Avaliação mecânica e microestrutural de cabo de aço submetido a carregamentos cíclicos

AVALIAÇÃO MECÂNICA E MICROESTRUTURAL DE UM CABO DE AÇO
SUBMETIDO A CARREGAMENTOS CÍCLICOS ROTATIVOS
I.A.B. Barbosa1
; H.H. Bernardi1,*
; W.M.M. Menezes1
1
Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos - Professor Jessen Vidal
Av. Cesare Mansueto Giulio Lattes, 1350 - Eugênio de Melo, São José dos
Campos/SP,CEP: 12247-014, Brasil. Telefone: (12) 3905-2423
*heide.bernardi@fatec.sp.gov.br
RESUMO
O estudo da fadiga em cabos de aço é importante, pois o rompimento do cabo é
causado, muitas vezes, pela fadiga do material. Portanto, o objetivo deste trabalho
foi avaliar um cabo de aço 8x7+AA 1+6 por meio de ensaio de fadiga por flexão
rotativa, e posteriormente foi realizado a caracterização microestrutural por
microscopia (MEV e Estereoscópio). As amostras foram submetidas ao ensaio
mecânico utilizando um raio de curvatura de 80 mm e de 30 mm. Os fios foram
ensaiados em temperatura ambiente (sem solução salina) e em 40°C (imerso em
uma solução salina supersaturada). As amostras submetidas a raios de curvaturas
diferentes em temperatura ambiente, não resultaram em falha do cabo de aço e a
análise microestrutural mostra que não há nenhuma evidencia de início de fratura.
Já a amostra submetida ao ensaio imerso em solução salina resistiu a 557x103
ciclos, com o rompimento de um arame do material.
PALAVRAS-CHAVE: fadiga; flexão rotativa; cabo de aço.
1. INTRODUÇÃO
1.1. Características do cabo de aço
O cabo de aço é definido por um conjunto de pernas dispostas em forma de
hélice, podendo ter uma alma (núcleo) de material metálico ou de fibra(1)
. Os cabos
de aço são caracterizados de acordo com o número de pernas dispostos na corda,
quantidade de arame arranjados em cada perna e o tipo de alma (Figura 1).
Os fios individuais (arame) são torcidos em hélice para formar a perna. No
entanto, as pernas são torcidas, envolta de uma alma, para formar o cabo de aço(1)
.
Assim sendo, um cabo de aço classificado como 6x7 tem seis pernas contendo cada
uma delas sete arames. Além disso, um arame designado como 1 + 6 tem seis
arames torcidos em torno de um arame central(2)
.
23º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
04 a 08 de Novembro de 2018, Foz do Iguaçu, PR, Brasil
4588

A alma (núcleo) é o centro do cabo de aço e pode ser feito de fibra ou de aço.
Os núcleos de aço consistem em uma perna de cabo (AA) ou uma corda de fio
independente (AACI)(2)
. A AACI aumenta a força e a resistência ao esmagamento e
ao aquecimento, além disso, oferece melhor suporte para os fios externos(3)
.
Figura 1. Componentes básicos de um cabo de aço. Adaptado de(4)
.
Os arames podem estar dispostos nas pernas do cabo de aço em dois tipos:
(a) cabos compostos com arames de mesmo diâmetro, composição simples e (b)
cabos compostos com arames de diâmetro diferentes. As composições mais
conhecidas dos cabos com diâmetros diferentes são Seale, Filler e Warrington(3, 5)
.
Na composição Filler as pernas do cabo de aço possuem arames principais e
arames finos, que servem de enchimento para a boa acomodação dos outros
arames. Na Seale, as pernas são compostas de pelo menos duas camadas
adjacentes com mesmo número de arames, sendo que os arames de uma mesma
camada possuem o mesmo diâmetro. E na Warrington, os arames das pernas têm
pelo menos uma camada constituída de arames de dois diâmetros diferentes e
alternados(1)
. De acordo com a torção das pernas do cabo de aço, tem-se: (a) cabos
de torção cruzada ou normal; (b) cabos de torção paralela ou Lang e (c) cabos de
torção composta ou reversa. No entanto, a torção das pernas dos fios em um cabo
de aço pode ser feita no sentido à direita ou à esquerda(1, 2, 3, 5)
.
Os cabos de aço podem ou não ser pré-formados, embora, na maioria das
aplicações, os cabos de arame pré-formados sejam mais recomendados do que os
não pré-formados(3)
. Além disso, os cabos de aço pré-formados são mais flexíveis do
que as cordas não pré-formadas, assim sendo, a vida das cordas de arame pré-
formadas dura mais, porque eles têm uma grande resistência à flexão(6)
.
4589

1.2. Fadiga de Materiais
A falha por fadiga (fratura) em um material metálico é devido a uma tensão
repetitiva, que pode ser inferior ou superior ao limite de escoamento. É um
fenômeno comum nos componentes sujeitos a carregamentos dinâmicos, ou seja,
constantemente submetidos a tensões cíclicas de tração, compressão, flexão e/ou
torção. Portanto, o ensaio de fadiga por flexão rotativa é utilizado para medir a
resistência de um material à fadiga(7)
.
Em relação aos cabos de aço, o estudo da fadiga é importante, pois estes tipos
de materiais são amplamente usados em maquinaria de elevação, e o rompimento
do cabo é causado, na maioria das vezes, pela fadiga do material(5, 8, 9, 10)
.
1.3. Corrosão em cabos de aços
A grande utilização dos cabos de aços em pontes, que são submetidos a
esforços mecânicos e a ações intempéries, faz com que esse material venha a
sofrer corrosão sob tensão (CST). A CST, é um tipo de fratura ambiental, sendo um
processo de degradação em que a resistência de metais e ligas é reduzida e pode
levar a falhas catastróficas de componentes estruturais(11)
. Os materiais estão
sujeitos a sofrer corrosão sob tensão, quando estão submetidos a tensões (tração,
compressão e torção) e em contato com um meio corrosivo(12)
.
O meio corrosivo pode ter duas variáveis: (a) uma solução corrosiva e (b) a
temperatura. Uma solução de sais dissolvidos pode aumentar a velocidade de
corrosão aumentando a condutividade da solução. No entanto, o aumento da
temperatura acelera o processo de corrosão, pois diminui a polarização e aumenta a
condutividade do eletrólito, tornando mais fácil a passagem da corrente(13)
.
Morgado e Souza-Brito(10)
estudaram os danos causados em cabos de aço de
uma ponte suspensa, no qual em alguns fios ocorreram falhas devido à oxidação
excessiva, ou seja, corrosão. Estudos em barras de aço em relação aos efeitos da
corrosão sob tensão são encontrados na literatura(14, 15, 16)
, porém, o desempenho
dos cabos de aço é diferente quando comparado com os vergalhões.
Baseado nisso, o objetivo deste trabalho foi avaliar mecanicamente um cabo de
aço 8x7+AA 1+6 por meio de ensaio de fadiga por flexão rotativa em duas
condições: (a) cabo de aço ensaiado em temperatura ambiente e (b) cabo de aço
ensaiado imerso em uma solução salina supersaturada em 40°C. Após os ensaios,
4590

as amostras foram caracterizadas microestruturalmente utilizando microscopia
eletrônica de varredura e estereoscópio.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Material
Neste trabalho foi estudado um cabo de aço 8x7+AA 1+6 (usado na indústria
automobilística para o levantamento de janelas), cujas dimensões estão mostradas
na Tabela 1. A notação AA do cabo de aço significa que o mesmo apresenta uma
alma de aço, que é composta por uma perna de cabo. A Tabela 2 mostra os
detalhes desta especificação. Para os testes mecânicos, foram ensaiados três
corpos de provas (CDP’s).
Tabela 1. Dimensões dos componentes do cabo de aço 8x7+AA 1+6.
Cabo de Aço 1,5206 ± 0,0045 mm
Perna 0,420 ± 0,001 mm
Alma 0,742 ± 0,0018 mm
Arame 0,137 ± 0,0010 mm
Tabela 2. Especificação do cabo de aço 8x7+AA 1+6. Adaptado de(2)
.
Corte Transversal
Típico do Cabo de Aço
8x7+AA 1+6
Especificações
Dimensão de
Comprimento
730 mm
Dimensão do Diâmetro 1,5206 mm
Número de Pernas 8
Número de arames por
Pernas
7 (6 arames torcidos em
torno de um arame central)
Tipo de Alma Alma de aço (AA)
Tipo de Construção Composição simples
Tipo e Direção da
Torção
Torção regular à direita
Pré-formados Sim
2.2 Avaliação mecânica e microestrutural
4591

Os ensaios de fadiga por flexão rotativa foram realizados na máquina modelo
ROTATFLEX 180, mais detalhes sobre a máquina pode ser obtido em(17)
. Para os
ensaios de fadiga os CDP’s foram submetidos a parâmetros de ensaios distintos:
(a) Uma primeira amostra de 280 mm de comprimento (nomeada CDP 1) foi
submetida ao ensaio de fadiga por flexão rotativa em temperatura ambiente,
utilizando um raio de curvatura em flexão de 80 mm, resultando em uma amplitude
de deformação teórica de 0,08% (εa).
(b) Uma segunda amostra de 190 mm de comprimento (nomeada CDP 2), também
ensaiada em temperatura ambiente, foi ensaiada utilizando um raio de curvatura em
flexão de 30 mm, resultando em uma εa = 0,23%.
(c) Uma terceira amostra de 200 mm de comprimento (nomeada CDP 3), foi
ensaiada utilizando um raio de curvatura em flexão de 30 mm (εa = 0,23%), sendo
submersa em solução salina supersaturada (CNaCl/água = 250 g/l) e em uma
temperatura de 40°C. Além disso, um CDP (nomeado CDP 4) foi deixado em
repouso imerso na solução, a fim de avaliar a corrosão sem deformação.
A velocidade de rotação foi a mesma para todas as condições de ensaio em
fadiga por flexão rotativa, em torno de 600 rpm.
A análise microestrutural das amostras ensaiadas em temperatura ambiente foi
realizada com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura (MEV) da marca
TESCAN modelo VEGA3. A tensão de aceleração utilizada foi de 25 kV. As imagens
foram geradas no modo de elétrons secundários (SE). As amostras imersas em
solução salina supersaturada, foram caracterizadas com o auxílio de um microscópio
estereoscópio da marca Olympus SZ61.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A vida em fadiga de um material é determinada pelo número de ciclos em
fadiga, e as condições de fadiga no qual a amostra foi submetida, como a velocidade
média de rotação do fio (ω), o diâmetro do fio utilizado (d), o raio de flexão do fio (R)
e a amplitude de deformação do fio (εa).
Em relação a amplitude de deformação (εa), esta pode ser calculada de acordo
com a Equação A(11)
:
%100
2
×=
R
d
aε (A)
4592

Para os três CDP’s estudados nesse trabalho, os ensaios de fadiga por flexão
rotativa foram realizados em duas condições diferentes, em relação ao comprimento
do CDP e o raio de flexão do fio, resultando em uma amplitude de deformação de εa
= 0,08% (CDP 1) e εa = 0,23% (CDP 2 e 3). No caso de cabo de aço, a variação em
εa não alterou significativamente a vida em fadiga do material, pois para mesmo
tempo de ciclagem, independente da amplitude de deformação, os materiais
deformados apresentavam um número de ciclos próximo. A Figura 2a mostra o
tempo de ensaio (t) em relação ao número de ciclos (Nf) para ambos os CDP 1 e 2.
O ensaio do CDP 1 foi interrompido quando atingiu um número de ciclos de 524x103
e para o CDP 2 quando atingiu 1,8x106
. Os dois CDP’s de cabo de aço ensaiados
não sofreram ruptura após os testes, mostrando que este material pode suportar em
torno de 1,8x106
ciclos sem se fraturar por fadiga, apresentando uma boa
característica mecânica para a sua aplicação. Morgado e Brito(10)
estudaram um
cabo de aço, utilizado em uma ponte suspensa, composto por 84 fios, distribuídos
por 12 pernas, com 7 (6 + 1) arames torcido em cada. Os arames possuíam uma
espessura em torno de 4,5 mm cada, no qual suportou 2,0x106
ciclos antes de
fraturar por fadiga. Embora o tipo de ensaio não tenha sido o mesmo utilizado neste
trabalho, os resultados apresentados pelos autores são equivalentes, pois ambos
determinam a vida em fadiga do material.
A Figura 2a mostra o tempo de ensaio (t) em relação ao número de ciclos (Nf)
para o CDP 3, no qual apresentou o rompimento de um arame do cabo de aço
quando este atingiu 557x103
ciclos. O tempo de vida em fadiga em flexão rotativa
diminuída drasticamente em comparação com o CDP 2 (mesmo raio de flexão,
porém em temperatura ambiente), devido a condições severas de temperatura e
umidade que o cabo de aço estava submetido.
4593

300000 600000 900000 1200000 1500000 1800000
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
TempodeEnsaio(h)
Númerode Ciclos emFadiga (Nf)
CDP1(ωmédia
=627,5)
CDP2(ωmédia
=633,0)
(a)
100000 200000 300000 400000 500000 600000
2
4
6
8
10
12
14
16
Número de Ciclos emFadiga (Nf)
TempodeEnsaio(h)
CDPimersoemsoluçãosalinaem40°C
(b)
Figura 2. Relação da vida em fadiga por horas de ensaios para amostras de
cabo de aço (a) sem imersão em solução salina e (b) imerso em solução salina em
40°C.
Para complementar a análise mecânica, foi realizada a caracterização
microestrutural para avaliar as mudanças na superfície do fio, depois deste ser
submetido a esforços cíclicos.
A Figura 3 apresenta a micrografia geral da região central do fio sem
deformação (material inicial) e das amostras submetidas ao ensaio de flexão
rotativa. O material de partida (Figura 3a) e os CDP’s 1 e 2 (Figuras 3b e 3c)
apresentam superfícies similares embora submetidos a condições diferenciadas, não
apresentando defeitos superficiais (trincas e fissuras) que evidenciasse o início de
uma fratura. Embora os CDP’s 1 e 2 tenham sido submetidos a 524x103
e 1,8x106
ciclos, respectivamente, as microestruturas das superfícies não apresentam
nenhuma alteração quando comparado com o material de partida, sendo apenas
observado que os arames que compõem as pernas do cabo de aço, apresentam
uma certa rugosidade.
Portanto, pode-se dizer que o cabo de aço analisado (CDP 1 e CDP 2) não
sofreu fratura por fadiga porque o esforço que ele sofreu durante o teste foi abaixo
do limite de fadiga do mesmo.
4594

(a) (b) (c)
Figura 3. Micrografia com ampliação de 150x da região central do cabo de aço
do: (a) material de partida, (b) CDP 1 e (c) CDP 2. (MEV-SE).
A Figura 4 apresenta a micrografia da região central do CDP 4 imerso em
solução salina supersaturada à 40°C (Figura 4a) e o CDP 3, submetido a mesmas
condições de intempéries em condição de fadiga por flexão rotativa (Figura 4b).
Ambas as amostras apresentam corrosão nos cabos de aço. O CDP 3 apresenta o
rompimento de um arame em uma região do cabo. A Figura 4c, apresenta a
micrografia da região rompida em uma maior ampliação, podendo ser observado a
agressividade do efeito da corrosão.
A agressividade da corrosão é devido ao NaCl ser um eletrólito forte,
aumentando a condutividade elétrica, que é fundamental no mecanismo de corrosão
eletroquímica. Além disso, há o efeito da temperatura, pois as reações de corrosão
são aceleradas com o amento da temperatura, pois afetam a solubilidade dos
produtos de corrosão(13)
.
(a) (b) (c)
Figura 4. Micrografia da região central do cabo de aço do: (a) material de
imerso sem deformação (CDP 4) e material imerso e deformado do (b) CDP 3 e (c)
detalhe do rompimento do arame no CDP 3 (Estereoscópio).
4595

4. CONCLUSÃO
As análises mecânica e microestrutural em um cabo de aço 8x7+AA 1+6
permite concluir que o teste de fadiga realizado em duas condições distintas no cabo
de aço em temperatura ambiente não resultou em falha, sendo que a amostra com
uma amplitude de deformação teórica de 0,08% resistiu a 524x103
ciclos de flexão
durante 14 horas, enquanto a amostra com 0,23% resistiu a 1,8x106
ciclos por 47
horas. As análises microestruturais mostram que não há nenhuma evidencia de
início de fratura (trincas e fissuras) nas amostras submetidas ao ensaio de fadiga por
flexão rotativa. Isso se deve, pelo fato que o cabo de aço analisado não sofreu
fratura por fadiga porque o esforço que ele sofreu durante o teste foi abaixo do seu
limite de fadiga. Entretanto, quando submetido a condições de intempéries mais
agressivas, resultou na falha de um arame em 557x103
ciclos, devido ao processo
de corrosão do cabo de aço.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Departamento de Materiais e Processos do Instituto
Tecnológico de Aeronáutica (ITA) pela utilização do MEV e do Microscópio
Estereoscópio.
REFERÊNCIAS
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(3) DELTA. Wire Rope Identification and Construction. 1st ed. 2017.
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http://www.messilot.co.il/Basic-terms. Acessado em 14/04/2017.
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4596

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fadiga por flexão rotativa de fios de ligas NiTi com Efeito Memória de Forma. 2013.
Tese (Doutorado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica, Área de Matérias e
Processos de Fabricação) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, DCTA/ITA-SJC,
São José dos Campos.
4597

AVALIAÇÃO MECÂNICA E MICROESTRUTURAL DE UM CABO DE AÇO
SUBMETIDO A CARREGAMENTOS CÍCLICOS ROTATIVOS
ABSTRACT
The study of fatigue in steel cable is important, because the failure of these
materials, is mostly caused by fatigue. Therefore, this work aims to study the
mechanical characterization of an 8x7 + AA 1 + 6 steel cable subjected to cyclic
loading to test its failure. Microstructural characterization will be performed by
Scanning Electron Microscopy (SEM) and Stereoscopic Microscopy. The samples
were subjected to the mechanical test using a bending radius of 80 mm and 30 mm.
The wires were tested at room temperature (without saline solution) and at 40°C
(immersed in a supersaturated saline solution). Samples subjected to different radii
of curvatures at room temperature did not result in failure of the wire rope and
microstructural analysis shows that there is no evidence of fracture initiation. The
sample submitted to the test immersed in saline solution was resistant to 557x103
cycles until the fracture of its wire.
KEYWORDS: Fatigue; rotation beam; steel cable.
4598

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