Caracterização por Reconstrução Tridimensional da Superfície de Fratura Gerada por Fadiga em Soldas Subaquáticas Molhadas

Soldagem & Inspeção. 2018;23(2):143-156 https://doi.org/10.1590/0104-9224/SI2302.03 ISSN 1980-6973 (Online) ISSN 0104-9224 (Print) Artigos Técnicos Caracterização por Reconstrução Tridimensional da Superfície de Fratura Gerada por Fadiga em Soldas Subaquáticas Molhadas Natália Maia Fonseca1, Paulo José Modenesi1, Ariel Rodriguez Arias2 1 2 Universidade Federal de Minas Gerais – UFMG, Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Belo Horizonte, MG, Brasil. Universidade Federal de Minas Gerais – UFMG, Departamento de Engenharia Mecânica, Belo Horizonte, MG, Brasil. Recebido: 17 Jan., 2018 Aceito: 15 Maio, 2018 E-mails: nataliamaiafonseca@gmail. com (NMF), (PJM), (ARA) Resumo: Superfícies de fratura geradas por fadiga em soldas subaquáticas molhadas foram caracterizadas por reconstruções tridimensionais usando estereofotogrametria em um microscópio eletrônico de varredura. Análise de perfil, rugosidade e dimensão fractal foram avaliadas para essas superfícies com o intuito de correlacioná-los com os resultados de ensaios de propagação de trinca e densidade de porosidade. Verificou-se que o parâmetro de rugosidade superficial Sq apresentou-se como mais eficiente para descrever e comparar as superfícies estudadas do que a dimensão fractal. Além disso, pôde-se confirmar a aplicabilidade da técnica usada e da metodologia desenvolvida para o estudo proposto com a ressalva de que um estudo mais aprofundado é necessário para compreender os mecanismos de propagação de trinca por fadiga em soldas subaquáticas molhadas. Palavras-chave: Superfície de fratura; Fadiga; Soldagem subaquática molhada; Reconstrução tridimensional. Characterization by Three-Dimensional Reconstruction of the Fatigue Fracture Surface in Underwater Wet Welds Abstract: Fatigue fracture surfaces in wet underwater welds were characterized by means of three-dimensional reconstructions using stereophotogrammetry in a scanning electron microscope. Profile analysis, roughness and fractal dimension were evaluated for these surfaces in order to compare them with the results of crack growth tests and welding depth. It could be seen the areal roughness parameter Sq as more effective than the fractal dimension to describe and compare the studied surfaces. In addition, it was possible to endorse the pertinence of the used technique and the developed methodology for the proposed study. Nevertheless, it is stated that further study is required in order to fully understand the mechanisms of fatigue crack propagation in wet underwater welds. Key-words: Fracture surface; Fatigue; Underwater wet weld; Three-dimensional reconstruction. 1. Introdução Atividades como a exploração de óleo e gás offshore tornaram necessária a soldagem de estruturas e componentes dentro da água, principalmente para reparo e manutenção. Por sofrerem ações de solicitações mecânicas variáveis, devido ao movimento das ondas e correntes oceânicas, essas instalações estão sujeitas a sofrerem falha por fadiga e regiões como cordão de solda e zona termicamente afetada são mais susceptíveis. As soldas subaquáticas molhadas, mais especificamente, são caracterizadas por grandes proporções de descontinuidades (poros principalmente) inerentes ao processo de soldagem devido à absorção de gases pelo metal líquido e à alta taxa de resfriamento a que a poça de fusão fica submetida nesse tipo de ambiente [1]. Este é um artigo publicado em acesso aberto (Open Access) sob a licença Creative Commons Attribution Non-Commercial, que permite uso, distribuição e reprodução em qualquer meio, sem restrições desde que sem fins comerciais e que o trabalho original seja corretamente citado. A porosidade pode ter efeito negativo nas propriedades mecânicas dos materiais e para o comportamento por fadiga em particular as trincas podem iniciar rapidamente nos poros e a vida em fadiga fica, então, dominada pela fase de propagação da trinca, que, por sua vez, também é influenciada pela porosidade. Nesse sentido, a presença de porosidade causa redução da vida em fadiga [2-6] e também provoca considerável dispersão de sua duração [5]. Além disso, as características da porosidade como a aleatoriedade na distribuição, tamanho, quantidade, forma e conectividade e distância entre poros Fonseca et al. adjacentes tornam o estudo da fratura de materiais porosos mais difícil de ser estudado [4,7]. Como a porosidade pode ser um fator para a redução das propriedades mecânicas de um material, o estudo do comportamento por fadiga de soldas subaquáticas molhadas vem aumentando [8,9]. Arias e Bracarense [9] e Arias [10], em seu estudo sobre propagação de trincas por fadiga em soldas subaquáticas molhadas, observou que, com o aumento da porosidade na solda, a taxa de propagação é reduzida em ensaios de fadiga com valores de ΔK (amplitude do fator de intensidade de tensões) baixos a intermediários (14 a 26 MPa.m1/2). A influência da porosidade é negativa para valores maiores de ΔK em que se observa redução da resistência à fadiga. No primeiro caso, o autor propôs que tanto a ramificação e deflexão da trinca pela sua interação com poros, quanto à propagação simultânea de trincas secundárias e o fechamento da trinca induzido por rugosidade sejam fatores que expliquem esse comportamento. Já para o caso de ΔK elevado (26 a 30 MPa.m1/2), foi proposto que a porosidade causa o aumento da tensão local na ponta da trinca, explicando assim o aumento da taxa de propagação observado. Matlock et al. [11] também chegaram à conclusão similar sobre a propagação de trincas por fadiga em soldas subaquáticas molhadas. Os resultados deste trabalho indicam uma taxa de propagação da trinca por fadiga menor do que de um material similar sem porosidade para valores de ΔK inferiores a aproximadamente 30 MPa.m1/2. Este efeito foi atribuído ao ancoramento da ponta da trinca pelos poros pela redução do fator de intensidade de tensão. Por outro lado, quando os valores de ΔK são mais elevados a tensão local na ponta da trinca aumenta pela presença da porosidade. Este efeito facilitaria a nucleação e crescimento de trincas entre poros acelerando a velocidade global de crescimento da trinca. A maior parte dos estudos feitos para investigar os danos causados por porosidade em materiais submetidos à fadiga é baseada em observações das superfícies de fratura realizadas via microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura (MEV). As informações obtidas a partir da análise da superfície de fratura são usadas para avaliar as causas da falha e os fatores que a influenciam, podendo ser usadas para então prevenir futuras falhas. Nas últimas décadas, técnicas mais avançadas envolvendo caracterização tridimensional, como a estereofotogrametria [12-14], têm sido empregadas para se entender os mecanismos de fratura de materiais dúcteis e também as características dos danos causados por fadiga. O princípio da estereofotogrametria [15] é baseado na obtenção de um par ou trio estereoscópico de imagens. Essas imagens são (...truncated)