A microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para observar a fratura por fadiga e analisar o mecanismo de fratura; simultaneamente, o ensaio de fadiga por flexão rotativa foi realizado em corpos de prova descarbonetados a diferentes temperaturas para comparar a vida útil à fadiga do aço testado com e sem descarbonetação, e para analisar o efeito da descarbonetação no desempenho à fadiga do aço testado. Os resultados mostram que, devido à coexistência de oxidação e descarbonetação no processo de aquecimento, a interação entre os dois resulta em uma tendência de aumento e posterior diminuição da espessura da camada totalmente descarbonetada com o aumento da temperatura. A espessura da camada totalmente descarbonetada atinge um valor máximo de 120 μm a 750 °C e um valor mínimo de 20 μm a 850 °C. O limite de fadiga do aço testado é de aproximadamente 760 MPa, e a principal fonte de trincas de fadiga no aço testado são as inclusões não metálicas de Al₂O₃. O comportamento de descarbonetação reduz significativamente a vida útil à fadiga do aço testado, afetando seu desempenho em fadiga. Quanto mais espessa a camada de descarbonetação, menor a vida útil à fadiga. Para minimizar o impacto da camada de descarbonetação no desempenho à fadiga do aço testado, a temperatura ideal de tratamento térmico deve ser definida em 850 °C.
A engrenagem é um componente importante do automóvel.Devido à operação em alta velocidade, a parte de contato da superfície da engrenagem deve apresentar alta resistência mecânica e à abrasão, e a raiz do dente deve ter bom desempenho em fadiga por flexão devido à carga repetida constante, a fim de evitar trincas que levem à fratura do material. Pesquisas mostram que a descarbonetação é um fator importante que afeta o desempenho em fadiga por flexão rotativa de materiais metálicos, e o desempenho em fadiga por flexão rotativa é um importante indicador da qualidade do produto; portanto, é necessário estudar o comportamento de descarbonetação e o desempenho em fadiga por flexão rotativa do material em teste.
Neste artigo, analisa-se o efeito da descarbonetação superficial em diferentes temperaturas de aquecimento no teste de descarbonetação do aço para engrenagens 20CrMnTi. Além disso, o aço é submetido a um ensaio de fadiga por flexão rotativa em uma máquina de ensaio de fadiga de viga simples QBWP-6000J para determinar seu desempenho em fadiga. O objetivo é analisar o impacto da descarbonetação no desempenho em fadiga do aço, visando aprimorar o processo produtivo, aumentar a qualidade dos produtos e fornecer uma referência adequada para aplicações práticas na produção. O desempenho em fadiga do aço é determinado pelo ensaio de fadiga por flexão rotativa.
1. Teste de materiais e métodos
O material de teste para uma unidade de fornecimento de aço para engrenagens 20CrMnTi, cuja composição química principal é mostrada na Tabela 1, foi utilizado no teste de descarbonetação. O material de teste foi processado em corpos de prova cilíndricos de Ф8 mm × 12 mm, com superfície brilhante e sem manchas. Os corpos de prova foram aquecidos em forno a 675 °C, 700 °C, 725 °C, 750 °C, 800 °C, 850 °C, 900 °C, 950 °C e 1000 °C, mantidos nessas temperaturas por 1 hora e, em seguida, resfriados ao ar até a temperatura ambiente. Após o tratamento térmico, os corpos de prova foram submetidos a lixamento, polimento e erosão com solução alcoólica de ácido nítrico a 4%. A camada de descarbonetação do aço de teste foi observada por microscopia metalográfica, medindo-se a profundidade da camada de descarbonetação em diferentes temperaturas. Ensaio de fadiga por flexão rotativa: o material de teste foi processado de acordo com os requisitos, resultando em dois grupos de corpos de prova para ensaio de fadiga por flexão rotativa. O primeiro grupo não foi submetido a ensaio de descarbonetação, enquanto o segundo grupo foi submetido a ensaio de descarbonetação em diferentes temperaturas. Utilizando a máquina de ensaio de fadiga por flexão rotativa, os dois grupos de aço foram submetidos a ensaios de fadiga por flexão rotativa, determinando-se o limite de fadiga de cada grupo, comparando-se a vida útil à fadiga dos dois grupos e utilizando microscopia eletrônica de varredura para observação da fratura por fadiga. O objetivo foi analisar as causas da fratura dos corpos de prova e explorar o efeito da descarbonetação nas propriedades de fadiga do aço testado.
Tabela 1 Composição química (fração mássica) do aço de teste % em peso
Efeito da temperatura de aquecimento na descarbonetação
A morfologia da organização da descarbonetação sob diferentes temperaturas de aquecimento é mostrada na Figura 1. Como pode ser visto na figura, quando a temperatura é de 675 ℃, a superfície da amostra não apresenta camada de descarbonetação; quando a temperatura sobe para 700 ℃, a camada de descarbonetação começa a aparecer na superfície da amostra, sendo uma fina camada de ferrita; com o aumento da temperatura para 725 ℃, a espessura da camada de descarbonetação na superfície da amostra aumenta significativamente; a 750 ℃, a espessura da camada de descarbonetação atinge seu valor máximo, momento em que o grão de ferrita se torna mais nítido e grosseiro; quando a temperatura sobe para 800 ℃, a espessura da camada de descarbonetação começa a diminuir significativamente, caindo para metade da espessura observada a 750 ℃. Quando a temperatura continua a subir para 850 °C e a espessura da camada de descarbonetação é mostrada na Figura 1, a 800 °C, a espessura da camada totalmente descarbonetada começa a diminuir significativamente, caindo para a metade a 750 °C. Quando a temperatura continua a subir para 850 °C e acima, a espessura da camada totalmente descarbonetada do aço testado continua a diminuir, enquanto a espessura da camada parcialmente descarbonetada começa a aumentar gradualmente até que a morfologia da camada totalmente descarbonetada desapareça por completo, tornando-se gradualmente mais nítida. Pode-se observar que a espessura da camada totalmente descarbonetada com o aumento da temperatura primeiro aumenta e depois diminui. A razão para esse fenômeno é que, durante o processo de aquecimento, a amostra sofre simultaneamente oxidação e descarbonetação; somente quando a taxa de descarbonetação é mais rápida que a taxa de oxidação é que o fenômeno de descarbonetação ocorre. No início do aquecimento, a espessura da camada totalmente descarbonetada aumenta gradualmente com o aumento da temperatura até atingir o valor máximo. Nesse ponto, ao continuar elevando a temperatura, a taxa de oxidação da amostra torna-se mais rápida que a taxa de descarbonetação, o que inibe o aumento da espessura da camada totalmente descarbonetada, resultando em uma tendência de queda. Observa-se que, na faixa de 675 a 950 °C, o valor da espessura da camada totalmente descarbonetada é o maior a 750 °C e o menor a 850 °C. Portanto, recomenda-se que a temperatura de aquecimento do aço de teste seja de 850 °C.
Figura 1. Histomorfologia da camada descarbonetada do aço de teste mantido em diferentes temperaturas de aquecimento por 1 hora.
Em comparação com a camada semi-descarbonetada, a espessura da camada totalmente descarbonetada tem um impacto negativo mais significativo nas propriedades do material. Ela reduz consideravelmente as propriedades mecânicas, como resistência, dureza, resistência ao desgaste e limite de fadiga, além de aumentar a sensibilidade a trincas, afetando a qualidade da soldagem, entre outros. Portanto, o controle da espessura da camada totalmente descarbonetada é de grande importância para melhorar o desempenho do produto. A Figura 2 mostra a curva de variação da espessura da camada totalmente descarbonetada com a temperatura, evidenciando essa variação. Observa-se que a espessura da camada totalmente descarbonetada é de apenas cerca de 34 μm a 700 °C; com o aumento da temperatura para 725 °C, a espessura da camada totalmente descarbonetada aumenta significativamente para 86 μm, o que representa mais que o dobro da espessura a 700 °C. Quando a temperatura sobe para 750 ℃, a espessura da camada totalmente descarbonetada atinge o valor máximo de 120 μm; à medida que a temperatura continua a subir, a espessura da camada totalmente descarbonetada começa a diminuir acentuadamente, para 70 μm a 800 ℃, e depois para o valor mínimo de cerca de 20 μm a 850 ℃.
Figura 2. Espessura da camada totalmente descarbonetada em diferentes temperaturas.
Efeito da descarbonetação no desempenho à fadiga em flexão rotativa
Para estudar o efeito da descarbonetação nas propriedades de fadiga do aço para molas, dois grupos de ensaios de fadiga por flexão rotativa foram realizados. O primeiro grupo consistiu em ensaios de fadiga sem descarbonetação prévia, enquanto o segundo grupo foi submetido a ensaios de fadiga após a descarbonetação, sob o mesmo nível de tensão (810 MPa). O processo de descarbonetação foi realizado a uma temperatura de 700-850 °C durante 1 hora. Os resultados do primeiro grupo de amostras são apresentados na Tabela 2, que mostra a vida útil à fadiga do aço para molas.
A vida útil à fadiga do primeiro grupo de amostras é mostrada na Tabela 2. Como pode ser visto na Tabela 2, sem descarbonetação, o aço de teste foi submetido a apenas 107 ciclos a 810 MPa, e nenhuma fratura ocorreu; quando o nível de tensão excedeu 830 MPa, algumas das amostras começaram a fraturar; quando o nível de tensão excedeu 850 MPa, todas as amostras de fadiga fraturaram.
Tabela 2 Vida útil à fadiga sob diferentes níveis de estresse (sem descarbonetação)
Para determinar o limite de fadiga, utilizou-se o método de agrupamento para determinar o limite de fadiga do aço de teste e, após análise estatística dos dados, o limite de fadiga do aço de teste foi de aproximadamente 760 MPa. Para caracterizar a vida útil à fadiga do aço de teste sob diferentes tensões, a curva S-N foi plotada, conforme mostrado na Figura 3. Como pode ser observado na Figura 3, diferentes níveis de tensão correspondem a diferentes vidas úteis à fadiga. Quando a vida útil à fadiga é de 7, correspondendo a 10⁷ ciclos, o que significa que o espécime sob essas condições atingiu o estado de fadiga, o valor de tensão correspondente pode ser aproximado como o valor da resistência à fadiga, ou seja, 760 MPa. Percebe-se, portanto, que a curva S-N é importante para a determinação da vida útil à fadiga do material e possui um importante valor de referência.
Figura 3: Curva S-N do ensaio experimental de fadiga por flexão rotativa em aço.
A vida útil à fadiga do segundo grupo de amostras é mostrada na Tabela 3. Como pode ser observado na Tabela 3, após a descarbonetação do aço de teste em diferentes temperaturas, o número de ciclos é significativamente reduzido, ultrapassando 10⁷, e todas as amostras de fadiga se fraturam, resultando em uma redução considerável da vida útil à fadiga. Ao comparar a espessura da camada descarbonetada com a curva de variação da temperatura, observa-se que a espessura da camada descarbonetada a 750 °C é a maior, correspondendo ao menor valor de vida útil à fadiga. Já a espessura da camada descarbonetada a 850 °C é a menor, correspondendo a um valor de vida útil à fadiga relativamente alto. Portanto, o processo de descarbonetação reduz significativamente o desempenho à fadiga do material, sendo que quanto maior a espessura da camada descarbonetada, menor a vida útil à fadiga.
Tabela 3 Vida útil à fadiga em diferentes temperaturas de descarbonetação (560 MPa)
A morfologia da fratura por fadiga do espécime foi observada por microscopia eletrônica de varredura, conforme mostrado na Figura 4. A Figura 4(a) mostra a área de origem da trinca, onde se observa um arco de fadiga evidente. A partir desse arco, identifica-se a origem da fadiga: inclusões não metálicas do tipo "olho de peixe". Essas inclusões facilitam a concentração de tensões, resultando em trincas de fadiga. A Figura 4(b) mostra a morfologia da área de propagação da trinca, onde se observam estrias de fadiga evidentes, com distribuição semelhante a um rio, características de fratura quase dissociativa, com a propagação da trinca até a fratura. A Figura 4(c) mostra a morfologia da área de propagação da trinca, onde se observam estrias de fadiga evidentes, com distribuição semelhante a um rio, características de fratura quase dissociativa, com a propagação contínua da trinca até a fratura.
Análise de fratura por fadiga
Figura 4: Morfologia SEM da superfície de fratura por fadiga do aço experimental.
Para determinar o tipo de inclusões na Figura 4, foi realizada uma análise de composição por espectrometria de energia cinética, cujos resultados são mostrados na Figura 5. Pode-se observar que as inclusões não metálicas são principalmente inclusões de Al2O3, indicando que as inclusões são a principal fonte de trincas causadas pela fissuração das inclusões.
Figura 5. Espectroscopia de energia de inclusões não metálicas.
Concluir
( 1) Posicionar a temperatura de aquecimento em 850 ℃ minimizará a espessura da camada descarbonetada para reduzir o efeito no desempenho de fadiga.
( 2) O limite de fadiga do aço de teste de flexão rotativa é de 760 MPa.
( 3) O aço de teste trinca em inclusões não metálicas, principalmente mistura de Al2O3.
( 4) a descarbonetação reduz seriamente a vida útil à fadiga do aço de teste, quanto mais espessa a camada de descarbonetação, menor a vida útil à fadiga.
Data da publicação: 21/06/2024
