Esse trabalho descreve o projeto e construção de um equipamento destinado ao estudo de fadiga de contato de rolamento e sua posterior aplicação na caracterização de ferros fundidos. O trabalho foi iniciado com a utilização de um equipamento previamente existente no Laboratório de Fenômenos de Superfície da EPUSP, a máquina I. Esse equipamento era baseado na substituição das pistas externas de um rolamento axial de esferas por corpos de prova na forma de arruelas. Ensaios preliminares mostraram que a máquina I apresentava limitações, a principal delas era não ser capaz de reproduzir integralmente o movimento de rolamento, havendo uma relação desconhecida rolamento/deslizamento no decorrer do ensaio. Com base nas dificuldades operacionais da máquina I, uma segunda máquina, também baseada em um rolamento axial, foi projetada e construída. Ensaios preliminares mostraram que o novo equipamento reproduzia mecanismos de falha por fadiga de contato de rolamento. A etapa seguinte então foi utilizar a máquina II no estudo de fadiga de contato de rolamento de dois tipos de ferro fundido com matrizes de levada dureza, um cinzento e um nodular, os quais foram testados em duas condições: com e sem pré-tensionamento e analisados segundo a estatística de Weibull. Um aço também foi ensaiado como referência. A pré-tensão foi aplicada com uma ferramenta bi-partida e modelada por elementos finitos. Foram realizados ensaios lubrificados, com a aplicação de uma pressão máxima de contato de 3,6 GPa e conduzidos até a falha dos materiais por lascamento da superfície de rolamento. Em todas as condições de ensaio o ferro fundido nodular se mostrou muito superior ao ferro cinzento. Enquanto esse último que apresentou resultados similares na condição com e sem pré-tensão, o ferro fundido nodular teve a sua curva de distribuição de falhas significativamente alterada pela aplicação de tensão externa. Uma heterogeneidade na distribuição do tamanho de nódulos de grafita fez com que as falhas ocorressem sempre na mesma região do corpo-deprova evidenciando a sensibilidade do ensaio a variáveis microestruturais.

This work presents design and construction of an equipment for rolling contact fatigue studying and its use to cast irons analysis. Firstly it was used an equipment available at Surface Phenomena Laboratory, in São Paulo University, which was called machine I. The design of the system followed the well-known architecture where races of a thrust ball bearing are substituted by washers made with the material under investigation. Preliminary tests have shown that the first machine had severe limitations, but the most important was lack of ability to reproduce rolling contact fatigue mechanisms. An unknown sliding/rolling ratio always took place in its work. Then a second machine was designed and assembled. Sets up tests have shown typical mechanisms of rolling contact fatigue. The next step was to use the new machine to study two types of cast irons, a gray iron and a ductile iron, under two test conditions: with and without pre-stress. Also a steel specimen was tested as a reference. Results were subjected to Weibull analysis. A device was developed for pre-stress application, and the specimen/device system was modeled by finite elements analysis. Tests were carried out till failure, under lubrication, and with maximum contact pressure of 3.6 GPa. Ductile cast iron behavior was superior to gray iron in all tests. Gray iron specimens with and without pre-stress presented very similar results. On the other hand, ductile iron probability failure curve was strongly affected by pre-stress. An unexpected heterogeneity on graphite nodules size distribution promoted failures on just one region, which is an evidence of test sensitivity to micro structural changes.