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Propriedades de Fadiga de Parafusos de Alta Resistência Mecânica Parte 1

Resumo

Parafusos de alta resistência mecânica (classe ISO 10.9), fabricados com dois aços diferentes, são utilizados para investigar a influência da temperatura de revenido e sequência do processo de fabricação (laminação da rosca antes e após o tratamento térmico) no limite de fadiga. Parafusos M8 com rosca grossa foram divididos em sete grupos diferentes: três fabricados com aço AISI 4135 e tratados termicamente após laminação da rosca com temperaturas de revenido 490, 520 e 550º; e quatro fabricados com aço SCM 435H. Desses quatro últimos grupos, três foram idênticos aos fabricados com aço AISI 4135, e um grupo teve a rosca laminada após o tratamento térmico, com temperatura de revenido de 550ºC.

Nesses grupos foram realizadas análises metalográficas e de micro-inclusões, ensaios de tração, microdureza Vickers e fadiga, sendo esse último com précarga constante de 700 MPa e utilizando o método estatístico “staircase” para a determinação do limite de fadiga. A análise de micro-inclusões mostrou que o aço AISI 4135 possui uma quantidade de inclusões muito superior ao aço SCM 435H. Os ensaios de microdureza e de tração revelaram que os parafusos com laminação da rosca após tratamento térmico possuem níveis de resistência mecânica inferiores somente aos grupos revenidos a 490ºC. Todos os grupos com laminação da rosca antes do tratamento térmico apresentaram praticamente o mesmo limite de fadiga, mostrando que variações de até 60ºC no tratamento de revenido não interferem no limite de fadiga. Por outro lado, o grupo com laminação da rosca após tratamento térmico apresentou um limite de fadiga de aproximadamente 9% superior ao grupo tratado nas mesmas condições, porém com laminação da rosca antes do tratamento térmico.

Introdução

A literatura sobre fadiga em parafusos com rosca laminada antes e após o tratamento térmico é contraditória.

Em muitos casos, os ensaios de fadiga axial foram realizados com razão de cargas (R) igual a 0,1, o que não representa uma condição de pré-carga desejável, já que os parafusos de alta resistência mecânica são utilizados com alta pré-carga e, consequentemente, alta razão de carga. Estes resultados benéficos, geralmente, têm sido extrapolados para altas razões de cargas sem verificação se, de fato, isso se verifica.

No entanto, algumas pesquisas sugerem que os benefícios devido à laminação da rosca após tratamento térmico serão reduzidos significativamente para altas razões de cargas. Essa redução pode estar associada a um alívio da tensão residual superficial decorrente da alta pré-carga [1]. Sob esta incerteza, a indústria de parafusos tende a preferir a laminação da rosca antes do tratamento térmico, de forma que a vida da matriz de laminação é maximizada e os custos minimizados. Além disso, laminar a rosca dos parafusos após o tratamento térmico completo resulta em uma substituição mais frequente das matrizes nas máquinas de laminação, reduzindo as taxas de produção e aumentando os custos [2, 4].

Diante da necessidade constante da otimização das propriedades mecânicas, principalmente da resistência à fadiga dos parafusos de alta resistência mecânica, este trabalho tem por objetivo caracterizar e analisar a influência da temperatura de revenido, da sequência dos processos de fabricação (laminação da rosca antes e após o tratamento térmico) e da quantidade de micro-inclusões contidos na matéria-prima, na microestrutura (por microscopia óptica), nas propriedades mecânicas básicas (ensaios de dureza e tração) e, principalmente, no limite de fadiga axial de parafusos M8, com 40 mm de comprimento, rosca grossa e de alta resistência mecânica (classe ISO 10.9), fabricados com dois aços diferentes: AISI 4135 e SCM 435H.

Materiais e métodos

Parafusos M8, com 40 mm de comprimento, rosca grossa e de alta resistência mecânica (classe ISO 10.9) foram fabricados a partir de dois fios-máquinas com origens diferentes, sendo um proveniente da empresa Belgo Bekaert Arames S.A., que será denominado neste trabalho como AISI 4135 e o outro proveniente da empresa O&K Company Limited, que se baseia na norma SCM 435H e será denominado neste trabalho como SCM 435H. Esses fios-máquinas são obtidos com diâmetro entre 7,80 e 7,85 mm, em uma condição favorável ao processo de forjamento, ou seja, com baixos níveis de resistência mecânica e altos níveis de ductilidade [4].

As análises químicas dos fios-máquinas dos aços AISI 4135 e SCM 435H foram realizadas em um analisador LECO para a determinação do teor de carbono e enxofre e para os demais elementos utilizou-se um espectrômetro de fluorescência de raios X SHIMADZU EDX 900HS.

A caracterização microestrutural das amostras foi realizada através de um microscópio óptico da marca Zeiss, modelo Neophot 32. Amostras da seção longitudinal dos fios-máquinas e dos parafusos foram preparadas de acordo com a norma ASTM E 3 (2001), sendo em seguida atacadas por imersão em Nital 2%.

A análise de inclusões foi realizada em conformidade com o método D da norma ASTM E45 (2005) utilizando-se um aumento de 100X em um microscópio óptico da marca Olympus, modelo GX51. Para cada amostra de 160mm2, foram medidos 320 campos com 100X de ampliação (área de 0,5 mm² para cada campo).

As inclusões nos aços estudados são constituídas por: (tipo A) de sulfetos de manganês, (tipo B) óxidos de alumínio alinhados, (tipo D) óxidos globulares. Neste contexto, cabe ressaltar que não foram observadas inclusões de silicatos.

Os ensaios de tração foram conduzidos em uma máquina servo-hidráulica da marca MTS modelo Test Star II, com capacidade de 10 toneladas, com velocidade de deslocamento do pistão de 0,02 mm/s. Os ensaios de tração nos fios-máquinas foram realizados de acordo com a norma ISO 6892 (1998).

Os ensaios de dureza foram realizados em um microdurômetro da marca Buehler modelo 2100, com carga de 1 kgf, de acordo com a norma ASTM E 384 (2007).

Os ensaios foram realizados na região central da superfície longitudinal dos parafusos e fios-máquinas, nas amostras utilizadas na análise metalográfica, ou seja, amostras embutidas, lixadas, polidas e atacadas. Foram realizadas três medidas para cada condição estudada e para cada fio-máquina.

Os ensaios de fadiga axial foram realizados em parafusos inteiros, segundo a norma ISO 3800 (1993), com o objetivo de se obter o limite de fadiga em 106 ciclos. Os ensaios foram realizados na mesma máquina do ensaio de tração através de solicitação do tipo tração-tração, sob uma onda senoidal, frequência de 25 Hz e pré-carga de 700 MPa (25,62 kN) para as condições estudadas.

Resultados e discussão

A tabela 1 apresenta os resultados das análises químicas correspondente aos dois fios-máquinas utilizados no processo de fabricação dos parafusos. Foi possível observar pequenas diferenças na concentração de determinados elementos de liga, sendo estas irrelevantes sobre as propriedades mecânicas dos materiais de causas associadas a imprecisões dos métodos de análise empregados, ou por pequenas variações de composição entre regiões distintas do fio-máquina.

Tabela 1. Composição química dos principais elementos dos aços AISI 4135 e SCM 435H produzidos pela Belgo Bekaert Arames S.A. e O&K Company Limited, respectivamente.

A figura 1 apresenta as micrografias retiradas das seções longitudinais dos fios-máquinas e observadas por microscopia óptica após ataque por imersão em Nital 2%.

Em ambos os casos, a microestrutura possui uma matriz ferrítica com carbonetos esferoidizados, sendo também possível observar que a matriz de ferrita de ambos aços é composta por grãos predominantemente equiaxiais com tamanho de grão semelhante. Somado a isso, a microestrutura do fio-máquina fabricado com aço AISI 4135 aparentemente apresentou uma quantidade de carbonetos esferoidizados muito superior àquele fabricado com aço SCM 435H, atribuindo diferentes propriedades mecânicas ao material.

A análise micrográfica dos parafusos não revelou diferenças significativas, apresentando martensita revenida esperada do processo de fabricação. Assim, a diferença microestrutural entre os fios-máquinas foi suprimida devido ao tratamento térmico que os parafusos são submetidos durante o processo de fabricação.

A figura 1 apresenta as microestruturas dos parafusos fabricados com aço AISI 4135 revenido a 490ºC com laminação da rosca antes do tratamento térmico (N490), assim como daqueles fabricados com aço SCM 435H revenidos a 550ºC com laminação da rosca após o tratamento térmico (I550LATT). Nesta análise, foi possível observar que o grupo I550 LATT apresentou linhas de laminação bem definidas nos contornos da raiz dos filetes da rosca, em função da laminação ter ocorrido após o tratamento térmico de têmpera e revenimento, o que, por sua vez, pode estar relacionado com o atraso no crescimento de trincas por fadiga [3], como também pode ser observado pela mesma figura.

O aço AISI 4135 apresentou quantidade de inclusões superior ao SCM 435H. Por outro lado, o aço AISI 4135 apresentou basicamente óxidos globulares das séries fina e grossa; enquanto, que o aço SCM 435H apresentou quantidades um pouco superiores de sulfetos e óxidos de alumínio alinhados, além de uma quantidade muito inferior de óxidos globulares.

É possível observar por meio das micrografias da figura 2, sem ataque químico, da seção longitudinal dos fios-máquinas, que inclusões do tipo A (sulfeto de manganês) e do tipo B (óxidos de alumínio) estão alinhadas na direção de laminação do fio-máquina, ou seja, na direção de aplicação de carga axial, permanecendo nesta posição mesmo após a fabricação dos parafusos. Caso contrário, estas inclusões afetariam significativamente no limite de fadiga do material.

Em se tratando de parafusos laminados após tratamento térmico, a norma ISO 898-1 (1999) não recomenda a usinagem de corpos-de-prova a partir de parafusos para a realização dos ensaios de tração, pois como esses parafusos possuem tensões residuais de compressão nas raízes dos filetes da rosca e um alinhamento dos grãos nestas regiões, os resultados poderiam não representar a realidade.

Portanto, houve a necessidade de realizar ensaios de tração em parafusos inteiros, pois só assim foi possível comparar todas as condições estudadas. A Tabela 2 mostra os resultados desses ensaios em termos do limite de resistência à tração.