SiWind, o FoFo nodular para aplicações eólicas offshore

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O ferro fundido nodular SiWind, endurecido por solução sólida, é especialmente indicado para aplicações eólicas em alto-mar. Este trabalho relata os ensaios realizados no sentido de determinar a sua resistência no caso de grandes espessuras de parede, sob a ação cargas cíclicas.

Christoph Bleicher, Rainer Wagner, Heinz Kaufmann e Tobias Melz

Data: 10/10/2017

Edição: FS Setembro 2016 - Ano - 27 N^o 285

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O ferro fundido nodular de alta resistência SiWind foi desenvolvido para melhorar o desempenho, rentabilidade e confiabilidade das instalações de energia eólica em aplicações offshore.
Dentro do contexto do projeto de pesquisa MEGAWind, fazia-se necessário determinar a sua resistência para espessuras de parede grossas, sob carga cíclica.

Amostras e planos de teste

Para o exame das propriedades do ferro fundido nodular SiWind sob cargas cíclicas em paredes grossas, foram retiradas amostras de um bloco escalonado com espessuras de 130 e 200 mm.
Optou-se por utilizar corpos de prova axiais e para o teste de resistência à flexão, com diferentes geometrias.
Os ensaios de resistência à fadiga foram realizados tanto com controle da força (R_f), como com o conFtrole do alongamento à ruptura (R_e), nas seguintes relações de carga: R_F = 0, R_F =-1 e R_e = -1.

Realização e avaliação dos ensaios

Para o teste com controle da força (tensão), foram utilizadas máquinas de teste de ressonância com acionamento elétrico, enquanto os ensaios de fadiga Wöhler, com controle do alongamento à ruptura, foram realizados em máquinas de teste servo-hidráulicas.
Para os testes com controle do alongamento à ruptura, foi definido um número de ciclos de oscilação na faixa de 1.10² ≤ N ≤ 1.10⁷, enquanto os testes com controle da força foram executados com um limite N_G = 1.10⁷.
Durante a avaliação das histereses de tensão/deformação, foi observado que é possível partir de um comportamento do material puramente elástico para o ferro fundido nodular SiWind, com níveis de carga. Neste caso, a ruptura da amostra ocorreu somente acima de 13 mil ciclos de oscilação.
Para assegurar que a falha ocorresse dentro do limite de fadiga ou do comportamento do material linear elástico, os níveis de carga sob controle da força foram escolhidos de modo que a falha ocorresse somente acima 50 mil ciclos de oscilação.

Resultados

Ensaios de fadiga Wöhler, com controle do alongamento à ruptura

A retirada de amostras com duas espessuras de parede diferentes ofereceu a possibilidade de se verificar a resistência cíclica das estruturas resultantes, em função dos diferentes tempos de solidificação, no ensaio de fadiga Wöhler com controle do alongamento à ruptura.

Isso resultou em uma diferença pelo fator 10 na vida útil, no sentido de alongamentos à ruptura reduzidos e longos tempos de vida (figura 1). Assim, tem-se uma vida útil claramente mais longa nas amostras com 130 mm.
Para alongamentos à ruptura maiores, o fator da vida útil foi reduzido para cerca de 2.
No diagrama tensão/deformação cíclica, não há nenhuma variação do comportamento entre as duas espessuras de parede, além do endurecimento típico do ferro fundido nodular.
Para ambas as espessuras de parede, o limite de escoamento cíclico R’_p0,2 alcançou cerca de 430 MPa. Portanto, ele ficou aproximadamente 90 MPa mais alto do que o limite de escoamento registrado de modo quase-estático (R_p0,2 = 344 MPa).

Ensaios de fadiga Wöhler, com força controlada

Os ensaios de fadiga Wöhler com força controlada foram realizados nas relações de carga R_F = -1 e R_F = 0, no caso das amostras axiais.
Já os testes de flexão cíclica ficaram limitados à relação R_F = -1.
Para a avaliação da faixa de dispersão, as séries de testes com as amostras axiais com diâmetro de 15 mm foram realizadas com um número significativamente maior de amostras. Para isso, elas foram retiradas dos blocos fundidos escalonados 5 e 7, e avaliadas em conjunto.

A figura 2 mostra o diagrama de Wöhler para R = -1 e R = 0. Trata-se de amostras axiais retiradas de espessuras de parede de 130 mm.
O endurecimento por solução sólida exerce uma influência positiva sobre a resistência à fadiga, no caso de uma solicitação alternada.

Sensibilidade à tensão média

Com uma sensibilidade à tensão média (M) de 0,37 ≤ M ≤ 0,52, os resultados apontaram sensibilidades maiores em relação à tensão média de tração (figura 3).
O cálculo foi baseado nos valores característicos estáticos para uma espessura de parede de 130 mm.
A sensibilidade à tensão média aumentou no caso de amostras maiores e espessuras de parede mais grossas, alcançando M = 0,52 em amostras redondas testadas no sentido axial, com diâmetro de teste de 23 mm, retiradas da parede com 200 mm de espessura.
De modo geral, deve-se mencionar que a sensibilidade à tensão média de M = 0,4 não é superestimada, mesmo para um ferro fundido nodular EN-GJS-400, com base em estudos anteriores.
O aumento da sensibilidade à tensão média pode ser observado especialmente em materiais de alta resistência. Esta tendência também é confirmada para o ferro fundido nodular EN-GJS400-18U-LT (M = 0,48).

Sensibilidade ao entalhe

A influência de entalhes ou do comportamento cíclico do material em relação aos entalhes também foi considerada.
Em geral, o ferro fundido nodular possui uma sensibilidade ao entalhe menor do que o aço, devido ao efeito de entalhe interno elevado, em razão da formação nodular da grafita. O entalhe externo afeta pouco a resistência à fadiga.
Para o ferro fundido nodular SiWind, foi determinado um coeficiente do efeito de entalhe de K_F = 1,10 (com N_G = 1.10⁷ ciclos de oscilação), na espessura de parede de 130 mm.
Assim, é possível definir o efeito de apoio do material para n = 1,27, como a relação entre a forma do entalhe e o seu coeficiente, que corresponde à sensibilidade ao entalhe de ligas semelhantes.

Camada superficial do fundido

Para caracterizar a influência da camada superficial da peça fundida, foram retirados corpos de prova para o teste de flexão, com a camada superficial do fundido e a camada superficial usinada de blocos fundidos escalonados adicionais, previstos com um raio incorporado.

Neste caso, é levada em conta a influência da superfície de acabamento do componente sobre a resistência à fadiga. A rugosidade e consistência da camada superficial ficam diferentes do material de base e da superfície usinada.
Pelos exames dos corpos de prova de flexão com espessura de parede 130 mm, foi possível verificar a influência da camada superficial da peça e, consequentemente, da área fundida perto da superfície, onde se pode esperar uma composição alterada. As causas disso são a degeneração da grafita, restos de areia de moldagem na superfície e entalhes de penetração, entre outras.
Estudos anteriores revelaram a redução significativa da resistência à fadiga por flexão no ferro fundido nodular (EN-GJS-450), no caso de amostras submetidas apenas a um jateamento de limpeza e não a um jateamento de endurecimento (shot-peening).
Nos ensaios aqui apresentados, as amostras foram submetidas apenas a um jateamento de limpeza. No entanto, foi notada somente uma redução da resistência à fadiga de 4 MPa, em N_G.
A tabela 1 traz uma compilação de todas as amostras testadas com força controlada e no sentido axial ou sob flexão.

Influência do tamanho

Por meio da utilização de amostras com diferentes tamanhos, daquela entalhada para os ensaios axiais e, consequentemente, de diferentes volumes de materiais altamente solicitados, foi possível transferir os valores da resistência à fadiga determinados experimentalmente, com o auxílio de testes em corpos de prova, através dos conceito HBV (volume de material altamente solicitado). Para tanto, foram combinadas as influências estatística e geométrica do tamanho.
Em um diagrama HBV, é possível representar as resistências à fadiga para diferentes volumes altamente solicitados, para R = -1 e N = 1.10⁶. Esta abordagem permite entender até que ponto a resistência à fadiga depende do volume altamente solicitado.
A relação entre a resistência à fadiga e o volume do material altamente solicitado pode ser demonstrada quando a resistência à fadiga é aplicada em dependência do HBV, para uma vida útil predefinida (figura 3).

Conclusões

Os testes de resistência à fadiga sob cargas alternadas comprovaram que as peças fundidas no ferro fundido nodular SiWind, com espessura de parede grossa, apresentam vantagens em relação ao ferro fundido nodular EN-GJS-400, devido ao seu endurecimento por solução sólida.
A sua sensibilidade à tensão média se encontra dentro da faixa dos materiais com classes de resistência mais altas.
A influência agravante da camada superficial da peça fundida sobre a resistência à fadiga não foi determinada.
Porém, a sensibilidade ao entalhe do ferro fundido nodular SiWind é comparável com a de outros ferros fundidos.