ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS …

Proceedings of the 1st Iberic Conference on Theoretical and Experimental Mechanics and Materials /

11th National Congress on Experimental Mechanics. Porto/Portugal 4-7 November 2018.

Ed. J.F. Silva Gomes. INEGI/FEUP (2018); ISBN: 978-989-20-8771-9; pp. 519-542.

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PAPER REF: 7389

ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DAS LIGAS ABNT 4340 E INCONEL 718 USADAS NA FABRICAÇÃO DE PARAFUSOS OFFSHORE Tales Martins da Silva, Renato Chaves Souza, Roberto Nunes Duarte(*),Wilson Carlos da Silva Junior

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo - Campus São João da Boa Vista, Brasil (*)

Email: [email protected] RESUMO

Este trabalho apresenta um comparativo das propriedades mecânicas e de corrosão das super ligas ASTM/ABNT 4340 e INCONEL 718, sendo estes materiais utilizados na fabricação de fixadores (como parafusos) de alta resistência para ambiente marinho e sua falha pode implicar em altos custos de manutenção com potencial risco ao meio ambiente quando aplicados em plataformas de exploração e processamento de petróleo. A caracterização e comparação das ligas comerciais será composta pela análise dos ensaios de tração, dureza, torção, metalografia, corrosão e comportamento em fadiga rotativa. Justifica-se este estudo o fato de que tais matérias utilizados como elementos estruturais são muitas vezes sujeitos a carregamentos cíclicos e expostos a alta presão, portanto, existe a possibilidade de extensão subcrítica de fissuras/crescimento subcrítico de trincas ou falhas por trincas durante o serviço. A comparação das propriedades mecânicas, corrosão e o comportamento a fadiga permitiu a conclusão de que o aço ASTM/ABNT 4340 pode ser utilizado na fabricação de fixadores para ambientes marítimos com propriedades similares ao INCONEL 718, porém com um custo inferior.

Palavras-chave: Elementos de fixação, offshore, superligas, fadiga.

INTRODUÇÃO

Constitui-se tema deste estudo o comparativo das propriedades mecânicas, de corrosão e fadiga rotativa das ligas ASTM/ABNT 4340 e INCONEL 718 usadas na fabricação de elementos de fixação. A indústria offshore e marítima ainda depende dos elementos de fixação como método de junção primária. Para facilidade de montagem e construção, as conexões com flange continuam sendo parte integrante de qualquer desenvolvimento offshore, sendo que os elementos de fixação são os principais meios de montagem [1].

Para o observador casual a seleção de parafusos, porcas e rebites para um projeto deve ser uma tarefa simples. Entretanto, trata-se de uma tarefa difícil, que exige uma análise cuidadosa da temperatura, corrosão, vibração, fadiga, pré-carga inicial e custo do material, além do ambiente de aplicação [2].

O Bureau of Safety and Environmental Enforcement [3] alertou a indústria de petróleo e gás de um problema recorrente com falhas de conectores e parafusos em vários componentes usados em estruturas em operações em ambientes offshore e marinho.

Track-C: Composite and Advanced Materials

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A fadiga é a forma mais comum de fraturas de estruturas metálicas, sendo responsável por até 80% de todos os custos associados com a fratura. Fixadores não são exceção, a fadiga continua a ser a causa mais comum de quebras de parafusos. O início e desenvolvimento de trincas por fadiga ocorrem quando componentes estruturais estão sujeitos a carregamentos cíclicos em serviço, e, portanto, existe a possibilidade de extensão subcrítica de fissuras ou falhas por trincas durante o serviço. Fatores como material, geometria, estresse causado por parâmetros de amplitude e tensão, montagem dos fixadores podem afetar o desempenho em fadiga [4].

Não apenas a seleção de material apropriada é de suma importância, mas, também, o processamento adequado para garantir a qualificação dos elementos de fixação para o ambiente de serviço no ambiente marinho. Isso se torna cada vez mais evidente à medida que a atenção da indústria de petróleo e gás se desloca para exploração e desenvolvimento de suas atividades em águas mais profundas, onde o custo de operação e intervenção é muito alto [1].

Materiais de alta resistência para a fabricação de parafusos são necessários pela indústria offshore. No entanto, vários materiais candidatos podem ser suscetíveis a falhas devido ao hidrogênio e craqueamento associada causada pelo sistema de proteção catódica [5].

Os materiais precisam apresentar certo grau ductilidade, tenacidade e dureza controlada para maior resistência à fratura, fadiga e corrosão sob tensão. Esses parâmetros geralmente requerem um tratamento térmico específico para controlar a resistência ou a dureza dos materiais [1].

A união por flanges é feita pelo aperto dos parafusos que são normalizados por padrões internacionais como ANSI/ASME (American National Standards Institute/ American Society

of Mechanical Engineers) e outras normas. A conexão dos flanges pode ser feita por intermédio de parafuso tipo máquina (hexagonal) ou parafuso estojo, conforme demonstrado na Figura 1.

Fig. 1 - Parafusos - estojo e máquina [6].

A qualidade do material para parafusos é definida em normas ASTM (American Society for

Testing and Materials) e são indicadas em graus. Os tipos mais utilizados são A193 para as hastes de rosca e A194 para as porcas. A norma, ASTM A193 inclui o material de parafusos de aço inoxidável para vasos de pressão, válvulas, flanges e acessórios para alta temperatura

Proceedings TEMM2018 / CNME2018

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ou serviço de alta pressão, além de outras aplicações para fins especiais, conforme Tabela 4 [7]. Estes materiais e as suas características mecânicas e processos de fabricação seguem as especificações da International Organization for Standardization (ISO) denominada ISO 898-1.

Um dos materiais, objeto deste estudo, é o aço SAE/ABNT 4340 sendo um aço de baixa liga com elevadas propriedades mecânicas e boas características em fadiga. O aço SAE/ABNT 4340 é composto por carbono, níquel, cromo, molibdênio, silício, manganês e traços de fosforo e enxofre, com alta temperabilidade e de alta resistência geralmente fornecido endurecido e temperado com resistência à tração na gama de 930-1800 Mpa, dependendo da temperatura de revenimento, e dureza Rockwell 28-36.

O INCONEL 718 é uma superliga à base de níquel-cromo e endurecida, sendo considerado perfeito para ambientes extremos que levam à oxidação e corrosão. Essa superliga é resistente, mesmo quando sujeita à pressão e calor. Muitas vezes, ela é selecionada pela indústria por suas capacidades de resistência à altas temperaturas, resistência mecânica e ductilidade, além de poder ser utilizada em temperaturas criogênicas [7].

A estruturas metálicas offshore estão expostas a agressividade do ambiente marinho. Os fatores que determinam o tipo de ataque à corrosão em metal e a sua taxa podem ser classificados como químicos, físicos e biológicos [8]. A presença de agentes agressivos, acelera o ataque e o processo corrosivo. A água salgada é o principal agente responsável por processos físicos e químicos de degradação [9].

Fadiga é um termo, que se aplica a alterações em propriedades que possam ocorrer em um material metálico, devido a repetida aplicação de trações e compressões, embora geralmente este termo se aplica especialmente aquelas alterações que conduzem ao trincamento e colapso [10]. A fadiga pode ser classificada pela forma em que ocorre: mecânica, fluência, termo mecânica, à corrosão, contato de rolamento e fadiga por atrito.

Estudos realizados em ambiente inerte demonstraram aumento da rugosidade da superfície, enquanto que aqueles realizados em ambiente agressivo (água salgada) resultaram em uma superfície de fratura suave. Do mesmo modo, as bordas de corte eram mais estreitas em um ambiente agressivo do que no ambiente inerte. Essas tendências foram associadas com a ideia de que um ambiente agressivo estimula rompimento de tração na ponta da trinca, enquanto um ambiente inerte promove o rompimento de cisalhamento. Deve ser entendido que a propagação da trinca em um ciclo (ou seja, a taxa de desenvolvimento da trinca) depende da resistência ao crescimento da trinca do material, mas também da força motriz da trinca que é diferente, variando com o tipo de material e com o tipo de ambiente em que ela se desenvolve. A geometria da trinca é considerada como pontas de cisalhamento e tortuosidade da fratura [11].

Heyer, em 1943, atribuiu um aumento da vida de fadiga após a aplicação de uma pré-carga elevada de tensões residuais de compressão. A definição formal do limite de fadiga parece ser óbvia. É a amplitude de tensão para que a vida de fadiga fica infinita em vista do caráter assintótica da curva S-N. No entanto, ensaios de fadiga devem ser terminados depois de um tempo de realização do teste [12].


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Se isso ocorre após 107 ciclos, e a amostra não falha, este nível de tensão não precisa ser necessariamente um limite de fadiga. Na realidade, também foi assinalado como um limite de resistência quando está associado com um certo número elevado de ciclos [12].

Do ponto de vista da engenharia, o que parece ser mais lógico, é definir o limite de fadiga como a mais alta amplitude de tensão para que a falha não ocorra depois de um número elevado de ciclos de carga. Os níveis de tensão de projeto devem, então, permanecer abaixo do limite de fadiga que enfatiza o significado de o limite de fadiga como uma propriedade do material.

As duas definições não se referem a aspectos físicos do fenômeno de fadiga. A base bem definida fisicamente deve ser associada com micro trincas. E se micro trincas não são iniciadas, as falhas em fadiga não ocorrem. A Figura 2 demonstra a Curva S-N e ciclos de fadiga.

Fig. 2 - Curva S-N e ciclos de fadiga, MAYER; STANZL, 2001.

Metodologia

A Figura 3 descreve o fluxograma das etapas dos procedimentos e ensaios desenvolvidos para a realização deste trabalho. A sequencia foi adotada para as ligas ASTM/ABNT 4340 e INCONEL 718.

As ligas ASTM/ABNT 4340 e INCONEL 718 utilizadas na confecção dos diversos corpos de prova foram fornecidas pela empresa Multialloy Metais Especiais, estas foram forjadas a quente (Figura 4), e para a conformação é utilizada uma máquina que possibilita a conformação circular (Figura 5), transformando as referidas ligas em barras circulares conformadas (Figura 6).

A análise química das ligas ABNT 4340 e INCONEL 718 (Tabelas 1 e 2, respectivamente), indica que as ligas estão de acordo com os padrões estabelecidos nas normas para ambas.


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Fig. 3 - Fluxograma de ensaios e procedimentos realizados para as ligas ASTM/ABNT 4340 e INCONEL 718.

Fig. 4 - Forjamento à quente Multialloy.

USINAGEM

PARAFUSOS M30 (ABNT 4340) e M16 (INCONEL 718)

ENSAIO

TRAÇÃO

ENSAIO

TORÇÃO

ENSAIO

METALOGRAFIA

ENSAIO

CORROSÃO

ENSAIO

FADIGA

ANÁLISE QUÍMICA

CORTES

TRATAMENTO TÉRMICO

AISI 4340 INCONEL 718

ANÁLISE DUREZA

CDP METALOGRAFIA

CDP TRAÇÃO

CDP TORÇÃO

CDP CORROSÃO

CDP FADIGA


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Fig. 5 - Máquina para conformação circular Multialloy.

Fig. 6 - Barras circulares conformadas Multialloy.

Tabela 1 - Composição química da liga ASTM/ABNT 4340, Multialloy.

Elemento de

Liga [%]

C

S

Mn

Cr

Ni

Mo

Especificado 0,38-0,43 0,25 máx. 0,60-0,80 0,70-0,90 1,65-2,00 0,20-0,30

Encontrado no Material

0,39

<0,01

0,69

0,74

1,70

0,23


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Tabela 2 - Composição química da Superliga INCONEL 718, Multialloy.

Elemento de Liga %

C Si Mn Co Cr Mo Ni Ti Nb Al Fe

Especificado 0,045 máx.

0,35 máx.

0,35 máx.

1,00 máx.

17,00

21,00

2,80

3,30

50,00

55,00

0,80

1,15

4,87

5,20

0,40

0,60

Bal.

Encontrado no Material

0,035 0,05 0,02 0,03 18,8 3,00 52,9 0,94 5,20 0,48 18,5

Os materiais foram cortados pela empresa Multialloy Metais Especiais, em uma máquina de serra fita, em tubos de 50 mm x 500 mm, conforme Figuras 7 e 8.

Fig. 7 - Corte da superliga INCONEL 718, Multialloy.

Fig. 8 - Corte da liga ABNT 4340, Multialloy.


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Os materiais foram cortados em partes menores para facilitar a usinagem, Figura 9.

Fig. 9 - Preparação para usinagem CDP’S e Parafusos, Multialloy.

Os ensaios de dureza Rockwell, antes e após tratamento térmico, conforme a norma ASTM-E-18, utilizaram o modelo Mitutoyo, com cargas de 100g e de 500g, dependendo da dureza do material, durante 30 segundos. Nos corpos de prova - de aproximadamente 100mm de diâmetro e 30mm de espessura - foram realizadas seis impressões de dureza, com a distância de aproximadamente 2mm entre as impressões.

A Figura 10 mostra o Durômetro modelo Mitutoyo (Rockwell) utilizado na empresa Multialloy Metais.

Fig. 10 - Durômetro modelo Mitutoyo (Rockwell), Multialloy.


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Os materiais foram identificados e separados por tipo de material e remetidos para tratamento térmico distintos no forno da marca Jung, Figura 11. Ao colocar a amostra no forno previamente aquecido, há uma pequena diminuição da temperatura. Por isso, antes de iniciar a contagem do tempo, espera-se, aproximadamente 2 minutos, até a estabilização da temperatura.

Fig. 11 - Tratamento térmico - forno marca Jung, Multialloy. O tratamento de envelhecimento e a temperatura de solubilização estão de acordo com a especificação API (Petróleo e Gás), para Superliga INCONEL 718 (UNS 7718) e a liga ASTM/ABNT 4340 (UNS G43400).

Após o processo de usinagem os corpos de provas foram divididos em 5 grupos diferentes conforme o tipo de ensaio utilizado, a saber:

• Grupo 1: ensaio de tração (GT1) • Grupo 2: ensaio de torção (GT2) • Grupo 3: metalografia (GM3) • Grupo 4: ensaio de corrosão (GC4) • Grupo 5: ensaio de fadiga (GF5)

A identificação do material para cada corpo de prova foi realizada com letras maiúsculas introduzidas após a identificação de cada grupo, tais como:

• “A” para liga ABNT 4340 • “I” para a superliga INCONEL 718

Além da identificação do ensaio e material, os corpos de prova receberam uma numeração sequencial. Os grupos receberam as identificações abreviadas com letras e números conforme cada tipo de ensaio, material e corpo de prova, conforme descrito na Tabela 3.


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Tabela 3 - Numeração dos grupos.

Exemplo de identificação corpo de prova

Tipo de ensaio Material Número do C.D.P.

GT2 Grupo 2 - ensaio de torção

A: Liga ABNT 4340 01

GF5 Grupo 5 - ensaio de fadiga

I: Superliga INCONEL 718

08

Os corpos de prova do grupo (GT1) foram usinados na empresa Multialloy Metais, em torno modelo CNC Romi Multiplic 35D, conforme a Figura 12, seguindo o desenho apresentado na Figura 13.

Fig. 12 - Torno CNC Romi Multiplic 35D, Multialloy.

Fig. 13 - Corpo de prova ensaio de tração, Multialloy.

Os ensaios de tração foram realizados junto à máquina Emic DL 3000, do laboratório de propriedades mecânicas do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo/Campus São Paulo (IFSP - SP), Figura 14. Foram ensaiados até a ruptura três corpos de prova para cada condição de tratamento. Os ensaios foram realizados segundo norma ASTM-E8-M, com corpos de prova de comprimento útil nominal igual a 200±1,0 e diâmetro igual a 19,05±0,03 mm. A taxa de deformação usada foi de 5 x 10-4 s-1.


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Fig. 14 - Máquina ensaio de tração Emic DL 3000.

Os corpos de prova do grupo (GF5) foram usinados na empresa Multialloy Metais, em torno modelo CNC Romi Multiplic 35D (figura 15), seguindo o desenho apresentado na Figura 16.

Fig. 15 - Torno modelo CNC Romi Multiplic 35D, Multialloy.

Fig. 16 - Corpo de prova ensaio de fadiga flexão rotativa, Manual da Máquina de Fadiga por Flexão Rotativa da FDInc, RBF200.


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Os ensaios de fadiga por flexão rotativa foram realizados no Laboratório de Ensaios de Metalurgia da Universidade de São Paulo (USP) e o equipamento utilizado foi uma máquina de ensaios de fadiga por flexão rotativa modelo RBF200 da FDInc (Figura 17). A rotação de ensaio foi de 20 Hertz e a razão de tensão foi de R = -1 até a fratura ou até 107 ciclos, estando de acordo com os parâmetros recomendados pelo fabricante.

Fig. 17 - Máquina ensaio de flexão rotativa modelo RFB200.

Os ensaios de torção do grupo (GT2) foram realizados pela empresa Metaltork diretamente nos parafusos fabricados em M 30 (Figura 18).

Fig. 18 - Parafusos M30 (ABNT 4340) e M16 (INCONEL 718) adaptados para o ensaio de torção, Metaltork.

A máquina de ensaio é dotada de uma cabeça giratória responsável pela aplicação do momento torsor, sendo que uma das extremidades dos parafusos está fixa (Figura 19). Durante o ensaio registrar-se momento torsor (MT) em função de ângulo de torção (θ).

Para os ensaios metalográficos foram cortados corpos de prova na forma de cubos de 1 cm de lado e embutidos em baquelita de cada um dos materiais, as superfícies expostas (1cm² de área) foram lixadas progressivamente até chegar a lixa com granulometria #1200 e depois polidas em panos metalográficos com suspensões de diamante de 6, 3 e 1µm. Para a amostra do aço ASTM/ABNT 4340 utilizou-se Nital 2%, com tempo imersão de 20 segundos aproximadamente. Para a liga INCONEL 718 foi preciso utilizar um ataque mais agressivo que consistiu no ataque eletrolítico aplicando-se um potencial de 10 mV durante 5 segundos


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em solução de 10% ácido crômico. A observação da microestrutura das ligas foi realizada em microscópio óptico (OM). BX 60, da Olympus, disponível no Laboratório de Ensaios de Metalurgia da Universidade de São Paulo (USP).

Fig. 19 - Maquina ensaio de torque e tensão Systek (DDT-A), Metaltork.

Para o ensaio de corrosão a determinação do comportamento eletroquímico dos materiais foi escolhida a técnica de polarização potência dinâmica, que pode fornecer parâmetros importantes como o potencial de corrosão (Ecorr) e o potencial de pite (Ep), Figura 20.

Fig. 20 - Curva de polarização e descrição dos respectivos parâmetros Ep, Ecorr e trechos anódico e catódico, Laboratório de Ensaios de Metalurgia da USP, 2017.

Parâmetros do ensaio:

• Velocidade de varredura: 1 mV/s • Inicio do ensaio: 250 mV abaixo do potencial de corrosão (Ecorr) • Final do ensaio: até se atingir uma densidade de corrente de 10-3 A/cm2 • Eletrodo de referência: Eletrodo de Calomelano Saturado (ECS) • Contra eléctrodo: Fio de platina enrolado com 1mm de diâmetro e 20 cm de

comprimento


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• Eletrodo de trabalho: corpos de prova embutidos em baquelite da liga INCONEL 718 e ABNT 4340, com área exposta de 1 cm2, com acabamento superficial de lixa #600.

• Foram feitos 3 ensaios por condição.

Equipamentos:

• Potenciostato/Galvanostato modelo 273A da marca Princeton Applied Research (PAR), Figura 23.

• Célula eletroquímica tipo balão volumétrico da PAR, Figura 22. • Software de aquisição de dados “PowerSuite”.

Fig. 21 - Potenciostato/Galvanostato modelo 273A da marca PAR.

Fig. 22 - Arranjo experimental dos ensaios eletroquímicos. A) montagem completa: Potenciostato, cabo GPIB/USB, computador e célula eletroquímica; B) célula

eletroquímica, Laboratório de Ensaios de Metalurgia da USP.


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Testes e Resultados

Foram realizados ensaios de tração em 4 corpos de prova de cada liga e determinados os limites de: escoamento, resistência, alongamento e dureza. O ensaio de tração foi realizado segundo a norma ASTM E8 e o ensaio de dureza foi realizado segundo a norma ASTM E18, conforme Tabela 4:

Tabela 4 - Propriedades mecânicas (valores de limite de escoamento, limite de resistência, alongamento e dureza) dos corpos de prova da liga ABNT 4340 e

INCONEL 718 ensaiados em tração.

O ensaio de torção realizado obteve os seguintes resultados: a força tensora de escoamento obtida no ensaio de Força-Torque x Ângulo foi de 250,5 kN, aonde optou-se para os ensaios uma força escoamento de 250 dentro da zona elástica do parafuso. Na Figura 23 e apresenta-se as curva Força-Torque x Ângulo para os diferentes materiais em Parafuso M30 (ABNT 4340) e M16 (INCONEL 718).

As superfícies polidas das ligas, acabamento espelhado com pasta abrasiva de 1µm, foram atacadas com procedimentos e reagentes químicos, descritos no item anterior, de modo a revelar as microestruturas. As Figuras 24 e 25 apresentam as microestruturas obtidas.


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Fig. 23 - Curva Força-Torque x Ângulo - Parafusos M30 (ABNT 4340) e M16 (INCONEL 718).

Os exames micrográficos mostraram que os materiais são de natureza diferente, a liga INCONEL 718 possui microestrutura austenítica (fase γ) com precipitação nos contornos dos grãos, enquanto a microestrutura do aço ASTM/ABNT 4340 mostrou a aparência típica de martensita revenida.

Os resultados do ensaio de corrosão mostraram que o comportamento eletroquímico dos materiais ASTM/ABNT 4340 e INCONEL 718 é diferente, o que é coerente com as diferenças observadas nas microestruturas.


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Fig. 24 - Microestrutura do aço ASTM/ABNT 4340, martensita revenida.

Fig. 25 - Microestrutura da liga INCONEL 718.

A Figura 26a apresenta a curva de polarização obtida com a análise do INCONEL 718 e a Figura 26b apresenta a curva de polarização obtida com a análise da liga ASTM/ABNT 4340.


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Fig. 26a - Curva de polarização INCONEL 718, obtida: 3 repetições para cada material.

Fig. 26b - Curva de polarização ABNT 4340, obtida: 3 repetições para cada material.

O material ASTM/ABNT 4340 apresentou baixo Ecorr (ao redor de -0,900 mV) e densidades de corrente maiores, o que indica que a liga apresenta menor desempenho em relação a resistência à corrosão, se comparada com a liga de INCONEL 718. Observou -se que o aço ASTM/ABNT 4340 apresenta um comportamento com tendência a corrosão generalizada. Os exames de microscopia óptica da morfologia de corrosão mostraram uma mistura de ataque generalizado e localizado (pites), conforme Figura 27.


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Fig. 27 - Morfologia da Corrosão no Aço 4340. Manchas de Corrosão Generalizada Misturadas com ataque localizado (pites).

A liga INCONEL 718 apresenta uma curva típica de material passivo com boa repetibilidade, nos ensaios, o potencial de corrosão registrado foi de -0,335mV e potenciais de pite (Ep) de 1,1 mV aproximadamente. Contudo, esses valores de Ep devem ser examinados com cuidado, já que em potencias altos (acima de 1,0 mV) o processo pode estar influenciado pela reação da evolução de oxigênio aumentando drasticamente a densidade de corrente. Esse fenômeno gera bolhas de oxigênio na superfície provocando possivelmente também a quebra do filme passivo, conforme Figura 28.

Fig. 28 - Presença de Pites na Liga INCONEL 718.


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Na Tabela 5 são apresentados os resultados dos ensaios de fadiga obtidos para a liga INCONEL 718. Nota-se nesta tabela que um dos ensaios com tensão máxima de 109,2 MPa no ciclo de tensão reversa foi interrompido sem ocorrer a ruptura do corpo de prova, com um número de ciclos próximo de 15 milhões. Na Tabela 11 observa-se que para ciclos de tensão reversa com tensão máxima de 109,2 MPa, o material suporta 107 ciclos ou mais sem romper. Este nível de tensão com elevado número de ciclos já é adequado para aplicações de fadiga de alto ciclo.

Tabela 5 - Número de ciclos até a ruptura dos corpos de prova da liga INCONEL 718 ensaiados em fadiga em função da

tensão máxima do ciclo de tensão reversa.

A Figura 29 mostra o resultado do ensaio de fadiga, com a tensão máxima obtida com a liga INCONEL 718.

Na Tabela 6 são apresentados os resultados dos ensaios de fadiga obtidos para a liga ASTM/ABNT 4340. De maneira semelhante ao que ocorreu para a liga INCONEL 718, para ciclos de tensão reversa com tensão máxima de 109,2 MPa, a liga ABNT 4340 suporta um elevado número de ciclos neste nível de tensão até romper (próximo a 107 ciclos). Contudo, para a liga INCONEL 718 não ocorreu a ruptura com a tensão de 109,2 Mpa para dois corpos de prova que seu resultaram em vidas acima de 107 ciclos, o que não ocorreu para os corpos de prova da liga ASTM/ABNT 4340 neste nível de tensão, havendo ruptura.


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250

300

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INCONEL 718

TENSAO MAXIMA (MPa)

N (CICLOS)

Fig. 29 - Tensão máxima obtida com Liga INCONEL 718

*Ensaio interrompido sem ocorrer a ruptura do corpo-de-prova.

Tabela 6 - Número de ciclos até a ruptura dos corpos-de-prova do aço ASTM/ABNT 4340.

Na Figura 30, estes resultados de ensaios de fadiga são traçados num gráfico de tensão máxima do ciclo de tensão reversa versus o logaritmo do número de ciclos até a ruptura (curva S-N ou σ-N). Nota-se pelas curvas S-N que para tensões mais elevadas (baixo ciclo) o comportamento em fadiga das ligas INCONEL 718 e ABNT 4340 são similares. Entretanto, para baixas tensões (alto ciclo) a liga INCONEL 718 tem um comportamento em fadiga superior ao apresentado pela liga ASTM/ABNT 4340.


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LIGA ABNT 4340

TENSAO MAXIMA (MPa)

CICLOS (N)

Fig. 30 - Tensão máxima obtida com Liga ASTM/ABNT 4340.

A Figura 31 apresenta o comparativo das curvas SN das ligas ASTM/ABNT 4340 e INCONEL 718.

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400

ABNT 4340

INCONEL

TENSAO MAXIMA (MPa)

CICLOS (N)

Fig. 31 - Curvas S-N obtidas dos ensaios de fadiga de corpos-de-prova das

ligas de aço ASTM/ABNT 4340 e INCONEL718.


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CONCLUSÕES

O comportamento em fadiga das ligas INCONEL 718 e ASTM/ABNT 4340 para os diferentes ensaios na fabricação de parafusos foram estudados. Os resultados deste estudo podem ser resumidos como se segue:

• As ligas na condição como recebida (solubilizadas, encruadas e envelhecidas) apresentaram valores similares de limite de escoamento, de limite de resistência, de dureza e de alongamento.

• A força tensora de escoamento obtida no ensaio de Força-Torque x Ângulo foi de 250,5 kN, aonde optou-se para os ensaios uma força escoamento de 250 dentro da zona elástica do parafuso. Observa-se que a força tensora foi praticamente a mesma nas duas ligas.

• Os resultados mostraram que o comportamento eletroquímico dos materiais é diferente, o que é coerente com as diferenças observadas nas microestruturas. O INCONEL 718 apresenta uma curva típica de material passivo com boa repetibilidade nos ensaios, o potencial de corrosão registrado foi de -0,335 mV e potenciais de pite (Ep) de 1,1 mV aproximadamente. O material ASTM/ABNT 4340 apresentou Ecorr bastante baixo (ao redor de -0,900 mV) e densidades de corrente maiores o que indica que apresenta menor desempenho quanto a resistência a corrosão, se comparado com a liga de INCONEL 718.

• Os resultados dos ensaios de fadiga mostraram que para tensões mais elevadas (baixo ciclo) o comportamento em fadiga das ligas INCONEL 718 e ASTM/ABNT 4340 são similares. Entretanto, para baixas tensões (alto ciclo) a liga INCONEL 718 tem um comportamento em fadiga superior ao apresentado pela liga ASTM/ABNT4340.

• A liga ASTM/ABNT4340 pode substituir a liga INCONEL 718 para a fabricação de elementos de fixação offshore submetidos a grandes esforços de pressão e fadiga em ambiente corrosivo. Esta substituição resultará em economia financeira atraente em face de que a liga ASTM/ABNT4340 possui valor monetário próximo a 1/3 do valor monetário da liga INCONEL 718.

AGRADECIMENTOS

As empresas Multialloy Metais e Ligas Especiais, LGV Cortes de Metais, Metaltork e ao laboratório do Departamento de Materiais e Metalurgia da USP.

REFERÊNCIAS

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[2]-NASA. Reference Publication 1228. Fastener Design Manual Richard T. Barrett March 1990.

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[5]-Pfingstag, M.; Muller, E.; Schaeffer, I.L. Avaliação em relação à corrosão-fadiga de juntas soldadas da liga INCONEL 625. Ciência & Tecnologia dos Materiais. 22(3/4):64-68, 2010.

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