ANÁLISE DAS TENSÕES RESIDUAIS GERADAS NA USINAGEM POR TORNEAMENTO DE AÇO INOXIDÁVEL AISI 304L

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1 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 15 a 19 de abril de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil April 15 th to 19 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil ANÁLISE DAS TENSÕES RESIDUAIS GERADAS NA USINAGEM POR TORNEAMENTO DE AÇO INOXIDÁVEL AISI 304L Matheus Altomare Cruz, matheusaltomare@id.uff.br 1 Jose Luis L. Silveira, jluis@mecanica.ufrj.br 2 Tatiane de Campos Chuvas, chuvas@vm.uff.br 1 Maria Cindra Fonseca, mcindra@vm.uff.br 1 1 Universidade Federal Fluminense, Escola de Engenharia, Departamento de Engenharia Mecânica/PGMEC, Rua Passo da Pátria, 156, Bl. D, CEP Niterói, RJ, Brasil. 2 Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE/UFRJ, Departamento de Engenharia Mecânica, Av. Horácio Macedo 2030, Centro de Tecnologia, Bloco G, Ilha do Fundão, CEP Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Resumo: O comportamento das tensões residuais geradas nos processos de usinagem é de grande importância, pois a vida em fadiga do componente usinado pode ser severamente influenciada conforme a natureza e a magnitude destas tensões. Assim sendo, o objetivo deste trabalho foi estudar as tensões residuais geradas na usinagem por torneamento do aço inoxidável austenítico AISI 304L, com ferramenta de inserto de metal duro, usando diferentes profundidades de corte. As tensões residuais foram medidas por difração de raios-x, pelo método do sen2, usando radiação Crka. Tensões residuais superficiais trativas foram encontradas em todas as condições de corte usadas. Entretanto, as tensões de maiores magnitudes estão relacionadas com o emprego de baixa velocidade de corte e alto avanço. Análises da rugosidade superficial complementaram o estudo. Palavras-chave: Torneamento, Tensões residuais, Aço AISI 304L, Difração de raios-x. 1. INTRODUÇÃO Todos os processos de usinagem induzem na superfície e nas camadas subsuperficiais da peça alterações estruturais, além de tensões residuais que, em função da sua magnitude e sinal, podem ser benéficas ou prejudiciais para a vida em serviço da peça usinada (Garcia Navas et al., 2008). Tensões residuais são tensões existentes em um corpo sólido sem aplicação de forças externas ou gradientes térmicos; se encontram em equilíbrio, sendo o somatório das forças resultantes e dos momentos produzidos nulos (Lu, 1996). A análise da das tensões residuais presentes nos componentes mecânicos, bem como a compreensão do comportamento das propriedades mecânicas dos materiais, quando sujeitos a campos de tensões originados nos processos de manufatura, é de grande importância para diversas áreas e aplicações industriais (Almer et al., 2000). Está bem estabelecido que a presença de tensões residuais compressivas na superfície do material aumenta a sobrevida em fadiga, enquanto que as tensões trativas podem se somar às tensões de trabalho, mesmo no regime elástico, causando a ruptura prematura do componente (Cindra Fonseca et al., 2007). O aço inoxidável austenítico AISI 304L é amplamente utilizado em diversos setores industriais, tais como: químico, naval, de papel e celulose, nuclear, petroquímico, aeronáutico, de utensílios domésticos e de eletrodomésticos. Apesar de ser um aço de difícil soldabilidade e usinabilidade ele é extensivamente usado na fabricação de componentes industriais devido a sua alta resistência à corrosão. A dificuldade de usinagem desses aços está relacionada com a sua baixa condutividade térmica e à propensão em sofrer endurecimento por deformação, o que ocorre a cada passe, devido às transformações microestruturais decorrentes da sensibilidade do material à tensão e à deformação, favorecendo ainda a formação de cavacos instáveis e vibrações (Outeiro et al. 2002). Muitos estudos sobre o desenvolvimento das tensões residuais na usinagem por torneamento dos aços inoxidáveis têm sido desenvolvidos, existindo certo consenso sobre a influência dos efeitos térmicos na geração de tensões residuais trativas, enquanto que as tensões residuais compressivas seriam oriundas das grandes taxas de deformação plástica, que geram complexos campos de tensões (M'Saoubi et al., 1999; Liang & Su, 2007). Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi estudar e caracterizar a natureza e magnitude das tensões residuais geradas na usinagem do aço inoxidável austenítico AISI 304L, através da operação de torneamento com ferramenta de inserto de metal duro, usando diferentes parâmetros de corte para desbaste e acabamento. A análise visou também estabelecer correlações entre os parâmetros de corte, já que a seleção adequada dos mesmos é fundamental para a

2 obtenção de produtos com a qualidade superficial desejada. Dentro desse contexto, uma análise sobre a qualidade superficial após a usinagem das amostras foi realizada com base na rugosidade apresentada complementando o trabalho. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O material estudado no presente trabalho foi uma barra cilíndrica de aço inoxidável AISI 304L comercial de aproximadamente 55 mm de diâmetro, cuja composição química e propriedades mecânicas (segundo a norma AISI/UNS) são mostradas nas Tab. (1) e Tab. (2), respectivamente. Tabela 1. Composição química do aço AISI/UNS 304L (% em peso). C Cr Ni N Mn S P Si 0,018 19,73 10,05 0,030 2,00 0,007 0,028 0,44 Tabela 2. Propriedades mecânicas do aço AISI/UNS 304L. σ LE (MPa) LR (MPa) Alongamento min (%) Dureza Vickers (HV) As amostras foram usinadas por torneamento, em um torno mecânico paralelo e programável CNC, da marca Romi Cosmos 10U, com potência de 10CV. As ferramentas de corte utilizadas foram insertos de metal duro fabricados pela Sandvik, modelo GC2025, classe M, indicados para trabalhos de desbaste e acabamento em aços inoxidáveis austeníticos. A usinagem foi realizada com fluido de corte. A barra, inicialmente com 55mm de diâmetro e 300mm de comprimento, foi cortada em quatro peças de 70mm, totalizando oito amostras, conforme mostra a Fig. (1). Figura 1. Desenho esquemático da amostra usada no trabalho. As oito amostras foram divididas em dois grupos: regime de desbaste e acabamento. Cada um desses grupos também foi subdividido em outros dois, com diferentes profundidades de corte. As condições de corte utilizadas na usinagem, com os diferentes parâmetros, estão apresentadas na Tab. (3). No total foram realizados 2 passes em cada amostra. As tensões residuais superficiais foram medidas pela técnica de tensometria por difração de raios-x, pelo método do sen², usando radiação Crκα, difratando o plano (220) da austenita, com tensão de 25kV e corrente de 2,0mA. Foi usado um analisador de tensões modelo XStress 3000, fabricado pela Stresstech e adquirido através da Rede de Materiais Petrobras/TMEC.

3 Tabela 3. Parâmetros utilizados no torneamento das amostras. Operação Desbaste Acabamento Amostra 1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b Velocidade de corte, V c (m/min) Avanço, f (mm/rev) 165 0, ,1 Profundidade de corte, p (mm) Rotação (rpm) 0, , , , As tensões residuais superficiais longitudinais foram analisadas na mesma direção do vetor F f, força de avanço, e as tensões circunferenciais na mesma direção do vetor F c, força de corte, conforme mostra a Fig (2). Em cada amostra, foram medidas as tensões em três pontos distintos, como mostrado na Fig. (1), antes e após da usinagem. As tensões residuais superficiais circunferenciais foram analisadas apenas após a usinagem. A rugosidade foi analisada após a usinagem para avaliar a qualidade superficial (Ra) resultante, através de um rugosímetro digital, modelo Surtronic 25. Figura 2. Forças atuantes no torneamento (Yaldiz et al., 2005). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES As tensões residuais superficiais foram medidas nas oito amostras, em 3 pontos distintos, a fim de caracterizar o estado de tensões superficiais inicial na direção longitudinal. A Tabela (4) e a Figura (3) mostram as médias, com os respectivos desvios padrões dos resultados obtidos. Grupo Tabela 4. Tensões residuais no material conforme recebido. Amostra Tensões Residuais Longitudinais (MPa) Média D.P.* Coeficiente de Variação (%) a b a b a b a

4 b *D.P.: Desvio Padrão amostral. Figura 3. Tensões residuais longitudinais iniciais nas amostras. Os resultados da análise das tensões residuais longitudinais geradas no torneamento estão apresentados na Tab. (5) e Fig. (4). Os grupos 1 e 2 foram usinados em regime de desbaste, com velocidade de corte de 165m/min e avanço de 0,3mm/rev, variando apenas a profundidade de corte: 0,8mm para o Grupo 1 e 0,6mm no Grupo 2. Tabela 5. Parâmetros de corte e tensões residuais longitudinais após o torneamento. Grupo Amostra Tensões Residuais Longitudinais (MPa) Média D.P. Coeficiente de Variação (%) a b a b a b a b É possível observar na Fig. (4) que, nas amostras dos grupos 1 e 2, houve um aumento significativo das tensões residuais trativas, passando de uma média de 200MPa para 600MPa, ou seja, um aumento de 200%. Contudo, fica evidente, considerando a margem do desvio padrão, que a profundidade de corte pouco influenciou nos valores finais das tensões residuais, pois os Grupos 1 e 2 apresentam valores médios de tensões residuais trativas de cerca de 600MPa. Com relação aos grupos 3 e 4 (regime de acabamento), ao contrário dos grupos 1 e 2, as tensões residuais permaneceram em torno de 200MPa, em média. Com relação à profundidade de corte, pode-se observar na Tab. 4 que a profundidade de corte no grupo 4 (0,2mm) resultou em tensões residuais finais com valores mais elevados, média de 230MPa, se comparados ao grupo 3 (0,4mm), cerca de 130MPa. Resultados similares, obtidos por Salio et al. (2006), foram constatados na usinagem do aço AISI 316L, onde os valores das tensões residuais longitudinais variaram inversamente com relação às profundidades de corte, ou seja, com o aumento da profundidade de corte as tensões residuais diminuiram em magnitude.

5 Figura 4. Tensões residuais longitudinais finais. Também foram avaliadas as tensões residuais circunferenciais das amostras, Tab. (6) e Fig. (5). Comparando a direção longitudinal, as tensões circunferenciais atingiram magnitudes superiores, alcançando médias acima de 1200MPa, o que pode ser decorrente das bruscas mudanças microestruturais na superfície das amostras devido à deformação sofrida pelo material durante o torneamento, ou seja, altas taxas de encruamento. Este aumento na magnitude das tensões residuais é indesejável, pois pode causar a redução significativa na vida em fadiga do componente usinado e de sua resistência à corrosão. Tabela 6. Parâmetros de corte e tensões residuais circunferenciais no torneamento. Grupo Amostra Tensões Residuais Circunferenciais (MPa) Média D.P. Coeficiente de Variação (%) a b a b a b a b Torna-se evidente que, o estado final de tensões residuais é mais heterogêneo no sentido longitudinal do que no sentido circunferencial, quando os regimes de corte variam. Através da Tab. (6) e Fig. (5), verifica-se que, no desbaste, considerando a margem do desvio padrão, a profundidade de corte pouco influenciou no estado final de tensões residuais circunferenciais, uma vez que os grupos 1 e 2 apresentam valores médios de tensões residuais trativas próximas a 1100MPa e para o regime de acabamento, grupos 3 e 4, as tensões residuais circunferenciais ficaram em torno de 1000MPa, em média, exceto na amostra 3b, que possui um elevado coeficiente de variação (21%). Observa-se na Fig. (5) que, ao contrário da operação de desbate, a profundidade de corte no grupo 3 (p = 0,4mm) resultou em tensões residuais finais com valores superiores, média de 1100MPa, se comparados ao Grupo 4 (p = 0,2mm), em torno de 900MPa. Resultados de tensões residuais similares foram encontrados por M'Saoubi et al, 1999, no torneamento ortogonal de aço AISI 316 L. Fica evidenciado que a profundidade de corte influenciou o estado final de tensões residuais, nas direções longitudinal e circunferencial, apenas nos processos de acabamento, grupos 3 e 4.

6 Figura 5. Tensões residuais circunferenciais finais. A Figura (6) mostra os resultados de rugosidade (Ra) compatíveis com as operações de desbaste e de acabamento. Os resultados são bastante homogêneos, tanto nas amostras desbastadas quanto nas acabadas, com profundidades de corte diferentes, o que evidencia que, para o torneamento do aço AISI 304L, as profundidades de corte usadas não influenciaram de forma substancial a rugosidade final das amostras, quando comparado aos outros parâmetros de corte. Figura 6. Rugosidade das amostras (Ra). 4. CONCLUSÕES O estudo experimental do comportamento das tensões residuais no torneamento de amostras de aço inoxidável AISI 304L permite as seguintes conclusões: 1. As tensões residuais superficiais após o torneamento possuem natureza trativa em todas as condições, o que poderia comprometer a vida em fadiga e a resistência à corrosão do componente usinado. 2. As tensões residuais finais circunferenciais atingem valores significantemente superiores (1200MPa) em relação às longitudinais (em torno de 200MPa). As tensões longitudinais das amostras desbastadas são mais elevadas (600MPa), quando comparadas às amostras acabadas (200MPa). 3. Na operação de desbaste, a variação da profundidade de corte não influenciou de forma significativa o estado final de tensões residuais longitudinais. Contudo, no acabamento, a profundidade de corte maior (0,4mm), atingiu-se valores de tensão inferiores, em torno de 130MPa,quando comparado a profundidade de corte de 0,2mm, média de 230MPa. Para a direção circunferencial esta relação não fica clara, sendo necessário talvez realizar mais ensaios para conseguir obter relações mais concretas.

7 4. Os resultados de rugosidade são compatíveis com as operações de desbaste e de acabamento. Observou-se que, para o torneamento do aço AISI 304L, as profundidades de corte determinadas não influenciam de forma substancial a rugosidade final das amostras, quando comparado aos outros parâmetros de corte. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à FAPERJ, pelo suporte financeiro, que permitiu a realização do trabalho. 6. REFERÊNCIAS Almer, J.D., Cohen, J.B., Moran, B. The Effects of Residual Macrostresses and Microstresses on the Fatigue Crack Initiation, Materials Science and Engineering A, pp , vol. 284, Cindra Fonseca, M. P., Costa, W.S., Chaves, F.R.S., Pardal, J.M., Marques Jr, A.S. Estudo das Propriedades Mecânicas e Tensões Residuais em Juntas Soldadas de Aço ARBL Bifásico Usado na Indústria Automobilística, 8º Congresso Iberoamericano de Ingenieria Mecanica, Cusco, Peru, Garcia Navas, V.; Ferreres, I., Marañon, J.A.; Garcia-Rosales, Gil Sevillano, C., J. Electro-discharge machining (EDM) versus hard turning and grinding Comparison of residual stresses and surface integrity generated in AISI O1 tool steel, Journal of Materials Processing Technology, 195 pg , Liang, S.Y., Su J-C., Residual Stress Modeling in Orthogonal Machining, CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 56, Issue 1, 65-68, Lu, J. Prestress Engineering of Structural Material: A Global Design Approach to the Residual Stress Problem. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. ASM International, Ohio, 2002, p-14. M'Saoubi, R., Outeiro, J.C., Changeux, B., Lebrun, J.L., Morão Dias, A. Residual stress analysis in orthogonal machining of standard and resulfurized AISI 316L steels, Journal of Materials Processing Technology, 96, , Outeiro, J. C. Dias, A. M. Lebrun, J. L. Astakhov, V. P. Machining Residual Stresses in AISI 316L Steel and their Correlation with the Cutting Parameters, Machining Science and Technology, vol. 6, nº 2, pp , Salio, M., Berruti, T., De Poli, G. Prediction of Residual Stress Distribution after Turning in Turbine Disks, International Journal of Mechanical Sciences, vol. 48, pp , 2006 Yaldiz, S., Unsacar, F., Saglam, H. Comparison of experimental results obtained by designed dynamometer to fuzzy model for predicting cutting forces in turning. Materials and Design, vol. 27, pp , DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no presente trabalho. ANALYSIS OF RESIDUAL STRESSES GENERATED BY TURNING OF AISI 304L STAINLESS STEEL Matheus Altomare Cruz, matheusaltomare@id.uff.br 1 Jose Luis L. Silveira, jluis@mecanica.ufrj.br 2 Tatiane de Campos Chuvas, chuvas@vm.uff.br 1 Maria Cindra Fonseca, mcindra@vm.uff.br 1 Universidade Federal Fluminense, Escola de Engenharia, Departamento de Engenharia Mecânica/PGMEC, Rua Passo da Pátria, 156, Bl. D, CEP Niterói, RJ, Brasil. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE/UFRJ, Departamento de Engenharia Mecânica, Av. Horácio Macedo 2030, Centro de Tecnologia, Bloco G, Ilha do Fundão, CEP Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

8 Abstract: The behavior of the residual stresses generated in machining processes is very important, because the fatigue life of the machined component can be severely affected, depending on the nature and magnitude of these stresses. Therefore, the aim of this work was to study the residual stresses generated by the turning of austenitic stainless steel AISI 304L, with carbide tool using different depth of cut. The residual stresses were measured by X-ray diffraction technique by sin 2 method using Crka radiation. Surface tensile residual stresses were found in all cutting used conditions. However, larger stresses magnitudes are related to the use of high cutting speeds with lower feed rate. Analysis of surface roughness complemented the study. Keywords: Turning, Residual Stress, AISI 304L Steel, X-ray diffraction.