INFLUÊNCIA DO SHOT-PEENING E DA ANODIZAÇÃO CRÔMICA NA RESISTÊNCIA À FADIGA DA LIGA DE ALUMÍNIO 7475-T7351

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1 INFLUÊNCIA DO SHOT-PEENING E DA ANODIZAÇÃO CRÔMICA NA RESISTÊNCIA À FADIGA DA LIGA DE ALUMÍNIO 7475-T7351 V. A. Guimarães, V. A. de Castro Universidade Estadual Paulista Julio Mesquita UNESP Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá Depto. de Materiais e Tecnologia Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, Pedregulho Guaratinguetá, SP Brasil, CEP: valdir@feg.unesp.br RESUMO Esta pesquisa avaliou a influência do Shot-Peening e da anodização crômica na resistência à fadiga do alumínio 7475-T7351. A intensidade Almen foi de A A e as esferas do jateamento foram de aço. Foram realizados estudos comparativos dos corpos de prova do material base, anodizados, com Shot-Peening e corpos de prova com anodização crômica e Shot-Peening. Os resultados demonstraram uma redução da resistência à fadiga em comparação com o material base. Essa redução foi atribuída às tensões residuais de tração, ao aumento da rugosidade e as tensões residuais de compressão que não foram induzidas o suficiente para retardar a propagação da trinca. No entanto, para as baixas tensões o Shot-Peening minimizou o efeito negativo causado pela anodização crômica. Os resultados confirmam a necessidade de realizar ensaios com diferentes parâmetros do Shot-Peening a fim de se obter o melhor resultado do processo e evitar falhas prematuras de fadiga. Palavras-chave: fadiga, anodização, shot-peening. INTRODUÇÃO A anodização e o Shot-Peening são processos utilizados nas indústrias, em especial na indústria aeronáutica. Em razão disso a análise do comportamento mecânico das peças que sofrem esses processos é extremamente necessária. O processo de Shot-Peening é utilizado para aumentar a resistência à fadiga (1). Esforços de compressão são induzidos na subsuperfície de peças metálicas através 5871

2 do impacto de um jateamento de esferas em alta velocidade e em condições controladas (2). As tensões compressivas induzidas pelo processo de Shot-Peening criam nas camadas subsuperficiais do material uma barreira mecânica que dificulta ou impede a deformação plástica localizada do material, retardando a propagação da trinca além de dificultar a ocorrência de trincas a partir da superfície do material (3). Mesmo com os parâmetros controlados do Shot- Peening a presença de defeitos na superfície como contaminação e rugosidade, pode exercer uma influência desfavorável na resistência do material. A anodização é um método eletroquímico que quando aplicado na superfície do alumínio, converte alumínio em óxido de alumínio (Al2O3). Embora vários metais possam ser anodizados, incluindo titânio e magnésio, somente o alumínio tem encontrado uso generalizado na indústria (4). A anodização é realizada para a proteção contra corrosão (5), por outro lado ela pode influenciar negativamente a vida em fadiga de peças anodizadas, como foi apresentado por Camargo (3) e Shahzad, M. et al (6)(7), no qual a camada anódica atuou como concentrador de tensão na superfície do material. MATERIAIS E MÉTODOS Material O material utilizado foi o alumínio 7475-T7351, que é atualmente especificado para componentes com elevadas cargas mecânicas e tenacidade à fratura. Normalmente é aplicado onde deve ser considerada alta resistência à fratura (8). Shot-Peening O Shot-Peening foi realizado conforme norma MIL-S-13165C, em toda a superfície do corpo de prova com jateamento de esferas de aço, seguindo os parâmetros da Tabela 1. Tabela 1: Parâmetros de Shot-Peening Intensidade Almen Passo Vazão Cobertura Pressão A A 15 mm 4 kg/min 98% 40 Psi 5872

3 Anodização A anodização foi realizada conforme norma MIL-A-8625F. Os corpos de provas passaram por uma limpeza e depois foram imersas no tanque de anodização crômica seguindo os parâmetros da Tabela 2. Tabela 2: Composição da anodização Eletrólito Cr03 Concentração do eletrólito 50 a 60 g/l Temperatura 32 a 37 C Tempo 45 min. Densidade de corrente 1,5 A/dm 2 Tensão 22±2 volts Rugosidade Foi medida a rugosidade dos corpos de prova após cada processo. O valor de Cut-off foi de 0,8 e comprimento total de 5,6 mm. O ensaio foi baseado na ABNT NBR 6405/1985 e NBR ISO 4287/2002. Ensaio de tração Foi realizado o ensaio de tração seguindo a norma ASTM E8M. Foi utilizado o extensômetro até atingir a tensão máxima da curva σxԑ e após a retirada do extensômetro, os corpos de provas foram ensaiados até a ruptura total. A velocidade do ensaio foi de 2 mm/min. Ensaio de fadiga O ensaio de fadiga foi realizado conforme ASTM E466, carga axial, frequência de 20 Hz, razão de carregamento R=0,1(tração-tração), temperatura ambiente, tensão cíclica senoidal e amplitude constante. Os ensaios de fadiga foram conduzidos até a fratura ou até 10 6 ciclos. Análise fractográfica As superficies de fratura forma observadas para cada tipo de amostra (material base, com Shot-Peening, anodizado e Shot-Peening e anodizado). 5873

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Rugosidade As amostras do material base apresentaram bom acabamento superficial e após a anodização crômica quase não apresentaram alterações. No entanto após o processo de Shot-Peening a rugosidade Ra aumentou de 1,10 μm para 3,80 μm. A média da rugosidade Ra das amostras com Shot-Peening e anodização em relação ao material base foi aproximadamente 564,54% maior. Comparando com a pesquisa de Dhafir Sadik Al-Fattal et. al. (9) a razão foi aproximada, tendo o aumento de 548,48% após os processos de Shot-Peening e anodização. Esse aumento foi associado à camada de anodização, onde é formado o Al2O3, e aos sulcos gerados pelo jateamento de esferas (9). As médias das rugosidades estão apresentadas na Figura 1. Rt (μm) 6,8 ± 2,7 6,7 ± 1,7 26 ± 3 44 ± 4 Rz (μm) 5,24 ± 1,2 5,27 ± 0,64 19,14 ± 2,7 34,86 ± 2,6 Ra (μm) 6,21 ± 0,58 3,80 ± 0,56 1,04 ± 0,16 1,10 ± 0, Shot-Peening + Anodizado Shot-Peening Anodizado Material Base Figura 1: Resultado de rugosidade Ensaio de tração O limite de resistência à tração do alumínio 7475-T7351 é de 476 MPa, limite de escoamento é 393 MPa e alongamento 8% (8). Observa-se que o tratamento superficial de anodização crômica pouco afetou na resistência à tração, no limite de escoamento e no módulo de elasticidade do material. Porém o Shot-Peening provocou um aumento de resistência mecânica que pode estar associado ao encruamento do material. Os resultados estão apresentados na Tabela

5 Tabela 3: Resultado de tração Valores Médios Material base Anodizado Shot-Peening Limite de resistência (MPa) Anodizado + Shot-Peening 476 ± 4 451,3 ± 2,4 476 ± ± 4 Limite de escoamento (MPa) Módulo de elasticidade (GPa) 379,7 ± 2,8 380 ± ± 9 403,8 ± 1,6 67,2 ± 1,2 67,0 ± 1,6 77 ± 4 71,8 ± 1,2 Alongamento % Ensaio de fadiga Os resultados dos ensaios de fadiga estão apresentados nas Figuras 2 a 5 por meio das curvas S-N onde estão representados o intervalo de confiança de 95% de probabilidade de falha, conforme a norma ASTM E A Figura 6 apresenta o comparativo entre as curvas S-N corrigidas das amostras do material base, amostras com Shot-Peening, amostras com anodização crômica e amostras com Shot-Peening e anodização crômica. Figura 2: Resultado de fadiga - Material base 5875

6 Figura 3: Resultado de fadiga - Material com Shot-Peening Figura 1: Resultado de fadiga - Material com anodização 5876

7 Figura 5: Resultado de fadiga - Material com Shot-Peening e anodização Figura 6: Comparativo dos resultados de fadiga Com os parâmetros utilizados nessa pesquisa, verifica-se que a resistência à fadiga do material base foi reduzida após todos os processos. A expectativa da 5877

8 aplicação do Shot-Peening era o aumento da resistência à fadiga devido a tensão residual de compressão e o aumento da densidade de discordâncias introduzidas na subsuperficie do material conforme citado por Champaigne (10). No entanto o aumento da rugosidade que é inerente do processo de Shot-Peening foi um fator negativo para esse resultado. Após a aplicação da anodização crômica houve a redução da vida em fadiga do material que já era o efeito esperado. Essa redução é dada devido à tensão residual de tração na camada de óxido. O mesmo efeito foi apresentado por Chaussumier, M. et al. (11). Os resultados de fadiga das amostras com Shot-Peening e anodização crômica também apresentaram redução da resistência em relação ao material base. Foi possível observar que para baixas tensões houve uma recuperação da resistência à fadiga, porém não foi o suficiente para atingir a resistência inicial do material base. Na pesquisa realizada por Minto (12), o Shot-Peening neutralizou o efeito negativo da anodização, recuperando a resistência à fadiga do material. O corpo de prova analisado do ensaio de fadiga axial da liga de alumínio T7351 com Shot-Peening e anodização crômica (280 MPa, ciclos) está apresentado na Figura 7. O estágio I a nucleação da trinca, a propagação da trinca no estágio II e a ruptura final durante o estágio III. Figura 7: Fractografia (280 MPa, ciclos) 5878

9 Na Figura 8 observa-se o início da trinca na superfície da amostra e não na camada superficial, que comprova que os parâmetros do Shot-Peening não foram suficientes para induzir tensão residual de compressão nas camadas subsuperficiais do material criando uma barreira mecânica que dificulta ou impede a deformação plástica localizada do material, retardando a propagação da trinca além de dificultar a ocorrência de trincas a partir da superfície do material conforme citado por Camargo (3). Na Figura 9 verifica-se propagação da trinca com estrias pouco visíveis. Figura 8: Nucleação da trinca Figura 9: Propagação da trinca 5879

10 CONCLUSÕES 1. Os resultados obtidos demonstram a importância de testar os materiais com diferentes parâmetros do Shot-Peening, a fim de se obter os melhores efeitos e prevenir falhas prematuras de fadiga. 2. A anodização crômica não afeta a rugosidade do corpo de prova, porém o Shot-Peening eleva a rugosidade e trabalha como concentrador de tensão na superfície. 3. O tratamento superficial de anodização crômica reduz a resistência à fadiga da liga 7475-T7351 provavelmente causada pela tensão residual de tração e pelo comportamento frágil da camada de óxido. 4. Para o material e dimensões das amostras utilizadas nessa pesquisa, os parâmetros do Shot-Peening não são eficientes para retardar a propagação da trinca. E com o aumento da rugosidade consequentemente diminui a resistência à fadiga do material. 5. O alumínio 7475-T7351 com Shot-Peening seguido de anodização crômica reduz a resistência à fadiga quando os parâmetros do Shot-Peening são ineficientes para barrar o efeito negativo da rugosidade causada pelo Shot-Peening e da tensão residual de tração gerada pela anodização. No entanto, para baixas tensões o Shot-Peening minimiza o efeito negativo causado pela anodização crômica. 6. O Shot-Peening e a anodização crômica não influenciam substancialmente na resistência à tração da liga 7475-T7351. REFERÊNCIAS 1. CINA, B.; KAATZ, T.; ELDROR, I. The Effect of Heating Shot Peened sheets and Thin Plates of Aluminium Alloys. Journal of Materials Science, v. 25, n. 9, p , sep

11 2. ASM HANDBOOK. Fatigue and Fracture v. 19. Estados Unidos: ASM International, p. 3. CAMARGO, J. A. M. A influência do Shot-Peening e das anodizações crômica, sulfúrica e dura sobre a resistência à fadiga da liga Al 7050 T 7451 de uso aeronáutico f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, ASM HANDBOOK. Corrosion. 9th ed. Materials Park, Ohio: ASM International, p. v ASM HANDBOOK. Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection v. 13A. 9th ed. Estados Unidos: ASM International, p. 6. SHAHZAD, M.; CHAUSSUMIER, M.; CHIERAGATTI, R.; MABRU, C.; REZAI-ARIA, F. Surface characterization and influence of anodizing process on fatigue life of Al7050 alloy. Materials & Design, Oxford, v. 32, n. 6, p , fev SHAHZAD, M.; CHAUSSUMIER, M.; CHIERAGATTI, R.; MABRU, C.; REZAI-ARIA, F. Effect of sealed anodic film on fatigue performance of 2214-T6 aluminum alloy. Surface and Coatings Technology, Lausana, v. 206, n , p , fev ALCOA. Aluminum company of American. Disponível em: < Acesso em: 27 abr DHAFIR SADIK AL-FATTAL; SAMIR ALI AMIN AL-RABII; IBRAHIM MOUSA AL-SUDANI. Study the Effect of Shot-Peening with anodizing process on the mechanical properties and fatigue life of aluminum alloy 2024-T3. Advances in Natural and Applied Sciences. Amã, v. 10, n. 15, p , oct

12 10. CHAMPAIGNE, J. Shot Peening: Theory and Application. 1. ed. Gournay-sur-Marne: IITT-International, p. 11. CHAUSSUMIER, M.; MABRU, C.; CHIERAGATTI, R.; SHAHZAD, M. Fatigue life model for 7050 chromic anodized aluminium alloy. Procedia Engineering, Maryland Heights, v. 66, p MINTO, T. A. Influência da anodização sulfúrica na resistência à fadiga da liga de alumínio 7175-T f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, INFLUENCE OF SHOT-PEENING AND CHROMIC ANODIZATION ON THE FATIGUE STRENGTH OF 7475-T7351 ALUMINUM ALLOY ABSTRACT This research evaluated the influence of Shot-Peening and Chromic Anodization in the resistance to fatigue of the 7475-T7351 Aluminum. The Almen intensity was A A and the blasting spheres was made of steel. The results of the tests with aluminum specimens, anodized ones, Shot-Peened specimens were compared in this study. The results showed that there is a reduction in the resistance to fatigue in all cases when compared to the aluminum specimens. This reduction was assigned to the tensile residual stress, to the roughness growth and to the compressive residual stress that were not sufficiently induced to retard the crack propagation. However, for slow tensions, the Shot-Peening minimized the negative effect caused by the Chromic Anodization. The results confirm the necessity of performing tests with different parameters of Shot-Peening in order to obtain the best result of the process and avoid premature fatigue fails. Keywords: fatigue. anodizing. shot-peening. 5882