Desenvolvimento de uma máquina para ensaio de fadiga por flexão

O conhecimento acerca das propriedades mecânicas dos materiais é de grande importância para aplicações deengenharia. O estudo dessas propriedades é necessário para o desenvolvimento de novos equipamentos ouprodutos e uma importante propriedade é a resistência à fadiga. O objetivo deste trabalho é apresentar o projetoe construção de uma máquina para ensaio de fadiga por flexão. O projeto da máquina foi dividido emsubconjuntos distintos denominados estrutural, dinâmico e de controle e coleta de dados, sendo cada subconjuntoformado por peças e acessórios necessários para a realização dos ensaios de fadiga. Neste contexto,merece destaque a concepção de um novo sistema que permite a variação da tensão aplicada durante o ensaio,o qual é mais simples e não menos eficiente em comparação àqueles tradicionalmente utilizados em máquinascomerciais do mesmo porte. Ensaios preliminares foram realizados utilizando corpos de prova de açoABNT 1020 no estado recozido e os resultados indicaram que a máquina apresenta desempenho satisfatório,pois foi possível a realização dos testes, o registro dos resultados e a consequente obtenção de dados confiáveispara elaboração da curva de Wöhler.Palavras-chave: Ensaio de fadiga por flexão, fadiga, projeto de máquina, curva de Wöhler

Modelagem e análise numéricas da operação de roleteamento do aço abnt 4140 = Modeling and numerical analysis of roller burnishing of aisi 4140 steel

Metallic components for engineering applications are often employed under the action of thermal and mechanical loads, which tend to reduce their lifespan. Mechanical surface treatments appear as an alternative capable of extending the service life of these materials. These processes act by plastically deforming the surface, increasing its surface hardness and inducing compressive residual stresses. The combination of these factors leads to an increase of the part lifespan because it diminishes the nucleation and propagation of cracks, which are responsible for material failure by fracture. Although surface treatment processes such as shot peening and laser shock peening are widely used to induce compressive stresses, roller burnishing not only induces compressive stress and increases surface hardness, but also promotes the reduction of surface roughness. In this work, two-dimensional numerical simulation using the Finite Element Method (FEM) method for roller burnishing the hardened ABNT 4140 (40 HRC) steel was performed, considering the tool a rigid element, while the part was assumed as elasto-plastic. Burnishing force and feed rate were selected as input parameters which influence on roughness and residual stress induction was investigated. Moreover, unlike other two-dimensional numerical models, the initial roughness of the part was introduced in order to assess its influence on the process. In addition to that, the numerical simulation occurs in the interval from one peak to the other, defined by the feed mark of the previous turning operation (0.2 mm). The HertzWin software was used to define the feed rate for each condition, which was based on the half contact width (b) obtained for each force separately. The numerical results suggest the reduction of roughness and the increase of compressive residual when the rolling force is increased and the feed rate is reduced. © 2020, Universidade Federal do Rio de Janeiro. All rights reserved.Componentes metálicos utilizados em diversas aplicações sofrem frequentemente a ação de cargas térmicas e mecânicas que reduzem o seu tempo de vida. Os tratamentos mecânicos de superfície são capazes de prolongar o tempo em serviço desses materiais. Esses processos atuam deformando plasticamente a superfície, promovendo o aumento da sua dureza e a indução de tensões residuais de compressão. A combinação desses fatores aumenta a vida da peça pois reduz a taxa de nucleação e propagação de trincas responsáveis por levar o material à falha por fratura. Apesar de processos de tratamento de superfície como o jateamento de granalha e o laser shock peening (LSP) serem utilizados para induzir tensões compressivas, o roleteamento não só induz tensão de compressão e aumenta a dureza superficial, como também promove a redução da rugosidade. Neste trabalho, uma simulação numérica bidimensional utilizando o método dos elementos finitos (Finite Element Method -FEM) foi aplicada ao roleteamento do aço ABNT 4140 endurecido (40 HRC), definindo a ferramenta como um elemento rígido, enquanto que o material da peça apresentou um comportamento elasto-plástico. A força e o avanço de roleteamento foram escolhidos como parâmetros de entrada cuja influência sobre a rugosidade e as tensões residuais foi analisada. Diferentemente de outros modelos numéricos bidimensionais, a rugosidade inicial da peça foi introduzida a fim de verificar a sua influência no processo. As simulações numéricas ocorreram entre a distância de dois picos de rugosidade, definida pela marca de avanço do torneamento prévio (0,2 mm). O software HertzWin foi utilizado para definir o avanço para cada condição, sendo este baseado na largura da linha de contato obtido para cada força separadamente. Os resultados numéricos sugerem a redução da rugosidade e o aumento da tensão residual de compressão a partir do aumento da força e da redução do avanço de roleteamento

Modelagem e análise numéricas da operação de roleteamento do aço ABNT 4140

Componentes metálicos utilizados em diversas aplicações sofrem frequentemente a ação de cargas térmicas e mecânicas que reduzem o seu tempo de vida. Os tratamentos mecânicos de superfície são capazes de prolongar o tempo em serviço desses materiais. Esses processos atuam deformando plasticamente a superfície, promovendo o aumento da sua dureza e a indução de tensões residuais de compressão. A combinação desses fatores aumenta a vida da peça pois reduz a taxa de nucleação e propagação de trincas responsáveis por levar o material à falha por fratura. Apesar de processos de tratamento de superfície como o jateamento de granalha e o laser shock peening (LSP) serem utilizados para induzir tensões compressivas, o roleteamento não só induz tensão de compressão e aumenta a dureza superficial, como também promove a redução da rugosidade. Neste trabalho, uma simulação numérica bidimensional utilizando o método dos elementos finitos (Finite Element Method -FEM) foi aplicada ao roleteamento do aço ABNT 4140 endurecido (40 HRC), definindo a ferramenta como um elemento rígido, enquanto que o material da peça apresentou um comportamento elastoplástico. A força e o avanço de roleteamento foram escolhidos como parâmetros de entrada cuja influência sobre a rugosidade e as tensões residuais foi analisada. Diferentemente de outros modelos numéricos bidimensionais, a rugosidade inicial da peça foi introduzida a fim de verificar a sua influência no processo. As simulações numéricas ocorreram entre a distância de dois picos de rugosidade, definida pela marca de avanço do torneamento prévio (0,2 mm). O software HertzWin foi utilizado para definir o avanço para cada condição, sendo este baseado na largura da linha de contato obtido para cada força separadamente. Os resultados numéricos sugerem a redução da rugosidade e o aumento da tensão residual de compressão a partir do aumento da força e da redução do avanço de roleteamento.  Palavras-chave: Tratamento mecânico de superfície; roleteamento; rugosidade; elementos finitos; aço ABNT 4140

Influência da operação de roleteamento sobre a integridade superficial do aço abnt 1020 = Influence of deep rolling on the surface integrity of aisi 1020 steel

Surface integrity refers to a set of characteristics of the surface and subsurface layer that have great influence on the functional performance of mechanical components under conditions of wear, corrosion and fatigue, and is determined by the manufacturing processes employed. Thus, surface treatments are used to generate a surface integrity suited to the desired function. Deep rolling is one of the surface treatments that involve cold working of the surface and subsurface layer. This work addresses the influence of some deep rolling parameters (pressure, speed, feed and number of passes) on the surface integrity (roughness, surface and subsurface microhardness and microstructure) of AISI 1020 low carbon steel. A significant improvement on surface finish was observed after deep rolling, however, the excessive increase in pressure and in feed caused an increase in roughness. Regarding the surface microhardness, it was reduced or remained stable after deep roll-ing. In addition, under all conditions tested deep rolling promoted an increase in the microhardness of the subsurface layer and in the affected depth in comparison to the specimen only turned. However, an elevation in pressure further increased the subsurface microhardness and the affected depth and the subsurface micro-hardness increased slightly with higher feeds and reduced with increasing number of passes, along with the affected depth. Finally, the microstructural analysis showed that deformation increased with pressure and number of passes and reduced with the elevation of speed and feed. © 2020, Universidade Federal do Rio de Janeiro. All rights reserved.A integridade superficial corresponde a um conjunto de características da superfície e da camada subsuperficial que tem grande influência sobre o desempenho funcional de componentes mecânicos em condições de desgaste, corrosão e fadiga, e é determinada pelos processos de fabricação empregados. Assim, tratamentos superficiais são utilizados para a geração de uma integridade superficial adequada à função desejada. O roleteamento é um dos tratamentos superficiais que atuam por deformação plástica a frio da superfície e da camada subsuperficial. Neste trabalho avaliou-se a influência de alguns parâmetros de roleteamento (pressão, velocidade, avanço e número de passes) sobre determinadas características da integridade superficial (rugosidade, microdureza superficial e subsuperficial e microestrutura) do aço-carbono ABNT 1020. Observou-se uma melhora significativa do acabamento após o roleteamento, porém a elevação excessiva da pressão e do avanço causou um aumento da rugosidade. Em relação à microdureza da superfície, após o roleteamento ocorreu apenas sua manutenção ou redução. Além disso, em todas as condições avaliadas o roleteamento promoveu um aumento da microdureza subsuperficial e da profundidade afetada em relação aos observados no corpo de prova apenas torneado. Entretanto, a elevação da pressão aumentou ainda mais a microdureza subsuperficial e a profundidade afetada, o aumento do avanço elevou levemente a microdureza subsuperficial e o aumento do número de passes a reduziu, juntamente com a profundidade afetada. A análise microestrutural, por fim, mostrou uma elevação da deformação com o aumento da pressão e do número de passes e uma redução com o aumento da velocidade e do avanço

Estudo do comportamento termomecânico do aço inoxidável AISI 430 por meio da termografia por infravermelho

Este trabalho tem como objetivo investigar o aumento da temperatura em chapas de aço inoxidável AISI 430 durante o ensaio de tração para as seguintes taxas de deformação: 0,001; 0,01 e 0,1 s-1. Para registrar a evolução da temperatura até a fratura dos corpos de prova, foi utilizada uma termocâmera por infravermelho. Os resultados obtidos pela técnica da termografia por infravermelho mostraram um aumento gradual e uniforme da temperatura durante o encruamento do material e uma elevação drástica da temperatura nas regiões de estricção e fratura dos corpos de prova. Para a taxa de deformação de 0,1 s-1 foi observado o maior gradiente de temperatura entre a estricção localizada e a fratura (110 ºC).  Palavras-chave: Aço inoxidável AISI 430, Termografia por infravermelho, Taxas de deformação, Temperatura

Estudo sobre a integridade superficial do aço ABNT 4140 após a operação de torneamento

Os componentes de equipamentos estão muitas vezes sujeitos a esforços cíclicos, os quais são capazes de provocar falhas, mesmo apenas quando deformações elásticas estão envolvidas. Os processos de fabricação são capazes de afetar a rugosidade e induzir tensões residuais de diferentes intensidades e profundidades, podendo influenciar o desempenho e a vida em serviço de peças manufaturadas. Neste trabalho, foi avaliada a influência dos parâmetros de torneamento (velocidade de corte, avanço e profundidade de usinagem) sobre a rugosidade, tensões residuais e vida em fadiga do aço ABNT 4140 temperado e revenido (40 HRC). A maior influência sobre a rugosidade foi devido à variação do avanço, que gerou maiores rugosidades para valores mais altos de avanço. Observou-se também que os parâmetros de usinagem foram capazes de alterar o perfil das tensões residuais, induzindo tensões de tração e de maior intensidade à medida que a velocidade de corte foi elevada e de tração em profundidades maiores para a combinação de avanço mais elevado e profundidade de usinagem mais baixa. A vida em fadiga do material foi avaliada por meio do teste por flexão rotativa, o qual acusou influência combinada do avanço com a profundidade de usinagem. Para menores avanços, o aumento da profundidade prolongou a vida em fadiga, já para avanços mais elevados o comportamento foi oposto. A vida em fadiga mais longa foi observada após o torneamento sob velocidade de corte e profundidade de usinagem elevadas e aliadas ao menor avanço. Palavras-chave: Torneamento; qualidade superficial; rugosidade; vida em fadiga; aço ABNT 4140

Estudo sobre a integridade superficial do aço abnt 4140 após a operação de torneamento = Study on the surface integrity of aisi 4140 steel after turning

Machine components are usually subjected to cyclic loads, which may lead to failure, even when the component is subjected to elastic deformations only. Manufacturing processes are capable of affecting roughness and inducing residual stresses of distinct levels and depths, being able to affect the component performance and lifespan. This work investigates the influence of turning parameters (cutting speed, feed and depth of cut) on surface roughness, residual stress and fatigue life of hardened AISI 4140 steel (40 HRC). Feed is the most influential parameter affecting surface roughness. It was noticed that the cutting parameters did affect the residual stress profile, i.e., tensile residual stresses of higher intensity were induced when higher cutting speeds were employed and reaching deeper layers when higher feed and lower depth of cut values were used. The fatigue life was evaluated under rotating bending tests, which indicated a combined influence of feed and depth of cut. At lower feeds, the increase of depth of cut resulted in longer lives, however, an opposite behavior was noted at higher feeds. Longer fatigue lives were observed after turning at higher cutting speeds and depths of cut combined with lower feeds. © 2020, Universidade Federal do Rio de Janeiro. All rights reserved.Os componentes de equipamentos estão muitas vezes sujeitos a esforços cíclicos, os quais são capazes de provocar falhas, mesmo apenas quando deformações elásticas estão envolvidas. Os processos de fabricação são capazes de afetar a rugosidade e induzir tensões residuais de diferentes intensidades e profundidades, podendo influenciar o desempenho e a vida em serviço de peças manufaturadas. Neste trabalho, foi avaliada a influência dos parâmetros de torneamento (velocidade de corte, avanço e profundidade de usinagem) sobre a rugosidade, tensões residuais e vida em fadiga do aço ABNT 4140 temperado e revenido (40 HRC). A maior influência sobre a rugosidade foi devido à variação do avanço, que gerou maiores rugosidades para valores mais altos de avanço. Observou-se também que os parâmetros de usinagem foram capazes de alterar o perfil das tensões residuais, induzindo tensões de tração e de maior intensidade à medida que a velocidade de corte foi elevada e de tração em profundidades maiores para a combinação de avanço mais elevado e profundidade de usinagem mais baixa. A vida em fadiga do material foi avaliada por meio do teste por flexão rotativa, o qual acusou influência combinada do avanço com a profundidade de usinagem. Para menores avanços, o aumento da profundidade prolongou a vida em fadiga, já para avanços mais elevados o comportamento foi oposto. A vida em fadiga mais longa foi observada após o torneamento sob velocidade de corte e profundidade de usinagem elevadas e aliadas ao menor avanço