Avaliação do efeito do fretting sobre o comportamento a fadiga de fios fabricados com a liga de alumínio Al 1350 H19

Abstract

O fenômeno de fretting ocorre em máquinas e componentes estruturais onde elementos em contato mutuo estão sujeitos a movimentos repetitivos. A fadiga por fretting ocorre na interface de duas juntas mecânicas em contato, submetidos a deslocamentos relativos entre as superfícies ao longo das zonas de contato, e está relacionado à ocorrência simultânea de desgaste, corrosão e dano por fadiga. O processo de fadiga provocado pela excitação eólica é um dos principais causadores de falhas em cabos condutores aéreos utilizados em linhas de transmissão de energia. Essa excitação provoca um movimento de flexão alternada do cabo que pode levar ao deslizamento dos fios do cabo entre si e posteriormente a falha do cabo condutor. Apesar das recentes investigações sobre as variáveis que influenciam o fenômeno de fretting, ainda existem incertezas no processo de degradação do cabo, principalmente no regime de escorregamento parcial, onde a zona de contato é mais complexa em comparação com o regime de escorregamento total. Este trabalho é de natureza experimental e visa apresentar uma contribuição sobre o estudo do fenômeno de fretting no comportamento a fadiga de fios fabricados com a liga Al 1350-H19 do cabo condutor CAA 397.5 IBIS. Para esse fim, um novo dispositivo, capaz de reproduzir o fenômeno de contato fio – fio foi utilizado, e mostrou-se eficaz na realização dos ensaios, permitindo que as cargas de contato fossem controladas e medidas. Para a determinação do efeito de fretting na vida em fadiga dos fios, compararam-se as marcas de falha que aparecem no cabo condutor e as feitas no dispositivo. Realizou-se em seguida a análise do comportamento do tamanho da área da marca e da pressão nominal com referência à força normal de contato. Construiu-se a partir daí as curvas de S-N variando-se a força de contato de 75[N] a 1000[N] e obtendo-se a força tangencial por duas configurações: através da carga remota de fadiga e através do controle da carga mínima na máquina servo-hidráulica de ensaios. A frequência dos ensaios foi mantida a 10 Hz. Os fios foram testados com uma relação de carregamento de R = 0,1 e a duração do teste foi de 8x106 ciclos. Todos os testes foram realizados no regime de adesão-escorregamento que ocorre na zona de contato plasticamente deformada. Não foi permitido nenhum deslizamento global. Conjuntamente realizou-se a simulação via MEF para obter o campo de tensão ao redor da marca de fretting. O exame das marcas de fricção na superfície de contato foi realizado por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. Os resultados mostram como pressão nominal de contato tem dois comportamentos com relação a força normal aplicada. Inicialmente o valor da pressão aumenta rapidamente até alcançar o valor máximo. No entanto, ao continuar aumentando a força normal, a pressão começa a diminuir, visto que a relação polinomial da área faz que o tamanho da mesma aumente significativamente. O tamanho das marcas não tem uma relação evidente com a tensão média remota de fadiga. O comportamento da vida em fadiga é inversamente proporcional com relação a pressão normal. Para aumentos na pressão de contato, ocorreu a diminuição da vida do material estudado. A análise fractográfica ilustrara sítios de nucleação de trincas localizadas na região de contato, as quais formaram três frentes de propagação. A primeira acontece na borda da zona de contato, a segunda acontece entre a zona de adesão e a zona de escorregamento e a terceira aparece no centro da superfície de contato. Todas as fraturas por fadiga em diferentes regimes de fretting podem ser divididas em três regiões: região de origem da falha que acontece na zona de contato, região de propagação de trinca e região de quebra final. Comparado com os resultados dos testes do cabo condutores, infere-se que as caraterísticas de atrito obtido no teste de fio único, tais como tamanho da zona de contato, fenômenos de delaminação, nucleação de trincas, modos de propagação e ordem de grandeza do número de ciclos para nucleação de trincas, são análogos. Parece assim possível usar um teste tão simples para entender e possivelmente prever o comportamento de fadiga de fretting do condutor. Essa capacidade de previsão seria de grande valor prático, pois o teste de condutores de tamanho real é mais complexo e oneroso.