Análise da vida em fadiga no torneamento de materiais endurecidos

Abstract

O crescente aumento de demanda por veículos elétricos tem fomentado a otimização de processos de fabricação utilizando aços de elevada dureza, devido a sua capacidade de resistir a maiores esforços mecânicos e possuírem grande aplicação na indústria automotiva. Nesse contexto, objetivou-se realizar uma análise de vida em fadiga por flexão rotativa após o processo de torneamento dos aços SAE 52100, SAE 8620 e SAE 4340, visando verificar a influência de diferentes níveis de desgaste de ferramentas de metal-duro. Para isso, realizou-se o ajuste de uma bancada para ensaio de fadiga por flexão rotativa, de modo que ela atingisse robustez necessária para testar os materiais em questão. Após isso, corpos de prova foram fabricados e tratados termicamente utilizando o processo de têmpera e revenimento para os aços SAE 52100 e 4340 e cementação para o aço SAE 8620, visando atingir níveis de dureza entre 54 e 60 HRC. Com os materiais nos patamares de dureza desejados, foram realizados os ensaios de torneamento, usinando a região de menor diâmetro dos corpos de prova com ferramentas previamente desgastadas, sendo utilizado como referência os valores de desgaste de flanco VBmáx de 0 mm, 0,1 mm e 0,2 mm. Após os ensaios de torneamento, realizou-se uma análise da rugosidade utilizando um microscópio de variação de foco, com o objetivo de verificar as alterações do estado da superfície geradas pelo processo. Posteriormente, realizou-se o ensaio de fadiga por flexão rotativa. Todos os materiais foram testados nas condições previamente definidas. Buscou-se aplicar uma carga considerando uma situação de vida infinita, para posteriormente comparar se ocorreram alterações entre os ensaios realizados. Por fim, realizou-se uma análise de variância que permitiu identificar que as características do material surtiram maior efeito nos resultados analisados do que o próprio processo de usinagem, fato que pode estar associado aos perfis de tensão residual presentes em cada material. Os aços SAE 8620 e SAE 4340 apresentaram aumento na rugosidade conforme o desgaste de flanco (VBmáx) aumentou, enquanto o aço SAE 52100 mostrou o efeito contrário, com redução na rugosidade. O aço SAE 4340 teve uma vida em fadiga aumentada à medida que a rugosidade diminuiu, comportamento similar ao do SAE 52100, que atingiu vida infinita nos ensaios com desgaste de flanco de 0,2 mm. Esse fenômeno pode estar relacionado ao aumento do desgaste de flanco e à introdução de tensões residuais compressivas, como observado na literatura, resultando no aumento da vida dos corpos de prova. No caso do aço SAE 8620, a vida em fadiga cresceu com o aumento do desgaste de flanco, possivelmente devido a tensões residuais compressivas de maiores magnitudes, que superaram a influência da rugosidade. Conclui-se que a combinação de tensões residuais e parâmetros de usinagem é crítica para otimizar a durabilidade.

Abstract: The increasing demand for electric vehicles has driven the optimization of manufacturing processes using high-hardness steels, due to their ability to withstand greater mechanical stresses and their wide application in the automotive industry. In this context, the objective was to conduct a fatigue life analysis under rotational bending conditions after the turning process of SAE 52100, SAE 8620, and SAE 4340 steels, aiming to evaluate the influence of different levels of wear on carbide tools. To achieve this, a rotational bending fatigue test bench was adjusted to ensure the necessary robustness to test the materials in question. Subsequently, specimens were manufactured and heat-treated using the quenching and tempering process for SAE 52100 and SAE 4340 steels, and carburizing for SAE 8620 steel, aiming to achieve hardness levels between 54 and 60 HRC. With the materials at the desired hardness levels, turning tests were conducted, machining the smaller diameter region of the specimens using pre-worn tools, with flank wear values (VBmáx) of 0 mm, 0.1 mm, and 0.2 mm as reference. After the turning tests, surface roughness was analyzed using a focus variation microscope to assess the changes in surface condition generated by the process. Subsequently, rotating bending fatigue tests were performed. All materials were tested under the previously defined conditions. A load was applied considering an infinite life scenario, and later comparisons were made to identify any variations between the tests.Finally, an analysis of variance was conducted, revealing that the material characteristics had a greater effect on the results than the machining process itself, a fact that may be associated with the residual stress profiles present in each material. SAE 8620 and SAE 4340 steels showed an increase in roughness as flank wear (VBmáx) increased, while SAE 52100 steel exhibited the opposite effect, with a reduction in roughness. SAE 4340 steel experienced an increase in fatigue life as roughness decreased, a behavior similar to that of SAE 52100, which achieved infinite life in tests with 0.2 mm flank wear. This phenomenon may be related to the increase in flank wear and the introduction of compressive residual stresses, as observed in the literature, resulting in increased specimen life. In the case of SAE 8620 steel, fatigue life increased with higher flank wear, possibly due to compressive residual stresses of greater magnitudes, which outweighed the influence of roughness. Therefore, testing the combination of residual stresses and process parameters is crucial to optimizing the durability of the materials considered.