Desenvolvimento de um equipamento para ensaio de fadiga térmica

Abstract

RESUMOEste trabalho apresenta a análise termo-mecânica do aço inoxidável martensítico 423Co quando submetido a um ensaio de fadiga térmica visando simular as condições de trabalho de rolos de lingotamento contínuo. Para tanto, foi desenvolvido um equipamento que reproduzisse o comportamento dos materiais quando submetidos a contínuos gradientes térmicos. Nesse estudo foram considerados os seguintes parâmetros: o sistema de aquecimento e resfriamento para geração dos ciclos térmicos; o tipo e geometria do corpo-de-prova; a restrição total e o controle do estado de tensões aplicados no corpo-de-prova durante o ensaio. O monitoramento e o controle desses parâmetros foram realizados por um sistema de aquisição de dados que permitiu a correção "in-locu" dos mesmos durante o ensaio. Foi observado que esses parâmetros propiciaram de forma eficaz a simulação eficientemente do fenômeno da fadiga térmica, nos materiais estudados, principalmente no aço inoxidável martensítico 423Co, foco desse trabalho. Os ensaios de fadiga térmica realizados no equipamento mostram a evolução dos principais mecanismos de deterioração nos metais, particularmente para o aço inoxidável martensítico 423Co utilizado como revestimento dos rolos de lingotamento contínuo.Palavras-chaves: fadiga térmica, ensaio de fadiga térmica, comportamento termo-mecânico. Development by one Equipment to Thermal Fatigue Test ABSTRACTThis research presents a thermo-mechanical analysis of the martensitic stainless steel 423Co when submitted to a thermal fatigue test carried out in such a way that simulates the work conditions of the rolls used in continuous caster process. In order to perform this experiment it was developed an equipment to reproduce the behavior of materials submitted to a continuous thermal gradient. In this study the following parameters were considered: the cooling and heating system to produce thermal cycles; the type and geometry of the sample; the total restraint and control of the strain state applied on the sample during the test. The monitoring and control of these parameters were carried out through a system of data acquisition which allows "in situ" correction during the test. It was observed that these parameters provide an efficient simulation of the thermal fatigue phenomenon on the analyzed material, mainly on the martensitic stainless steel 423Co. The thermal fatigue tests realized with the equipment showed the evolution of the main deteriorating mechanism in metals, particularly for the martensitic stainless steel 423Co which is utilized as covering of the studied rolls.

Evolução microestrutural do revestimento de aço inoxidável martensítico 423Co submetido ao ensaio de fadiga térmica

“…Ambas as temperaturas se encontram próximas às condições de serviço dos rolos de lingotamento contínuo. As alterações das tensões térmicas foram monitoradas pela inclusão de uma célula de carga e captadas por um sistema de aquisição com auxílio de um computador, BRANDIM [7] e BRANDIM et al [8]. Os corpos de prova, como ilustra a Figura 2, foram submetidos à fadiga térmica até alcançarem a ruptura.…”

Investigação dos mecanismos de nucleação de trincas de fadiga térmica em um aço ferramenta com carbonetos de nióbio.

“…A seguir, são apresentados exemplos entre as diversas configurações e condições de ensaio utilizadas nos trabalhos experimentais em que se estudou a fadiga térmica de aços, destacando-se os seguintes pontos: Os brasileiros Brandim et al [2] , visando avaliar a vida em fadiga de novas ligas utilizadas pelo processo de soldagem para várias aplicações tecnológi- Os autores atestaram, pelas medições de força e temperatura, que os ciclos de carregamento e de temperatura estão fora de fase, porém atribuem esse comportamento às restrições externas de movimentação do material nos dois extremos, enquanto a literatura de fadiga térmica atribui a geração de tensões às restrições internas associadas aos gradientes térmicos. Concluiu-se também que durante o ensaio de fadiga térmica sob condição de restrição total ocorre a diminuição da tensão de compressão e aumento da tensão de tração, que resulta no aumento da tensão média, reduzindo a vida útil à fadiga térmica.…”

“…Além disso, o CLP permitia programar as variáveis de ensaio, tais como temperatura de aquecimento, tempo de aquecimento, tempo de resfriamento e número de ciclos. 2 Devido à configuração da bobina de aquecimento, a região oposta à região onde o pirômetro óptico realizava a leitura da temperatura era muito mais aquecida. Para assegurar um aquecimento homogêneo de todo o perímetro circunferencial do corpo-de-prova ("pista"), adaptou-se um motor elétrico que permitia que o eixo de suporte do corpo-de-prova girasse a 100 rpm durante o aquecimento.…”

“…É claro que, por causa do número muito maior de ocorrências e (geralmente) maior impacto em caso de falha, a fadiga mecânica tem destaque entre os pesquisadores de fadiga. Fadiga térmica é definida por alguns autores como um modo de fadiga por aplicação cíclica de tensões de origem térmica, devido a contrações e dilatações térmicas do material [2][3][4] . µm é significativa e determinante na geração de tensões dentro da microestrutura [5,6] .…”

“…2.4.2 Sobre a fadiga térmicaFadiga térmica é um processo de origem e crescimento de dano em partes de equipamentos e componentes devido a mudanças na energia interna causadas por múltiplas mudanças de temperatura. Brandim et al definem fadiga térmica como "um processo de aplicação repetitiva de ciclos térmicos, durante o qual tensões e deformações são resultantes exclusivamente da imposição de gradientes de temperatura sem a aplicação de cargas mecânicas" [2]. Basicamente, a fadiga térmica é produzida em conjunto pelas mudanças cíclicas ou periódicas de temperatura e por uma restrição completa ou parcial da deformação térmica.…”