A capacidade de um componente exercer de forma adequada a função para a qual foi projetado está diretamente relacionada com a sua integridade superficial. Ela abrange características como rugosidade, tensões residuais, alterações na microestrutura e dureza, e é fortemente influenciada pelo processamento ao qual o componente mecânico foi submetido. A superfície, mesmo representando uma proporção menor do material em relação ao seu núcleo, possui uma grande influência no desempenho de um componente mecânico, além de estar submetida ao contato com o ambiente sendo, portanto, relacionada a propriedades como o atrito, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e resistência à fadiga mecânica do material. Qualquer material metálico está sujeito à corrosão, que é um processo natural que tenta reverter a ação química do processo de refino. Em seu estado natural, metais quimicamente estáveis são encontrados principalmente como óxidos ou como sulfetos nos minérios. As formas mais puras dos metais, que permitem as mais diversas utilizações na indústria, são conseguidas por meio de processos de refino que consomem energia. No entanto, o processo de reversão para a condição natural quimicamente estável progride inexoravelmente, a menos que seja impedido por ações deliberadas⁽¹⁾.

A corrosão é certamente um fenômeno muito complexo e multifacetado, dificilmente vinculado a uma teoria de parâmetro único. Uma primeira classificação genérica divide a corrosão em generalizada (ou corrosão uniforme) e localizada. Ambas são fundamentalmente processos eletroquímicos, mas enquanto a primeira afeta quase uniformemente toda a superfície exposta ao agente corrosivo, a segunda ataca o metal local e seletivamente⁽²⁾. A corrosão generalizada resulta na formação de uma camada de óxido na superfície do material que avança muito lentamente, de modo que é efetivamente perigosa apenas em casos de materiais muito finos. Já a corrosão localizada, em vez disso, inicia-se localmente e inesperadamente. Uma vez iniciada, a corrosão prossegue muito rapidamente ao longo de caminhos intergranulares ou transgranulares e pode passar pela espessura de uma peça em questão de minutos ou, no máximo, dias. A iniciação pode durar anos, mas o crescimento é rápido⁽²⁾.

O fenômeno da corrosão é encarado como a destruição dos materiais metálicos e não metálicos em contato com o meio ou ambiente, devido a interações químicas e/ou mecânicas⁽³⁾. Os processos de corrosão são reações de oxidação dos metais, sendo estas reações químicas que consistem em ceder ou receber elétrons, ou seja, o metal age como redutor cedendo elétrons que são recebidos pela substância, o agente oxidante⁽⁴⁾.

A velocidade do processo corrosivo é influenciada pelo meio em que o material se encontra. A presença de sais dissolvidos pode agir acelerando ou retardando a velocidade do processo corrosivo. Entre os sais que influenciam com maior frequência os processos de corrosão, estão: cloretos, sulfatos, sais hidrolisáveis, sais oxidantes e bicarbonatos de cálcio, magnésio e de ferro.

O efeito do cloreto de sódio na corrosão deve-se ao fato de este sal ser um eletrólito forte, ocasionando, portanto, um aumento de condutividade elétrica, que é fundamental no mecanismo eletroquímico de corrosão^(4,5).

A corrosão de superfícies metálicas pode ser controlada ou reduzida pela adição de compostos químicos ao meio corrosivo. Os inibidores são adsorvidos na superfície do metal por adsorção física (eletrostática) ou quimissorção, formando uma camada protetora⁽⁶⁾. Além da utilização de inibidores, um dos métodos mais comuns adotados para prevenção da corrosão é o uso de revestimentos metálicos⁽⁷⁾.

Além da corrosão, outro fenômeno que provoca falhas em materiais metálicos é a fadiga. A fadiga mecânica é um dano progressivo que ocorre em materiais sujeitos a cargas cíclicas cujos valores máximos são inferiores à tensão de escoamento do material⁽⁸⁾. Além disso, para que a falha por fadiga ocorra é necessário que as tensões sejam trativas em pelo menos algum instante de tempo⁽⁹⁾. A fadiga é o resultado de um processo cumulativo que pode ser dividido nas etapas de início da trinca, propagação e ruptura final. Quando esforços cíclicos são realizados em materiais que sofreram corrosão localizada, as regiões de corrosão podem atuar como concentradores de tensão, reduzindo a resistência à fadiga mecânica.

A resistência à fadiga mecânica de um componente é influenciada pelas condições de rugosidade e dureza, sendo ampliada com a diminuição da rugosidade e com o aumento da dureza superficial⁽¹⁰⁾. A indução de tensões residuais compressivas também é indicada como uma das formas de ampliar a resistência à fadiga mecânica de um material, sendo considerada uma das formas mais efetivas^(11,12). Para o controle das propriedades superficiais dos materiais podem ser utilizados vários tipos de tratamentos superficiais, sendo esses divididos em quatro categorias: revestimentos, térmicos, termoquímicos e mecânicos⁽¹³⁾. Os revestimentos consistem na aplicação de um novo material sobre a superfície e são normalmente utilizados para a fabricação de superfícies com elevada dureza e resistência ao desgaste para prevenir danos superficiais ou para a diminuição do coeficiente de atrito durante o contato⁽¹⁴⁾. No caso dos tratamentos de eletrodeposição podem ocorrer reduções de até 60% da resistência à fadiga mecânica, comportamento que é atribuído à indução de tensões residuais de tração na superfície^(13,15). Esse comportamento ocorre porque, ao contrário das tensões compressivas, que são benéficas e aumentam a resistência à fadiga mecânica dos materiais, as tensões trativas são prejudiciais e podem facilitar a propagação das trincas^(15,16). Deve-se destacar, porém, que em ambientes agressivos a melhoria da resistência à corrosão gerada pela deposição de materiais pode superar a diminuição da resistência à fadiga⁽¹³⁾.

No caso dos tratamentos térmicos, estes são utilizados para induzir modificações metalúrgicas nos materiais. Eles podem ser capazes de aumentar a dureza e a resistência do componente, como a têmpera seguida de revenimento, ou alterar as tensões residuais, como no caso da normalização⁽¹⁵⁾. Os tratamentos termoquímicos que proporcionam aumento da resistência na superfície sem afetar as propriedades do interior do material também são capazes de ampliar a sua resistência à fadiga. Os tratamentos termoquímicos, tais como nitretação e cementação, além de aumentar a resistência da camada superficial, ainda induzem tensões compressivas na superfície^(14,15).

Já os tratamentos mecânicos deformam plasticamente a superfície dos materiais, provocando o encruamento e induzindo tensões residuais compressivas. Esses tratamentos são capazes inclusive de reduzir ou eliminar os efeitos negativos dos revestimentos sobre as tensões residuais superficiais, sendo muitas vezes usados de forma combinada. Os tratamentos mecânicos mais importantes são o jateamento e o roleteamento⁽¹³⁾, mas também pode ser citado o tratamento superficial por atrito mecânico – SMAT (de surface mechanical attrition treatment)⁽¹⁷⁾. O jateamento é um processo no qual materiais duros com uma geometria específica, normalmente esférica, são arremessados contra a peça a ser tratada. Esse processo gera tensões superficiais de compressão e aumenta a resistência à fadiga mesmo em condições de corrosão. As tensões residuais são geradas pela diferença entre a deformação plástica sofrida pela superfície e pela região interna do material^(18,19). O jateamento pode utilizar diferentes formas de aceleração das partículas, sendo essas rodas giratórias, ar comprimido ou a própria gravidade⁽¹⁹⁾. Normalmente são utilizadas esferas com diâmetros entre 0,2 e 1 mm que alcançam velocidades de até 100 m/s, atingindo a superfície tratada em uma direção normal. No entanto, o jateamento produz efeitos prejudiciais sobre a qualidade superficial^(16,20), o que exige, em alguns casos, um tratamento posterior para redução da rugosidade e descontaminação da superfície⁽²¹⁾. Já no tratamento SMAT são utilizadas esferas de 1 até 10 mm de diâmetro que são aceleradas por meio de uma vibração ultrassônica, atingindo velocidades entre 1 e 20 m/s⁽¹⁷⁾. No SMAT as esferas aceleradas são colocadas em uma câmara juntamente com o material a ser tratado, se movimentando livremente e permitindo direções de impacto aleatórias. Além da diferença de tamanho e velocidade das esferas entre o jateamento e o SMAT, existe ainda a exigência em relação ao seu acabamento: as esferas utilizadas no SMAT devem possuir superfícies com rugosidade baixa⁽²²⁾.

Já o processo de roleteamento ocorre quando um elemento rolante feito de um material com alto módulo de elasticidade é pressionado contra a superfície de uma peça sob uma força definida, deformando-a plasticamente e deslocando o material dos picos de rugosidade para os vales^(10,23). O roleteamento é utilizado pelas indústrias automotiva, de aviação, mecânica em geral e até no tratamento superficial de implantes médicos^(19,24), possuindo aplicações também na fabricação de moldes, eixos, pás de turbinas e compressores, suspensões automotivas e superfícies de rolamentos⁽²⁵⁾. O roleteamento pode ser aplicado utilizando-se máquinas-ferramenta convencionais, fazendo uso dos mesmos métodos de fixação das peças utilizados na usinagem⁽¹⁹⁾.

As tensões residuais compressivas obtidas após o roleteamento são criadas após a recuperação elástica do material nas regiões próximas às que foram plasticamente deformadas^(26,27). Além disso, o processo provoca o encruamento superficial e tem como principais vantagens em relação ao jateamento a maior profundidade da camada alterada e a diminuição da rugosidade superficial^(21,24).

A diminuição da amplitude de rugosidade obtida com o roleteamento auxilia na inibição da nucleação de trincas por reduzir o caráter concentrador de tensões, ampliando a resistência à fadiga do material⁽²⁸⁾. A combinação de rugosidade mais baixa e tensão residual compressiva de maior intensidade é responsável pelo aumento da resistência à fadiga dos materiais roleteados^(25,28), e as tensões compressivas induzidas pelo roleteamento são capazes de reduzir a nucleação e também a propagação de trincas⁽²⁹⁾.

Além de ampliar a resistência à fadiga, o roleteamento pode ainda aumentar a resistência à corrosão dos materiais⁽²⁴⁾. Testes em amostras torneadas e roleteadas de uma liga de magnésio submetidas a um ambiente corrosivo verificaram que as amostras apenas torneadas apresentaram taxas de corrosão cerca de 100 vezes maiores que as roleteadas⁽³⁰⁾. Melhorias da resistência à corrosão após o roleteamento também foram observadas após tratamento do aço inoxidável duplex⁽³¹⁾. Considerando a capacidade do roleteamento em influenciar as propriedades de fadiga e corrosão dos materiais indicada pela literatura, este trabalho pretende avaliar a influência do roleteamento do aço ABNT 4140 em relação tanto aos esforços cíclicos quanto à exposição a uma solução salina.

 

Metodologia

O aço ABNT 4140 foi adquirido na forma de barras cilíndricas com comprimento de aproximadamente um metro (serradas em peças mais curtas com 100 mm) e diâmetro de 15,875 mm para que fosse possível a fabricação dos corpos de prova de acordo com a geometria estabelecida no manual da máquina de ensaios de fadiga. Após a usinagem dos furos de centro, foi realizada em um torno CNC a etapa de desbaste, utilizando um suporte de tornear externo Mitsubishi Carbide código ISO SVVCN 2020-K16N e insertos VCMT 160408 UE6110 (metal duro classe ISO P10 com revestimento multicamada TiCN-Al2O3-Composto de Ti). O torneamento de desbaste foi realizado com velocidade de corte vc=45 m/min, avanço f=0,15 mm/rev, profundidade de usinagem ap=1,0 mm e avanço nas curvaturas de 0,04 mm/rev, com emprego de fluido de corte, deixando as peças com sobremetal para a operação subsequente de acabamento.

Após esse procedimento as peças foram tratadas termicamente (têmpera e revenimento) para que sua dureza atingisse um valor de 40 ± 2 HRC. Em seguida, foi realizado o torneamento de acabamento dos corpos de prova utilizando a mesma ferramenta de corte e os seguintes parâmetros de usinagem: velocidade de corte vc=45 m/min, avanço f=0,2 mm/rev, profundidade de usinagem ap=0,5 mm. O corpo de prova após acabamento é mostrado na figura 1.

Figura 1 – Corpo de prova após usinagem de acabamento com região a ser roleteada em destaque.

Metade dos corpos de prova tiveram a região assinalada na figura 1 submetida ao roleteamento. A operação de roleteamento foi realizada no mesmo torno CNC utilizado no torneamento com o auxílio da ferramenta de roletear Ecorrol HG6-20 (figura 2). Esta ferramenta possui três esferas, igualmente espaçadas entre si, configuração que permite a realização do roleteamento em peças com diâmetro entre 3 e 12,5 mm. As esferas são pressionadas contra o corpo de prova quando a bomba hidráulica de alta pressão é acionada. A bomba é capaz de controlar a força utilizada no tratamento de roleteamento por meio do valor de pressão hidrostática, que neste caso foi 150 bar. Além da pressão foram também controlados os valores de velocidade (40 m/min) e avanço (0,09 mm/rev) de roleteamento.

Figura 2 – Montagem da ferramenta de roletear e do corpo de prova no torno.

Após a fabricação foi medida a rugosidade dos corpos de prova. Com os corpos de prova finalizados, metade das unidades torneadas e metade das roleteadas foram submersas horizontalmente em uma solução de água potável mais 3,5% em peso de NaCl. As peças tiveram suas extremidades protegidas, conforme mostra a figura 3, e foram submersas na solução pelo período de sete dias. Em seguida foram retiradas e limpas utilizando espuma macia e detergente. O restante dos corpos de prova foi armazenado de forma a evitar o contato com a atmosfera. Após a retirada dos corpos de prova da solução eles foram submetidos, juntamente com os que estavam armazenados, ao ensaio de fadiga por flexão rotativa. Esse ensaio foi realizado na máquina de fadiga rotativa Fatigue Dynamics RBF – 200. Nestes ensaios foram utilizados uma tensão de 850 MPa e registrado o valor do número de ciclos até a ruptura do material.

Figura 3 – Corpos de prova com extremidades protegidas antes do contato com a solução.

 

Resultados e discussão

De posse dos valores de rugosidade, foi obtido o gráfico da figura 4. Como pode-se perceber ao observá-la, ocorreu após o roleteamento uma redução de amplitude nos parâmetros de rugosidade avaliados. Essa variação ocorre devido à capacidade do roleteamento de deformar os picos de rugosidade, levando o material para os vales e, portanto, proporcionando uma redução nos parâmetros de amplitude.

Figura 4 – Valores de desvio médio quadrático (Rq) e altura total do perfil (Rt).

Após retirar os corpos de prova da solução salina foi possível observar que os mesmos não apresentavam uma corrosão uniforme. Percebeu-se uma variação da intensidade de corrosão nas superfícies expostas ao meio corrosivo, sendo verificado que as partes dos corpos de prova que estavam voltadas para cima tiveram uma proporção de área afetada pela corrosão bem maior que a área voltada para baixo. Isso foi verificado tanto para as amostras apenas torneadas quanto para as roleteadas, conforme as figuras 5 a e 5 b). As partes voltadas para cima apresentaram um maior nível de oxidação do que aquelas voltadas para baixo.

Figura 5 – Corpos de prova após ensaio de corrosão: a) amostras torneadas e b) amostras roleteadas.

Ao observar com mais detalhe as regiões mais oxidadas dos corpos de prova, não foi possível observar diferença significativa entre as amostras apenas torneadas (figura 6 a) e as amostras torneadas e roleteadas (figura 6 b).

Figura 6 – Região de maior oxidação nos corpos de prova: a) torneado e b) roleteado.

De posse dos números de ciclos alcançados por cada corpo de prova até a ruptura e observando a média e desvio padrão obtidos para cada uma das quatro condições estudadas, foi gerada a figura 7. Considerando inicialmente os corpos de prova que não passaram pela solução salina, pôde-se observar um aumento do número médio de ciclos até a ruptura nos corpos de prova submetidos ao roleteamento. As amostras roleteadas atingiram valores médios cerca de 89% superiores aos das amostras apenas torneadas, o que comprova a eficácia da operação de roleteamento no aumento da vida em fadiga dos componentes. De acordo com a literatura, este comportamento ocorre devido a uma redução da rugosidade, assim como observado na figura 4, e também devido à indução de tensões residuais superficiais compressivas. A redução de amplitude de rugosidade diminui o caráter concentrador de tensões do perfil, dificultando a nucleação de trincas. Ainda observando a figura 7, pode-se verificar uma redução no número de ciclos até a ruptura devido à corrosão, tanto para as amostras torneadas quanto para as roleteadas, constatando a influência negativa da corrosão sobre a vida em fadiga. Ao comparar os corpos de prova que sofreram corrosão, é possível verificar que as amostras apenas torneadas tiveram um desempenho médio bem próximo das amostras roleteadas (estas tiveram vida cerca de 13% mais longa). A sobreposição dos valores de desvio padrão indica que não existe uma diferença significativa entre as duas condições. Para essa condição específica de ensaio, o roleteamento não foi capaz de inibir a corrosão, apresentando basicamente a mesma resposta da amostra roleteada.

Figura 7 – Número de ciclos até a ruptura e desvio padrão de cada condição.

 

Conclusões

Após a realização de ensaios de fadiga em corpos de prova de aço ABNT 4140 temperados e revenidos (40 HRC), antes e após a corrosão em solução salina, pode-se concluir que:

• A vida em fadiga das amostras roleteadas foi 68% superior em comparação às amostras que não passaram pelo roleteamento, demonstrando que as alterações superficiais promovidas pelo procedimento prolongam a vida útil de componentes.
• Constatou-se a influência negativa da corrosão na vida em fadiga do aço ABNT 4140 temperado e revenido, o que demonstra a importância da utilização de estratégias para a proteção dos componentes metálicos contra o ataque corrosivo.
• As amostras roleteadas e corroídas apresentaram, proporcionalmente, maior redução da resistência à fadiga em relação às torneadas. Após a corrosão, as amostras apresentaram valores de vida média próximos aos das amostras torneadas e corroídas (apenas 13% acima).

 

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