O objetivo deste trabalho foi investigar a influência das temperaturas de austenitização de têmpera e de revenimento na tenacidade ao impacto e na vida em fadiga do aço-mola SAE 5160, considerando diferentes teores de fósforo. Foram efetuados tratamentos térmicos de têmpera e revenimento em lâminas de aço SAE 5160 com bitolas de 70x10 mm, utilizando três diferentes temperaturas de austenitização: 850ºC, 900ºC, e 1000ºC, com tempo de permanência em forno durante 15 minutos. A temperatura do óleo de têmpera foi de 66ºC. As condições de revenimento foram de 470ºC (70 min), 500ºC (64 min), e 530ºC (59 min), desde que a dureza final fosse mantida no intervalo de 45±3 HRC. Foram efetuados tratamentos térmicos em lâminas com baixo, médio e altos teores de fósforo (0,012%, 0,017%, 0,025% e 0,031% em peso), com a finalidade de observar o efeito do teor de fósforo sobre uma possível fragilização do aço-mola. Analisando os resultados obtidos, foi possível observar que o P, mesmo em teores abaixo do máximo permitido e dependendo das temperaturas de austenitização e revenido, pode causar a fragilização induzindo à fratura frágil do tipo intergranular, como foi observado nas análises das superfícies de fratura. No entanto, se a vida de nucleação for considerada, pode-se observar também que a fragilização não possui efeito algum sobre a vida em fadiga do componente. / The aim of this work was to analyze the influence of austenitizing and tempering temperatures on the impact and fatigue life of the SAE 5160 spring steel, considering two different P amount. Bars (70 x 10 mm) were heat treated using three different austenitizing temperatures, 850ºC, 900ºC and 1000ºC, with a 15 min furnace soaking time. The quenching temperature was 66ºC. The tempering conditions were 470ºC (70 min), 500ºC (64 min), e 530ºC (59 min), since the final hardness has to be kept in the range of 45±3 HRC. Heat treatment was carried out in materials with similar chemical compositions but with different P levels, this is, 0,012%, 0,017%, 0,025% and 0,031 wt%, looking at the effect of the P level to quench and temper embrittlement. From the results was possible to observe that the P content, even bellow the maximum level, depending on the quench and temper temperatures may cause embrittlement, as observed by the absorbed impact energy and fracture surface analysis. However, if nucleation life is considered, it was also observed that this embrittlement has no effect on the fatigue life.

O objetivo deste trabalho foi investigar a influência das temperaturas de austenitização de têmpera e de revenimento na tenacidade ao impacto e na vida em fadiga do aço-mola SAE 5160, considerando diferentes teores de fósforo. Foram efetuados tratamentos térmicos de têmpera e revenimento em lâminas de aço SAE 5160 com bitolas de 70x10 mm, utilizando três diferentes temperaturas de austenitização: 850ºC, 900ºC, e 1000ºC, com tempo de permanência em forno durante 15 minutos. A temperatura do óleo de têmpera foi de 66ºC. As condições de revenimento foram de 470ºC (70 min), 500ºC (64 min), e 530ºC (59 min), desde que a dureza final fosse mantida no intervalo de 45±3 HRC. Foram efetuados tratamentos térmicos em lâminas com baixo, médio e altos teores de fósforo (0,012%, 0,017%, 0,025% e 0,031% em peso), com a finalidade de observar o efeito do teor de fósforo sobre uma possível fragilização do aço-mola. Analisando os resultados obtidos, foi possível observar que o P, mesmo em teores abaixo do máximo permitido e dependendo das temperaturas de austenitização e revenido, pode causar a fragilização induzindo à fratura frágil do tipo intergranular, como foi observado nas análises das superfícies de fratura. No entanto, se a vida de nucleação for considerada, pode-se observar também que a fragilização não possui efeito algum sobre a vida em fadiga do componente. / The aim of this work was to analyze the influence of austenitizing and tempering temperatures on the impact and fatigue life of the SAE 5160 spring steel, considering two different P amount. Bars (70 x 10 mm) were heat treated using three different austenitizing temperatures, 850ºC, 900ºC and 1000ºC, with a 15 min furnace soaking time. The quenching temperature was 66ºC. The tempering conditions were 470ºC (70 min), 500ºC (64 min), e 530ºC (59 min), since the final hardness has to be kept in the range of 45±3 HRC. Heat treatment was carried out in materials with similar chemical compositions but with different P levels, this is, 0,012%, 0,017%, 0,025% and 0,031 wt%, looking at the effect of the P level to quench and temper embrittlement. From the results was possible to observe that the P content, even bellow the maximum level, depending on the quench and temper temperatures may cause embrittlement, as observed by the absorbed impact energy and fracture surface analysis. However, if nucleation life is considered, it was also observed that this embrittlement has no effect on the fatigue life.

A proposta deste estudo é fornecer uma visão íntegra e profunda da vida em fadiga de um material aço SAE 5160 para a fabricação de feixes de mola, cujo objetivo principal é otimizar o projeto deste componente na tentativa de reduzir custo e peso, para tanto, o aço SAE 5160 submetido aos processos de tratamento térmico e shot peening, através do levantamento de uma curva de fadiga pelo ensaio de flexão por três pontos. Apresenta também, os resultados obtidos na caracterização do material, como pôr a análise de tensões residuais por difração por raios-X, das microestruturas, da dureza e da composição química, visando o objetivo de identificar possíveis variáveis que possam influenciar nas características técnicas e interferir na vida à fadiga deste aço SAE 5160. Os ensaios realizados mostram o comprometimento da resistência à fadiga deste material, pois é possível verificar uma não homogeneidade nos valores de dureza, a presença de descarbonetação e variação nos valores de tensões residuais, invalidando as amostras na ordem de cinquenta por cento. Com os resultados obtidos no levantamento da curva de fadiga e dados coletados em campo, é demonstrado a validação das curvas de projeto. / The purpose of this study is to provide a full and deep view of fatigue life of a steel material SAE 5160 for the production of leaf springs, whose main objective is to optimize the design of this component in order to reduce cost and weight, therefore the SAE 5160 steel was subjected to the heat treatment processes, and shot peening, via a test fatigue curve by the three-point deflection test. It also presents the results obtained in the characterization of the material, how to put the analysis of residual stresses by X-ray diffraction, the microstructure, hardness and chemical composition, in order to identify potential variables that may influence the technical characteristics and interfere with the fatigue life of the SAE 5160 steel. The tests performed present reduced resistance to fatigue of the material; it is not possible to verify the homogeneity of hardness, the presence of decarburization and variation in the values of residual stresses, invalidating the samples in the order of fifty percent. With the results in the lifting of fatigue and data collected in the field curve, is present the validation of design curves.

A proposta deste estudo é fornecer uma visão íntegra e profunda da vida em fadiga de um material aço SAE 5160 para a fabricação de feixes de mola, cujo objetivo principal é otimizar o projeto deste componente na tentativa de reduzir custo e peso, para tanto, o aço SAE 5160 submetido aos processos de tratamento térmico e shot peening, através do levantamento de uma curva de fadiga pelo ensaio de flexão por três pontos. Apresenta também, os resultados obtidos na caracterização do material, como pôr a análise de tensões residuais por difração por raios-X, das microestruturas, da dureza e da composição química, visando o objetivo de identificar possíveis variáveis que possam influenciar nas características técnicas e interferir na vida à fadiga deste aço SAE 5160. Os ensaios realizados mostram o comprometimento da resistência à fadiga deste material, pois é possível verificar uma não homogeneidade nos valores de dureza, a presença de descarbonetação e variação nos valores de tensões residuais, invalidando as amostras na ordem de cinquenta por cento. Com os resultados obtidos no levantamento da curva de fadiga e dados coletados em campo, é demonstrado a validação das curvas de projeto. / The purpose of this study is to provide a full and deep view of fatigue life of a steel material SAE 5160 for the production of leaf springs, whose main objective is to optimize the design of this component in order to reduce cost and weight, therefore the SAE 5160 steel was subjected to the heat treatment processes, and shot peening, via a test fatigue curve by the three-point deflection test. It also presents the results obtained in the characterization of the material, how to put the analysis of residual stresses by X-ray diffraction, the microstructure, hardness and chemical composition, in order to identify potential variables that may influence the technical characteristics and interfere with the fatigue life of the SAE 5160 steel. The tests performed present reduced resistance to fatigue of the material; it is not possible to verify the homogeneity of hardness, the presence of decarburization and variation in the values of residual stresses, invalidating the samples in the order of fifty percent. With the results in the lifting of fatigue and data collected in the field curve, is present the validation of design curves.

A proposta deste estudo é fornecer uma visão íntegra e profunda da vida em fadiga de um material aço SAE 5160 para a fabricação de feixes de mola, cujo objetivo principal é otimizar o projeto deste componente na tentativa de reduzir custo e peso, para tanto, o aço SAE 5160 submetido aos processos de tratamento térmico e shot peening, através do levantamento de uma curva de fadiga pelo ensaio de flexão por três pontos. Apresenta também, os resultados obtidos na caracterização do material, como pôr a análise de tensões residuais por difração por raios-X, das microestruturas, da dureza e da composição química, visando o objetivo de identificar possíveis variáveis que possam influenciar nas características técnicas e interferir na vida à fadiga deste aço SAE 5160. Os ensaios realizados mostram o comprometimento da resistência à fadiga deste material, pois é possível verificar uma não homogeneidade nos valores de dureza, a presença de descarbonetação e variação nos valores de tensões residuais, invalidando as amostras na ordem de cinquenta por cento. Com os resultados obtidos no levantamento da curva de fadiga e dados coletados em campo, é demonstrado a validação das curvas de projeto. / The purpose of this study is to provide a full and deep view of fatigue life of a steel material SAE 5160 for the production of leaf springs, whose main objective is to optimize the design of this component in order to reduce cost and weight, therefore the SAE 5160 steel was subjected to the heat treatment processes, and shot peening, via a test fatigue curve by the three-point deflection test. It also presents the results obtained in the characterization of the material, how to put the analysis of residual stresses by X-ray diffraction, the microstructure, hardness and chemical composition, in order to identify potential variables that may influence the technical characteristics and interfere with the fatigue life of the SAE 5160 steel. The tests performed present reduced resistance to fatigue of the material; it is not possible to verify the homogeneity of hardness, the presence of decarburization and variation in the values of residual stresses, invalidating the samples in the order of fifty percent. With the results in the lifting of fatigue and data collected in the field curve, is present the validation of design curves.

O Jateamento com granalha (shot peening, em inglês) é um processo de fabricação amplamente utilizado em indústrias mecânicas, automotivas, navais, aeronáuticas e outras indústrias metalúrgicas. O objetivo principal é induzir tensões residuais de compressão para melhorar a vida à fadiga das peças e estruturas. A modelagem e simulação do processo são muito difíceis, pois envolvem a consideração de muitos e complexos aspectos. Este trabalho propõe um método de modelagem tridimensional utilizando o método dos elementos finitos para a simulação numérica desse processo assim como a sua influência na propagação de trinca, considerando efeitos pouco estudados, como o amolecimento do material devido ao aumento da temperatura na peça durante os impactos, ao comportamento elasto-plástico das granalhas e a rugosidade da peça tratada nos parâmetros da trinca. A modelagem proposta para simular o processo de jateamento com granalhas inclui: (i) análise dinâmica explícita, (ii) modelagem tridimensional, (iii) cálculo da velocidade real das granalhas, (iv) modelo de contato com coeficientes de atrito estático e dinâmico entre as áreas em contato, (v) o modelo constitutivo de Johnson-Cook para o comportamento do material alvo, (vi) um comportamento elasto-plástico multilinear para as granalhas, (vii) a consideração da cobertura real de uma área dada da superfície jateada, (viii) a consideração do aumento da temperatura no material durante o processo e (ix) o relaxamento de tensões residuais devido a este aumento de temperatura. As simulações numérico-computacionais para investigar a influência do processo em fenômenos, tais como fadiga e propagação de trinca, necessitou uma nova abordagem para a incorporação das tensões residuais num modelo de elementos finitos. Além disso, foram realizados vários ensaios quase-estáticos e dinâmicos para a determinação dos parâmetros do modelo constitutivo de Johnson-Cook para o aço AISI 5160. Para a avaliação das metodologias propostas, as tensões residuais foram introduzidas e avaliadas em uma mola parabólica automotiva, sendo que as tensões residuais foram avaliadas através da técnica de difração de raios-X, a intensidade e a cobertura do processo de jateamento com granalha na mola foram avaliadas com Lupa e rugosímetro. Também, dados experimentais de ensaios de fadiga relatados na literatura, realizados em corpos de prova tipo CT foram utilizados. A modelagem numérica do processo de jateamento com granalha desenvolvida neste trabalho consegue prever com sucesso os perfis das tensões residuais, com valores bem próximos aos obtidos experimentalmente. A investigação numérica do efeito do processo na vida à fadiga e fratura das peças comprovou a sua influência nos parâmetros de propagação de trinca nas regiões afetadas pelo processo, ocasionando um amplo aumento da vida à fadiga, e confirmou o relaxamento das tensões residuais devido aos ciclos de carregamento conforme as observações experimentais na literatura. / Shot peening is a manufacturing process widely used in the mechanical, automotive, marine, aeronautical and other metallurgical industries. The main purpose is to induce residual compression stresses to improve fatigue life. The modeling and simulation of the process are very difficult as they involve the consideration of many and complex aspects. This work proposes a three-dimensional modelling method using the finite element method for the numerical simulation of this process as well as its influence on crack propagation, considering little studied effects such as softening of the material due to the increase in temperature in the part during impacts , the elastic-plastic behavior of the shot and the roughness of the treated part in the crack parameters. The proposed modelling approach to simulate the shot peening process includes: (i) explicit dynamic analysis, (ii) three-dimensional modeling, (iii) calculation of the real velocity of the shot, (iv) contact model with static and dynamic friction coefficients between the contact areas, (v) the Johnson-Cook constitutive model for target material behavior, (vi) a multilinear elasto-plastic behavior for the shot, (vii) consideration of real coverage in a given area of the peened surface, (viii) consideration of temperature increase in the material during the process and (ix) relaxation of residual stresses due to this rise in temperature. Numerical-computational simulations to investigate the influence of the shot peening process on phenomena, such as fatigue and crack propagation, required a new approach for the incorporation of residual stress in a finite element model. In addition, several quasi-static and dynamic tests were carried out to determine the parameters of the constitutive Johnson-Cook model for AISI 5160 steel. To assess the proposed methodologies, the residual stresses were introduced and evaluated in an automotive parabolic spring, with the residual stresses being evaluated by the X-ray diffraction technique, the intensity and coverage of the shot peening process for the spring were evaluated with magnifying glass and roughness gauge. Also, fatigue tests available in the literature, carried out on types of CT specimens, were used. The numerical modeling of the shot peening process developed in this work can successfully predict the residual stress profiles, with values close to those obtained experimentally. The numerical investigation of the effect of the process in the fatigue life and fracture of the pieces proved its influence in the parameters of crack propagation in the regions affected by the process, causing a wide increase of the fatigue life, and confirmed the relaxation of the residual stresses due to the cycles loading according to experimental observations in the literature.