Influência da profundidade de trinca e restrição à plasticidade da avaliação experimental de tenacidade à fratura (J E CTOD) de aço ASTM A516 grau 70

Abstract

A ocorrência de falhas catastróficas envolvendo a fratura de materiais é um problema de crescente relevância na sociedade já que a tecnologia mecânica atual é mais complexa se comparada às décadas anteriores e são exigidos níveis bastante elevados de eficiência operacional, o que iniviabiliza abordagens conservadoras em termos de coeficientes de segurança. Neste sentido, a adequada avaliação experimental da resistência à fratura de materiais é de suma importância para suportar atividades de avaliação de integridade estrutural com precisão e segurança. Estes levantamentos experimentais são realizados com base em corpos de prova de dimensões reduzidas baseados em recomendações de normas internacionais, como os compactos em tração C(T) e de flexão em 3 pontos SE(B). Estas normas exigem corpos de prova com trincas profundas que garantem grande severidade do defeito e conservadorismo das propriedades obtidas. Entretanto, estruturas reais apresentam usualmente trincas rasas e acabam muitas vezes sendo prematuramente retiradas de serviço pelo conservadorismo das propriedades de tenacidade à fratura disponíveis dos ensaios. Dependendo da geometria da estrutura em análise, o uso de corpos de prova de trinca rasa se justifica pela menor restrição à plasticidade e mais adequada descrição da condição real de aplicação. No entanto, sob tais condições as propriedades de fratura podem se tornar dependentes da geometria da peça a avaliar. Este trabalho investiga, neste contexto, quão expressivo é o efeito da profundidade de trinca de espécimes SE(B) na tenacidade à fratura avaliada experimentalmente para um aço ASTM A516 Grau 70 por meio dos parâmetros integral J e CTOD. Endereça ainda os níveis de restrição plástica e a validade da mecânica da fratura monoparamétrica sob tais condições. Os resultados revelaram que amostras contendo trincas rasas apresentam menor restrição à plasticidade fazendo com que a validade da mecânica da fratura elasto-plástica seja facilmente violada. Do ponto de vista de propriedades mecânicas, um aumento de 8 % na tenacidade à fratura utilizando espécimes SE(B) com trinca rasa (a/W = 0,2) foi evidenciado em relação a trinca profunda (a/W = 0,5).

The occurrence of catastrophic failures involving fracture phenomena is a problem of increasing relevance since current mechanical technology is more complex if compared to previous decades and very high levels of operational efficiency are required, which preclude conservatives approaches in term of safety factors. In this sense, adequate experimental evaluation of the fracture resistance of materials is of paramount importance to support activities regarding structural integrity evaluations with precision and safety. These experimental tests are performed using specimens of reduced dimensions based on recommendations from international standards, such as compact under tension C(T) and 3- points bending SE(B) specimens. These standards require deep-cracked specimens that guarantee high severity of the defect and conservatism of the obtained properties. Depending on the geometry of the structure under analysis, however, the use of shallow-cracked specimens is justified by the lower constraint and more adequate description of the real conditions found on applications. However, under such conditions the fracture properties can become dependent on the geometry of the component under analysis and similitude cannot be guaranteed. This work investigates, in this context, the effects of crack depth of SE(B) specimens on fracture toughness values experimentally evaluated for a ASTM A516 Grade 70 steel through J integral and CTOD parameters. Are also addressed the constraint levels and the validity of single-parameter fracture mechanics under such conditions. The results revealed that samples containing shallow cracks present less stress triaxiality (favoring plasticity), which can easily violate the validity limits of Elastic-Plastic Fracture Mechanics. From a mechanical properties point of view, an increase of 8% on fracture toughness using shallow-cracked (a/W=0.2) SE(B) specimens was evidenced over the deep-cracked samples (a/W=0.5).