Estudo da influência da pré-deformação plástica na propagação de trincas por fadiga (da/dN vs. ?K) em aço ASTM A36

Abstract

Materiais metálicos são comumente submetidos a processos de conformação plástica a frio objetivando a manufatura de componentes automobilísticos, ferroviários, petroquímicos entre outros. Uma vez em operação, grande parte destes equipamentos e componentes está sujeita à aplicação de milhares ou até milhões de ciclos repetitivos ou randômicos de esforços ao longo de sua vida útil. Assim, fenômenos envolvendo nucleação e propagação de trincas de fadiga (mecanismo mais frequente em falhas mecânicas em geral) são alvos constantes de estudo para o projeto seguro e estimativa de vida realista de estruturas. Neste contexto, este trabalho investiga o efeito de pré-deformações plásticas geradas por conformação a frio no crescimento de trincas por fadiga no aço ASTM A36. O estudo contemplou a pré-deformação do material original (fornecido na forma de chapas laminadas de 12,7 mm) seguida da realização de ensaios de propagação de trincas por fadiga (da/dN vs. ?K) empregando corpos de prova C(T), conforme recomendado pela norma ASTM E647-11 (2011). Os níveis de prédeformação de 4,3, 8,3 e 14,7, embasaram um estudo exploratório sobre o efeito nas taxas de propagação de trinca na região II (Lei de Paris) em relação ao material original. Toda a metodologia de pré-deformação, assim como os dispositivos necessários aos ensaios de propagação, foram desenvolvidos e implementados pelo autor para suporte ao trabalho. As investigações forneceram: i) a composição química e caracterização microestrutural do material; ii) as propriedades monotônicas para orientações variadas em relação ao sentido de laminação (0º, 45º e 90º); iii) os desejados níveis de pré-deformação quantificados a partir de análise de imagens fotográficas em alta resolução; iv) o efeito da pré-deformação plástica na propagação caracterizada por curvas da/dN vs. ?K. Os resultados evidenciaram sensível redução na taxa de propagação de defeitos por fadiga com o aumento da pré-deformação imposta, atingindo aproximadamente 30 % de redução para pré-deformações de 14,7 %.

Metallic materials are commonly subjected to cold plastic forming processes in order to manufacture engineering components for application in various industrial sectors, namely: aerospace, automotive, rail, petrochemical and others. Once in operation, most part of the equipments and components designed with these materials is submitted to thousands or even millions of cycles of repetitive or random stresses throughout its life. Thus, the study of fatigue crack initiation and propagation (most common source of mechanical failures) is essential for safe designs and realistic estimation of remaining lives of machines, vehicles and structures. In this context, this study investigates the effect of plastic pre-strain generated by cold forming on fatigue crack growth using C(T) specimen made of ASTM A36 steel. A fixed prestrain was imposed to the original material (supplied as rolled ½ inch thick plates), followed by fatigue crack growth testing (da/dN vs. ?K), as recommended by the international standard ASTM E647-11 (2011). Pre-strain levels of 4.3, 8.3 and 14.7 % supported an exploratory investigation on the effects of prestrains on crack growth rates in region II (Paris Law) compared to the original material. All methodology and apparatus for crack growth testing were designed and implemented by the author to support this work. The results provided: i) material’s chemical composition and microstructural characterization; ii) monotonic mechanical properties for different orientations with respect to rolling direction (0º, 45º and 90º); iii) the desired prestrain levels quantified using high resolution image analysis; iv) the effects of prestrain levels on crack growth rates characterized by da/dN vs. ?K evolutions. Results demonstrated a relevant decrease on fatigue crack growth rates for higher prestrain levels, reaching approximately 30 % reduction for 14.7 % prestrain.