TFG Fernanda Frizzo

FERNANDA FRIZZO DE OLIVEIRA EFEITO DA CARBONETAÇÃO NO COMPORTAMENTO EM FADIGA DE UM AÇO ABNT 1020 Itabira/MG 2016 FERNANDA FRIZZO DE OLIVEIRA EFEITO DA CARBONETAÇÃO NO COMPORTAMENTO EM FADIGA DE UM AÇO ABNT 1020 Trabalho Final de Graduação apresentado à Universidade Federal de Itajubá – Campus de Itabira, para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia da Mobilidade. Orientador: Prof. Dr. José Carlos de Lacerda Itabira/MG 2016 Folha de Aprovação FERNANDA FRIZZO DE OLIVEIRA EFEITO DA CARBONETAÇÃO NO COMPORTAMENTO EM FADIGA DE UM AÇO ABNT 1020 Itabira, 23 de novembro de 2016. Trabalho Final de Graduação apresentado à Universidade Federal de Itajubá – Campus de Itabira, como requisito parcial para aprovação no curso de graduação em Engenharia da Mobilidade. Resultado: _____________________ ____________________________________________ Prof. Dr. José Carlos de Lacerda ____________________________________________ Prof. Dr. André Luis Riqueira Brandão __________________________________________ Prof. Dr. Valdir Tesche Signorett AGRADECIMENTOS À Deus por ter me concedido a dádiva da vida e os instrumentos necessários para chegar até aqui. Aos meus pais sempre amorosos. Devo a vocês cada uma de minhas conquistas e cada uma das barreiras que fui capaz de ultrapassar. A minha irmã Cristiane, por todo apoio e carinho durante os momentos mais difíceis de minha vida, inclusive na execução deste trabalho, e também por todas as alegrias compartilhadas. Ao Bruno, sempre companheiro, por todo amor e carinho a mim dedicados. Ao Guilherme Dias, aluno do curso de Engenharia Mecânica, que muito me auxiliou durante essa jornada. E ao técnico do Laboratório de Materiais Metálicos e Metalografia, Jordânio, pelo seu suporte durante os ensaios. A UNIFEI e aos meus professores da Engenharia da Mobilidade, por todo ensinamento dividido e pelas oportunidades concedidas. Agradeço especialmente ao professor André Luis Riqueira Brandão por toda colaboração nos momentos finais da minha graduação. Ao meu orientador, professor José Carlos de Lacerda, por ter aceitado me orientar e por toda paciência e auxílio durante cada etapa na execução desse trabalho, sem sua compreensão, suporte e incentivo nada disso seria possível. RESUMO A proposta desse estudo é avaliar o efeito da cementação na resistência à fadiga de um aço ABNT 1020. Para tanto, foram realizados ensaios de fadiga por flexão rotativa no Laboratório de Estruturas da Universidade Federal de Itajubá. Corpos de prova, em forma de barras, foram expostos ao processo de cementação seguidos de têmpera em água. Foi realizada uma ampla revisão bibliográfica a cerca da influência de tratamentos superficiais a fim de se obter a fundamentação para as análises dos resultados obtidos em laboratório. Os resultados da pesquisa são apresentados por meio da curva de Wöhler e ensaios de microdureza Vickers. Era esperado que a cementação aumentasse a resistência do aço. No entanto, não foi possível constatar esse aumento, o que se justifica pelo processo de descarbonetação. Considerando o exposto foram realizados ensaios com dois carregamentos em corpos de prova com novo processo de cementação, tendo sido constatado o esperado aumento da resistência à fadiga. Palavras chave: ABNT 1020; fadiga; cementação; curva de Wöhler. ABSTRACT The proposal of this study is to analyze the effect of the cementation on the fatigue resistance of ABNT 1020 steel. For this, were realized fatigue tests in the Structure Laboratory of Universidade Federal de Itajubá. Specimens in bar form, were exposed to a cementation process, following by a quenching in water. A large bibliographic review about the influence of this treatments was made in order to obtain the stating reasons for the analysis of the laboratory results. The results of this research are presented through Wöhler curve and the assessment of Vickers microhardness tests. It was expected that the cementation would increase the steel’s resistance. However, in the laboratory test, it did not happen, which is explained by the decarburization process. Considering the exposed, tests were realized with two loadings in specimens, with a new cementation process, and was possible to see that the fatigue resistance increased. Keywords: ABNT 1020; fatigue; cementation; Wöhler curve. LISTA DE FIGURAS Figura 1: Relação entre solicitação mecânica e tempo em carregamento cíclico. ................... 15 Figura 2: Classificação do ensaio de fadiga, através da curva de Wöhler , em zonas de baixo ciclo e alto ciclo. ....................................................................................................................... 16 Figura 3: Esquema de nucleação das trincas por fadiga a partir da formação de intrusões e extrusões. .................................................................................................................................. 19 Figura 4: Curva log-log de da/dN x Δk de propagação de trincas em cada estágio. ............... 19 Figura 5: Representação da superfície de fratura de um eixo sob fadiga. ................................ 20 Figura 6: Profundidade total da rugosidade Rt. ........................................................................ 22 Figura 7: Redução do limite de fadiga devido às condições de superfície e efeito em um meio corrosivo. .................................................................................................................................. 23 Figura 8: Gradiente de concentração de átomos intersticiais B em função da profundidade. .. 25 Figura 9: Representação gráfica da primeira Lei de Fick. ........................................................ 26 Figura 10: Representação gráfica da 2ª Lei de Fick. ................................................................ 27 Figura 11: Representação da operação de têmpera e revenimento. .......................................... 28 Figura 12: Exemplo de curva S-N com limite de fadiga – ligas ferrosas e titânio – e sem limite de fadiga – ligas não ferrosa. .................................................................................................... 29 Figura 13: Tensão máxima e vida em fadiga para diferentes temperaturas de recozimento do aço inoxidável UNS S31803. ................................................................................................... 30 Figura 14: Tratamento termoquímico de cementação dos corpos de prova. ............................ 31 Figura 15: Corpos de prova dentro do forno. ........................................................................... 32 Figura 16: Máquina de fadiga rotativa utilizada nos ensaios de fadiga.................................... 32 Figura 17: Cortadora metalográfica utilizada para cortar as amostras. .................................... 34 Figura 18: Embutidora utilizada no embutimento das amostras. ............................................. 34 Figura 19: Lixadeira e Politriz utilizada no lixamento e polimento das amostras. .................. 35 Figura 20: Microdurometro utilizado no Ensaio Vickers. ........................................................ 36 Figura 21: Modelo de corpo de prova usinado e parâmetros inerentes ao ensaio. ................... 37 Figura 22: Curva de Wöhler para o aço ABNT 1020. .............................................................. 41 Figura 23: Curva de Wöhler para o aço ABNT 1020 cementado. ........................................... 42 Figura 24: Nova proposta de tratamento térmico e de cementação. ......................................... 44 Figura 25: Resistência à fadiga com e sem cementação. .......................................................... 45 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Tipos de tratamentos superficiais de aço. ................................................................. 22 Tabela 2: Carregamentos utilizados na realização dos ensaios ................................................ 33 Tabela 3: Parâmetros utilizados para usinagem dos corpos de prova ...................................... 38 Tabela 4: Resultados do ensaio de fadiga do aço SAE 1020 cementado. ................................ 38 Tabela 5: Resultado do ensaio de Microdureza Vickers na seção transversal do aço cementado. ................................................................................................................................ 39 Tabela 6: Resultado do ensaio de Microdureza Vickers na seção transversal do aço não tratado. ...................................................................................................................................... 40 Tabela 7: Comparação entre o número de ciclos obtidos através do tratamento com o número de ciclos sem o tratamento obtido por Costa (2015). ............................................................... 42 Tabela 8: Comparativo entre ensaio de Costa (2015), a metodologia do trabalho e a metodologia sugerida. ............................................................................................................... 44 LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM – American Society for Testing and Materials SAE – Society of Automotive Engineers C – Concentração de carbono d – Diâmetro da parte usinada. D – Coeficiente de difusão em cm²/s Do – Fator de frequência dos saltos atômicos de uma posição para outra em uma distância HV - Hardness Vickers J – Fluxo de átomos por unidade de área por unidade de tempo Kgf – Quilograma Força Kt – Fator de concentração de tensões L – Distância entre a carga aplicada e a usinagem R – Razão de Tensões mm – Milímetros Mpa – Mega Pascal Nf – Número de ciclos até a fratura Ni – Número de ciclos até a nucleação das trincas Np – Número de ciclos até a propagação das trincas P – Carga aplicada; Q – Energia de ativação da difusão R – Constante universal dos gases = 1,987 cal/mol.K T – Temperatura x – Posição da partícula ºC – Graus Celsius σa – Amplitude de Tensão σf – Carregamento utilizado no ensaio de fadiga rotativa σm – Tensão Média σ max – Tensão Maxima σ min – Tensão Mínima σn – Tensão nominal que atuaria na seção sem o entalhe σr − Variação de Tensão SUMÁRIO 1. 2. 3. 4. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 11 1.1. Justificativa ................................................................................................................ 13 1.2. Objetivos .................................................................................................................... 14 1.3. Organização do trabalho ............................................................................................ 14 REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................................................. 14 2.1. Carregamentos cíclicos .............................................................................................. 15 2.2. Mecanismos de nucleação e propagação de trincas por fadiga.................................. 17 2.3. Influência da concentração de tensões na resistência a fadiga .................................. 21 2.4. Influência do acabamento superficial na resistência a fadiga .................................... 22 2.5. Influência de tratamentos térmicos e superficiais na resistência à fadiga ................. 23 2.6. Representação de ensaios de fadiga – Curva de Wöhler ........................................... 28 METODOLOGIA ............................................................................................................. 31 3.1. Preparação dos corpos de prova para os ensaios de fadiga ........................................ 31 3.2. Tratamento termoquímico de cementação ................................................................. 31 3.3. Tratamento térmico de têmpera ................................................................................. 32 3.4. Ensaios de Fadiga ...................................................................................................... 32 3.5. Preparação metalográfica das amostras para análise micrográfica ............................ 34 3.6. Ensaios de microdureza na seção transversal das amostras ....................................... 36 RESULTADOS OBTIDOS .............................................................................................. 37 4.1. Ensaio de Fadiga ........................................................................................................ 37 4.2. Ensaio de Dureza Vickers .......................................................................................... 39 4.3. Curva de Wöhler ........................................................................................................ 41 4.4. Proposta de uma nova metodologia no processo de cementação .............................. 44 5. CONCLUSÕES ................................................................................................................. 45 6. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS .............................................................. 46 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 47 GLOSSÁRIO ............................................................................................................................ 51 1. INTRODUÇÃO A fadiga é definida como um processo localizado e progressivo de mudanças estruturais permanentes ocorridas em um material. Neste caso, tensões e deformações cíclicas em um ou mais pontos do material podem resultar em trincas ou fraturas após determinado número de ciclos (ASTM E 1823-96, 2002 apud GUIMARÃES, et al., 2012). Alves (2008, p. 31) faz uma análise detalhada da definição acima quando diz que: “Progressivo” significa que a fadiga se desenvolve com o tempo de solicitação cíclica; “Localizado” quer dizer que a fadiga se estabelece num certo ponto, preferencialmente sujeito a alta concentração de tensões e deformações causadas por variações geométricas bruscas, gradientes de temperaturas, tensões residuais etc; “Trinca” é o foco do estudo da fadiga, uma vez que seu crescimento leva a uma situação em que a seção resistente torna-se insuficiente para suportar o carregamento, culminando na ruptura inesperada da peça; “Fratura” é o último estágio do processo de fadiga e consiste na separação da estrutura em duas ou mais partes. Para que ocorra falha por fadiga em um material é preciso que ocorra simultaneamente: solicitações dinâmicas, solicitações de tração e deformação plástica. Caso um desses fatores não ocorra, a falha por fadiga também não acontece (HAAG, 2012). De acordo com Carnio (2009), a fratura por fadiga ocorre em níveis de tensão inferiores à resistência mecânica do material. Tal fato é atribuído ao aumento progressivo de fissuras internas geradas pelo processo de fadiga, o que ocasiona a perda de rigidez da estrutura dependendo do número de ciclos de carregamento. A ruptura por fadiga é catastrófica, ocorrendo muito repentinamente e sem avisos, para praticamente todos os materiais (CARNIO, 2009). Segundo Callister (2009) e Chan (2010), o fenômeno da fadiga mecânica é, atualmente, uma das maiores preocupações dos profissionais que atuam nas áreas de projetos, construção, manutenção de máquinas, equipamentos e estruturas. Fraturas devido à fadiga chegam a representar cerca de 90% das causas de falhas em serviços de componentes metálicos que são submetidos continuamente a esforços dinâmicos e a vibrações, como nas indústrias automobilística e aeronáutica. A fadiga afeta diversos segmentos industriais, como automóveis, aeronaves, motocicletas, navios, máquinas e equipamentos. Esse fato evidencia a grande importância de estudos sobre as propriedades dos materiais que estão expostos ao processo de fadiga (CONCER, 2011). Os principais fatores considerados nos testes de fadiga são: tensão média; tamanho da peça; tipo de carregamento; acabamento superficial; temperatura; meio e concentradores de tensões (GAMBONI, 2011). 11 Os primeiros ensaios envolvendo a falha de materiais metálicos por fadiga ocorreram por volta de 1828, quando o alemão A. J. Albert começou a estudar o motivo das quebras frequentes dos vagões da mina de Clausthal. Ele construiu uma máquina de ensaio para estudar a vida dos componentes dos eixos e correntes dos vagões ferroviários (MUNUCCI, 2010). O termo “fadiga”, originado do latim (fatigare), só foi utilizado pela primeira vez pelo francês J.V. Poncelet, mais de dez anos depois dos primeiros ensaios de Albert (ALVES, 2008; HERNANDEZ, 2012). Naquela época, o processo de falha ainda não era entendido. Acreditava-se que os materiais ficavam “cansados” devido às variações de carregamentos e tempo de serviço (DANTAS, 2010). A primeira investigação científica sobre falhas por fadiga que se tem registro é atribuída ao Engenheio Alemão Wöhler. Seus estudos incluíram testes em grande escala para uma grande variedade de componentes estruturais usando máquinas desenvolvidas por ele, para solicitações de flexão, torção e axial (CARNIO, 2009). Em 1869, Wöhler publicou os resultados do seu trabalho, tendo concluído que os responsáveis por falhas por fadiga estão relacionados com a variação de tensão e com o número de ciclos (MARCELO, 2008). Com a expansão do uso de materiais metálicos e com o passar das décadas, principalmente em consequência do aumento do uso de máquinas, registraram-se ainda mais falhas de componentes submetidos a carregamentos cíclicos. Tal fato deixou evidente a necessidade de serem desenvolvidos procedimentos de projeto que pudessem prevenir e prever as falhas por fadiga (MARCELO, 2008). O estudo de fadiga se intensificou a partir da metade do século XIX e prevalece até os dias de hoje, uma vez que se trata de um processo muito complexo, e que ainda nos dias de hoje não é completamente compreendido (GOIS, 2010). Com o propósito de aumentar a resistência à fadiga de componentes em aço, alguns tratamentos termoquímicos têm sido muito utilizados. Tais processos têm como finalidade adicionar elementos químicos (como carbono, nitrogênio, boro, dentre outros) na superfície do aço, por meio de difusão a altas temperaturas – entre 300 e 1200 ºC (LEITÃO, 2010). A cementação é o processo termoquímico que visa à difusão de carbono. Nas aplicações mecânicas são grandes os volumes de peças de aço que passam por esse processo, como aplicações em autopeças e em elementos de máquinas (como pinhões, engrenagens, eixos etc.) (SANDOR, 2008). Esse processo é amplamente utilizado na fabricação de componentes 12 que necessitam de alta dureza superficial e de grande resistência ao desgaste (COLPAERT, 2008 apud LEITÃO, 2010). O processo de cementação é muito versátil e pode ser aplicado sem dificuldades e a baixo custo em peças com geometrias e tamanhos diferentes, atendendo de modo adequado às exigências de alta resistência a fadiga (SANDOR, 2008). Segundo Giordani (2012), a cementação tem como objetivo aumentar a quantidade de carbono na peça através da exposição da mesma a um ambiente apropriado com determinado potencial de carbono, ocasionando sua absorção na superfície do metal. Nesse tipo de tratamento, difunde-se o carbono na austenita da estrutura do aço, o que altera a composição na superfície do componente, aumentando substancialmente a vida em fadiga do componente (GIORDANI, 2012). Para que o processo de cementação ocorra de forma correta às peças devem ser envolvidas em meio carbonetante, que pode ser sólido (carvão), gasoso (atmosferas ricas em CO2) ou até mesmo líquido (banhos de sal à base de cianetos) (GUIA DO AÇO ARCELOR). Têm-se indícios do uso de processos como o de cementação em ferramentas desde os tempos pré-históricos, mas ainda hoje é difícil saber com precisão quando se iniciou a utilização de tais procedimentos. Os primeiros indícios do seu uso, segundo análises arqueológicas, ocorreram no Oriente Médio. A descoberta mais antiga é uma picareta achada nas montanhas Adir na Palestina em XII A.C. Foram encontradas também várias lâminas que provam que o tratamento da cementação ocorreu de forma intencional pelos artesões no Chipre, atividades datadas do século XI e X A.C (GIORDANI, 2012). Assim como outras características mecânicas, as propriedades de fadiga dos materiais podem ser determinadas por meio de ensaios de simulação em laboratório, contemplando tanto quanto possível as condições de tensão durante o serviço (CARNIO, 2009). E será essa a abordagem comtemplada pelo presente trabalho na análise da efetividade da cementação. 1.1. Justificativa Estudos como esse são importantes para um maior entendimento da correlação da resistência à fadiga do aço com e sem a camada cementada. Isto porque o aumento da dureza superficial da camada carbonetada em aços de baixo carbono certamente produz aumento da resistência à fadiga do aço, aumento por consequência o número de ciclos que a peça é capaz de suportar. Procedimentos como esse são importantes uma vez utiliza de processos relativamente simples a um baixo custo. 13 1.2. Objetivos Esse trabalho tem como objetivo avaliar o efeito de uma camada superficial de carbono na resistência à fadiga do aço ABNT1020. Como objetivos específicos, prevê: a realização de tratamentos térmicos de tempera no aço cementado; ensaios de microdureza para verificação da resistência da camada cementada e compara-la com a resistência do aço não cementado; obtenção da curva de Wöhler do aço ABNT 1020 carbonetado; e avaliar o efeito da alteração no tipo de tratamento térmico e de cementação adotado. 1.3. Organização do trabalho Para realização desse trabalho utilizou-se o Regulamento do Trabalho Final de Graduação do curso de Engenharia da Mobilidade proposto pelo colegiado do curso. A pesquisa é composta por cinco capítulos. O capítulo 1 contém a Introdução, composta pelas as considerações iniciais a cerca do tema abordado, bem como a justificativa que torna o tema relevante e os objetivos. O Capítulo 2 aborda as principais definições conceituais necessárias para a exposição do trabalho, bem como a descrição do estado da arte do tema abordado, sendo composto pela descrição objetiva dos trabalhos encontrados na literatura. No Capítulo 3 é apresentada a metodologia utilizada durante os ensaios em laboratório, descrevendo os principais elementos que compõem o desenvolvimento da pesquisa, e os passos necessários para obtenção dos resultados; O quarto capítulo trata dos resultados obtidos durantes os ensaios, apresentando e avaliando os experimentos que foram executados. Esse capítulo também traz uma proposta para adoção de uma nova metodologia a fim de se alcançar melhores resultados. Por fim, o Capítulo 5 traz as conclusões inerentes ao trabalho realizado, além de uma proposta para trabalhos futuros. 2. REFERENCIAL TEÓRICO Nesse item será estudado, através de pesquisas em bibliografia disponível, o efeito da cementação de um aço ABNT 1020 quando submetido a um ensaio de fadiga, bem como a 14 propagação de trincas e tensões em ensaios como esse. Será abordado também um estudo de apresentação de resultados de ensaios de fadiga em uma curva Wöhler (curva S-N). 2.1. Carregamentos cíclicos A causa básica do fenômeno de falha dos materiais está na natureza da tensão a qual o material é submetido. A falha por fadiga ocorre devido à aplicação de esforços cíclicos no material, o que por consequência, diminui também a sua vida útil em serviço. Esse processo resulta na iniciação (nucleação) e propagação de trincas, e finalmente ocasiona a ruptura do material (DEL MENEZZI, 2011). Carregamento cíclico é definido por Hernandez (2012) como um carregamento que varia entre um valor máximo e mínimo por um período proporcionalmente longo de tempo. Esses carregamentos são expressos por uma função senoidal que varia entre as tensões máximas e mínimas aplicadas em um intervalo de tempo. Na Figura 1 tem-se um exemplo clássico de carregamento dinâmico, cujo o eixo das ordenadas representa a solicitação de tração e compressão, e o eixo das abscissas o tempo. Figura 1: Relação entre solicitação mecânica e tempo em carregamento cíclico. Fonte: Callister (2007) apud Almirón (2010). Segundo Almirón (2010) e Gamboni (2011), partindo-se dos valores de cargas máximas e mínimas, é possível conhecer melhor o processo de fadiga, podendo-se calcular: a variação de tensão (�� ), a amplitude de tensão (σa ), a tensão média (σm ) e a razão de tensões (R), conforme mostram as equações de (1) a (4). 15 Variação de tensão: �� = � �� – � � (Equação 1) Amplitude de tensão: �� = �� (Equação 2) Tensão média: � = � �� + � � (Equação 3) Razão de tensão: = � � � �� (Equação 4) Dantas (2010) classifica as cargas cíclicas quanto à amplitude e número de ciclos: a) Cargas cíclicas de grande amplitude e baixo ciclo: são aquelas cargas em que as tensões são muito altas, provocando deformações plásticas e, por consequência, a ruptura com um número muito baixo de ciclos; b) Cargas cíclicas de baixa amplitude e alto ciclo: são aqueles carregamentos cuja amplitude é geralmente constante, e a tensão se mantém em um limite esperado de tensões máximas e mínimas. Esse tipo de carregamento geralmente ocorre em máquinas, pontes, carga de vento, entre outros. Nesse tipo de carregamento a vida útil da peça é mais longa e pode ser prevista. A Figura 2 ilustra essa classificação da vida em fadiga através da curva de Wöhler, tem-se a primeira parte referente à vida de baixo ciclo com grandes carregamentos. Na segunda parte, mais relevante nesse estudo, representa a vida em fadiga de alto ciclo, que é caracterizada por vidas longas antes de se atingir o limite de resistência. 16 Figura 2: Classificação do ensaio de fadiga, através da curva de Wöhler , em zonas de baixo ciclo e alto ciclo. Fonte: Hernandes (2012). As tensões cíclicas aplicadas podem ser de natureza axial (tração-compressão), de flexão (dobramento) ou torcional (torção). A variação dessas tensões ao longo do tempo é a responsável por rupturas de fadiga (CANIO, 2009). De acordo com Minucci (2010), muitos componentes mecânicos sofrem carregamentos mais complexos, podendo ser de natureza multiaxial, gerando tensões em mais de uma direção como, por exemplo, a combinação de flexão e torção em eixos. Esses esforços podem ser periódicos, transientes ou aleatórios. Além disso, esses esforços também podem estar combinados de diversas maneiras como: esforço de flexão variável e de torção fixa (caso mais comum); todas variando simultaneamente (flexão, torção, axial); e, pode ser que todos variem simultaneamente mas com amplitudes diferentes (MINUCCI, 2010). 2.2. Mecanismos de nucleação e propagação de trincas por fadiga Em um processo onde o material é exposto a carregamentos cíclicos, a trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou onde há alta concentração de tensões. A partir daí, surgem micro trincas, deformações plásticas, asperezas, dentre outros. À medida que o tempo passa, as propriedades mecânicas do material se danificam progressivamente, resultando em uma iniciação de trincas que cresce até atingir a ruptura final (CAYRO, 2016). 17 Segundo Dantas (2010), como consequência do enfraquecimento do material devido ao carregamento e ao número de ciclos, desencadeia-se o processo de fadiga em três estágios: Estágio 1: Ocorre a nucleação da fissura, a nível microscópico, em um ponto de concentração de tensões, seja ela pré-existente ou devido ao processo de fadiga; Estágio 2: Crescimento estável da fissura em plano perpendicular ao plano da tensão principal de tração, ou seja, ocorre a propagação da fissura. A medida que o ciclo de tensões aumenta o tamanho da falha cresce, diminuindo assim a rigidez do elemento, atingindo um nível macroscópico; Estágio 3: Abertura crítica e propagação instável da fissura gerando a ruptura de forma repentina. A quantidade de ciclos até a fratura (Nf) pode ser calculada como sendo a soma do número de ciclos para a nucleação da trinca (Ni) e do número de ciclos para a propagação da trinca (Np), sendo a contribuição da ruptura final considerada insignificante (CARNIO, 2009; CONCER, 2011). Sendo o estágio de nucleação responsável por 90% do número total de ciclos. Assim, tem-se o número de ciclos até a fratura por fadiga dada pela (Equação 5): �� = �� + � (Equação 5) Segundo Hernandez (2012), a nucleação no material pode ocorrer devido à deformação plástica localizada em regiões onde há defeitos. Quando são submetidas a tensões cíclicas, microrregiões dos grãos do material passam a desenvolver deformações plásticas cada vez maiores até atingir o escoamento. Materiais muito frágeis podem pular esse estágio de nucleação e proceder diretamente com a propagação de trincas onde existam vazios ou inclusões, neste caso o material rompe a um número baixo de ciclos. Em materiais metálicos, a nucleação da trinca (Estágio 1) ocorre em consequência de um carregamento cíclico, provocando pequenos movimentos que causam o deslizamento das discordâncias nos planos de escorregamento, originando as bandas de deslizamento na superfície do material, como ilustrado na Figura 3. As bandas de deslizamento permanentes se formam quando as discordâncias são deslocadas e não voltam ao seu ponto de origem, propiciando a iniciação das trincas. (CONCER, 2011; VELLOSO, 2009). Nesse estágio, pequenas trincas são nucleadas na superfície gerando concentrações de deformações plásticas locais (BATISTA, et al., 2015). Com o passar do tempo, começam a surgir intrusões e extrusões, principalmente na superfície dos materiais, isso ocorre devido à maiores concentrações de tensões presentes nessa região. 18 Além disto, quanto maior a amplitude do carregamento, mais breve se torna o estágio de nucleação das microtrincas (HERNANDEZ, 2012). Figura 3: Esquema de nucleação das trincas por fadiga a partir da formação de intrusões e extrusões. Fonte: Lee (2005) apud Velloso (2009). A propagação de trincas (Estágio 2) ocorre de forma perpendicular à fonte principal de tensão normal do material, avançando de forma semicircular (Figura 5), provocado pelo estado triaxial de tensões encontrado no início da trinca. A velocidade de propagação dessas trincas se dá em função da amplitude do fator intensidade de tensões. Já o crescimento da trinca ocorre pela relação entre o tamanho da trinca (Δk) e o número de ciclos de vida em fadiga (da/dn), onde ‘da’ é o tamanho da trinca e ‘dn’ é o número de ciclos necessários para se atingir o tamanho da trinca (KAMAYA, 2015; HAAG, 2012). A Figura 4 explica a propagação das trincas por fadiga, relacionando o número de ciclos com seus respectivos estágios. 19 Figura 4: Curva log-log de da/dN x Δk de propagação de trincas em cada estágio. Fonte: Adaptado de Shnigley (2006) apud Yaag (2012). A Figura 5 exemplifica uma superfície de trinca por fadiga em um eixo fabricado em aço. Os principais indícios deste tipo de fratura são: o local do início da trinca de fadiga que ocorre na superfície; a área de propagação da trinca de fadiga demostrada pelas marcas de praia; e a região de fratura instantânea em que a trinca atinge sua extensão crítica (CONCER, 2011). Figura 5: Representação da superfície de fratura de um eixo sob fadiga. Fonte: Meyers et al. (1999) apud Concer (2011). Nos casos em que a trinca se desenvolve no interior do material, e não na superfície, essa trinca frequentemente está relacionada com a existência de uma interface. Isso pode ocorrer, 20 por exemplo, entre uma camada cementada e o núcleo do metal, o que ocasionaria uma trinca no interior do metal (CONCER, 2011). A propagação instável (Estágio 3) ocorre quando a falha atinge um certo nível de diferença de intensidade de tensões ou o material já está muito danificado para opor resistência às tensões externas, sendo considerada a última parte do ciclo de vida de uma estrutura (CAYRO, 2016). 2.3. Influência da concentração de tensões na resistência a fadiga De acordo com Alves (2008) e Dantas (2010), as fissuras por fadiga sempre se iniciam nos pontos de concentração de tensões, sejam elas devido a falhas pré-existentes no material ou devido à nucleação e propagação de trincas. Esse processo é desencadeado devido à ação de cargas cíclicas e flutuação de tensões com o tempo. Após a nucleação, ocorre uma progressão da trinca que se deforma plasticamente gerando ainda mais concentradores de tensões até o ponto de ruptura completa do material (PFINGSTAG, 2009). Singularidades ou descontinuidades na microestrutura são pontos de altas concentrações de tensões que induzem a nucleação. Essas concentrações de tensões podem ser oriundas de: riscos superficiais, intrusões e extrusões, tamanho dos grãos, contornos de grãos, porosidade acentuada, defeitos de solidificação, pontos de corrosão, tratamentos termoquímicos, dentre outros (LAURITO, 2010; HERNANDEZ, 2012). Muitas das peças de aço que são utilizadas nas indústrias, na engenharia e em projetos, possuem entalhes ou variações na geometria que são causadores de aumento de tensões localizadas. Essas modificações e/ou detalhes podem ser: furos, rasgos, ombros, cantos vivos, detalhes necessários para fixação e utilização da peça, etc (STROHAECKER, 2010). Entretanto, esses entalhes são locais onde há concentração de tensões, o que faz com que sejam pontos fracos e possíveis origens para desencadeamento de fraturas por fatiga. O cálculo da concentração de tensão que tal entalhe irá causar é dado pela Equação (6) (CASTRO; MEGGIOLARO, 2009 apud GAMBONI, 2011). � = � � (Equação 6) Onde: Kt – Fator de concentração de tensões; 21 σm – Máxima tensão que atua numa dada seção entalhada; σn – Tensão nominal que atuaria na seção sem o entalhe. Gamboni (2011) enfatiza a importância de cálculos como esses, pois com a simples alteração da localização dos entalhes e/ou geometria na fabricação da peça já se obtém uma melhor distribuição das linhas de concentrações de tensões. Ademais, o estudo dessas tensões pode interferir na escolha do tipo de aço, no dimensionamento das estruturas, na identificação e modificação de detalhes nas peças e equipamentos. Escolhas essas que podem ser responsáveis por um aumento considerável na resistência à fadiga do material (POSSAMAI, 2015). 2.4. Influência do acabamento superficial na resistência a fadiga Conforme mencionado anteriormente, a superfície dos materiais é a região mais propensa à propagação de microtrincas, pois é nela onde se encontra o maior número de defeitos de fabricação, marcas e características do material (HERNANDEZ, 2012). Assim sendo, quanto melhor o acabamento superficial do material maior a sua vida útil, pois a rugosidade da superfície tem grande influência na formação de concentradores de tensões, que geram trincas por fadiga (STROHAECKER, 2010; ROCHA, 2010). Segundo Rocha (2010), o acabamento superficial é medido através da rugosidade, que corresponde à distância vertical entre o pico mais alto e o vale mais profundo do comprimento avaliado, em microns (mm ou m), como mostrado na Figura 6. Figura 6: Profundidade total da rugosidade Rt. Fonte: Rocha (2010). Um acabamento superficial ideal é de suma importância para que não ocorram discrepâncias de resultados no ensaio de fadiga. Porém, durante tratamentos superficiais pode ocorrer de 22 serem deixadas marcas como pites e riscos nos componentes metálicos, que passam a agir como grandes concentradores de tensões. Para que isso não prejudique os ensaios de fadiga, faz-se necessário a correção dessas imperfeições (GAMBONI, 2011). A Figura 7 mostra como as condições de superfície podem afetar a porcentagem do limite de fadiga de um aço, comparando diferentes acabamentos e meios. Figura 7: Redução do limite de fadiga devido às condições de superfície e efeito em um meio corrosivo. Fonte: Chawla e Gupta (1995) apud Gamboni (2011). Gamboni (2011) faz duas considerações importes: a condição da superfície do material é mais relevante em aços duros; e em baixas vidas, onde predominam a propagação de trincas a elevadas tensões, a condição da superfície afeta de maneira mais amena a vida em fadiga. 2.5. Influência de tratamentos térmicos e superficiais na resistência à fadiga O tratamento superficial no ensaio de fadiga é muito significante, uma vez que a maior ocorrência de trincas ocorre na superfície. Essas trincas se desencadeiam basicamente devido a dois fatorares: as tensões residuais de compressão e/ou de tração; e o acabamento superficial (DIETER, 1988 apud ALVES, 2008). Segundo Skonieski (2008), são muitas as técnicas utilizadas para melhorar o acabamento superficial dos materiais, mantendo o núcleo macio. Essas técnicas podem ser divididas em 23 dois grupos principais: os que adicionam camadas e os que tratam o substrato, algumas das principais técnicas são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1: Tipos de tratamentos superficiais de aço. Fonte: Lampman (1991) apud Skonieski (2008). Os processos que ocorrem por meio de métodos difusionais, também denominados de tratamentos termoquímicos, são utilizados na camada superficial com a finalidade de se obter uma melhor tenacidade e ductilidade, bem como maior resistência à fadiga (Kirchner, 2014). Leitão (2010) defende que para se escolher o melhor tratamento termoquímico deve-se considerar fatores como: o potencial do meio, a capacidade da peça em absorver um determinado elemento, a geometria da peça e principalmente o modo como se dá a difusão do elemento químico no aço. Esses tipos de tratamentos envolvem processos de acabamento superficiais e tratamento térmicos, de forma a difundir gradativamente os elementos químicos na superfície da peça. O principal objetivo desses tratamentos é obter componentes que apresentem dureza e resistência mecânica superficial associada a uma boa tenacidade no núcleo do elemento 24 (GIORDANI, 2012). Sendo de suma importância o estudo de difusão dos átomos, através de tratamentos térmicos. Segundo Skonieski (2008), os mecanismos de difusão dependem da solução que o átomo irá formar com o metal base, e da diferença de tamanho entre os átomos da matriz e os átomos de soluto. Assim sendo, essa difusão pode ocorrer de duas formas: a) Difusão substitucional: onde os átomos do soluto, através de uma energia vibracional, migram para a matriz metálica. Isso é possível, pois os átomos de soluto possuem tamanho similar aos átomos da matriz. b) Difusão intersticial: onde os átomos de soluto dão saltos atômicos probabilísticos de um plano cristalino para outro de forma aleatória. Isso ocorre quando há grande diferença de tamanho entre os átomos envolvidos, como ilustrado na Figura 8. Figura 8: Gradiente de concentração de átomos intersticiais B em função da profundidade. Fonte: Porter (1991) apud Skonieski (2008). A difusão dos átomos em um meio no qual inicialmente não existe equilíbrio químico é descrita pela primeira Lei de Fick da difusão, que descreve processo difusionais estacionários, expresso pela Equação (7) (MENEGÁRIO, 2012) e representado pela Figura 9. = − . � �� (Equação 7) 25 Onde: J – Fluxo de átomos por unidade de área por unidade de tempo; D – Coeficiente de difusão em cm²/s; C – Concentração de carbono; x – Posição. Figura 9: Representação gráfica da primeira Lei de Fick. Fonte: Callister (2000) apud Borsa (2009). Em situações reais e práticas, as concentrações no interior do sólido variam com o tempo, descrevendo um estado de difusão não estacionário. Para esses casos práticos tem-se a 2ª Lei de Fick (Figura 10), que é aplicável na maioria das situações de processos difusionais (SKONIESKI, 2008). Essa situação é descrita pela Equação (8). � = �� � � �� �� (Equação 8) No caso do coeficiente de difusão ser constante, tem-se (BORSA, 2009): � �� = . � �� (Equação 9) A difusão ‘D’ varia com o tipo de estrutura da matriz, com a natureza do soluto e também com a temperatura. Sendo determinante a temperatura que a difusão irá ocorrer, uma vez que 26 quanto maior a temperatura maior será a energia térmica dos átomos para superar a barreira de energia dos átomos do solvente (VAN VLACK, 1970 apud BORSA, 2009). Considerando uma faixa definida de temperaturas, tem-se o valor do coeficiente de difusão dado pela Equação tipo Arrhenius (Equação10) (PORTER, 1992 apud BORSA, 2009). = . ��� − � (Equação 10) Onde: Do – Fator de frequência que está relacionado com a frequência dos saltos atômicos de uma posição para outra e da distância percorrida; Q – Energia de ativação da difusão; R – Constante universal dos gases = 1,987 cal/mol.K T – Temperatura em K Figura 10: Representação gráfica da 2ª Lei de Fick. Fonte: Callister (2000) apud Borsa (2009). O processo de endurecimento superficial via cementação ocorre de forma efetiva quando acompanhado dos tratamentos térmicos de têmpera e de revenimento. Essa abordagem possibilita que toda a seção da peça fique austenitizada e a difusão atômica ocorra de forma correta (BORSA, 2009). 27 A têmpera é considerada um dos mais importantes e utilizados métodos de tratamento térmico. Consiste no aquecimento do aço em temperaturas em torno de 900 ºC e posterior resfriamento em temperatura adequada considerando o tratamento termoquímico utilizado, favorecendo a homogeneização da estrutura que causa o aumento da dureza e resistência à tração. Esse processo também auxilia na redução da ductibilidade, da tenacidade, e no aparecimento de tensões internas (POSSAMAI, 2015). Já o revenimento consiste em reaquecer a peça temperada a temperaturas inferiores à temperatura crítica, conforme mostra a Figura 11, com tempos de duração e velocidades de resfriamento definidos. O revenido melhora a tenacidade e diminui a dureza da peça, e também é um processo muito comum (KIRCHNER, 2014). Figura 11: Representação da operação de têmpera e revenimento. Fonte: Possamai (2015). 2.6. Representação de ensaios de fadiga – Curva de Wöhler No século XIX, Wöhler começou a desenvolver seus estudos quanto à falha dos eixos do trem, os mesmos produziam tensões compressivas ao longo da superfície superior e tensões tratitivas na parte inferior. Foi notado que após o eixo ter rodado meia volta essas situações de tensões se invertiam. A partir dessa analise Wöhler concluiu que um material é induzido a falhar por carregamento cíclico mesmo todas as tensões estando abaixo da tensão de falha estática (ALVES, 2008). 28 Wöhler representou os dados de sua pesquisa em forma de tabela, e em 1875 seu sucessor Spangenberg plotou as curvas em escala normal de Tensão x Número de ciclos. Essa representação foi denominada de curvas de Wöhler ou S-N. (CAYRO, 2016). Porém as aplicações da curva só tiveram inicio em 1910 quando Basquin representou a curva de Wöhler em escala logarítmica, e dessa forma é utilizada até os dias de hoje (ALMIRÓN, 2010). O método de levantamento da curva de Wöhler é utilizado para obtenção das resistências à fadiga de um material. O principal objetivo dessa curva é associar o número de ciclos de vida para uma dada tensão aplicada, caracterizando o comportamento em fadiga do material. (HERNANDEZ, 2012; DANTAS, 2010). Segundo Gamboni (2011), Almirón (2010) e Lacerda (2015), observa-se a existência de um valor de tensão para o qual a peça nunca ira se romper, independente do número de ciclos. Esse valor de tensão é chamado de limite de fadiga ou zona de vida infinita. De acordo com Velloso (2009) para materiais de engenharia, a vida infinita é considerada no valor de tensão igual 1.000.000 ciclos (N≥106). No caso de materiais não ferrosos, como magnésio e alumínio, esse valor de tensão limite não se aplica, como é exemplificado na Figura 12. Figura 12: Exemplo de curva S-N com limite de fadiga – ligas ferrosas e titânio – e sem limite de fadiga – ligas não ferrosa. Fonte: Perez (2004) apud Velloso (2009). O método da curva S-N é valido, uma vez que considera apenas o regime elástico e elevado número de ciclos, ou seja, não faz distinção entre etapas de nucleação de trincas, propagação de trincas e ruptura final. Sendo assim, esse método é muito utilizado na prática, pois a 29 maioria das estruturas de engenharia é projetada para trabalhar sob esses tipos de tensões (ZILIO, 2013). É possível se obter a curva de Wöhler através de ensaios de laboratório, nesse caso a peça de metal é submetida a um carregamento cíclico pré-definido e de amplitude constante até a ruptura completa do material. Para simular os resultados em uma curva S-N, representa-se no eixo das abscissas o número de ciclos até a ruptura e no eixo das ordenadas coloca-se a amplitude de tensão aplicada durante o carregamento (DANTAS, 2010). A apresentação do gráfico S-N para materiais exibindo o limite de resistência à fadiga é ilustrada por Lacerda (2015), que divide a curva de Wöhler em zonas de baixo ciclo (carregamento cíclico alto), alto ciclo (carregamento cíclico baixo), e na zona de vida infinita cujo carregamento cíclico é tão baixo que apresenta número de ciclos infinito, como mostra a Figura 13. Figura 13: Tensão máxima e vida em fadiga para diferentes temperaturas de recozimento do aço inoxidável UNS S31803. Fonte: Lacerda (2015). Almirón (2010) lista as seguintes vantagens da utilização do método S-N:  É computacionalmente simples e rápido;  Conta com um grande banco de dados sobre os efeitos quantitativos de vários parâmetros que podem afetar a nucleação de trincas;  Há uma grande experiência com o seu uso em casos reais de projeto, uma vez que é utilizado desde o século XIX; 30  Pode ser simplificado em uma única equação, a qual engloba todas as informações necessárias ao dimensionamento mecânico. 3. METODOLOGIA Neste item será descrita a metodologia utilizada, desde a preparação dos corpos de prova até os ensaios de fadiga e microdureza, para a realização desse trabalho. Todas as etapas necessárias para realização desses ensaios e elaboração desse trabalho foram executadas nos laboratórios da Universidade Federal de Itajubá – campus Itabira. 3.1. Preparação dos corpos de prova para os ensaios de fadiga Foram usinados, lixados e polidos 14 corpos de prova para adaptação à máquina de ensaio de fadiga da marca EDIBON modelo EEFC. Esses procedimentos foram realizados no Laboratório de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Itajubá - campus Itabira, de acordo com a norma ASTM E466 de 1996. A confecção dos corpos de prova se deu utilizando as seguintes dimensões: 380 milímetros de comprimento, 8 mm de diâmetro e 4 mm de diâmetro na parte usinada, como mostra a Figura 21. 3.2.Tratamento termoquímico de cementação O tratamento termoquímico de cementação das amostras foi realizado através da exposição dos corpos de prova a uma chama de acetileno (C2H2), por um período de aproximadamente 5 minutos em cada corpo de prova, como mostra a Figura 14. 31 Figura 14: Tratamento termoquímico de cementação dos corpos de prova. Fonte: Autoria própria. 3.3. Tratamento térmico de têmpera Após a cementação dos corpos de prova, os mesmos foram levados para um forno da marca FDG Equipamentos modelo FDG 3P – S para difusão do carbono no material. A difusão ocorreu à taxa de 5 graus Celsius por minuto até atingir a temperatura de 950ºC, permanecendo nessa temperatura durante o período de duas horas e posterior resfriamento dentro do forno, conforme mostra a Figura 15. Figura 15: Corpos de prova dentro do forno. Fonte: Autoria própria. 32 3.4. Ensaios de Fadiga Os ensaios de fadiga foram realizados no Laboratório de Estruturas da UNIFEI – campus Itabira, em uma máquina de fadiga rotativa da marca EDIBON modelo EEFC, conforme mostra a Figura 16. Figura 16: Máquina de fadiga rotativa utilizada nos ensaios de fadiga. Fonte: Autoria própria. Neste dispositivo as amostras são submetidas a uma carga pré-estabelecida em uma das extremidades, e um motor é responsável pela rotação do corpo de prova na outra extremidade. O conjunto de carga aplicada com rotação do motor promove a fratura por fadiga no material ensaiado. Os ensaios foram realizados à rotação de 1500 rotações por minuto (rpm) e frequência aproximada de 30 Hz, com carga aplicada de 2,7 quilos. Por meio dos resultados do número de ciclos necessários para o rompimento do corpo de prova, e sabendo-se o valor da tensão aplicada é possível analisar a resistência do material à fadiga, como mostrado no item 2.6 desse trabalho. Para realização dos ensaios e para posterior elaboração da curva de Wöhler do aço ABNT 1020 cementado, as 14 amostras foram submetidas aos carregamentos descritos na Tabela 2. Sendo preparados 3 (três) corpos de prova para cada carregamento definido, sendo que para a carga de 280 Mpa foram preparados 2 (dois) corpos de prova. 33 Tabela 2: Carregamentos utilizados na realização dos ensaios Carregamentos (Mpa) 320 300 280 260 240 Fonte: Autoria própria. 3.5. Preparação metalográfica das amostras para análise micrográfica A preparação metalográfica das amostras foi realizada no Laboratório de Materiais Metálicos e Metalografia da UNIFEI – Itabira. Para realização do ensaio de dureza Vickers foram utilizadas duas amostras: a primeira utilizando um dos corpos de prova que passaram pelo tratamento de cementação e pelo tratamento térmico de têmpera; e a segunda utilizando um corpo de prova que não passou pelo tratamento termoquímico. De cada uma das amostras foram cortadas aproximadamente 2 (dois) milímetros de espessura utilizando-se uma Cortadora Metalográfica da marca PANTCC modelo PANCUT 40, mostrada na Figura 17. Figura 17: Cortadora metalográfica utilizada para cortar as amostras. Fonte: Autoria própria. 34 Em seguida, as amostras foram embutidas a quente, utilizando-se baquelite e a embutidora PANAMBRA modelo PRANPRESS 30 (Figura 18). O processo durou aproximadamente 15 minutos e envolveu a utilização de desmoldante, o correto posicionamento da amostra e o aquecimento até atingir 160 ºC sob uma pressão de trabalho de 130 Kgf/cm2. Em seguida, esperou-se o resfriamento até chegar a 60 ºC, para a retirada do material da embutidora. Figura 18: Embutidora utilizada no embutimento das amostras. Fonte: Autoria própria. Após o embutimento as amostras foram submetidas ao processo de lixamento, utilizando-se uma Lixadeira Politriz da marca FORTEL modelo PLF, apresentada na Figura 19. Foram utilizadas 4 (quatro) granulações distintas de lixas – 80, 300, 600, 1200 mm, e com o auxilio de um Microscópio Óptico, foi possível verificar se a superfície apresentava arranhões e avaliar a superfície lixada. 35 Figura 19: Lixadeira e Politriz utilizada no lixamento e polimento das amostras. . Fonte: Autoria própria. Para que as amostras apresentassem superfície espelhada, e o mais livre de arranhões e imperfeições possível, foi realizado o polimento das duas amostras utilizando a mesma Politriz Lixadeira (Figura 19) utilizada para no lixamento das amostras, e dois tapetes de alumina com granulações de 1µm e 3 µm. 3.6. Ensaios de microdureza na seção transversal das amostras Após a preparação metalográfica das amostras, realizou-se o ensaio de dureza Vickers para obter a dureza média dos materiais, bem como o desvio padrão dessas medições. Esse ensaio foi realizado no Laboratório de Materiais Metálicos e Metalografia da Universidade Federal de Itajubá – campus Itabira, em um microdurômetro da marca Wilson Instruments e modelo 402MVD, conforme mostrado na Figura 22. Sendo todo o ensaio de microdureza executado utilizando-se como parâmetro a norma ABNT NBR NM ISO 6567-1: 2008. 36 Figura 20: Microdurometro utilizado no Ensaio Vickers. Fonte: Autoria própria. O funcionamento do microdurometro Vickers consiste na penetração perpendicular de um indentador, que possui formato de pirâmide invertida de base quadrada com ângulo de 136° entre as faces, na superfície de uma amostra por um período de tempo pré-determinado utilizando uma força padrão e também pré-definida. O valor da dureza com a Pirâmide de Diamante Vickers [HV] é então calculado, para um determinado ponto, através da média aritmética das duas diagonais do indentador (NORMA ABNT NBR ISO 6507-1: 2008). Para obtenção dos resultados foram realizadas medições percorrendo toda a transversal das duas amostras (mesmas 2 amostras que passaram pelo processo de metalografia) , obedecendo-se a distância de 1mm entre uma impressão e outra. Essas medições foram realizadas com carga de 100 gramas perfurando o material durante 10 segundos. De posse desses valores é possível estabelecer uma comparação entre a dureza da amostra que não foi tratada e a dureza da amostra que passou pelo tratamento termoquímico e térmico. 37 4. RESULTADOS OBTIDOS Nesse capítulo serão descritos os resultados obtidos nos ensaios de fadiga e sua representação por meio da curva de Wöhler, bem como os resultados obtidos através do ensaio de Dureza Vickers. Além disso, também será realizada uma interpretação dos resultados e a apresentação de uma adequação na metodologia a fim de se obter melhores resultados. 4.1. Ensaio de Fadiga As amostras utilizadas para o ensaio de fadiga foram usinadas de acordo com a especificação da norma E466-96 da ASTM (1996) para amostra com raio continuo entre as extremidades, conforme mostrado na Figura 21 e descrito no item 3.1 deste trabalho. Figura 21: Modelo de corpo de prova usinado e parâmetros inerentes ao ensaio. Fonte: Costa (2015). Para correta usinagem dos corpos de prova, foram utilizada as equações de tensão e flexão rotativas para obtenção do parâmetro ‘L’, conforme mostra a Equação 11. Onde: �� = , �³ (Equação 11) �� – Carregamento utilizado no ensaio de fadiga rotativa; – Carga aplicada; – Distância entre a carga aplicada e a usinagem; � – Diâmetro da parte usinada. 38 Para realização dos ensaios foi estabelecida uma carga fixa de 2,7 quilos. Sendo que o diâmetro utilizado, em todos os corpos de prova, foi igual a 4,5 milímetros. Conforme mostrado no item 3.1, foram estabelecidos os carregamentos de: 320, 300, 280, 260 e 240 Mpa. Sendo assim, utilizando a Equação 11 e os valores pré-determinados para a carga e o diâmetro, foi possível calcular a distância entre a carga aplicada e a usinagem (L) p ara cada carregamento definido. Os valores de ‘L’, para cada Tensão aplicada, são demostrados na Tabela 3. Tabela 3: Parâmetros utilizados para usinagem dos corpos de prova Tensão (Mpa) 320 300 280 260 240 P (kgf) 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 d (mm) 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 L (mm) 178,00 171,25 164,50 157,75 151,00 Fonte: Autoria própria. Após a usinagem dos corpos de provas, os mesmos foram submetidos ao ensaio de fadiga conforme mostrado no item 3.4. Na Tabela 4 tem-se o resultado obtido nos ensaios de fadiga das 14 barras de aço que passaram pelo processo de cementação. 39 Tabela 4: Resultados do ensaio de fadiga do aço ABNT1020 cementado. Tensão (Mpa) 320 300 280 260 240 Corpo de prova 1 4 3 2 8 14 9 10 11 12 13 5 6 7 Número de ciclos 3.497 8.132 42.655 12.132 277.758 132.172 108.076 387.392 349.368 303.629 118.147 1.738.206 276.023 X P Observação (mm) (Kgf) 2,7 Fraturou 178 2,7 Fraturou/energia caiu 2,7 Fraturou 2,7 Fraturou 171 2,7 Fraturou 2,7 Fraturou 2,7 Fraturou 165 2,7 Fraturou 2,7 Fraturou 158 2,7 Fraturou 2,7 Fraturou 2,7 Fraturou 151 2,7 Fraturou 2,7 Fraturou Fonte: Autoria própria. 4.2. Ensaio de Dureza Vickers O Ensaio de dureza Vickers foi executado em duas amostras de aço: a primeira em uma amostra de aço cementado; e a segunda realizada na amostra que não passou pelo tratamento de cementação. Conforme descrito no item 3.6 deste trabalho, o ensaio foi realizado com medições percorrendo toda a transversal das duas amostras, obedecendo-se a distância de 1 mm entre uma impressão e outra. Na Tabela 5 tem-se o resultado do ensaio de microdureza Vickers realizado na seção transversal da amostra que passou pelo processo de cementação. Para essa amostra foi obtida a média das perfurações de 113,4 HV com desvio de padrão de 4,8 HV. 40 Tabela 5: Resultado do ensaio de microdureza Vickers na seção transversal do aço cementado. Ponto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Média Desvio Padrão Dureza (HV) 112,0 114,5 111,1 108,2 120,4 118,0 115,2 113,4 109,9 120,4 119,2 112,6 115,1 116,2 101,7 111,0 109,3 113,4 4,8 Fonte: Autoria própria. Na Tabela 6 foram descritos os valores obtidos em cada perfuração realizada na amostra de aço não tratada. Conforme se pode notar foi obtido o valor de 147, 9 HV, com um desvio padrão de 10,1 HV. 41 Tabela 6: Resultado do ensaio de Microdureza Vickers na seção transversal do aço não tratado. Ponto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Média Desvio Padrão Dureza (HV) 155,8 161,1 161,6 170,1 136,4 153,5 153,8 151,7 150,3 145,9 146,2 147,1 149,2 141,1 148,1 143,8 144,9 135,2 130,8 136,4 139,8 136,6 140,3 137,2 135,5 134,5 145,5 153,4 141,8 158,0 159,1 169,5 159,1 158,1 147,9 10,1 Fonte: Autoria própria. 42 Sandor (2008) afirma que as propriedades de fadiga variam de forma diretamente proporcional à microdureza (HV), ou seja, quanto maior a resistência à fadiga do aço maior a dureza do material. A partir da análise das Tabelas 3 e 4, percebe-se que a dureza obtida na amostra que passou pelo tratamento de cementação foi bem menor quando comparada com a dureza da amostra que não passou pelo tratamento, caracterizando uma perda de resistência do material. 4.3. Curva de Wöhler De acordo com COSTA (2015), os resultados do ensaio de fadiga do aço ABNT 1020 são descritos pela curva de Wöhler representada na Figura 22. Figura 22: Curva de Wöhler para o aço ABNT 1020. Fonte: Costa (2015). Com base nos resultados de número de ciclos obtidos para cada tensão estabelecida (320, 300, 280, 260 e 240 Mpa) no ensaio de fadiga do aço ABNT 1020 cementado, representados na Tabela 4, é possível se obter a curva de Wöhler desse aço. Na Figura 23 tem-se a curva de Wöhler obtida para o aço que passou pelo processo de cementação. 43 Figura 23: Curva de Wöhler para o aço ABNT 1020 cementado. Fonte: Autoria própria. Por meio da comparação entre os valores obtidos por Costa (2015) – aço 1020 ensaiado quanto à fadiga sem nenhum tratamento - e os obtidos nesse trabalho é verificada uma redução significativa no número de ciclos para uma mesma tensão. A Tabela 7 compara os valores obtidos por Costa (2015) com os valores obtidos através da metodologia utilizada neste trabalho. Tabela 7: Comparação entre o número de ciclos obtidos através do tratamento com o número de ciclos sem o tratamento obtido por Costa (2015). Tensão Aplicada (Mpa) 320 300 260 240 Maior número de ciclos obtidos Costa (2015) Metodologia utilizada 165.129 8.132 85.835 277.758 2.778.915 387.392 11.296.114 1.738.206 Fonte: Autoria própria. A redução no número de ciclos do aço tratado o caracteriza que ao invés da cementação houve uma descarbonetação do material. Segundo Possamai (2015) a descarbonetação é a remoção do carbono da superfície da peça, e ocorre após a operação de tratamento térmico que aquecem a camada superficial do componente, reduzindo assim o limite de resistência a fadiga e diminuindo substancialmente o número de ciclos. 44 A diminuição da resistência citada por Possamai (2015) foi verificada também no ensaio de dureza Vickers, que mostra uma significativa redução da dureza do aço cementado quando comparado com o aço não tratado, conforme mostrado no item 4.2 desse trabalho. Essa redução na dureza da superfície é ocasionada pela rugosidade irregular encontrada nos grãos descarbonetados que agem como áreas de concentrações de tensões (SANDOR, 2008). O efeito da descarbonetação ocorreu, provavelmente, devido ao fato de o material ter sido exposto a altas temperaturas a uma baixa concentração de gás carbônico. Outro fator agravante foi o não confinamento (forno aberto) da região cementada, o que auxiliou a descarbonetação do material. Tendo em vista o ocorrido os resultados de fadiga esperados não foram alcançados, pelo contrario, houve redução significativa da resistência à fadiga. 4.4. Proposta de uma nova metodologia no processo de cementação Tendo em vista o ocorrido, novos procedimentos para a carbonetação foram adotados. Os procedimentos descritos nos itens 3.2 e 3.3 foram alterados de forma a se obter um método eficaz na carbonetação do material. Com o objetivo de obter um tratamento termoquímico mais efetivo, dois corpos de prova foram confinados no interior de um tubo contendo carvão vegetal moído (alta concentração de carbono), sendo as bordas do tubo vedadas com massa refratária. O aquecimento dos corpos de prova ocorreu à temperatura de 950 ºC por um período de 4 horas. O procedimento é ilustrado pela Figura 24. Figura 24: Nova proposta de tratamento térmico e de cementação. Fonte: Autoria própria. 45 Neste caso o gás carbônico gerado durante o aquecimento no forno atingiu alta concentração propiciando a correta carbonetação dos corpos de prova. Observou-se que houve um acentuado empenamento nos corpos de provas cementados, com considerável dificuldade de endireitamento dos mesmos sem que houvesse fratura. Os dois corpos de prova cementados por meio desse procedimento foram ensaiados à fadiga por flexão rotativa com carregamentos de 320 e 260 Mpa. Em ambos os ensaios obteve-se uma resistência superior a 107 ciclos, sendo que nenhuns dos dois corpos de prova fraturaram. A Tabela 8 e a Figura 25 amostra um comparativo entre os valores obtidos nos ensaios realizados por Costa (2015) em barras de aço ABNT 1020 sem nenhum tratamento e os valores obtidos pela nova metodologia proposta para o processo de cementação. Foram comparados os resultados de número de ciclos para as tensões aplicadas de 320 e 260 Mpa. Para ser possível essa comparação, foram utilizados os maiores valores de número de ciclos obtidos para estas tensões por Costa (2015). Tabela 8: Comparativo entre ensaio de Costa (2015), a metodologia do trabalho e a metodologia sugerida. Tensão aplicada (Mpa) 260 320 Maiores números de ciclos obtidos Costa (2015) 2.778.915 165.129 Metodologia Proposta 11.113.157 4.886.962 Fonte: Autoria própria. Figura 25: Resistência à fadiga com e sem cementação. Fonte: Autoria própria. 46 Os resultados obtidos pela metodologia proposta comprova a eficiência da cementação no aumento da resistência à fadiga do aço ABNT 1020, que nesses casos, superou os resultados obtidos por Costa (2015) para esse mesmo aço sem nenhum tratamento. 5. CONCLUSÕES O processo de cementação é um dos mais usados quando se tem o objetivo de aumentar a resistência à fadiga do aço. Assim, pode-se concluir, através de ensaios em laboratório, que:  Se o procedimento não for feito de forma adequada o efeito do tratamento pode ocorrer de forma contrária, diminuindo a resistência do aço à fadiga pela   descarbonetação superficial; Houve aumento da resistência à fadiga do aço ABNT 1020 das amostras que foram efetivamente cementadas; A inesperada descarbonetação diminuiu a dureza superficial do aço, e por consequência, não contribuiu para a sua resistência à fadiga. 6. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS Sugere-se ampliar a pesquisa envolvendo um maior número de corpos de prova cementados (pelo menos três para cada carregamento) de forma a possibilitar a construção da curva de Wöhler do aço ABNT 1020 na condição cementado. 47 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT NBR NM ISO 6507-1:2008 . Materiais metálicos - Ensaio de dureza Vickers Parte 1: Método de ensaio, 2008. ASTM E466-96. Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials, 1996. ALMIRÓN, Claudio Javier. Estudo preliminar comparativo do efeito da espessura no comportamento em fadiga de arames de armadura de tração de risers flexíveis. Tese (Mestrado), Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2010. Disponível em: < https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/28969>. Acesso em: 16 jul. 2016. ALVES, Clever Gama. Análise de confiabilidade em fadiga. Estudo de caso: braço de controle de suspensão automotiva. 2008. 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A temperatura de aquecimento deve ser superior à temperatura crítica. Concentração de tensão Pontos de inicio de falha. Ocorre quando o nível de solicitação ultrapassa o nível de resistência em determinado ponto do material. Sucede devido à baixa resistência localizada ou aumento local na solicitação que atua no material. Curva de Wöller Representação gráfica da vida em fadiga de materiais ferrosos. Relaciona a tensão aplicada e número de ciclos que o material é capaz de suportar. Deformações plásticas São as deformações que mudam de forma permanente e irreversível quando submetido a uma dada tensão. Descarbonetação Redução do teor de carbono em toda a extensão ou parte do material. Esse procedimento ocorre durante tratamentos térmicos e reduz a resistência à fadiga e por consequência sua vida útil. 52 Ductilidade Qualidade que representa a flexibilidade do material. É o grau de deformação que um material suporta até fraturar. Ensaio de microdureza Consiste em testes com endentações estáticas causadas por cargas menores um quilo grama força em uma escala microscópica com instrumentos de alta precisão. Só é possível após acabamento metalográfico. Extrusões: Processo pelo qual os componentes do material são forçados através da matriz formada/projetada da peça, expulsão de material para fora da matriz. Fadiga: Enfraquecimento devido a esforços realizados. No caso do aço, ocorre quando o material é submetido a esforços similares repetitivos. Intrusões É o processo pelo qual algo tenta violar uma base já formada. Penetração no interior de da superfície de materiais preexistentes. Nucleação de trincas É definido como a iniciação das trincas, ocorre quando microrregiões dos grãos do material passam a desenvolver deformações plásticas cada vez maiores até atingir o escoamento. Número de ciclos É número de repetições ou ocorrências que uma peça é capaz de resistir a uma dada tensão. Revenimento É realizado após a têmpera com o objetivo de aumentar resistência à fratura e a formação de trincas superficiais. Consiste em reaquecer a peça temperada a temperaturas inferiores à temperatura crítica. 53 Tenacidade Qualidade que descreve uma propriedade. É utilizada para qualificar materiais quanto a sua dureza, é dada a materiais resistentes, difíceis de partir, firmes. Tensão multiaxial Ocorre quando há múltiplos esforços combinados e variáveis com o tempo em um mesmo ponto. Eles podem ser periódicos, aleatórios, sincronizados, em fase ou defasados. Um dos seus principais efeitos é a falha por fadiga. Tratamento térmico de têmpera Manter o material em temperatura adequada pelo tempo necessário para homogeneizar a estrutura. A têmpera pode ser realizada também após a cementação em altas, de forma a difundir gradativamente o carbono na superfície da peça. Tratamento termoquímico Tratamentos que geram modificações na composição química na superfície de um material, a uma temperatura e meio adequados. 54