Aços ARBL são empregados em variadas aplicações na indústria de transformação. Os benefícios proporcionados por esses materiais os tornam uma solução eficiente, pois sua alta resistência a frio possibilita a redução do peso de estruturas, além de manter as propriedades mecânicas requeridas.

Os aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) são compostos por microestruturas formadas por partículas de martensita dura distribuídas na matriz dúctil de ferrita^(1). Tais materiais são comparados aos aços de dupla fase devido ao seu alto endurecimento na deformação, alta maleabilidade e boa qualidade superficial^(2).

Contribuem para a rigidez e redução do peso de componentes, sendo preferidos na indústria automotiva. Como suas características de formabilidade são boas, eles desempenham um papel efetivo na produção de peças de veículos, tais como sistemas de suspensão, elementos de suporte, vigas longitudinais, componentes transversais e chassis⁽³⁾.

Quando esses materiais são expostos a altas temperaturas, tem-se uma recristalização da microestrutura na zona afetada pelo calor, o que influencia diretamente o limite de resistência do material⁽⁴⁾.

A furação, por outro lado, é um dos processos mais utilizados na fabricação e constitui aproximadamente 33% dos processos de usinagem. Além disso, 25% do processo de fabricação completo consistem em furação⁽⁵⁾. A furação geralmente é um dos últimos processos de usinagem e tem grande importância na natureza econômica da produção^(6).

O processo convencional de furação utiliza uma ferramenta de geometria definida denominada broca, que pode ser de aço-rápido ou de metal duro, com e sem revestimento. Nesse processo ocorre a formação e a remoção de cavaco. A continuidade da retirada de material é garantida pelo movimento relativo de avanço entre a peça e a ferramenta, que ocorre segundo uma trajetória coincidente ou paralela ao eixo longitudinal da ferramenta^(7).

Esse processo de furação deixa rebarbas nas superfícies de entrada e saída da peça. Na entrada, a rebarba se forma quando o material próximo da broca sofre fluxo plástico. Na saída, a rebarba é uma parte do material esfarrapado que se estende para fora da superfície de saída da peça. A rebarba de saída é muito maior que a de entrada, causando problemas em peças móveis como: erros dimensionais, desalinhamento e folgas.

O material da rebarba é endurecido e quebradiço, podendo iniciar uma fissura e desencadear uma falha por fadiga, além de comprometer a segurança dos trabalhadores durante o manuseio. Para evitar esses problemas, faz-se necessária uma operação adicional para remover as rebarbas (rebarbação), que é a última atividade durante a produção⁽⁸⁾.

A furação por escoamento ou fricção (figura 1) é um processo não convencional de usinagem, geralmente a seco, e emprega uma ferramenta especial de metal duro, sendo indicada para materiais dúcteis e de paredes finas⁽⁹⁾. Ao entrar em contato com o material, a combinação entre a rotação e a força axial gera calor pelo atrito entre ferramenta e peça. As temperaturas podem atingir 900 ºC para a ferramenta e 700 ºC para a peça de trabalho. O material é transformado em um estado superplástico.

Figura 1 – Etapas do processo de furação por escoamento[9]

A figura 1 ilustra os cinco passos do processo: a) a ponta cônica da ferramenta se aproxima e toca a peça; b) a fricção na superfície de contato, criada a partir de força axial e velocidade angular relativa entre a ferramenta e a peça de trabalho, produz calor e suaviza o material da peça; c) com o material da peça aquecido e amolecido, a ferramenta a penetra; d) a ferramenta avança até tocar seu ressalto, o que desloca material deixando um colarinho na parte superior da peça; e) finalmente, a ferramenta retorna deixando uma rebarba na parte inferior da peça. Em alguns casos serve como ponto de fixação por brasagem e em outros como ponto de uniões parafusadas^(10).

Trabalhos em relação à furação por escoamento apresen tam:⁽¹¹⁾ furação de chapas de alumínio com 1,0 mm de espessura, onde o ângulo da ferramenta influenciou a força de corte e o torque, e a superfície com melhor acabamento foi obtida na rotação de 2.000 rpm;⁽¹²⁾ furação de chapas de 2,5 mm de espessura de aço S235, aço inoxidável AISI 430 com 1,5 e 2,0 mm de espessura e liga de alumínio Al 5652 com 1,5 mm de espessura.

O autor identificou que a força depende consideravelmente da espessura, sendo que a maior força de corte foi obtida quando a seção cônica da ferramenta penetrou a chapa; logo após a força diminui significativamente e o torque atinge seu valor máximo;⁽¹³⁾ na furação de tubos de aço AISI 1015 com 1,0 mm de espessura, o aumento da rotação aumentou a plasticidade e diminuiu o erro dimensional e a rugosidade superficial. Com o aumento do avanço a rugosidade aumentou linearmente, a condição de corte ideal ocorreu com rotação de 4.500 rpm e avanço de 71,36 mm/min; ⁽¹⁴⁾ na furação de chapa de aço ST12 com 2,0 mm de espessura, os autores concluíram que a força de corte e o torque diminuíram com o aumento da rotação e ocorreu um amento da rugosidade da superfície do furo à medida que o avanço aumentou, com diminuição do comprimento da rebarba da superfície de saída; ⁽¹⁵⁾ na furação de chapas de alumínio A7075-T651 e aço ST 37, com espessuras de 2,0, 4,0 e 6,0 mm, os autores concluíram que o aço ST 37 é mais apropriado para furação por escoamento devido ao menor percentual de alongamento do material, com valores de rugosidade de 0,20 µm, para uma rotação de 3.600 rpm e avanço de 75 mm/min.

Ainda, a rebarba apresentada no alumínio foi do tipo pétala, o que dificulta a sua utilização em processos de conformação posterior; ⁽¹⁶⁾ na furação de chapa de aço inoxidável AISI 304 com 2,0 mm de espessura em condições ótimas de operação (1.200 rpm e avanço de 75 mm/ min), a rebarba foi aproximadamente três vezes a espessura da chapa, permitindo que a mesma sirva como mancal, conexão para brasagem e roscada para fixação por parafuso; ⁽¹⁷⁾ obteve uma rebarba entre três e quatro vezes a espessura inicial da chapa de aço TRIP. Na furação de ARBL⁽⁵⁾, analisou o efeito dos parâmetros de corte com duas brocas de 8,0 mm, uma com e outra sem revestimento de TiAlN, concluindo que o desvio no diâmetro aumentou com o incremento do avanço para ambas as ferramentas; ⁽¹⁸⁾ comparou as mesmas brocas em relação à força axial (progressiva) e o torque, o aumento do avanço aumentou as forças e os momentos angulares, para velocidades de corte inferiores (10 e 18 m/ min), as diferenças de força e momento entre as ferramentas de corte foram pequenas, já para velocidades de corte superiores (26 e 42 m/min), as forças e momentos com brocas revestidas foram 43% inferiores às brocas sem revestimento; ⁽¹⁹⁾ modelou a condução de calor transiente no processo de furação de uma placa de ARBL com 36 mm de espessura, validou o modelo com termopares, medindo o fluxo de calor gerado ao utilizar uma broca de 10 mm revestida, a seco, com 2.000 rpm e avanço de 20 mm/ min, obtendo um desvio de 2 °C entre as temperaturas estimadas e medidas; ⁽²⁰⁾ constatou o aumento da rugosidade com aumento do avanço, com velocidade de corte de 200 m/min e avanço de 0,09 mm/rpm; o desgaste de flanco e o desgaste radial foram superiores a 250 µm na furação a seco.

Na literatura encontram-se estudos relacionados às propriedades de aços ARBL após a soldagem. Em relação à fratura de chapas soldadas de ARBL, com limite de escoamento de 315 MPa, ⁽²¹⁾ caracterizou três regiões distintas em ensaio de fadiga de alto ciclo e carga: nucleação de vazios, crescimento e coalescência. Também foram obser vadas peq uenas ondulações alongadas (dimples) no metal-base, características de fratura dúctil; a coalescência de micro cavidades foi o fator predominante do crescimento da trinca no estudo com tensão de sobrecarga induzindo deformação plástica em ARBL com limite de escoamento de 690 MPa e limite de resistência à tração de 790 MPa^(22).

Assim, o trabalho tem por objetivo analisar comparativamente os mecanismos de fratura em corpos de prova submetidos a testes de fadiga após serem furados convencionalmente (com brocas) e por escoamento.

Materiais e métodos

O material utilizado no experimento consistiu em chapas de aço de alta resistência e baixa liga Usiminas LNE 700, com espessura de 4,25 mm, cuja caracterização de composição q uímica e propriedades mecânicas estão presentes na tabela 1. Foram confeccionados corpos de prova de acordo com a ASTM E466, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Dimensões dos corpos de prova[24]

Para a furação convencional utilizou-se uma broca helicoidal de aço-rápido com 11 mm de diâmetro. Na furação por escoamento utilizou-se uma ferramenta para furos retos, de metal duro UK40 com revestimento de TiN e 11 mm de diâmetro. Para cada processo de furação foram utilizados três corpos de prova.

A furação dos corpos de prova foi realizada em um centro de usinagem Romi D800. Ambos os processos utilizaram rotação de 850 rpm e velocidade de avanço de 120 mm/min para garantir que as condições da operação não interferissem nos resultados. Ambas as furações ocorreram na posição vertical, em sentido descendente e sem pré-furo (furação em cheio). A furação convencional deixou rebarbas na superfície em que a broca entrou e também na superfície de saída da peça (figura 3a).

Figura 3 – Corpos de prova: a) furação com broca; b) - c) furação por escoamento

 

Devido ao atrito gerado na furação por escoamento, a geometria da ferramenta auxilia no deslocamento localizado de material da peça. Parte desse material se desloca para cima formando uma argola que é conformada pelo colar da ferramenta (figura 3b). E outra parte do material escoa para baixo, formando a rebarba inferior (figura 3c). O material escoado forma uma bucha que, em muitos casos, é utilizada para o rosqueamento por conformação, eliminando rebites e porcas dos processos de produção de componentes do setor automobilístico, moveleiro, de máquinas agrícolas e de galpões na construção civil(23).

Após as furações, ensaios de fadiga foram realizados em uma máquina tipo push-pull Shimadzu modelo ServoPulser tipo E, em uma frequência de 5 Hz, com 60% da tensão de escoamento. Após os ensaios de fadiga, a região transversal aos furos foi embutida e preparada para análise superficial ao microscópio óptico Zeiss, modelo Scope A1.

Na furação por escoamento, constataram-se quatro regiões distintas em função do aporte térmico do processo. Dessa forma, essa superfície foi analisada ao microscópio eletrônico de varredura (MEV), marca Tescan, modelo Vega 3 LMU, visando verificar a ocorrência de alterações microestruturais no aço ARBL. As superfícies fraturadas dos corpos de prova de ambos os processos de furação também foram analisadas ao MEV a fim de identificar o mecanismo que desencadeou a trinca e posterior colapso.

Resultados e discussões

Na análise visual da seção transversal dos furos real izados na fu ração convencional (figura 4a), percebe-se um desvio na borda do furo, possivelmente provocado pela vibração na broca ou pela geometria da mesma. Na furação por escoamento, a temperatura pode chegar até 700 °C na peça(10) e apesar de a temperatura não ter sido medida durante o ensaio, verificaram-se ciclos térmicos na macroestrutura do material, o que é similar ao processo de soldagem (figura 4b).

Figura 4 – Seção transversal do furo: a) furação convencional; b) furação por escoamento

As regiões foram divididas e seu comprimento medido: a borda do furo (1) apresenta aproximadamente 0,58 mm; a zona termicamente afetada – ZTA (2) tem aproximadamente 1,12 mm; a interface (3) entre ZTA e metal-base (4) tem aproximadamente 0,53 mm.

Ambas as furações ocorreram na vertical e com as ferramentas atacando a peça de cima para baixo. Na entrada da broca não ocorreu formação de rebarba e o perfil do furo indica que o início da remoção do cavaco ocorreu a aparentemente 45°; nota-se um desvio na forma do furo e formação de rebarba na saída da broca.

O perfil do furo pode indicar um erro geométrico de batimento provocado pela vibração na entrada da broca na peça, o que resultou em um furo com desvio. Outra possibilidade é uma diferença na largura das arestas da broca, o que provoca também um desvio no corte (figura 5a).

Na furação por escoamento há um desvio no furo, e não há remoção do cavaco; o material do furo é escoado para a parte superior, formação do colarinho, e formação da rebarba na parte inferior com aproximadamente a espessura da chapa (4,25 mm).

A forma final garantiu à peça um incremento na espessura totalizando aproximadamente 10 mm, o que torna o processo benéfico para a conformação de roscas com utilização de machos (Figura 5b).

Figura 5 – Região da borda do furo: a) convencional; b) por escoamento

Na furação convencional, o material com ductilidade moderada tende a se alongar até certo ponto durante a formação da rebarba, resultando em uma grande altura da mesma que é indesejável e requer um processo posterior para sua remoção.

Kim et al.(26) observaram uma altura de rebarba de 0,18 mm na furação do AISI 4118. Na furação por escoamento, a rebarba é benéfica, aumenta a espessura da chapa para materiais com alta ductilidade(16, 17) e boas propriedades mecânicas, permitindo um processo de conformação de roscas ou brasagem em tubos. Özek e Demir(15) mediram uma altura de rebarba de 6 a 7 mm na furação de aço ST 37 com 4 mm de espessura. Miller et al.(27) mediram uma altura de rebarba de 2,96 mm para na chapa de AISI 1020 com 1,56 mm de espessura e 4,12 para a chapa de AISI 4130 com 1,43 mm de espessura. Matysiak e Bernat(30) obtiveram altura de rebarba de 5,96 mm em chapas de aço de baixo carbono com 2 mm de espessura.

A figura 6 apresenta imagens da superfície do material, realizada na região do furo por escoamento, obtidas através do MEV: a) borda do furo; (b) ZTA; (c) metal-base; (d) região de interface entre a ZTA e o metal-base. A ampliação utilizada foi de 6.000 vezes com exceção da letra (d), na qual a ampliação foi de 2.000 vezes. Para o metal-base verificam-se grãos alongados característicos do processo de conformação de aços ARBL.

Figura 6 – Imagens de MEV realizada em corpo de prova furado por escoamento

 

À medida que os pontos de análise vão se aproximando do centro do furo, é notável uma recristalização dos grãos referentes às altas temperaturas geradas no processo (a). Esse fenômeno também é evidenciado na zona termicamente afetada (b). Na região de interface entre o metalbase e a ZTA (d) é possível verificar a transição entre os grãos recristalizados (lado esquerdo) e os grãos encruados e equiaxiais (lado direito).

Pela observação verificou-se a ocorrência de alterações microestruturais, provenientes da transformação de fases e os mecanismos de recuperação, recristalização e refino de grão em função do aporte térmico conferido pelo processo de furação por escoamento. No ensaio de fadiga, o corpo de prova furado por escoamento suportou aproximadamente quatro vezes mais ciclos de carga(24).

O trabalho também mediu a microdureza nas regiões mostradas na figura 6, as quais não apresentaram estatisticamente diferenças significativas. Miller et al.(27) constataram uma região de grãos equiaxiais de granulação relativamente fina que se estendem radialmente à superfície do furo. Na mesma região da subsuperfície, é visível uma região maior de grãos alongados.

Na análise da superfície fraturada, percebeu-se que na furação convencional a trinca teve início da borda do furo em direção à extremidade do corpo de prova, ao passo que o início da propagação desta trinca foi acentuado por questões de rugosidade superficial, conforme mostra a figura 7a.

O número um (1) indica o lado do corpo de prova em que a fratura começou. Na figura 7b os dimples são mais evidentes em relação à fractografia do corpo de prova furado por escoamento, evidenciando a ruptura de um material com boa ductilidade quando submetido ao ensaio de fadiga cíclica.

Figura 7 – Fractografia na região em que se iniciou a fratura na furação convencional: a) borda; b) dimples

Ao analisar o aspecto da fratura proporcionada pelo ensaio de fadiga no material furado por escoamento, observa-se que a trinca teve início na região da rebarba (ZTA) para o centro do furo (figura 8a). Para Shigley(25), a razão e a direção de propagação da trinca de fadiga são controladas primeiramente por tensões localizadas e pela estrutura do material nessa região.

A figura 8b revela a presença de alvéolos (dimples) remanescentes de cavidades nucleadas. O coalescimento de microcavidades seguido da união destas caracteriza a fratura do tipo dúctil. Em ensaios de fadiga em chapas soldadas de aço ARBL, Zhang et al.(29) relataram microfissuras múltiplas mais severas na ZTA, indicando uma mudança nas propriedades do material com falha microplástica por meio da coalescência dos microvazios.

               Figura 8 – Fractografia da região que iniciou a fratura na furação por escoamento: a) rebarba; b) dimples.

As fractografias indicam que o mecanismo de fratura nos dois modelos de corpos de provas ocorreu da mesma forma.

Na furação convencional o coalescimento de microcavidades foi significativo para a falha no corpo de prova, corroborando o encontrado na literatura(21 e 22), sendo que os dimples ficaram mais evidentes.

Na furação por escoamento, os dimples foram menores. Nathan et al.⁽²⁸⁾ relacionaram dimples finos e secundários com dissimilaridade substancial no tamanho e alinhamento dos mesmos na superfície da fratura, o que não foi encontrado em ambos os casos. A furação convencional apresentou maior número de vazios, o que pode indicar que a fratura dúctil ocorreu com redução considerável da resistência à tração.

Conclusão

Neste trabalho, corpos de prova feitos a partir de chapas de aço ARBL com 4,25 mm de espessura foram furados de forma convencional (com broca) e por escoamento. Em seguida, foram submetidos a testes de fadiga e os mecanismos de fratura foram investigados.

Ambos os processos de furação geraram rebarbas, que na furação com broca são indesejáveis, enquanto na furação por escoamento aumenta a espessura da chapa para materiais com alta ductilidade.

O fluxo de calor neste processo produziu diferentes regiões, o que resultou em mudanças na microestrutura.

A temperatura da furação por escoamento poderia influenciar na fragilização do material, mas a formação do anel (argola), que é uma característica do processo e varia de acordo com a geometria da ferramenta, atua como uma barreira para a propagação de trincas, reduzindo o fator de concentração de tensão no furo.

O mecanismo de fratura em ambos os processos ocorreu por fratura dúctil resultante da nucleação, crescimento e coalescência de microcavidades.

Os dimples foram mais evidentes e com maiores vazios na furação convencional. Na furação por escoamento, o número de vazios diminuiu.

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