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PROPAGAÇÃO DE TRINCAS DE FADIGA EM JUNTAS SOLDADAS 
LONGITUDINAIS DE AÇO PARA DUTOS DA CLASSE API 5L X-70 
 
Marcelo Augusto Neves Beltrão 
 
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS 
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE 
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS 
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM 
ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS. 
 
Aprovada por: 
 
 
 
 
________________________________________________ 
Prof. Fernando Luiz Bastian, Ph.D. 
 
 
________________________________________________ 
Enrique Mariano Castrodeza, D. Sc. 
 
 
________________________________________________ 
Prof. Célio Albano da Costa Neto, Ph.D 
 
 
________________________________________________ 
Prof. Flávio de Marco Filho, D. Sc. 
 
 
________________________________________________ 
Prof. Ivan Napoleão Bastos, D. Sc. 
 
 
 
 
 
 
 
 
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL 
FEVEREIRO DE 2005 
 ii 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BELTRÃO, MARCELO AUGUSTO NEVES 
Propagação de Trincas de Fadiga em Jun- 
 tas Soldadas Longitudinais de Aço para Dutos 
da Classe API 5L X-70 [Rio de Janeiro] 2005 
XVI, 106 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ), M.Sc, 
 Engenharia Metalúrgica e de Materiais, 2005) 
Tese - Universidade Federal do Rio de 
Janeiro, COPPE 
1. Propagação de Trincas de Fadiga 
2. Juntas Soldadas Longitudinais 
3. Amplitudes Constante e Variável 
4. Razão de Tensões 
I. COPPE/UFRJ II. Título ( série ) 
 iii 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico esta tese aos meus pais 
Carlos e Conceição e a minha esposa Marilia 
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AGRADECIMENTOS 
 
Primeiramente a DEUS por permitir o transcorrer e a conclusão desse 
trabalho. 
Aos meus familiares que torcem pelo meu sucesso. 
Aos orientadores Fernando Luiz Bastian e Enrique Mariano Castrodeza pela 
orientação, apoio e incentivo durante todo o trabalho, principalmente na reta final. 
Aos professores do PEMM por todo conhecimento transmitido. 
À Universidade Federal de Sergipe, em especial à professora Ledjane pelos 
ensinamentos durante a iniciação científica e aos professores Nivan, Djalma, Eduardo 
“Dudu” e Marina. 
As amigas Isabel, Michelle e Shirleny por tudo aquilo que elas representam 
para mim. 
Aos amigos sergipanos de longa data Euler e Fabiane. 
Ao amigo Felippe, o qual devo minha gratidão. 
Ao professor Flávio de Marco Filho pelos ensinamentos durante o 
transcorrer do trabalho. 
À Aliança Brito, particularmente ao Paulo Roberto, pela usinagem dos 
corpos-de-prova. 
Ao Grupo de Materiais do Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento do 
Exército por permitir o desenvolvimento do trabalho e, principalmente, aos amigos: 
Ivan, Francisco, Cosentino, Gustavo, Cardoso, Valmir, Mário, Zé Luís, Da. Maria, J. 
Vieira, Andréia, Moutinho e Egbert. 
Aos amigos da van: Jalves, Rosa, Jandira, Regina, Santos, Roberto, 
Oliveira, Sérgio, Massayoshi, Zé Carlos, Pinho, Assunção, Yuan e Jorge pela acolhida 
durante todo esse tempo. 
Aos amigos do Laboratório de Compósitos: Aline, Ana Beatriz, Andrés, 
Camila, Eliana, Felippe, Ledjane, Letícia, Patrícia, Renata e Wanderley por todos os 
momentos vividos. 
Ao amigo Robson, pela ajuda em todos os momentos necessários, do 
Laboratório de Propriedades Mecânicas e a todos os funcionários do PEMM. 
À CONFAB, especialmente ao Eng. Sérgio Kojima pelo fornecimento das 
juntas soldadas do estudo. 
 v 
 
Ao CNPQ/CTPETRO pelo apoio financeiro para a execução do projeto 
“Propagação de Trincas de Fadiga em Juntas Soldadas de Dutos de Aço API X-70 
Utilizados no Transporte de Óleo e Gás” (processo número 502084/03-0). 
À CAPES, pela bolsa de estudo concedida. 
 
 vi 
 
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários 
para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) 
 
 
PROPAGAÇÃO DE TRINCAS DE FADIGA EM JUNTAS SOLDADAS 
LONGITUDINAIS DE AÇO PARA DUTOS DA CLASSE API 5L X-70 
 
Marcelo Augusto Neves Beltrão 
 
Fevereiro/2005 
 
Orientadores: Fernando Luiz Bastian 
 Enrique Mariano Castrodeza 
 
Programa: Engenharia Metalúrgica e de Materiais 
 
 
 O objetivo do deste trabalho foi estudar o comportamento em fadiga do metal de 
base, metal de solda e zona termicamente afetada da junta soldada longitudinal de aço 
para dutos API 5L X-70 utilizados no transporte de óleo e gás. Os ensaios de fadiga 
foram realizados sob controle de carregamento em dois valores de razão de tensões 
(R=0,1 e 0,5) com amplitude constante, ou variável, com aplicação de sobrecargas 
trativas, de 75 e 100% da carga máxima. Os resultados dos testes de fadiga foram 
obtidos na forma de curvas a vs. N e da/dN vs. ∆K. Pôde-se inferir das curvas a vs. N 
que os corpos-de-prova submetidos a R=0,5 apresentaram menor vida em fadiga em 
comparação a R=0,1 mediante aplicação de sobrecargas ou não. Verificou-se também 
que as sobrecargas provocaram retardo no crescimento da trinca nas três regiões da 
junta soldada, sendo o efeito mais pronunciado para R=0,1. As curvas da/dN vs. ∆K, 
revelaram as maiores taxas de propagação para as juntas soldadas submetidas a R=0,5. 
 vii 
 
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the 
requirements for the degree of Master of Science of (M.Sc.) 
 
 
FATIGUE CRACK PROPAGATION OF LONGITUDINAL WELDED JOINTS OF 
PIPELINE API 5L X-70 GRADE STEEL 
 
 
Marcelo Augusto Neves Beltrão 
 
February/2005 
 
Advisors: Fernando Luiz Bastian 
 Enrique Mariano Castrodeza 
 
Department: Metallurgical and Materials Engineering 
 
 The objective of this work was to study the behavior in fatigue of the base metal, 
weld metal and heat affected zone of a longitudinal welded joint of pipeline API 5L X-
70 grade steel used in the transport of oil and gas. Fatigue tests were carried under load 
control in two stress ratio values (R=0.1 and 0.5) at constant amplitude, or variable, with 
application of tensile overloads of 75 and 100% of the maximum load. The results of 
fatigue tests were obtained as a vs N and da/dN vs. ∆K curves. From the a vs. N curves it 
can be inferred that the specimens tested under R=0.5 had smaller fatigue lifes than the 
ones under R=0.1. Crack growth retardation resulted from the overloads in the three 
welded joint regions, the effect being more pronunced when R=0.1. Fatigue crack 
growth rates were larger when R=0.5. 
 
 
 
 viii 
 
ÍNDICE 
LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................X 
LISTA DE TABELAS ................................................................................................ XVI 
1 – INTRODUÇÃO.......................................................................................................... 1 
2 – REVISÃO DE LITERATURA .................................................................................. 2 
2.1 – AÇOS API PARA DUTOS ................................................................................. 2 
2.1.1 – Aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) .......................................... 4 
2.2 – ASPECTOS GERAIS DA FADIGA................................................................... 6 
2.3 – CURVAS DE WÖHLER (CURVAS S-N) ....................................................... 11 
2.4 – MECÂNICA DA FRATURA APLICADA À FADIGA .................................. 13 
2.4.1 – Fechamento de Trinca por Fadiga .............................................................. 17 
2.4.2 – Efeito das Sobrecargas ............................................................................... 21 
2.4.3 – Efeito da Razão de Tensão (R) ................................................................... 25 
2.4.4 – Outros Fatores que Influenciam a Propagação das Trincas de Fadiga ....... 29 
2.5 – MEDIÇÃO