EFEITOS DO PROCESSO DE JATEAMENTO COM GRANALHAS NA MICROESTRUTURA E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO SAE 1070.

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1 EFEITOS DO PROCESSO DE JATEAMENTO COM GRANALHAS NA MICROESTRUTURA E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO SAE Miguel Angel Calle Gonzales, Eng. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da EPUSP Av. Professor Mello Moraes, 2231 CEP São Paulo - S.P. Brasil. Tel: r.203, Fax: miguel.gonzales@poli.usp.br Izabel Fernanda Machado, Dr.Eng. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da EPUSP Av. Professor Mello Moraes, 2231 CEP São Paulo - S.P. Brasil. Tel: r.203, Fax: machadoi@usp.br Resumo. O jateamento com granalhas é um processo mecânico que causa uma intensa deformação plástica na superfície do componente, causando o encruamento da mesma. O jateamento é realizado para melhorar algumas propriedades da superfície de um componente tais como: resistência à fadiga, resistência à corrosão sob tensão, resistência à erosão por cavitação, dureza da superfície, diminuição da porosidade superficial formada no processo de fundição. Essa melhoria de propriedades superficiais ocorre porque o jateamento com granalhas introduz tensões residuais de compressão na superfície. Devido à sua crescente importância na indústria, este processo tem sido estudado nos últimos anos. Neste trabalho, são estudados os efeitos do jateamento com granalhas na microestrutura, na microdureza e no campo de tensões residuais geradas no aço SAE 1070, o qual é muito utilizado para molas parabólicas na indústria automotiva. Para este estudo foram utilizados amostras do SAE 1070 com diferentes tratamentos térmicos, as quais foram posteriormente jateadas. As amostras foram caracterizadas utilizando-se microscopia óptica, após preparação metalográfica. Foram também realizadas medidas de microdureza Vickers, para a determinação do perfil de dureza na amostra jateada. Utilizando-se estas técnicas pode-se determinar a espessura da camada encruada no jateamento, bem como estimar a profundidade do campo de tensões residuais. Os resultados das medidas de espessura de camada e de microdureza Vickers foram comparados entre si e com os resultados de outros trabalhos. Palavras chaves: Jateamento com Granalha, Deformação Plástica, Aço. 1. INTRODUÇÃO O jateamento com granalhas é um processo de trabalho a frio, que consiste em projetar granalhas com alta velocidade (entre 20 e 100 m/s) contra uma superfície de um material metálico (Wheelabrator, 1977). A granalha atua como se fosse um pequeno martelo sobre a superfície metálica causando deformação plástica. Esse processo de deformação superficial é largamente utilizado para introduzir tensões residuais de compressão na superfície, as quais melhoram as propriedades mecânicas dos componentes em serviço (Benítez, 2002), em especial, aumentam a vida em fadiga (Wang et al, 1988).

2 Trabalhos têm sido realizados para relacionar as tensões residuais introduzidas pelo jateamento com granalha com as propriedades mecânicas do material. No trabalho de Wang (Wang et al 1998), foram estudadas as relações entre as propriedades mecânicas de diversos materiais e as características do campo de tensões residuais criadas na superfície das peças jateadas, utilizando resultados de difração de raios X. Neste estudo quantitativo, essa correlação foi feita utilizando-se a relação empírica, apresentada na equação (1). Para isso determina-se a profundidade do campo de tensões residuais (Z 0 ) a partir da intensidade do jateamento com granalha ( f ): Z 0 = A0 + K f Λ (1) onde A 0 e K são constantes determinadas experimentalmente. Já o trabalho de Guagliano (Guagliano, 2001), simulou o jateamento com granalha pelo Método dos Elementos Finitos (MEF) para encontrar as características do campo de tensões criado devido ao processo de jateamento. Para essa simulação Guagliano utilizou resultados experimentais de outros trabalhos (Cao et al, 1995) para comparar com os resultados obtidos pelo MEF. Uma outra forma de avaliar tensões residuais foi proposta por Suresh (Suresh et al., 1998) e Chu (Chu et al., 1990). Segundo o trabalho de Suresh e Chu as medições de microdureza na superfície de um material metálico são diferentes se existirem tensões residuais. A Figura 1 mostra que para o mesmo tamanho de indentação, quando existem tensões residuais de tração, a carga aplicada é menor. O oposto ocorre quando as tensões residuais são de compressão. Baseado nos resultados de microdureza, Suresh (Suresh et al, 1998) propôs uma metodologia para determinar quantitativamente o valor da tensão residual e a deformação plástica mediante indentações de microdureza. A Figura 1. Aumento e diminuição da carga (P1, P2) devido à presença de tensões residuais de tração e de compressão para o mesmo tamanho de indentação (h1=h2) (Suresh et al, 1998). Embora não haja dúvidas sobre o efeito benéfico do jateamento com granalhas, muitas das simulações desse processo ficam comprometidas devido à carência de resultados experimentais nesta área. Além disso, a realização de diferentes tratamentos térmicos, para um mesmo material metálico, causa grandes alterações nas propriedades mecânicas dos mesmos. Assim, as mesmas condições de jateamento podem ter resultados muito diferentes num mesmo material. Isso também dificulta a simulação desse processo. O objetivo principal deste trabalho é mostrar e discutir os efeitos, na microestrutura e na microdureza Vickers, do jateamento com granalhas em placas laminadas do aço SAE 1070, com diferentes tratamentos térmicos. Esses resultados vêm a contribuir para futuras simulações utilizando MEF e também para modelagem dos fenômenos de deformação, que ocorrem durante o processo de jateamento. O aço SAE 1070 foi escolhido, por ser muito utilizado na fabricação de molas helicoidais, de pratos e espirais. É também utilizado em ferramentas de corte tais como: serras, guilhotinas, navalhas; eixos de transmissão; rodas de aço;

3 ferramentas para mecânica tais como: martelos, chaves de parafusos, chaves de fenda; ferramentas para a agricultura tais como: picaretas, enxadas, machados, foices e aplicações na mineração entre outras finalidades (Wheelabrator, 1977). 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Material O material utilizado neste trabalho foi uma chapa metálica de aço SAE 1070 cedido pela BRASMETAL WAELZHOLZ em Diadema, São Paulo. A composição química é apresentada na Tabela 1. A chapa utilizada partiu de chapa laminada a quente de 4,5 mm de espessura a qual foi laminada a frio e teve sua espessura reduzida para 2 mm (aproximadamente 56% de redução). Desta chapa foram retirados quatro corpos de prova de dimensões 200x250 mm. A Tabela 2 apresenta as propriedades mecânicas do aço SAE 1070 laminado utilizado no trabalho de Wang et al. (Wang et al, 1998). No trabalho de Wang et al. não foram apresentadas as condições de laminação. Tabela 1. Composição Química do aço SAE 1070, a diferença em porcentagem dá teor de ferro (fornecida pela Brasmetal Waelzholz). C (%) Mn (%) Si (%) P (%) S (%) Al (%) Cr (%) 0,72 0,75 0,23 0,016 0,001 0,004 0,25 Tabela 2. Propriedades mecânicas do aço SAE 1070 (Wang et al, 1998). 0,2) 1120 MPa Limite de resistência ( b) 1270 MPa 2.2 Tratamentos Térmicos Dos quatro corpos de prova retirados da chapa laminada do aço SAE 1070, dois corpos de prova foram submetidos a tratamentos térmicos de recozimento a 690 C por 10 horas e os outros dois corpos de prova foram temperados. A temperatura de austenitização utilizada foi de 950 C e a têmpera foi realizada em banho de chumbo e bismuto a 280 C. Os tratamentos térmicos foram realizados na mesma empresa que forneceu o material. 2.3 Jateamento com Granalhas. Após os tratamentos térmicos, as amostras foram submetidas ao jateamento com granalha na empresa CINDUMEL em Guarulhos, São Paulo. Foram realizados jateamentos com duas intensidades Almen diferentes de 0,67 e 0,83 mm (Almen A), segundo a norma SAE J 442 (SAE Handbook). A dureza (de pelo menos 90%) das granalhas utilizadas no jateamento estava entre 530 e 650 HV, segundo a norma SAE J 444 (SAE Handbook). A cobertura do jateamento com granalha foi de 100% na superfície. As granalhas não apresentavam tamanho uniforme. As porcentagens de granalha, segundo o seu tamanho, são apresentadas na Tabela 3. Pode-se considerar um diâmetro médio da granalha de 0,875 mm. Tabela 3. Tamanho da granalha em porcentagem (fornecido pela Cindumel) Abertura da Peneira % 1,70 mm 0 1,18 mm 0 1,00 mm 16,09 0,85 mm 55,06 0,71 mm 14,42 0,60 mm 6,39 < 0,60 mm 8,04

4 2.4 Preparação Metalográfica As amostras tratadas termicamente e jateadas foram caracterizadas metalograficamente. O corte das amostras foi feito utilizando-se uma serra de disco com aplicação direta de líquido refrigerante na zona de corte. Deste modo, evitou-se as mudanças microestruturais na peça durante o corte, causadas por aquecimento excessivo. As amostras foram então lixadas e polidas com alumina até ós o polimento as amostras foram atacadas com o reagente metalográfico Nital 10%. 2.5 Medidas de Microdureza Vickers. Após a observação de todas amostras utilizando-se microscopia óptica, foram realizadas medidas de microdureza Vickers nas amostras tratadas termicamente e jateadas com granalhas. Essas medidas foram realizadas em amostras polidas e não atacadas metalograficamente. Isso facilita a observação da indentação. Utilizou-se uma carga de 50g para todas as amostras. As medidas de microdureza foram feitas ao longo da espessura das placas, as quais começaram na superfície jateada com granalha. A distância entre as medidas foi de 0,1 mm. Foram realizadas três medidas de microdureza à mesma distância da superfície e em regiões distintas, para se obter representatividade estatística. Os valores apresentados nos gráficos a seguir são as médias destas medidas. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Microscopia Óptica. A microestrutura do aço estudado, após o tratamento térmico de recozimento, é apresentada na Figura 2-a. Essa microestrutura é composta por uma matriz ferrítica e partículas esferoidizadas de Fe 3 C (cementita). A finalidade deste tratamento em aços com elevado teor de carbono é atingir o máximo de ductilidade e aumentar a tenacidade. Já a microestrutura apresentada na Figura 2-b, é do aço temperado e é composta por uma mistura de bainita e martensita. (a) (b) Figura 2. Microestrutura do aço SAE 1070 a) recozido e b) temperado Nas Figuras 3 e 4 são apresentadas micrografias do aço estudado, após o jateamento com granalhas. Na Figura 3, observa-se que o efeito do jateamento nas superfícies das amostras do aço recozido e do aço temperado é bastante diferente. A superfície do aço recozido se apresenta mais ondulada do que a do aço temperado, devido a sua maior ductilidade. O aço temperado também apresenta melhor acabamento superficial. Na Figura 4, pode ser observada a superfície do aço estudado após o jateamento com maior detalhe. Na amostra do aço SAE 1070 recozido podem ser observadas microtrincas na superfície, formadas devido ao impacto das granalhas. Observando-se mais atentamente, verifica-se que essas microtrincas seguem as linhas de deformação formadas, onde também podem ser observados grãos ligeiramente deformados. Essa região pode ser observada até aproximadamente 0,2 mm da superfície. Abaixo dessa distância da superfície não é

5 mais possível observar o encruamento do material. A formação de microtrincas, bem como o encruamento, não são observados, utilizando microscopia óptica, na amostra temperada. É importante mencionar que a formação de microtrincas nas peças recozidas não são um problema do ponto de vista mecânico. Essas microtrincas não aumentam de tamanho sob cargas repetitivas de tração no tempo, pois ocorre uma superposição destas com os esforços residuais de compressão na superfície. (a) (b) Figura 3. Superfície de aço SAE 1070 a) recozido e b) temperado (b) (a) Figura 4. Superfície de aço do aço SAE 1070 a) recozido e b) temperado. 3.2 Microdureza Vickers. Os resultados de microdureza Vickers são apresentados na Tabela 4 e nas Figuras 5 e 6. Na Tabela 4 pode-se observar os valores de microdureza obtidas das duas amostras (recozida e temperada) sem o tratamento do jateamento com granalha. Tabela 4. Resultados de microdureza Vickers nas amostras recozidas e temperadas antes do processo de jateamento com granalha. Tratamento térmico Microdureza Vickers (HV) Recozido 207,4±8,1 Temperado 640,2±13,3 Na Figura 5, pode ser observada a microdureza ao longo da espessura da placa para as duas peças recozidas submetidas a intensidades distintas de jateamento com granalha, a linha horizontal indica a dureza do metal base antes do jateamento com granalha. A linha superior indica jateamento com intensidade 0,83 mm Almen e a inferior o jateamento com intensidade 0,67 mm Almen. A diminuição nos valores de microdureza abaixo de 0,5 mm da superfície, apresentada no gráfico da figura 5, pode ser atribuída ao fato de o resultado que aparece no gráfico ser uma de três medições e

6 tem um desvio padrão. O desvio padrão dos valores de microdureza obtidos é de aproximadamente 10 HV. Essa diminuição na microdureza também pode ser atribuída à formação de um campo residuais de tração, logo abaixo do campo de tensões residuais de compressão. Esse campo de tensões residuais de tração se forma para equilibrar as tensões na seção da chapa. Figura 5. Resultados de microdureza Vickers na amostra recozida, após jateamento com granalhas. As medidas de microdureza Vickers mostram um aumento significativo de dureza na superfície do aço recozido estudado após o jateamento com granalhas. O perfil de dureza apresentado na Figura 5 mostra que a dureza é máxima junto à superfície e cai rapidamente dentro dos primeiros 0,5 mm da mesma. A dureza mínima após o jateamento é a mesma dureza do material antes do jateamento. O aumento de dureza na superfície em relação ao material de partida está entre 45% e 50%. Na Tabela 5 é apresentada a profundidade aproximada da camada endurecida obtida pelo ensaio de microdureza para o aço SAE 1070 recozido. Tabela 5. Profundidade aproximada de camada endurecida obtida pelo ensaio de microdureza para o aço SAE 1070 recozido. Intensidade de jateamento Profundidade de camada com granalha ( f Λ ) endurecida (Z 0 ) 0,67 mm Almen 0,3 mm 0,83 mm Almen 0,5 mm Na Figura 6 podem ser observadas as medições de microdureza ao longo da espessura das placas do aço temperado, submetido a duas intensidades distintas de jateamento com granalha, a linha horizontal representa a microdureza da amostra temperada antes de submetê-la ao jateamento com granalhas. A linha superior indica as medidas na amostra jateada com intensidade 0,83 mm Almen, a linha inferior indica as medidas na amostra jateada com intensidade 0,67 mm Almen. Do mesmo modo que na figura 5, a diminuição nos valores de microdureza abaixo de 0,2 mm da superfície, apresentada no gráfico da figura 6, pode ser atribuída ao fato de o resultado que aparece no gráfico ser uma média de três medições e tem um desvio padrão. O desvio padrão dos valores de microdureza obtidos é de aproximadamente 10 HV. Essa diminuição na microdureza também pode ser atribuída à formação de um campo residuais de tração, logo abaixo do campo de tensões residuais de compressão. Esse campo de tensões residuais de tração se forma para equilibrar as tensões na seção da chapa.

7 Figura 6. Resultados de microdureza Vickers nas amostras temperadas e jateadas com granalhas. As medidas de microdureza Vickers mostram um aumento de dureza na superfície do aço temperado após o jateamento com granalhas, mas não é significativo em relação à dureza do material de partida (aço temperado). O aumento de dureza na superfície em relação à dureza superficial do material de partida está em torno de 5%. É importante comentar que não foi observado encruamento da superfície do aço temperado, como era esperado. Este aço apresenta elevada resistência, por esse motivo somente uma pequena parte da energia da granalha, que impacta a superfície, foi transformada em deformação plástica e por conseqüência, a profundidade da camada encruada é menor do que a do aço recozido. Uma parte do aumento de dureza do aço temperado teria, então, sido causada por tensões residuais de compressão e não pelo encruamento. A profundidade de camada endurecida no aço temperado e jateado é apresentada na Tabela 6. É importante mencionar que as medidas de microdureza foram feitas até o material apresentar os mesmos resultados que o material de partida. Tabela 6. Profundidade aproximada de camada endurecida obtida pelo ensaio de microdureza para o aço SAE 1070 temperado. Intensidade de jateamento Profundidade de camada com granalha ( f Λ ) endurecida (Z 0 ) 0,67 mma 0,10 mm 0,83 mma 0,24 mm 3.3 Relação entre Microdureza e Tensões Residuais segundo Pesquisa de Suresh (1998). É conhecido o fato que o jateamento com granalha introduz tensões residuais de compressão (Benítez, 2002). Utilizando-se a relação entre microdureza e tensões residuais proposta por Suresh (Suresh et al, 1998), foram feitas medidas de microdureza Vickers nas amostras jateadas a partir da superfície, de forma a utilizar esses resultados para se determinar a profundidade do campo das tensões residuais. Logo, os resultados apresentados nas Tabelas 5 e 6 correspondem à profundidade do campo de tensões residuais nos aços estudados. É importante mencionar que a existência de um campo de tensões residuais de compressão aumenta dureza do material metálico. Com isso, os resultados de microdureza obtidos devem ser considerados qualitativos na região sob interferência do jateamento, pois obter os valores de tensão residual exige a utilização de outras técnicas.

8 3.4 Comparação dos Resultados Obtidos com Trabalho de Wang et al (1998). Utilizando a equação (1) de Wang et al (1998) determina-se a profundidade do campo de tensões residuais (Z 0 ) a partir da intensidade do jateamento com granalha ( f ): Z 0 = A0 + K f Λ (1) onde, A 0 =0,04 mm e K=0,781 para o aço objeto de nosso estudo (SAE 1070). O fator K diminui com o aumento do limite de resistência do material jateado com granalha. Onde K é dado por: K =,392 0,611 ( σ / σ ) (2) 1 b Λb!#"%$&')( b=limite de resistência do material *,+.- /+012/ =limite de resistência de material usado como referência na pesquisa de Wang (Wang et al 1998). Na Tabela 7 (Wang et al, 1998), é apresentada a profundidade de campo de tensões residuais criadas no jateamento com granalha utilizando as equações (1) e (2), as quais foram obtidas considerando-se as propriedades mecânicas do aço SAE 1070 laminado apresentadas na Tabela 2 e um diâmetro único da granalha de Ø0,8 mm, que é similar ao diâmetro médio da granalha utilizado neste trabalho (Ø0,875 mm). Tabela 7. Profundidade de campo de tensões residuais com a intensidade do jateamento com granalha segundo estudo de Wang (Wang et al 1998). Intensidade de jateamento Profundidade de campo com granalha ( f Λ ) de tensões residuais (Z 0 ) 0,67 mm Almen 0,56 mm 0,83 mm Almen 0,65 mm Comparando-se os resultados deste trabalho como os resultados do trabalho de Wang (Wang et al 1998) verifica-se que os valores obtidos são muito diferentes. Isto significa que um aço SAE 1070 laminado, recozido ou temperado apresenta tensões residuais após o jateamento muito diferentes. Isto mostra que a microestrutura do material influência de maneira significativa na profundidade de campo das tensões residuais e, provavelmente, na intensidade das mesmas. 4. CONCLUSÕES O aço SAE 1070 recozido apresentou pior acabamento superficial que o aço SAE 1070 temperado. O aço SAE 1070 recozido apresentou um aumento percentual de dureza na superfície, após o jateamento, maior do que o aço SAE 1070 temperado. Os resultados dos ensaios de microdureza forneceram os valores de profundidade de campo de tensões residuais. No entanto, utilizando este ensaio não é possível se determinar o valor das tensões residuais de compressão geradas no jateamento com granalhas. Verificou-se que os valores obtidos de profundidade do campo de tensões residuais são muito diferentes para um aço SAE 1070 laminado, recozido ou temperado. Isto mostra que a microestrutura do material influência de maneira significativa na profundidade de campo das tensões residuais e, provavelmente, na intensidade das mesmas. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao M.Eng. Antenor Ferreira Filho da BRASMETAL WAELZHOLZ o qual cedeu o material de estudo e onde foram realizados os tratamentos térmicos, e ao Eng. Marcos E. B. Fazolari da CINDUMEL, onde foi realizado o jateamento com granalha das amostras. A

9 Gostaríamos também de agradecer aos Departamentos de Engenharia de Mecânica e de Engenharia Metalúrgica da Escola Politécnica da USP pela utilização dos seus equipamentos que possibilitaram a realização deste trabalho. 6. REFERÊNCIAS Benítez, D., 2002, Metodologia de Análise da influência das tensões residuais no comportamento à Fratura, Tese de Doutorado, EPUSP, 158p. Cao, W., Fathallah, R., 1995, Correlation of Almen arc height with residual stresses in shot process, Materials Science and Technology, Vol. 11, pp Chu, J.P., Rigsbee, J.M., Banas, G., Elsayed-Ali, H.E., 1990, Laser-shock processing effects on surface microstructure and mechanical properties af low carbon steel, Materials Science and Engineering, Vol. 260, pp Guagliano, M., 2001, Relating Almen intensity to residual stresses induced by shot peening: a numerical approach, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 110, pp Society of Automotive Engineers, Inc., 1997, SAE Handbook, Vol. 1, pp Suresh, S., Giannakopoulos, A.E., 1998, A new method for estimating residual stresses by instrumented sharp indentation, Acta Materalia, Vol. 46, No.16, pp Wang, S., Li, Y., Yao, M., Wang, R., 1998, Compressive residual stress introduced by shot peening, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 73, pp Wang, S., Li, Y., Yao, M., Wang, R., 1998, Fatigue limits os shot-peened metals, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 73, pp Wheelabrator Corporation, 1977, Shot peening.

10 SHOT-PEENING PROCESSING EFFECTS ON THE MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF A SAE 1070 STEEL Miguel Angel Calle Gonzales, Eng. Department of Mechatronics and Mechanical Systems of Polytechnic School, University of São Paulo Av. Professor Mello Moraes, 2231 CEP São Paulo - S.P. Brazil. Tel: r.203, Fax: miguel.gonzales@poli.usp.br Izabel Fernanda Machado, Dr.Eng. Department of Mechatronics and Mechanical Systems of Polytechnic School, University of São Paulo Av. Professor Mello Moraes, 2231 CEP São Paulo - S.P. Brazil. Tel: r.203, Fax: machadoi@usp.br Abstract. Shot-peening is a mechanical process that causes strain hardening on the surface component due to the plastic deformation. The shot peening, by introduction of compressing residual stresses, is used for improving some mechanical properties of a component surface such as the fatigue resistance, stress corrosion, cavitation erosion resistance, surface hardening and casting porosity. In this work a SAE 1070 steel plate specimens were studied after different heat treatments and different intensities of shot-peening. The specimens were characterized by using optical microscopy. After shot-peened microhardness measurements were done in order to determine the hardness profile of the plate specimen. It was possible to determine the hardened layer thickness due shot-peening. The residual stresses were also evaluated by comparing the microhardness results. A significantly difference was observed between the quenched and spheroidized specimens. Finally, the results were compared with results of other works. Keywords: Shot-peening, Plastic deformation, Steel.