Para a confecção dos corpos de prova de fadiga, as peças tixoforjadas foram rebarbadas, cortadas em serra em quatro partes e usinadas no Laboratório de Tixoconformação e no Laboratório de Usinagem do DEF/FEM/UNICAMP. A geometria e as dimensões adotadas para confecção dos corpos de prova de fadiga encontram-se na Figura 3.6(c), no Capítulo 3, Seção 3.8.
Como citado anteriormente, o método utilizado para se determinar o limite de resistência à fadiga foi o método “escada” desenvolvido por Dixon e Mood, em 1984. O número de ciclos considerado nos ensaios foi de 10 milhões de ciclos, de modo a se determinar o limite de fadiga para esse número de ciclos. Primeiramente, foram ensaiados os corpos de prova da condição de 30s e, posteriormente, os da condição de 60s. A Figura 4.21 apresenta o número de ciclos e a tensão utilizada para cada corpo de prova ensaiado.
(b)
Figura 4.21. Tensão e número de ciclos ensaiados para cada corpo de prova: (a) Condição de 30s; (b) Condição de 60s.
Pode-se observar que para a condição de 30s, os corpos de prova ensaiados com uma mesma tensão apresentaram ruptura com um número de ciclos muito próximos entre si, facilitando a caracterização do comportamento da liga para essa tensão. Vale destacar que o corpo de prova 7 da condição de 30s apresentou uma falha na região central do corpo de prova, de modo a se romper prematuramente considerando a tensão utilizada e a resposta dos outros corpos de prova para essa mesma tensão.
Já para a condição de 60s, os corpos de prova que romperam para uma mesma tensão, apresentaram a ruptura com diferentes números de ciclos, dificultando sua caracterização em relação a essa tensão.
Durante os ensaios, tanto para a condição de 30s como de 60s, quando o corpo de prova atingia 10 milhões de ciclo, o ensaio era interrompido e iniciava-se o ensaio de um novo corpo de prova. No entanto, para o corpo de prova 7 da condição de 60s, optou-se por continuar o ensaio de modo a verificar até qual número de ciclos o corpo de prova atingiria naquela tensão. Evitando causar algum dano à máquina devido ao longo tempo de ensaio, esse foi interrompido com um número de ciclos de 53 milhões mesmo sem a ruptura do corpo de prova ter acontecido.
A Figura 4.22 apresenta os resultados do método escada para a determinação do limite de resistência à fadiga das condições estudadas.
Figura 4.22 Resultado dos ensaios de fadiga pelo método “escada” para as condições de 30s e 60s.
Como citado acima, iniciaram-se os ensaios com os corpos de prova da condição de 30s, sendo que o primeiro passo é determinar o intervalo de tensões que apresentará o limite de resistência à fadiga para 10 milhões de ciclos.
Assim sendo, para o corpo de prova 1 (CP1) da condição de 30s, optou-se por ensaiar o CP a uma tensão que correspondia a 30% do limite de resistência à tração (LRT) para verificar o seu comportamento. Nessa tensão, não houve ruptura do corpo de prova para 10 milhões de ciclo.
Para o CP2, utilizou-se então uma tensão que correspondia a 40% do LRT, havendo ruptura do corpo de prova antes de atingir os 10 milhões de ciclos. Com isso, o intervalo de tensões para a condição de 30s ficou determinada.
Para o CP3, ensaiou-se o CP a uma tensão intermediária em relação ao intervalo determinado, isto é, a uma tensão de 35% do LRT, correspondendo a uma tensão de aproximadamente 70 MPa. Nessa tensão, não houve ruptura do corpo de prova. 40 50 60 70 80 90 0 2 4 6 8 10 Ten são (M Pa) Nº do corpo de prova
Ensaios de Fadiga
Sem Ruptura - Condição de 30s Ruptura - Condição de 30s Sem Ruptura - Condição de 60s Ruptura - Condição de 60s
A partir do CP3, optou-se por aplicar o incremento de 5MPa para a realização do ensaio seguinte. Desse modo, o CP4 foi ensaiado a uma tensão de 75MPa, sendo que nessa tensão houve a ruptura do CP.
Como o CP3 apresentou resultado oposto (falha ou não) em relação ao CP4, com diferença de um incremento, ele passa a ser o primeiro CP válido e que entra no cálculo do limite de resistência à fadiga para a condição de 30s.
Para o CP5, como houve ruptura do CP4, diminuiu-se a tensão de um incremento e ensaiou-se o corpo de prova a uma tensão de 70MPa. Nesse caso, novamente não houve ruptura, sendo a tensão aumentada para o ensaio do CP6.
No ensaio do CP6 houve ruptura do CP, de modo que para o CP7 diminuiu-se a tensão de um incremento. No caso do CP7, que foi ensaiado a uma tensão de 70MPa, houve a ruptura do CP com um número baixo de ciclos. Após a sua retirada da máquina, pôde-se observar que havia a presença de porosidade na região de fratura do CP. Com isso, optou-se por descartar esse CP e repetir o ensaio mantendo a tensão.
Desse modo, o CP8 foi ensaiado a uma tensão de 70MPa não havendo a ruptura do CP. Para o CP9, aumentou-se a tensão de um incremento havendo a ruptura do CP.
Como os CPs apresentaram um comportamento padrão, ou seja, ruptura quando ensaiado a uma tensão de 75MPa e não ruptura a 70MPa e o número mínimo de CPs necessários para realizar o ensaio já havia sido atingido, encerraram-se os ensaios da condição de 30s e deram-se início aos ensaios da condição de 60s.
Novamente, o primeiro passo é determinar o intervalo de tensões que apresentará o limite de resistência à fadiga para 10 milhões de ciclos. Assim sendo, para o corpo de prova 1 (CP1) da condição de 60s, optou-se por ensaiar o CP a uma tensão que correspondia a 40% do limite de resistência à tração (LRT) para verificar o seu comportamento. Nessa tensão, houve ruptura do corpo de prova antes de atingir 10 milhões de ciclo.
Para o CP2, diminuiu-se a tensão de um incremento e ensaiou-se o CP, havendo ainda a ruptura do corpo de prova antes de atingir os 10 milhões de ciclos.
Para o CP3, ensaiou-se então o CP a uma tensão de 30% LRT, correspondendo a uma tensão de aproximadamente 50 MPa. Nessa tensão, não
houve ruptura do corpo de prova e, com isso, determinou-se o intervalo de tensões para a condição de 60s.
No caso do CP4, aumentou-se a tensão de um incremento e ensaiou-se o CP. Nessa tensão, 55MPa, houve a ruptura do corpo de prova antes de atingir 10 milhões de ciclos.
Novamente, como o CP3 apresentou resultado oposto (falha ou não) em relação ao CP4, com diferença de um incremento, ele passa a ser o primeiro CP válido e que entra no cálculo do limite de resistência à fadiga para a condição de 60s.
Para o CP5, como houve ruptura do CP4, diminuiu-se a tensão de um incremento e ensaiou-se o corpo de prova a uma tensão de 50MPa. Nesse caso, novamente não houve ruptura, sendo a tensão aumentada para o ensaio do CP6.
No ensaio do CP6 houve ruptura do CP, de modo que para o CP7 diminuiu-se a tensão de um incremento. No caso do CP7, não houve a ruptura do CP sendo a tensão aumentada para a realização do ensaio seguinte. Desse modo, o CP8 foi ensaiado a uma tensão de 55MPa, havendo a ruptura do CP.
Como, novamente, os CPs apresentaram um comportamento padrão, ou seja, ruptura quando ensaiado a uma tensão de 55MPa e não ruptura a 50MPa e o número mínimo de CPs necessários para realizar o ensaio já havia sido atingido, encerraram-se os ensaios da condição de 60s.
A partir dos resultados acima e das Equações 2.1 e 2.3 do Capítulo 2, Seção 2.8, obteve-se o limite de resistência à fadiga para cada condição da liga estuda, o qual é apresentado na Tabela 4.6.
Tabela 4.6. Limite de resistência à fadiga obtida para a liga estudada.
30s 60s
Limite de Resistência à Fadiga para
ciclos (MPa) 72,5 ± 2,7 52,5 ± 2,7
Pode-se observar que o limite resistência à fadiga para a condição de 30s apresentou um valor muito superior à condição de 60s. Um possível motivo para essa diferença é a porosidade encontrada em cada condição. Como explicado anteriormente, a porosidade é o principal fator de influência na vida em fadiga e
como mostrado na Figura 4.11, Seção 4.2, a porosidade da peça tixoforjada na condição de 30s é menor que a porosidade na condição de 60s.
Para efeito de comparação, analisaram-se os valores do limite de resistência à fadiga obtidos nos ensaios com os valores fornecidos pela literatura para a liga A356. Vale destacar que para a liga A356 a literatura só fornece o limite de resistência à fadiga, a 10 milhões de ciclos, para a liga A356T6, que é a mesma liga, porém tratada termicamente e que será utilizada para comparação dos resultados. Os valores são apresentados na Tabela 4.7.
Tabela 4.7. Valores do limite de resistência à fadiga para a liga A356.
30s 60s Kaufman et al.
(2004) (A356-T6) Limite de Resistência à Fadiga
para ciclos (MPa) 72,5 52,5 70
A partir da Tabela 4.7, nota-se que o limite de resistência à fadiga encontrada para a condição de 30s apresentou um valor superior ao limite de fadiga da liga A356-T6, mostrando ser um processo de fabricação mais eficiente que o tratamento térmico de T6, uma vez que é mais rápido e, consequentemente, apresenta menor custo e fornece uma resistência à fadiga superior.
Com o intuito de relacionar a microestrutura com o comportamento em fadiga da liga estudada e analisar o comportamento do material e a forma de propagação da trinca, foi realizado uma análise da superfície de fratura. Essa análise consistiu na obtenção de imagens da superfície de fratura via microscópio eletrônico de varredura e caracterização microestrutural da propagação da trinca.
As Figuras 4.23, 4.24 e 4.25 apresentam as fotos obtidas por microscopia eletrônica de varredura da superfície de fratura, enquanto que a Figura 4.26, as micrografias da propagação da trinca nas condições de 30s e 60s.
Figura 4.23. Superfície de fratura na condição de 30s.
Figura 4.25. Porosidades nas superfícies de fratura: (a) Condições de 30s; (b) Condição de 60s.
Figura 4.26. Micrografias da propagação da trinca: (a) Condição de 30s; (b) Condição de 60s.
Novamente, pode-se observar a presença da porosidade na superfície de fratura das peças ensaiadas, comprovando a sua forte influência na vida em fadiga. Além disso, a partir das micrografias da Figura 4.26, nota-se que a propagação da trinca ocorre preferencialmente pela fase eutética, caracterizando uma fratura dúctil do material.
Por fim, vale destacar que nem todos os corpos de prova puderam ser utilizados, pois durante a usinagem foi possível observar a presença de porosidade na região central do CP nas duas condições, o que seria pouco provável de acontecer nos processos industriais. A Figura 4.27 apresenta alguns desses corpos de prova onde foi possível visualizar a presença da porosidade.
Capítulo 5
CONCLUSÕES
Este trabalho teve como objetivo principal avaliar comparativamente o comportamento em fadiga da liga A356 conformada via tixoforjamento em matriz fechada em duas condições de processamento: reaquecimento a 585°C por 30s e 60s.
Além disso, os objetivos específicos foram: otimizar a liga visando a redução de sua porosidade; realizar ensaios de tixoforjamento com dois tempos distintos de globularização; analisar a macro e microestrutura das ligas tixoforjadas; e caracterizar as propriedades mecânicas da liga, notadamente quanto ao seu comportamento em fadiga.
O primeiro passo foi otimizar o método de produção dos lingotes. Foram comparados 4 métodos de acordo com a microestrutura e porosidade resultante nos lingotes produzidos. Em relação à microestrutura, os 4 métodos apresentaram microestrutura semelhante, enquanto que a porosidade apresentou diferentes resultados tornando-se o critério de escolha. O método que apresentou os melhores resultados foi o método com a utilização de refinador de grão e borbulhamento de gás II, isto é, com uma vazão de gás de 2,5l/min (superdesgaseificação) durante a produção dos lingotes. Além disso, foi possível notar que um aumento de 43% na vazão de gás, de 1,75l/min para 2,5l/min (borbulhamento de gás I para II, respectivamente), resultou numa diminuição de até 74,5% na porosidade do lingote, de 1,49% para 0,38% em área de porosidade.
Em relação à evolução morfológica e a caracterização microestrutural, a taxa de aquecimento de 50°C/min para o tratamento térmico e a temperatura de trabalho entre 585°C e 590°C (fl=0,62 e fl=0,66, respectivamente) apresentaram bons resultados, de modo a produzir uma microestrutura globularizada com relação tamanho de grão/tamanho de glóbulo de 1,6 e 1,5 para as condições de 30s e 60s, respectivamente.
Como as peças tixoforjadas apresentaram microestrutura semelhante com mesmo tamanho de grão e glóbulos, e sabendo que a porosidade é o principal fator de influência na vida em fadiga do material, essa foi analisada e comparada. Foi
possível observar que as peças da condição de 30s apresentaram uma menor porosidade que as peças da condição de 60s. Com isso, era esperado que a condição de 30s apresenta-se melhores propriedades mecânicas.
Os ensaios de tração mostraram uma melhor propriedade da condição de 30s, apresentando um maior limite de resistência à tração e uma maior tensão limite de escoamento. Além disso, quando comparado com a literatura, a condição de 30s apresentou melhores resultados que todas as fontes pesquisadas.
Já nos ensaios de fadiga, novamente a condição de 30s apresentou melhores resultados, possuindo um limite de resistência à fadiga, para 10 milhões de ciclos, maior que a condição de 60s. Além disso, pôde-se observar que se trata de uma fratura dúctil do material, com presença de porosidade na superfície de fratura das peças nas duas condições, comprovando a sua alta influência na vida em fadiga do material.
Por fim, quando comparada com uma liga A356 tratada termicamente com T6, o limite de fadiga obtido ainda era superior, mostrando que o tixoforjamento da liga era um procedimento mais vantajoso do que tratá-la termicamente, uma vez que demanda menor tempo e, consequentemente, custo.
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Como sugestão para trabalhos futuros, a proposta é identificar pontos de melhora nos processos realizados de modo a otimizar o trabalho desenvolvido, otimizar o processo de desgaseificação ou usar outra metodologia de modo a diminuir a porosidade do material, estudar o comportamento em fadiga da liga estudada via reofundição e trabalhar em fadiga com um incremento menor, de modo a ter maior precisão no limite de resistência à fadiga encontrado.
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