Caracterização das tensões residuais superficiais em eixos de aço ao boro temperados por indução

Caracterização das tensões residuais superficiais em eixos de aço ao boro temperados por indução

Fig. 2. Desenho esquemático do eixo

A análise de tensões residuais é uma etapa importante na produção de componentes para a estimativa da sua confiabilidade em condições reais de serviço

A maior parte das trincas de fadiga inicia-se na superfície ou em regiões subsuperficiais [1, 2, 3, 4]. De fato, a superfície é a região do componente que geralmente suporta a maior carga aplicada durante a operação, estando sujeita a condições ambientais adversas e podendo conter defeitos e tensões residuais provenientes de processos de fabricação e/ou montagem e operação [4].

Atualmente, o emprego da têmpera por indução é exercido com os seguintes objetivos: aumentar a dureza, a resistência ao desgaste e também à criação de uma camada martensítica em áreas específicas da peça [5]. No entanto, sabe-se que os tratamentos térmicos de componentes produzem não somente uma influência favorável sobre as propriedades do material, mas também mudanças indesejáveis de dimensão e forma que devem ser removidas por etapas adicionais no processo (usinagem e acabamento). Estas variações dimensionais e mudanças de forma que muitas vezes são referidas como “distorção” [6].

Cada etapa de produção influencia na distorção, gerando um potencial de distorção que, armazenado na peça, passa para as etapas subsequentes de processo.

Materiais e Métodos

De acordo com o produto final e tensões residuais associadas a ele, a amostragem foi feita após têmpera por indução em que a distorção dos eixos se manifesta na forma do empenamento. Dentro de um lote de amostras da mesma corrida, algumas foram submetidas a uma etapa de desempenamento enquanto outras atingiram o produto final logo após o tratamento térmico, ou seja, não apresentaram empenamento (ou distorção). Desta maneira, foram selecionados dois grupos de amostras, as não empenadas (chamadas de A) e outras desempenadas após empenamento excessivo (chamadas de V). Resultado da análise química dos materiais, vide Tabela 1. A Fig. 1 apresenta um diagrama esquemático do processo e as condições analisadas.

De acordo com a geometria dos eixos apresentada na Fig. 2, é possível visualizar as posições onde foram realizados os cortes, as subdivisões após o corte, as reduções de seção e as regiões de medição de tensões. Com respeito às medições de tensões residuais as amostras foram medidas com o difratômetro fixo na região 1 – parte 1. O diâmetro das amostras é de 23,3 mm (exceto nas Áreas 0, 1 e 2, as quais apresentam pequenas reduções de seção).

Com respeito às análises metalográficas, as amostras foram submetidas a um corte por eletroerosão, visto que este método tende a não provocar consideráveis mudanças microestruturais e grandes alterações no perfil de tensões residuais. A superfície foi lixada sequencialmente com lixas mesh de diferentes granulometrias (220, 320, 400 e 600) e depois atacada com Nital 2%. O tempo de imersão no reagente variou de 5 a 10 segundos. Por fim foram realizadas as micrografias.

Os perfis de dureza e análise de profundidade de camada efetiva foram realizados com um macrodurômetro Vickers, modelo 5114 da marca Buehler, utilizando carga de 1 kg (HV1), tempo de pressão 15 segundos, número de medições 74 (da superfície ao núcleo), de acordo com a Norma DIN 50190/2.

Na técnica de difração de raios-X, as amostras foram medidas utilizando difratômetro ? equipado com tubos de raios-X de Cr-K com abertura primária de 1 mm de diâmetro.

As linhas de difração {211} do Ferro-a foram registradas para 11 ângulos de inclinação na faixa de 45° < ? < -45°. As tensões residuais foram calculadas usando o método de sin2 ? com E = 210000 MPa e v=0.28 (7).

Resultados

Análise metalográfica

Nos resultados mostrados na Fig. 3, nas metalografias da interface camada temperada/núcleo foram percebidas pequenas variações microestruturais e isso sugere alterações durante o tratamento térmico.

Perfil de microdureza

De acordo com os resultados apresentados para a posição (C1= 210 mm), os perfis de microdureza mostraram-se similares tanto para amostragem A quanto para a V. Estes perfis de microdureza são apresentados na Fig. 4. Como a distribuição de dureza nas peças é devida à distribuição da temperatura, microestrutura do metal e condições de têmpera [8] e relacionado a isto os resultados obtidos, nota-se que o tratamento térmico não foi empregado da mesma maneira e, com mesmos parâmetros, para as duas condições analisadas.

De acordo com os valores mostrados na Tabela 2, é possível perceber que as amostras vermelhas possuem uma maior média de microdureza e que a diferença entre as médias foi de 42,4 HV.

Profundidade de camada

A Fig. 5 mostra medições da profundidade de camada efetiva para os dois eixos analisados com relação à posição de 210 mm. Levando em consideração o fato de que as peças são oriundas de um mesmo lote e que passaram pelos mesmos processos de manufatura, a diferença existente entre os resultados para as amostras V e A também sugere alguma variação durante a têmpera por indução. Alguns estudos [9] e [10] já comprovaram que uma maior profundidade de camada endurecida resulta em uma maior distorção.

Resultados de Tensões Residuais

De acordo com o processo, os resultados referentes às amostras A estão mais correlacionados ao tratamento térmico pelo fato de que estas amostras não apresentam empenamento e resultam diretamente no produto final após a têmpera por indução. Por outro lado, as amostras V estão na pior condição, ou seja, são temperadas por indução e ainda desempenadas.

Medições com difratômetro fixo e comparações entre os equipamentos

Conforme já mencionado anteriormente, as amostras foram novamente medidas após o corte com um difratômetro fixo (convencional) de raios-X.

Parte 1 – Região 1

A Fig. 6 e a Fig. 7 apresentam os resultados para a Parte 1. Em uma análise mais detalhada do perfil de tensões residuais superficiais axiais, visualizada após medições com difratômetro fixo, é possível perceber dois picos de tensões nas posições de 118 mm e 136 mm de amostras A. Estes dados podem estar associados a alguma mudança durante o processo de têmpera.

Comparando os resultados obtidos com os dois equipamentos, nas amostras A (posições de 110 mm, 125 mm e 140 mm) percebem-se valores menos compressivos de tensões residuais para a direção de orientação de 0° em relação aos resultados oriundos da direção de 180°. Conforme a literatura, isto pode ser uma indicação de empenamento. Houve diferenças de resultados entre os dois equipamentos de medição e estas podem estar associadas às características particulares de cada um, mas principalmente devido ao rearranjo natural das tensões oriundo do corte. Tensões globais associadas à geometria são liberadas devido ao corte, porém os efeitos locais permanecem.

Também em relação à parte 1, mas agora para uma amostra V (Fig. 7), nota-se novamente o aparecimento de alguns picos de tensões residuais superficiais e estes seguem um comportamento semelhante ao ocorrido com a amostra azul. O perfil de tensões residuais na superfície é mais disperso e influenciado pelas etapas de têmpera, revenimento e desempeno com valores apresentando grande variação ao longo dos pontos e, assim, pode-se afirmar que o nível de tensões residuais é muito variável.

Conclusões

Os resultados mostram que o tratamento térmico não foi o mesmo para os grupos de amostras analisadas.

A amostra V apresentou maior média de microdureza HV1 e maior profundidade de camada efetiva e, sendo assim, estes fatos contribuíram para o maior empenamento (distorção de forma).

Percebe-se que existe uma grande influência da etapa de desempeno na redistribuição de tensões residuais superficiais axiais de eixos empenados (amostras V). Na prática, em condições reais de serviço, a maior variação do perfil de tensões residuais superficiais pode ser perigosa, comprometer a vida em fadiga e pode ocasionar a fratura do componente.

Agradecimentos

Este trabalho é parte dos resultados da Iniciativa Brasil-Alemanha para Pesquisa na colaboração em Tecnologia de Manufatura – BRAGECRIM, os autores agradecem a CAPES, CNPq, FINEP e DFG pelo suporte financeiro para a realização deste projeto.

Referências

[1] LEMOS, G. V. B. “Análise de Tensões Residuais em Eixos Automotivos do Aço DIN 38B3 Temperados Por Indução”. Dissertação de Mestrado, PPGE3M/UFRGS. Porto Alegre, RS, Brasil, 2012.
[2] DIAS, V. W. Estudo Comparativo entre Processos de Revenimento. Trabalho de Diplomação: UFRGS, 2010.
[3] WEISS, K.; RUDNEV, V. I.; COOK, R.; LOVELES, D.; BLACK, M. Induction Tempering of Steel. Advanced Materials & Processes. August 1999.
[4] SOARES, M. B. Influência das Tensões Residuais no Comportamento em Fadiga e Fratura de Ligas Metálicas. Dissertação de Mestrado, USP, 1998.
[5] RUDNEV, V. I.; COOK, R.; LOVELES, D.; BLACK, M.; MURRAY, J. Induction Hardening Basics for Iron and Steel. 2000.
[6] BRINKSMEIER, E; SÖLTER, J; GROTE, C. Distortion Engineering – Identification of Causes for Dimensional and Form Deviations of Bearing Rings. CIRP Annals – Manufacturing Technology. Volume 56, p: 109–112. 2007.
[7] HAUK, V.; “Structural and Residual Stresses Analysis by Non-Destructive Methods”. Elsevier, 1997.
[8] RUDNEV, D.; LOVELESS, R.; COOK, R.; BLACK, M. Handbook of Induction Heating. Publisher: Marcel Dekker. New York. 2003.
[9] ROCHA, A. S.; NUNES, R. M.; de Souza, T. F.; SOARES, C. A. T.; STEPHAN, H.; Tekkaya A.E; HIRSCH, T. K. Experimental Characterization and Simulation of a Wire Drawing Process and Related Distortion Potentials. 3rd International Conference on Distortion Engineering, p: 229-238. Bremen, Germany, 2011.
[10] TOTTEN, G. E. Heat Treatment Handbook – Metallurgy and Technologies. 2nd edition. USA. 2006.

 

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