O fator de concentração de tensão, Kt, é um parâmetro importante a ser considerado quando se avalia a corrosão em estruturas metálicas porque ele indica como a distribuição de tensões na superfície da estrutura é afetada pela presença de descontinuidades, como trincas, riscos, furos ou outros defeitos. A corrosão pode ocorrer preferencialmente nessas regiões com descontinuidades, aumentando a concentração de tensão e reduzindo a resistência mecânica da estrutura.
Ao avaliar a corrosão em uma estrutura metálica, é importante considerar que a corrosão pode reduzir a espessura da peça em áreas específicas, levando a uma mudança localizada na geometria da peça e, consequentemente, em sua distribuição de tensão. Em geral, a corrosão ocorre em áreas de menor espessura, onde a concentração de tensão é maior.
O conhecimento do fator de concentração de tensão é importante porque permite estimar a magnitude do aumento da tensão em áreas com descontinuidades, em comparação com áreas sem descontinuidades. Isso pode ajudar a identificar áreas críticas que requerem maior atenção na inspeção e manutenção da estrutura, bem como orientar a seleção de materiais mais resistentes à corrosão e a projetos mais adequados para minimizar a concentração de tensão. Além disso, a compreensão do Kt também é fundamental para garantir que as análises de fadiga e vida útil sejam confiáveis.
A corrosão que se forma na superfície de um metal tem o potencial de alterar suas propriedades mecânicas, como resistência à flexão, resistência axial, limite de fadiga, elasticidade, etc. O dano resultante pode levar a uma diminuição geral na capacidade de carga e na ductilidade do material. Ao saber exatamente o quanto uma propriedade mecânica específica é afetada, a análise de engenharia pode ser usada para avaliar a condição atual da estrutura e prever seu desempenho esperado sob cargas operacionais. Uma das propriedades afetadas pela presença de danos por corrosão em estruturas metálicas é o fator de concentração de tensões (Kvocê).
Neste artigo, explicaremos detalhadamente o fator de concentração de tensões e exploraremos sua utilidade na avaliação da corrosão em estruturas metálicas.
Qual é o fator de concentração de tensão (Kvocê)?
Para entender como o fator de concentração de tensão é usado para avaliar estruturas corroídas, primeiro é importante entender o conceito de tensão e concentração de tensão. O estresse é definido como a quantidade de resistência oferecida por um corpo por unidade de área.
Onde:
σ = Tensão nominal
F = força aplicada
A = Área bruta da seção transversal do material
É uma quantidade física que expressa as forças internas que as partículas de um corpo contínuo exercem umas sobre as outras sob uma carga aplicada. Geralmente, os objetos tendem a ser mais fortes (oferecem maior resistência à deformação) quando essas forças internas são distribuídas uniformemente em sua área. Em outras palavras, há um fluxo uniforme de tensão em todo o material.
No entanto, mudanças repentinas na seção ou forma do material (também chamadas de descontinuidades) resultarão em mudanças abruptas no fluxo de tensão naquela área. Cantos, cavidades, sulcos e rachaduras redirecionam abruptamente o fluxo de tensão e causam uma concentração de tensão altamente localizada (também conhecida como aumento de tensão ou aumento de tensão) na descontinuidade. O valor da tensão nessas descontinuidades pode ser muitas vezes maior do que as tensões nominais em outras áreas uniformes do material.
O fator de concentração de tensão é definido como a razão entre a tensão máxima em um material (geralmente na descontinuidade) e a tensão de referência nominal da área da seção transversal bruta.
Onde:
σmáximo = tensão máxima
σjuiz = Tensão de referência
Essa tensão de referência geralmente será tomada sobre uma área uniforme do objeto que está livre de descontinuidades. O Kvocê O valor é usado como um indicador para determinar a concentração de tensão em um determinado material. Uma proporção de 1 indica que não há descontinuidades. As descontinuidades resultarão naturalmente em um valor de tensão maior que a tensão de referência, resultando assim em um Kvocê valor maior que 1. Quanto maior o Kvocê valor, maior a intensidade da concentração de tensão e, portanto, maior o valor máximo de tensão.
Como a concentração de tensão é afetada pela corrosão?
Se mudanças abruptas na forma de um material podem causar um aumento na concentração de tensão, podemos ver como o dano por corrosão a um substrato metálico pode afetar o Kvocê valor de uma determinada seção de material. (Leitura relacionada: Efeito da corrosão na resistência à tração e ductilidade de um material).
A corrosão por pites, por exemplo, é uma forma altamente localizada de corrosão caracterizada pela formação de furos ou cavidades no material. As mordidas podem ser induzidas por vários fatores, incluindo:
- Ataque químico localizado causando danos ao filme ou revestimento protetor de óxido
- Danos locais ou aplicação incorreta da camada protetora.
- Elementos não uniformes na estrutura metálica do componente
Este tipo de corrosão é considerado mais perigoso do que a corrosão uniforme, pois é relativamente difícil de prever, detectar e projetar. Se não for tratado, o pitting pode não apenas causar perda de espessura do material, mas também causar concentrações excessivas de tensão ao redor das áreas danificadas, o que pode exceder a capacidade do material (tensão de escoamento) e causar falhas. Vários estudos de fadiga, corrosão sob tensão e outros mecanismos de falha em componentes reais encontraram corrosão na origem da superfície de fratura.
A corrosão por pites é considerada tão perigosa que até mesmo uma única pite em um grande componente (como um vaso de armazenamento ou tubulação) é capaz de causar uma falha catastrófica de todo o sistema.
Formas de calcular a capacidade de carga de uma estrutura
O Kvocê O valor é um parâmetro útil ao prever a degradação da capacidade de carga de uma estrutura. Se a extensão da corrosão por pite for conhecida, os engenheiros podem usar métodos analíticos para analisar o comportamento, o desempenho e as concentrações de tensão da estrutura em torno dos pites sob carga aplicada. por exemplo kvocê Os valores podem ser encontrados em manuais de referência de engenharia típicos para calcular as concentrações de tensão em torno de descontinuidades causadas por pitting, que podem então ser usadas para determinar a tensão máxima na estrutura. Com o valor máximo de tensão conhecido, métodos adequados de reparo ou reforço podem ser recomendados para evitar falhas estruturais. (Leitura recomendada: 6 testes para medir a resistência de um material).
Outro método que pode ser usado para determinar o valor das concentrações de tensão é a análise de elementos finitos (FEA), que envolve o uso de software de engenharia especializado para simular a estrutura como um conjunto de elementos finitos. Embora mais preciso e completo, esse método pode ser caro devido ao custo de software e pessoal.
Conclusão
As trincas são facilmente nucleadas a partir de pites formados devido à corrosão por pites. Isso resulta em concentrações excessivas de tensão em torno de áreas danificadas, resultando em Kvocê valores maiores que 1. Esse valor fornece uma indicação clara da quantidade de sobretensão no local especificado, que os engenheiros usam como entradas nos cálculos para:
- Determine as tensões máximas esperadas na estrutura.
- Ajudar a tomar decisões informadas sobre o tratamento de danos por corrosão