem
sido objeto de uma grande quantidade de
pesquisas, bem como de muita controvérsia e
especulação. O metal suporta a tensão cíclica por
um determinado tempo e pela observação
superficial não aparenta enfraquecido. Quando
então trincas microscópicas aparecem
e
gradualmente, se propagam por fadiga durante as
cargas subseqüentes. Finalmente, após a
propagação da trinca ter atingido tamanho
suficiente,
ocorre
uma
repentina
ruptura
(PETERSON, 1950).
Uma
superfície
mal
acabada
contém
irregularidades, como se fossem
entalhes,
resultando em um aumento do nível da tensão
devido à redução da área por onde o esforço se
distribui, fazendo com que neste ponto a tensão
seja bastante elevada, tendendo a diminuir a
resistência à fadiga.
Defeitos superficiais causados por polimento
(queima superficial de carbono nos aços,
recozimento superficial, etc.) também diminuem a
resistência à fadiga.
Tratamentos
superficiais
por
deposição
(cromeação, niquelação etc.) e que formam uma
camada, sobre a peça original, podem diminuir a
resistência à fadiga, por introduzirem grandes
mudanças nas tensões residuais, além de
conferirem porosidade ao metal.
Por outro lado, tratamentos superficiais
endurecedores (tratamento térmico, trabalho a frio)
podem aumentar a resistência à fadiga.
O limite de fadiga depende da composição, da
estrutura do material, das condições de
conformação mecânica, do tratamento térmico
entre outros.
Além disto, as condições de
operação, meio ambiente também influenciam
consideravelmente no limite de resistência a
fadiga, pois o ambiente corrosivo pode causar
defeitos como pittings, que podem vir a tornaremse pontos de concentração de tensões e
conseqüentemente acelerar a iniciação e a
propagação da trinca.
A forma também é um fator crítico, porque a
resistência à fadiga é grandemente afetada por
descontinuidades nas peças, como cantos vivos,
encontros de paredes, mudança brusca de seções
Figura 3 – Linhas de tensões concentradas em um
furo.
A vida em fadiga pode ser melhorada
Sempre que possível, deve-se evitar a
concentração de tensões.
Os projetos devem prever tensões contrárias
favoráveis (opostas às tensões principais
aplicadas), por meio de processos mecânicos,
térmicos ou similares.
Defeitos metalúrgicos como inclusões, poros,
pontos moles, entre outros, devem ser eliminados.
O trabalho a frio é um eficiente processo para
introduzir tensões residuais de compressão na
periferia dos furos, objetivando a melhoria das
propriedades de resistência à fadiga nos
componentes de engenharia. Além de aumentar a
resistência mecânica de todos os tipos de ligas de
alumínio, através do encruamento, que aumenta a
densidade de discordâncias, o trabalho mecânico,
adicionalmente, nas ligas endurecíveis por
precipitação, acelera o aumento da dureza
associado com a formação de precipitados
(DIETER, 1981).
A deformação nas ligas de alumínio ocorre
através
dos
processos
de
deslizamento
(escorregamento), ou seja, movimento normal de
discordâncias, sendo possível observarem nessas
ligas bandas de deslizamento persistentes na
superfície.
Para Willenborg, Engle e Wood (1971) as
distorções do reticulado, associadas com as
discordâncias e com as tensões resultantes da
interação entre discordâncias, são as principais
fontes de endurecimento resultante do trabalho a
frio, entretanto, o aumento de resistência
mecânica obtida através do trabalho mecânico é
acompanhado por uma perda de ductilidade,
medida pela baixa porcentagem de alongamento
ou redução de área.
O tema desenvolvido é específico sobre um
novo método de trabalho
a frio (ColdWork)
aplicado em furos, chamado “Stresswave'', que o
tem o mesmo princípio, de outros métodos, já
consagrados como o jateamento de superfícies
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com esferas de aço ou de vidro (shot peening), e a
expansão a frio de furos (cold expansion).
Este método consiste em aplicar na superfície
do material uma deformação plástica decorrente
da penetração de uma ferramenta tipo punção no
mesmo ponto do furo, porém, antes que o mesmo
seja realizado no local, como ilustra a figura 4.
A criação de uma zona de tensões residuais
compressivas, resultante da deformação plástica
ocorrida no material, deverá contribuir a fim de
retardar a iniciação de trincas.
Com isso também se reduz a tensão tangencial
de tração, concentradas ao redor do furo
decorridas pelos esforços de trabalho sofridos.
Figura 6 – Tensões residuais compressivas radias
resultantes da deformação plástica a frio.
Material e Métodos
Normalmente, tem-se procurado maximizar a
razão da resistência e/ou rigidez, pela massa
específica, obtendo-se, freqüentemente, soluções
através do uso de materiais compostos e de ligas
de alumínio de alta resistência (MIL-HDBK-5H – 1,
1998)
Figura 4 – Ilustração esquemática do método.
A ação do processo, figura 5 causa um fluxo
plástico radial do material e resulta em uma zona
anular de tensão compressiva residual, que se
estende a uma distância de no mínimo igual ao
raio do furo, conforme observado na figura 6.
A baixa massa específica, aliada as
propriedades mecânicas intermediárias, conferelhes elevada resistência mecânica específica.
Nas aplicações aeronáuticas, a família de ligas
de alumínio 7475, fornece uma combinação de
alta resistência, alta tenacidade à fratura e boa
resistência à propagação de trincas por fadiga,
para valores altos do fator da intensidade de
tensão (DIETER 1981), como mostra a tabela 1.
Tabela 1 – Propriedades mecânicas de ligas de
alumínio da série 7xxx.
Figura 5 – Análise gráfica da aplicação do
processo e efeito da deformação plástica a frio.
O objetivo é avaliar o efeito de inserção a frio de
tensões residuais compressivas em furos por este
método, comparando as propriedades de limite de
resistência à fadiga antes e após a aplicação do
processo, com base nos dados obtidos nos
ensaios de fadiga.
Os corpos de prova, mostrados na figura 7,
foram confeccionados a partir de placas de 1,50
polegadas de espessura da liga Al7475-T7351.
Uma quantidade de vinte corpos de prova
foram submetidos ao processo de trabalho a frio
pelo método ''Stresswave'' e em seguida foram
inseridos furos de 7,93mm, conferindo ao corpo
de prova um fator de concentração de tensão
teórico (Kt) de 2,45. Outros vinte tiveram apenas a
realização de furos, ou seja não foram submetidos
ao processo de “Stresswave”..
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Com o objetivo de analisar o efeito das tensões
residuais
compressivas
nos
furos
(alto
concentrador de tensão),os corpos de prova foram
submetidos a ensaios de fadiga em diferentes
níveis de tensões, sob uma onda senoidal de 20
Hertz, usando uma máquina servo-hidráulica MTS,
controlada por computador. Os corpos de prova
foram ensaiados até a falha ou até atingirem 2,0
milhões de ciclos no caso dos corpos de prova da
curva S-N1 e 2,5 milhões de ciclos para os corpos
de prova da curva S-N2..
Os valores obtidos na curva S-N2, figura 9
evidenciam o número de “ciclos” dos 20 corpos de
prova com ''Stresswave''
Dados do corpo de prova:
- CDP = Kt 2,45.
- Orientação do plano SL.
- As dimensões estão em mm.
- Tolerância não especificada (linear = +/- 0,1 mm;
angular = +/- 1º; rug. 2,8 Ra).
Quantidade:
20 corpos de prova sem “Stresswave”
20 corpos de prova com “Stressswave”
Figura 9 - Curva S-N2
As
curvas
acima
demonstram,
comparativamente, que para um dado nível de
tensão, o número de ciclos necessário para falhar
um corpo de prova em que o processo de Stress
wave foi aplicado (S-N2) significativamente maior
quando comparado ao material base (S-1N)
Discussão
Figura 7 - Croqui do corpo de prova de ensaio.
Resultados
Os valores obtidos na curva S-N1, figura 8
evidenciam o número de “ciclos” dos 20 corpos de
prova sem ''Stresswave''.
Os resultados mostram que, nos ensaios dos
corpos de prova com “Stresswave” foi necessário
à aplicação níveis de tensões mais altos que para
os corpos de prova do material base. Como
exemplo está o nível de tensão de 45ksi que foi
incluído na curva S-N2 para que se obtivesse
números de ciclos correspondentes a 35ksi, que
em relação curva S-N1.
Este benefício se estendeu a todos os níveis de
tensão aplicados, resultando no aumento da
resistência à fadiga para os corpos de prova
submetidos ao método ''Stresswave''.
Assim, da resistência à fadiga dos corpos de
prova com “Stresswave” evidenciaram a eficácia
do método, e demonstraram um ganho de vida,
em média, três vezes mais, em relação aos corpos
de prova sem a aplicação desse método.
Conclusão
Figura 8 - Curva S-N1
O método “Stresswave'' demonstrou-se eficaz ,
quando há a necessidade de aumentar a vida em
fadiga de uma estrutura metálica.
O mecanismo de aumento da resistência à
fadiga em corpos de prova onde esse método é
empregado é o mesmo dos métodos tradicionais
como a expansão de furos e o “shot peening” , ou
seja o encrumaento e conseqüente introdução de
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tensões residuais compressivas
próximo à
superfície.
Os resultados experimentais demonstraram um
ganho de vida, em média, três vezes mais, em
relação aos corpos de prova sem a aplicação
deste método.
Referências
a
Dieter, George E. – Metalurgia mecânica – 2 .
Edição – Guanabara Dois – 1981
GODEFROID, l. B. Propagação de trinca por
fadiga sob carregamento com amplitude constante
e variável em ligas de alumínio para a industria
aeronáutica.
Rio
de
Janeiro,
1993.Tese
(Doutorado) – COPPE, Universidade Federal do
Rio de Janeiro.
Military Handbook – Metallic Materials and
Elements for Aerospace Vehicle Structures - MILHDBK-5H – 1 December 1998
PETERSON, R.E., “ASTM Bull”, vol 205, pag 50,
fev. (1950)
StressWave, Inc.
Presentation for
Embraer - June 8, 2004
WILLENBORG, J., ENGLE, R.M., WOOD, H.A. A
crack growth retardation model using an effective
stress concept. Air Force Flight Dynamic
Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base,
1971. OH. AFFDL-TR-71-1.
www.stress-wave.com acesso em 14 de Jun.
2009.
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