6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
ANÁLISE DOS FATORES QUE INFLUENCIAM NO PROCESSO DE
CRESCIMENTO DE TRINCAS NA CAMADA CEMENTADA DO AÇO
20MnCr5
Renata Neves Penha, rnp@usp.br1
Maurício C. Cunha, mccunha@yahoo.com.br1
Waldek W. Bose Fº, waldek@sc.usp.br1
Lauralice C. F. Canale, lfcanale@sc.usp.br1
1Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 400, Centro, São
Carlos – SP, 13566-590
Resumo: Os tratamentos de cementação, têmpera, revenimento e jateamento por granalhas são muito utilizados na
produção seriada de peças na indústria automobilística, como coroas e pinhões de diferencial. O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos dos parâmetros de processo e suas interações no crescimento de trincas curtas por fadiga na camada cementada do aço DIN 20MnCr5. Assim, os corpos foram submetidos a diferentes tempos de jateamento e diferentes temperaturas de revenimento.
Palavras-chave: cementação, shot-peening, revenimento, crescimento de trinca.
1. INTRODUÇÃO
A cementação é um processo que objetiva aumentar a dureza e a resistência ao desgaste superficial dos aços, mantendo um núcleo dúctil e tenaz, requisitos necessários para as peças que trabalham com solicitações de choque e desgaste. Para engrenagens, eixos e outros elementos de transmissão, a cementação é o processo termoquímico mais utilizado para obtenção das características mecânicas necessárias. Yin e Fatemi (2009) destacam que o tratamento de cementação possibilita o aproveitamento da alta dureza e resistência da martensita de alto carbono minimizando o trincamento, já que a cementação induz a formação de tensões residuais compressivas na superfície, que previnem o trincamento.
O processo de revenimento é um tratamento posterior à têmpera, que objetiva aumentar a tenacidade dos aços, diminuindo as tensões internas resultantes da têmpera. Uma consequência deste tratamento pode ser a diminuição da dureza e da resistência que são função da temperatura de revenido utilizada. Segundo Krauss (1995) o revenido diminui a dureza da martensita na camada cementada devido ao alívio do carbono supersaturado e do alívio de tensões, aumentando a tenacidade. Segundo Parrish (1980) o revenimento é feito após a cementação e a têmpera, o que consiste em aquecer o metal entre 150 e 200°C, por um período de 2 a 10 horas, seguido por um resfriamento ao ar.
Fett (1998) observou que variações no revenimento influenciam as propriedades de fadiga e fratura dos metais, pois diferentes aços revenidos a 180°C apresentaram uma melhora na vida em fadiga de baixo-ciclo, enquanto a vida em alto-ciclo não foi alterada.
O jateamento por granalhas ou shot-peening é um processo de endurecimento mecânico na qual a superfície de um componente é bombardeada por uma grande quantidade de projéteis esféricos metálicos com velocidade suficiente para produzir uma zona de deformação plástica superficial. (Parrish, 1980)
O aumento da vida em fadiga dos componentes jateados é atribuído à criação de tensões altamente compressivas na superfície e imediatamente abaixo desta (De Los Rios et al., 1996 e Kim et al., 1981). Atualmente o jateamento por granalhas é utilizado com o intuito de se promover um aumento da resistência à fadiga de contato e flexão em dentes de engrenagens cementadas (Faria e Silva, 1995)
Kim et al. (1981) mostraram que as transformações das propriedades mecânicas de um aço temperado e jateado podem ser atribuídas à transformação da austenita retida em martensita muito próximo à superfície. De los Rios et al. (1995) mostra que o jateamento aumenta a vida em fadiga, atrasando a iniciação da trinca e deixando a propagação mais lenta. A determinação do limite de fadiga é fundamental para um projeto seguro (Burkart, Bomas e Zoch, 2011).
O objetivo deste trabalho é estudar a influência de tratamentos térmicos e superficiais no crescimento de trincas curtas. Serão verificados como o jateamento por granalhas e variações na temperatura de revenimento influenciam as
propriedades de fadiga por flexão em camada cementada do aço DIN 20MnCr5, através do crescimento de trincas curtas.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Os corpos de prova utilizados neste trabalho foram extraídos da região central de pinhões de diferencial de caminhões, seguindo a mesma direção do eixo longitudinal destes, como mostra a Fig. (1). As formas finais dos corpos de seção retangular foram confeccionadas para atingirem as dimensões finais de 8x10x100mm, depois de retificados.
Figura 1. Esboço da vista lateral em corte de um pinhão e dos corpos de prova.
O aço utilizado nos pinhões e, consequentemente nos corpos de prova é o aço para cementação DIN 20MnCr5, cuja composição química é mostrada na Tab. (1).
Tabela 1. Composição química do aço 20MnCr5 conforme a norma para aços de cementação DIN 17210.
Elemento C Mn Cr Si S P Ni Mo Nb Al Cu
% em peso 0,22 1,29 1,18 0,24 0,030 0,031 0,15 0,037 0,030 0,026 0,128
Todos os corpos de prova foram cementados em um forno contínuo de cementação a gás. A têmpera foi realizada utilizando um óleo mineral convencional. A Tab. (2) mostra o ciclo de tratamento térmico realizado.
Tabela 2. Ciclo de tratamento térmico realizado.
Ciclo Temperatura [ºC] Tempo [min.] Potencial de Carbono [%]
Pré-aquecimento 1 780 40 ---
Pré-aquecimento 2 900 104 ---
Cementação 1 920 224 0,88
Cementação 2 880 128 0,65
Têmpera 60 16 ---
Para avaliar a influência do tempo de jateamento por granalhas, foram utilizados 6 conjuntos de corpos de prova, com 4 amostras em cada conjunto. Todos os corpos foram revenidos à 170ºC por aproximadamente 2 horas. Após o revenimento, cada conjunto sofreu um processo diferente de jateamento conforme mostra a Tab. (3).
Tabela 3. Tempo de jateamento para os conjuntos de corpos de prova. Conjunto Tempo de jateamento
1 2 horas 2 1 hora 3 30 minutos 4 15 minutos 5 5 minutos 6 Sem jatear
O jateamento por granalhas foi realizado em uma máquina industrial de jateamento por turbina com base giratória, utilizando granalhas do tipo supertenaz. Devido ao processo experimental ter sido realizado na indústria, o tempo de
jateamento descrito anteriormente é o tempo em que os corpos de prova estiveram dentro da máquina de jateamento, e não necessariamente o tempo efetivo de jateamento.
Já para o estudo da influencia da temperatura de revenimento, 4 conjuntos de corpos de prova, com 4 amostras em cada conjunto, foram selecionados após a têmpera e revenidos em pequenos fornos elétricos de indução conforme mostra a Tab. (4).
Tabela 4. Temperatura de revenimento para os conjuntos de corpos de prova utilizados no estudo da influência de diferentes temperaturas de revenimento.
Conjunto Temperatura de Revenimento [°C] Tempo [min.]
1 Sem revenir ---
2 120 60
3 160 60
4 250 60
Foram feitas medidas de dureza superficial em todos os conjuntos de corpos de prova. Para os corpos de prova tratados foram feitas medidas de dureza Vickers utilizando um equipamento com carga de 10 kgf. As medidas de microdureza da camada cementada foram realizadas somente nos corpos de prova jateados, utilizando um microdurômetro Buehler Micromet serie 2014 com carga de 100 gf.
As medidas de tensões residuais superficiais foram realizadas somente nos corpos de prova utilizados para o estudo da influência do tempo de jateamento em um equipamento de raios-x Fastress.
Os ensaios de fadiga por flexão foram realizados à temperatura ambiente utilizando uma máquina servo-hidráulica MTS-810 de 250 kN. Os corpos de prova foram ensaiados em flexão apoiados em quatro pontos, sendo os apoios inferiores roletes metálicos de 7,0 mm de diâmetro com distância entre centro de 10,0 mm e os apoios superiores roletes de 7,0 mm de diâmetro com distância entre centros de 80,0 mm. A Fig. (2) ilustra o ensaio de flexão em quatro apoios.
Figura 2. Ensaio de flexão em quatro apoios.
Na Fig. (2) se observa que no ensaio de fadiga em quatro pontos as tensões máximas ficam concentradas na região superficial superior, entre os apoios inferiores, onde o momento é máximo. Por isso, somente nesta região haverá o aparecimento de trincas e, portanto será possível fazer o acompanhamento de trincas curtas.
Durante todos os ensaios foi utilizado modo de controle de carga, com razão de cargas (Pmin/Pmax) igual a 0,1 e a
onda senoidal. Para o estudo da influência da temperatura de revenimento a onda senoidal foi produzida com uma freqüência de 10 Hz e carga máxima de 6 kN. Para o estudo do jateamento por granalhas, utilizou-se uma freqüência de 5 Hz e carga máxima de 8 kN.
Para a propagação de trincas curtas foi utilizado o método de réplicas de acetato. Os ensaios eram interrompidos frequentemente para a aplicação das réplicas. As réplicas de acetato, de tamanho aproximado de 20x15 mm e espessura de 5 mm, eram dissolvidas lentamente em acetona e pressionadas na superfície do aço por aproximadamente 5 minutos. Após este intervalo a réplica se solidificava e “gravava” a superfície metálica. Quaisquer defeitos superficiais do aço, como trincas microscópicas, poderiam ser posteriormente observados nas réplicas.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Tempo de jateamento
Os corpos de prova utilizados para a análise do tempo de jateamento foram ensaiados até a ruptura total. A Fig. (3) mostra resultados obtidos de dureza superficial em escala Vickers (HV10). Nesta figura, fica evidente a influência do jateamento na dureza superficial.
Figura 3. Dureza superficial em função do tempo de jateamento.
A Fig. (4) ilustra o resultado das medições de tensão residual pelo tempo de jateamento. Valores negativos indicam tensões compressivas, enquanto os valores positivos, tensões trativas. Como é possível observar, pequenos tempos de jateamento já trazem um ganho em tensão residual compressiva.
Figura 4. Variação da tensão residual pelo tempo de jateamento.
A seguir é apresentado o gráfico com os resultados do crescimento de trincas curtas superficiais por fadiga em flexão à quatro pontos para diferentes tempos de jateamento. A Fig. (5) mostra o crescimento de uma trinca representativa de cada processo de jateamento. Observa-se a forte influência do jateamento por granalhas e da tensão superficial no comprimento em fadiga das amostras e no crescimento de trincas curtas superficiais. É possível observar o principal benefício do jateamento, que é retardar o crescimento de trincas. Nas curvas para os tempos de 1 e 2 horas de jateamento fica evidente o atraso no comprimento da trinca, onde o comprimento da trinca é praticamente constante durante um longo período de ciclos. Também foi observado durante a análise das trincas nas réplicas de acetato, que a densidade de trincas é muito menor nos corpos jateados.
Figura 5. Resultados comparativos do crescimento de trincas para todos os tempos de jateamento.
3.2. Temperatura de Revenido
Os corpos de prova testados para avaliar o efeito da temperatura de revenimento também foram ensaiados até a ruptura total. A Fig. (6) mostra os resultados obtidos de dureza superficial.
Figura 6. Variação da dureza superficial devido às mudanças na temperatura de revenimento.
A Fig. (7) apresenta o gráfico com os resultados do crescimento de trincas curtas superficiais por fadiga em flexão à quantro pontos para diferentes temperaturas de revenimento. Observa-se que a pior situação para o comportamento em fadiga e crescimento de trincas curtas nas amostras foi para o revenimento a 250°C, e a melhor a 160°C. Para o caso sem revenimento as amostras se mostraram mais frágeis e com taxas maiores de crescimento de trincas. Tal comportamento se deve às tensões residuais de têmpera. Já as amostras revenidas a 250°C, apresentaram uma fragilidade ainda maior, com altas taxas de crescimento de trinca e uma pequena vida em fadiga por flexão. Nesta faixa de temperatura, apesar do alívio de tensões, há a formação da martensita revenida, a partir da austenita retida, podendo também ocorrer a precipitação de carbonetos no contorno das agulhas de martensita, fragilizando de forma acentuada o material. Esta fragilização pode superar o alívio de tensões nesta temperatura, o que explicaria a pior condição no desempenho em fadiga.
Figura 7. Resultados comparativos do crescimento de trincas para todas as temperaturas de revenimento.
3.3. Análise Estatística
O modelo linear generalizado é um procedimento dentro da análise de variância (ANOVA) para análise de dados coletados com planejamentos de experimentos diferentes. O modelo linear balanceado permite realizar o teste de análise de variância univariada para experimentos balanceados e desbalanceados, análise de covariância, e regressão, para cada variável resposta. Os cálculos são feitos usando uma abordagem de regressão. Uma matriz de planejamento de posto completo é formada a partir dos fatores e covariáveis e cada variável resposta é regredida nas colunas da matriz de planejamento.
Foram calculados os valores-p para julgar se existe evidência significativa para efeitos do modelo. O valor-p obtido foi igual a 0,001 para os termos tempo de jateamento e temperatura de revenimento, indicando que existe evidência significativa para efeitos principais dos dois termos, para níveis maiores que 0.001, tanto para o atraso no crescimento quanto para o comprimento da trinca.
A eq. (1) mostra a regressão obtida para o comprimento da trinca, em função dos fatores tempo de jateamento e temperatura de revenido. A Tabela 6 traz os valores dos coeficientes para cada fator. O valor de R2 obtido para este
modelo foi igual a 99,9%.
Compr_Trinca = 525,111 + Cjateamento + Crevenimento (1)
Tabela 6. Coeficientes obtidos para a equação de regressão para a previsão do comprimento da trinca. Tempo de Jateamento [min] Cjateamento Temperatura de Revenimento [°C] Crevenimento
0 -30,8 0 110,3 5 29,2 120 9,3 15 -79,8 160 -89,3 30 93,6 170 -92,3 60 18,9 250 62,0 120 -31,1
A equação de regressão para o numero de ciclos necessário para a ruptura do material pode ser observada abaixo. Os valores dos coeficientes desta equação podem ser encontrados na Tab. (7). O valor de R2 obtido para este modelo foi
igual a 95,65%.
Tabela 7. Coeficientes obtidos para a equação de regressão para a previsão do comprimento da trinca. Tempo de Jateamento [min] Cjateamento Temperatura de Revenimento [°C] Crevenimento
0 -12359 0 -1972,1 5 -5260 120 4067,5 15 -10199 160 10076,5 30 6936 170 -7178,8 60 12042 250 -9443,1 120 8844 4. CONCLUSÕES
O processo de jateamento introduziu tensões residuais compressivas que provocaram alterações no crescimento de trincas curtas e na vida em fadiga por flexão. Os tempos de jateamento de 30 minutos e 1 hora resultaram níveis de tensão compressiva semelhantes, por volta de 470 MPa, e produziram os melhores resultados para a vida em fadiga por flexão. Tempos de jateamento acima e abaixo desta faixa, provocaram menores alterações no crescimento de trincas curtas e na vida em fadiga por flexão.
O tratamento térmico de revenimento a 160°C trouxe os maiores ganhos em resistência à fadiga por flexão. Para temperaturas menores que 160°C, por volta de 120°C, o revenimento não produziu um bom resultado em fadiga, devido ao baixo alívio de tensões e à alta dureza.
Para o revenimento a 250°C houve uma queda acentuada do desempenho em fadiga devido à transformação da austenita retida em martensita e à fragilização provocada pela possível formação de carbonetos.
A análise de variância mostrou que de fato tanto o tempo de jateamento quanto a temperatura de revenido influenciam tanto no crescimento das trincas quanto na vida em fadiga. As equações de regressão obtidas mostram um excelente ajuste.
5. AGRADECIMENTOS
FAPESP
6. REFERÊNCIAS
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De los Rios, E. R. et al. (1995). Fatigue crack initiation and propagation on shot-peened surfaces in A316 stainless steel. International Journal of Fatigue, Vol. 17, No.7, pp.493-499.
De los Rios, E. R., Mercier, P., El-Sehily, B. M. (1996). Short crack growth behavior under variable amplitude loading of shot peened surfaces. Fatigue and frature of engineering materials and structures, Vol. 19, No. 2/3, pp. 175-184. Faria, J. V., Silva, P. S. C. P. (1995). Influência do jateamento com granalhas nas tensões residuais e na resistência à
fadiga de contato de engrenagens. In: Congresso internacional de tecnologia metalúrgica e de materiais, 49., São Paulo, 1994. Anais. São Paulo, ABM, Vol. 3, pp. 111-125.
Fett, G. A. (1998). Bending properties of carburizing steels. Advanced Materials & Process, Vol. 133, No. 4, pp. 43-45, Apr.
Kim, C., Diesburg, D. E., Buck, R. M. (1981). Influence of sub-zero and shot-peening treatments on impact and fatigue fracture properties of case-hardened steels. Journal of Heat Treatment, Vol. 2, No.1, pp. 43-45.
Krauss, G. (1995). Microstructure and performance of carburized steel, part I: martensite. Advanced Materials & Processes, Vol. 147, No. 5, pp. 40Y-40BB, May.
Krauss, G. (1995). Microstructure and performance of carburized steel, part III: austenite and fatigue. Advanced Materials and Processes, Vol. 148, No. 3, pp. 42EE-42II, Sep.
Parrish, G. (1980). The influence of microstructure on the properties of case-carburized components, Ohio, ASM. Yin, F., Fatemi, A. (2009). Fatigue behavior and life predictions of case-hardened steels. Fatigue & Fracture of
Engineering Materials Structures, Vol. 32, pp.197-213.
7. DIREITOS AUTORAIS
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April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
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Analysis of factors that influenciates the crack growth process on carburized
case of DIN 20MnCr5 steel
Renata Neves Penha, rnp@usp.br1
Maurício C. Cunha, mccunha@yahoo.com.br1
Waldek W. Bose Fº, waldek@sc.usp.br1
Lauralice de Campos Franceschini Canale, lfcanale@sc.usp.br1
1Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 400, Centro, São
Carlos – SP, 13566-590
Abstract. Carburizing, quenching, tempering and shot peening treatments are widely used on mass production, such
as pinion gears and master gears. This work aims to study the effect of parameters process and its interation on short fatigue crack growth on carbuzed case of DIN 20MnCr5 steel. In this way, samples were submited to different shot peening time and various tempering temperature.
