EFEITO DO TRATAMENTO TÉRMICO SOBRE TENSÕES RESIDUAIS EM PRODUTOS DE AÇO FORJADOS A FRIO

Transcrição

1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil EFEITO DO TRATAMENTO TÉRMICO SOBRE TENSÕES RESIDUAIS EM PRODUTOS DE AÇO FORJADOS A FRIO Thiago Luiz Lara Olveira, lara.thiago@gmail.com Frederico Ozanan Neves, fred@ufsj.edu.br Durval Uchoas Braga, durval@ufsj.edu.br Alex Sander Chaves de Rezende, achaves@ufsj.edu.br Universidade Federal de São João del Rei Praça Frei Orlando, CEP: São João del-rei MG Resumo: Tensões residuais são aquelas que subsistem no corpo quando não existem mais cargas externas aplicadas sobre ele. Inúmeros fatores podem induzir tensões residuais no material, dentre os quais a conformação a frio. Tratamentos térmicos em aços são amplamente utilizados na atualidade, pois possibilitam melhoria de várias propriedades mecânicas dos aços, como a dureza, a tenacidade, a resistência mecânica, entre outras. Por outro lado, os tratamentos térmicos são outra fonte de tensões residuais. Este trabalho investiga o efeito de vários tratamentos térmicos sobre as tensões residuais em peças forjadas a frio. Este efeito é obtido pela sobreposição de tensões residuais no produto final, que pode acabar reduzindo ou aumentando o nível e alterando natureza trativa ou compressiva das tensões resultantes. Corpos cilíndricos de aço ABNT 1045 foram submetidos a forjamento a frio com a impressão de uma ferramenta em cunha sobre uma de suas superfícies, provocando um gradiente de deformações ao longo do seu eixo de simetria. Em seguida, foram submetidos a recozimento, normalização, têmpera e têmpera com revenimento. Um dos lotes não recebeu tratamento térmico, possibilitando um efeito comparativo das tensões, antes e após a conformação e a conformação seguida de tratamento térmico. A simulação numérica do forjamento foi feita para determinar as regiões mais prováveis de alta intensidade de tensão residual. As tensões residuais foram medidas nas regiões do corpo deformado, apontadas pela simulação numérica como características. Os resultados mostram que as tensões residuais após o tratamento térmico dependem do tipo de tratamento empregado e da intensidade e natureza da tensão residual previamente existente no corpo. Palavras-Chave: tensões residuais, forjamento a frio, tratamentos térmicos 1. INTRODUÇÃO O forjamento é um dos muitos processos de conformação mecânica, o qual é caracterizado por se obter a forma desejada da peça por martelamento ou a aplicação gradativa de uma pressão, podendo ocorrer em matrizes abertas ou fechadas. Este processo pode ser a quente ou a frio, tendo como um dos seus principais equipamentos a prensa hidráulica que aplica uma carga à baixa velocidade. Em processos de fabricação a deformação do material a frio é muito útil pois, a frio, é possível um melhor controle dimensional, como também um melhor acabamento da superfície da peça associado a aumento da resistência mecânica devido ao encruamento. Os produtos da conformação a frio podem ser produtos semi-acabados a serem submetidos a outros processos de fabricação térmicos ou mecânicos. Em muitos casos a conformação a frio é o único processo de fabricação do produto acabado. O encruamento é o efeito pelo qual os metais deformados abaixo da temperatura de recristalização têm sua estrutura modificada e tem como produto o endurecimento e aumento da resiliência do material. No entanto a deformação plástica do metal não provoca apenas o encruamento da peça. Verifica-se também o surgimento de tensões residuais na mesma. Tensões residuais são aquelas tensões que aparecem no corpo mesmo quando o material não está submetido a cargas externas. Na conformação mecânica verifica-se que este tipo de tensão está mais localizada na superfície da peça, visto que é o local que mais sofre maior deformação (Mungi, Rasanee and Dixit, 2003). Em alguns casos essa tensão pode ser tanto de natureza trativa quanto compressiva, o que pode ser desejado em algumas aplicações industriais. Se focarmos o estudo em elementos submetidos a esforços cíclicos, tensões

2 residuais trativas são indesejadas pois facilitam a nucleação e a propagação de trincas. Já as tensões residuais compressivas atuam no sentido de impedir a propagação de trincas, sendo, portanto, desejadas. Neves e Button, (2005) estudaram a introdução de tensões residuais compressivas na superfície interna de tubos de aço Inox com o fim aumentar-lhes a resistência a fadiga. Tratamentos térmicos são amplamente empregados em aços, em razão de sua capacidade de melhorar as propriedades mecânicas dos mesmos. Muitas vezes os produtos da conformação a frio são submetidos a tratamentos térmicos com o objetivo de implementar uma característica que não pode ser induzida ou de alterar ou eliminar uma característica mecânica introduzida durante o processamento. Existem vários tratamentos térmicos aplicáveis a aços carbono, dentre eles os mais comuns são o de têmpera, revenimento, normalização e recozimento. A têmpera é utilizada para o aumentar a dureza do material. O revenimento atua para aliviar as tensões acentuadas como efeito da têmpera. O recozimento pretende aumentar a usinabilidade e a conformabilidade diminuindo a dureza, enquanto a normalização tem como objetivo homogeneizar a estrutura do aço (Callister, 2002). Todos estes tratamentos findam por modificar a estrutura do material o que acaba por induzir algum tipo de tensão residual na peça. Tanner e Robinson (2008) estudaram o nível de tensões residuais provenientes do tratamento de têmpera em alumínio quando variadas as condições do tratamento concluindo que elas podem ser muito menores de uma condição para outra. Entretanto, todos apresentam resultados que apontam para redução da resistência mecânica do material em relação ao impacto e à fadiga. Koç e Altan (2006) estudaram a possibilidade de reduzir tensões residuais provenientes do tratamento da têmpera através de conformação a frio. Em seu trabalho concluíram que o nível das tensões pode ser reduzido em até 90% através de compressão ou estiramento do corpo, sendo a compressão mais efetiva. O método mais usual de medir tensões residuais utiliza a difração de raios X. Porém, uma nova técnica vem sendo estudada, a qual se baseia na aplicação do ensaio de indentação na peça. O conceito desse método é de que se existe tensão residual compressiva na superfície da peça, esta dificultará a penetração do indentador o que indica uma dureza maior na superfície da amostra conformada, do que se compararmos uma amostra livre de tensões residuais. Esta técnica foi primeiramente proposta por Suresh and Giannakopoulos (1998) e um exemplo de sua aplicação pode ser encontrado no artigo de Bocciarelli. and Maier (2007), no qual está descrita uma técnica para avaliar tensões residuais em peças através do ensaio de indentação Vickers instrumentado e, também, em Oliveira, Braga e Neves (2009), onde o ensaio de indentação é utilizado para revelar a natureza das tensões residuais em peças dobradas a frio, tendo estes resultados sido confirmados através da simulação numérica do processo. Este estudo tem como objetivo levantar o comportamento das tensões residuais provenientes de peças forjadas a frio após tratamento térmico. A suposição é que haverá uma superposição de tensões residuais no produto final, oriundas das diferentes fases da fabricação. O resultado final, em termos de tensões residuais, tanto pode aumentar a resistência do produto quanto reduzi-la e, até mesmo, não produzir efeito significativo. Espera-se com isto facilitar o trabalho do projetista com a escolha tanto do processo de fabricação quanto do tratamento térmico, com vistas a aumentar a resistência mecânica do produto em relação á fadiga. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Ferramental O punção em forma de cunha foi confeccionado em aço AISI H13 e depois passou por tratamento térmico de têmpera e revenimento. O ângulo da cunha é 75º e a base da cunha tem 5 mm. Uma base para apoio do corpo de prova também foi fabricada do mesmo material e recebendo o mesmo tratamento térmico. A representação do ensaio está mostrada na Fig. (1) O material definido para os testes foi o aço AISI Os corpos de prova foram torneados em forma de meio cilindros com raio de 12,5 mm e espessura de 10mm. Este aço foi escolhido devido ao fato de possuir uma gama de tratamentos térmicos possíveis. Figura 1 Esquema do Ferramental

3 2.2 Ensaios de Forjamento Os corpos de prova foram forjados no Laboratório de Fabricação do Departamento de Engenharia Mecânica da UFSJ. Foram executadas três réplicas para cada ensaio. Nos ensaios de indentação o padrão escolhido foi a dureza Vickers, por ser a única escala que poderia avaliar a dureza do aço desde o estado recebido até o temperado. O ensaio de dureza Vickers se baseia na resistência do material à penetração do indentador de diamante de base quadrada, sob uma carga definida. A carga utilizada nos ensaios de dureza para as peças temperadas, temperadas e revenidas, forjadas e normalizadas foi de 588N ou 60Kp. Já para o material no estado recebido e recozido foi de 294N ou 30Kp. Essa variação na carga é necessária para uma maior precisão dos resultados. 2.3 Planejamento Experimental O trabalho foi realizado com a utilização do Planejamento Fatorial Aleatorizado por Nível, onde a dureza superficial foi a variável de resposta. As variáveis de influência foram: (A) - o estado da peça, em seis níveis: A1: como recebido, A2: forjado, A3: forjado e temperado, A4: forjado mais têmpera e revenimento, A5: forjado e normalizado e A6: forjado e recozido e (P) - a posição de medida em três níveis: P1, P2 e P3. A Posição P1 corresponde à extremidade esquerda da base da cunha, a posição P2 ao centro da base da cunha e P3 é a posição correspondente á extremidade direita da base da cunha. As posições foram definidas em função dos resultados da simulação numérica realizada. Nos testes três réplicas foram realizadas para cada ensaio. A Tab. (1) abaixo apresenta um sumário exemplificando o planejamento experimental. Vale ressaltar que a técnica de aleatorização dos ensaios foi utilizada para aumentar a confiabilidade dos resultados. Tabela 1 Planejamento Fatorial One Way. Estado da peça Planejamento Experimental Dureza em P1 Dureza em P2 Dureza em P3 Rép 1 Rép 2 Rép3 Rép 1 Rép 2 Rép3 Rép 1 Rép 2 Rép3 A1 X X X X X X X X X A2 X X X X X X X X X A3 X X X X X X X X X A4 X X X X X X X X X A5 X X X X X X X X X A6 X X X X X X X X X Com base nos resultados foi feita uma Análise da Variância, na qual adotou-se um nível de significância de 5%. 2.4 Tratamentos Térmicos Os tratamentos térmicos realizados foram a têmpera, o recozimento, a normalização e a têmpera com revenimento. Na têmpera o material foi aquecido a 845 ºC, com um tempo de encharque de 25 minutos e resfriado em água com movimentos circulares. No recozimento, o material foi aquecido a 845 ºC, com um tempo de encharque de 25 minutos e resfriado no forno. A normalização foi executada elevando-se a temperatura a 910 ºC, com um tempo de encharque de 25 minutos e resfriado ao ar calmo. No revenimento na temperatura foi elevada a 400 ºC e encharque de meia hora com resfriamento ao ar calmo. 2.5 Método de Elementos Finitos O Método dos Elementos Finitos (MEF) mostra-se como uma excelente ferramenta de cálculo utilizada para analisar o comportamento dos materiais em processos de fabricação e em condições estruturais. Neste trabalho o MEF auxiliou o estudo, indicado os locais em que a peça estaria mais sujeita a tensões residuais devido ao forjamento. 3. ANÁLISE DOS RESULTADOS Análise da Dureza Superficial da Peça Através dos resultados da análise numérica pelo software Abaqus, foi possível definir os locais em que as peças estariam mais sujeitas a tensões residuais devido ao forjamento. Conforme se pode ver na Fig. (2), as maiores deformações ocorre exatamente na região das bordas laterais da cunha. A figura mostra a deformação equivalente de Von Mises, onde se pode distinguir que a deformação na região central da cunha tem uma intensidade significativamente menor. Desta forma pode-se assumir que a tensão residual acompanhará este perfil. Com base nestes

4 resultados numéricos é que determinamos as Posições P1, P2 e P3, as quais já nos referimos anteriorme, para os pontos de medição da dureza. Figura 2 Resultado da Simulação Numérica Deformação equivalente de Von Mises Os resultados da dureza superficial do produto são mostrados na Tab. (2) e o gráfico das médias de dureza para cada posição é exibido na Fig. (3). Tabela 2 Resultados da dureza Vickers nas posições P1, P2 e P3 Estado A1:Temperado A2: Temperado e Revenido A3: Forjado A4: Normalizado A5: Recebido A6: Recozido Posição P1 P2 P3 rep rep rep rep rep rep rep rep rep rep rep rep rep rep rep rep rep rep Na Figura 3, tomando como referência a dureza da peça como recebida (estado A5), vê-se claramente que os tratamentos térmicos promovem um aumento da dureza, com exceção do recozimento do material. Tomando-se como referência a dureza do forjado (estado A3), os tratamentos de têmpera e têmpera e revenimento aumentaram a dureza da peça, enquanto o recozimento e a normalização reduziram a dureza. Na Figura também não se vê diferença significativa de dureza entre as posições de medida para cada tratamento. Sabendo-se que o aumento da dureza indica a presença de tensões residuais compressivas enquanto tensões residuais trativas são indicadas pela redução da dureza, podemos afirmar que o forjamento em cunha a frio introduziu tensões residuais de compressão. Isto significa um benefício para peças que estão sujeitas a esforços cíclicos. O tratamento térmico de recozimento produziu um efeito indesejado do ponto de vista de resistência à fadiga porque

5 reduziu a dureza para um valor abaixo inclusive do material como recebido. Uma vez que o material dos corpos de prova utilizado é um aço laminado, podemos concluir que este já trazia uma certa porção de tensões residuais. O recozimento teria destruído tais tensões e estas poderiam ser consideradas de tração em relação ao material como recebido. O tratamento térmico de normalização também reduziu as tensões residuais no forjado, porém estas se mantiveram acima do valor das tensões residuais do material como recebido. Pode-se afirmar que as tensões residuais compressivas introduzidas pelo forjamento foram aliviadas, mas mantiveram-se acima do material como recebido. De toda sorte, podemos não recomendar os tratamentos de recozimento e normalização quando se busca o aumento da resistência à fadiga. Os tratamentos de têmpera e têmpera e revenimento aumentaram muito o nível das tensões residuais e estas são de natureza compressiva em relação à peça forjada. Podem, pois, serem recomendados para aumentar a resistência a fadiga de produtos forjados a frio. Figura 3 Dureza Vickers em função da posição de medida e do tratamento Na Tabela 3, SST é a soma quadrática de todas as medidas; SS(A) é a soma quadrática de todos os tratamentos (estado da peça); SS(P) é a soma quadrática de todas as posições de medida; SS(AxP) é a soma quadrática das interações e SSerro é a soma quadrática dos erros de todas as medidas. GL é o grau de liberdade de cada elemento. MSS é média das somas quadráticas. F é a estatística de Fisher que permite avaliar a variância do elemento. Fcalc é a estatística observada e Ftab é a estatística esperada para o nível de confiança de 95%. Se a variância esperada é menor que a observada, então o tratamento influencia o resultado e as médias são diferentes. Tabela 3 Análise da Variância SS GL MSS F calc F tab resultado SST SStrat ,8 3002,881 2, influência SSpos 37, , , , Não influência SSAB 582, , , , Não influência SSerro 3926, ,8889 A Análise da Variância mostra que os tratamentos (térmicos e mecânico) influenciaram o resultado, apresentado diferenças estatisticamente significativas. Significa dizer que as médias das durezas medidas entre os tratamentos térmicos e mecânico são diferentes. Já as posições de medida não influenciaram o resultado. Ou seja, os resultados medidos na posição 1 é igual a da Posição 2 e ambos são iguais a da Posição 3. Também verifica-se que não há interação entre os tratamentos (térmicos e mecânico) com as posições de medida, ou seja, não existe diferença estatística da variabilidade medida entre uma determinada posição em um dado tratamento com a mesma posição em outro tratamento.

6 4. CONCLUSÕES 1. O forjamento a frio introduziu tensões residuais compressivas na peça deformada; 2. Os tratamentos térmicos de têmpera e de têmpera e revenimento aumentaram as tensões residuais compressivas na peça forjada; 3. O tratamento térmico de normalização reduziu as temsões residuais na peça conformada mas manteve-se acima das tensões residuais verificadas na peça como recebida; 4. O tratamento térmico de recozimento reduziu as tensões residuais na peça conformada, inclusive apresentando-se trativas em relação ao material como recebido. 5. Não se verificou diferenças significativas na tensão residual medida na borda da cunha em relação ao centro da curva, embora a simulação numérica apontasse uma diferença. Como conclusão geral, pode-se afirmar que tendo como foco a resistência à fadiga, não se recomenda o recozimento ou a normalização de peças forjadas. Já a têmpera e a têmpera seguida de revenido mostraram-se favoráveis a esta resistência 5. AGRADECIMENTOS Os autores desejam agradecer FAPEMIG pelo apoio financeiro à pesquisa. 6. REFERÊNCIAS Bianch, E. C. at all. 2000, Análise do Comportamento da Microestrutura de Materiais Endurecidos Retificados com Rebolos de CBN, Revista Materials Research, v. 3, n. 4, p Bocciarelli, M., Maier, G. 2007, Indentation and imprint mapping method for indentification of residual stress, Computational Materials Science, v. 39, Issue 2, April 2007, pp Oliveira, R. A., Braga, D.U., NeveS, F. O. 2009, Residual Stress Evaluation in Cold Forming using Indentation Test, Proceedings of the 20th International Congress of Mechanical Engineering, Gramado. ABCM,. v. CDROM. Callister Jr., W. D. 2002, Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução, 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, p Harjo, S. at all. 1999, Measurements of thermal residual elastic strains in ferrite±austenite fe-cr-ni alloys by neutron and x-ray diffractions. Acta mater. Vol. 47, No. 1, pp Koç, M. C., J. Altan, T. 2006, Prediction of residual stresses in quenched aluminum blocks and their reduction through cold working processes, Journal of Materials Processing Technology, v. 174, Issues 1-3, pp Mungi, M. P.; Rasane, S. D. and Dixit, P. M. 2003, Residual stresses in cold axisymmetric forging, Journal of Materials Processing Technology, v. 142, Issue 1, november p Neves, F. O. ; Button, S. T. 2005, Residual Stress on Stainless Steel A304 tube drawn with fixed plug Proceedings of the International Congress of Mechanical Engineering, Ouro Preto. v. CDROM. Rech, J. at all. 2008, Characterization and modelling of the residual stresses induced by belt finishing on a AISI hardened steel, Journal of Materials Processing Technology, v. 208, Issues 1-3, pp Suresh, S. and Giannakopoulos, A. E. 1998, A new method for estimating residual stresses by instrumented sharp indentation, Acta mater. Vol. 46, No. 16, pp Tanner, D.A. and Robinson, J.S. 2008, Reducing residual stress in 2014 aluminium alloy die forgings, Materials and Design. n. 29, pp EFFECT OF HEAT TREATMENT ON RESIDUAL STRESSES IN COLD FORGED STEEL PARTS Thiago Luiz Lara Olveira, lara.thiago@gmail.com Frederico Ozanan Neves, fred@ufsj.edu.br Durval Uchoas Braga, durval@ufsj.edu.br Alex Sander Chaves de Rezende, achaves@ufsj.edu.br Universidade Federal de São João del Rei Praça Frei Orlando, CEP: São João del-rei MG

7 Summary: Residual stresses are those that remain in the body when all external loads are retrieved. Innumerable factors can induce residual stresses in the material, amongst them, cold forming. Heat treatments are widely used in steel parts, because it is possible to improve some mechanical properties, as the hardness, toughness, mechanical strength among others. On the other hand, the heat treatment is another source of residual stresses. This work investigates the effect of some heat treatments on the residual stresses in cold forged parts. The final effects on residual stress is a sum of partial effects from each treatment, which can reduce or increase its level and modify it from tensile to compressive ones and vice verso. Half cylindrical steel specimens of ASTM 1045 steel had been submitted to cold forging with the impression of a wedge tool on one of its surfaces, introducing a strain gradient on its axle of symmetry. After that, they are submitted to heat treatment: annealing, normalization, quenched and quenched and tempering. One of the lots did not receive heat treatment, becomes possible to compare the effect of the heat treatment on residual stress. Numerical simulation of the cold forging was done to determine the region most probable of high residual stress The results show that the residual stress after the heat treatment depends on the treatment used and the intensity and nature of the previously existing residual stress in the body. keyword: residual stress, cold forging, thermal treatments