O presente trabalho, apresenta resultados da investigação experimental e da análise computacional acerca do método de ensaio de anéis de aço para obtenção do valor do coeficiente de atrito, existente na região de contato entre as matrizes e os corpos de prova. Buscando atingir os objetivos, foi feito um planejamento do experimento, através do programa MINITAB (2000), levando-se em consideração as variáveis do processo para forjamento a quente de peças para indústria automotiva, os experimentos foram realizados nos laboratórios da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). A simulação do ensaio de anel permitiu uma boa estimativa da redução de diâmetros dos mesmos, bem como, do fluxo de material no interior dos anéis e da superfície neutra. A análise estatística dos resultados mostrou que a variável mais importante a afetar o coeficiente de atrito foi a temperatura, seguindo-se do tipo de revestimento das ferramentas, velocidade e material. Para um estudo mais pormenorizado do efeito do material a ser forjado, do recobrimento das ferramentas e da rugosidade das mesmas no coeficiente de atrito será necessário um maior número de repetições dos experimentos. / The present work introduces the result of the experimental investigation and computing analyses regarding the method of trial with steel rings as to obtain the value of friction coefficient, which exist in the contact area between the tools and test bodies. Aiming to reach the objectives, a design of experiments was established through the program MINITAB (2000) taking into account the process variables in order to hot forge parts for the automotive industry, being such experiments accomplished at the laboratories of the Universidade do Rio Grande do Sul (UFRGS). The simulation trial of the ring allowed for good estimate of its diameters reduction as well as internal material flow in the rings and in the neutral surface. The static analyses of the results demonstrated that the most important isolated variable to affect the friction coefficient was temperature, followed by the type of tools covering, velocity and material. However a bigger number of experiments repetitions will be necessary in order to reach a more detailed study about the effect of the material to be forged, of tools covering and roughness in the friction coefficient as well.

O presente trabalho, apresenta resultados da investigação experimental e da análise computacional acerca do método de ensaio de anéis de aço para obtenção do valor do coeficiente de atrito, existente na região de contato entre as matrizes e os corpos de prova. Buscando atingir os objetivos, foi feito um planejamento do experimento, através do programa MINITAB (2000), levando-se em consideração as variáveis do processo para forjamento a quente de peças para indústria automotiva, os experimentos foram realizados nos laboratórios da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). A simulação do ensaio de anel permitiu uma boa estimativa da redução de diâmetros dos mesmos, bem como, do fluxo de material no interior dos anéis e da superfície neutra. A análise estatística dos resultados mostrou que a variável mais importante a afetar o coeficiente de atrito foi a temperatura, seguindo-se do tipo de revestimento das ferramentas, velocidade e material. Para um estudo mais pormenorizado do efeito do material a ser forjado, do recobrimento das ferramentas e da rugosidade das mesmas no coeficiente de atrito será necessário um maior número de repetições dos experimentos. / The present work introduces the result of the experimental investigation and computing analyses regarding the method of trial with steel rings as to obtain the value of friction coefficient, which exist in the contact area between the tools and test bodies. Aiming to reach the objectives, a design of experiments was established through the program MINITAB (2000) taking into account the process variables in order to hot forge parts for the automotive industry, being such experiments accomplished at the laboratories of the Universidade do Rio Grande do Sul (UFRGS). The simulation trial of the ring allowed for good estimate of its diameters reduction as well as internal material flow in the rings and in the neutral surface. The static analyses of the results demonstrated that the most important isolated variable to affect the friction coefficient was temperature, followed by the type of tools covering, velocity and material. However a bigger number of experiments repetitions will be necessary in order to reach a more detailed study about the effect of the material to be forged, of tools covering and roughness in the friction coefficient as well.

Atualmente o Projeto de Experimentos (DOE) vem sendo largamente utilizado para determinar os fatores de projetos e processos mais significativos afetando uma variável resposta e para estabelecer modelos empíricos entre os fatores, entretanto este método ainda é pouco utilizado e processo de forjamento a quente. O presente trabalho analisa a influência individual e cumulativa de alguns parâmetros controláveis de um processo de forjamento a quente em matriz fechada na força de prensagem necessária para sua realização. Esta análise foi realizada utilizando a técnica de Projeto de Experimentos (DOE). Para a determinação da influência dos parâmetros de processo selecionados na variável resposta do Projeto de Experimentos (DOE), uma série de ensaios variando o lubrificante utilizado, o diâmetro da geratriz e a temperatura de forjamento foram realizados. A variável resposta para o experimento foi definida como a força de prensagem exigida do equipamento para a realização do forjamento. Para este trabalho foi utilizado o material ABNT 4140 fornecido em barras trefiladas de 28,6mm (1.1/8″) posteriormente forjado a quente em matriz fechada. Os resultados mostraram que o fator que mais influencia na força de prensagem para a situação ensaiada é o lubrificante. Os demais fatores, mesmo combinados, não apresentaram uma influência significativa na variável resposta. O presente estudo demonstra que é possível a utilização de técnicas de ajuste e definição de parâmetros de processo de forjamento a quente de maneira confiável e sem a necesside da aplicação dos complexos programas de simulação computacional e os métodos de tentativa e erro ainda presentes na indústria. Finalmente este trabalho reforça a versatilidade do Projeto de Experimentos (DOE) ainda pouco aplicado em processos de forjamento. / Nowadays the Design of Experiments (DOE) has been widely used to determine the most significant project and process factors affecting a response variable and to establish empirical models among the factors, although this method is still little used and the process of hot forging. This work analyzes the individual and cumulative influence of some controllable parameters in a closed die hot forging process in the pressing force required for its realization. This analysis was performed using a Design of Experiments (DOE) method. To determine the influence of variable factors selected in response Design of Experiments (DOE), a several tests varying the lubricant, the diameter of the billet and the forging temperature was performed. The response variable for the experiment was defined as pressing force. For this study, it was used the ABNT 4140 steel provided in drawn bars of 28,6mm (1 1/8 ″). The fator that had more influence over the pressing force was the lubricant. Other factors, whether or not combined, did not show a significant influence on the response variable. This study demonstrates that it is possible use techniques to set hot forging process parameters reliably and without necesside the application of complex computer simulation programs or the trial and error system. Finally, this work reinforces the versatility of Design of Experiments (DOE) wich is still little used in forging processes.

Atualmente o Projeto de Experimentos (DOE) vem sendo largamente utilizado para determinar os fatores de projetos e processos mais significativos afetando uma variável resposta e para estabelecer modelos empíricos entre os fatores, entretanto este método ainda é pouco utilizado e processo de forjamento a quente. O presente trabalho analisa a influência individual e cumulativa de alguns parâmetros controláveis de um processo de forjamento a quente em matriz fechada na força de prensagem necessária para sua realização. Esta análise foi realizada utilizando a técnica de Projeto de Experimentos (DOE). Para a determinação da influência dos parâmetros de processo selecionados na variável resposta do Projeto de Experimentos (DOE), uma série de ensaios variando o lubrificante utilizado, o diâmetro da geratriz e a temperatura de forjamento foram realizados. A variável resposta para o experimento foi definida como a força de prensagem exigida do equipamento para a realização do forjamento. Para este trabalho foi utilizado o material ABNT 4140 fornecido em barras trefiladas de 28,6mm (1.1/8″) posteriormente forjado a quente em matriz fechada. Os resultados mostraram que o fator que mais influencia na força de prensagem para a situação ensaiada é o lubrificante. Os demais fatores, mesmo combinados, não apresentaram uma influência significativa na variável resposta. O presente estudo demonstra que é possível a utilização de técnicas de ajuste e definição de parâmetros de processo de forjamento a quente de maneira confiável e sem a necesside da aplicação dos complexos programas de simulação computacional e os métodos de tentativa e erro ainda presentes na indústria. Finalmente este trabalho reforça a versatilidade do Projeto de Experimentos (DOE) ainda pouco aplicado em processos de forjamento. / Nowadays the Design of Experiments (DOE) has been widely used to determine the most significant project and process factors affecting a response variable and to establish empirical models among the factors, although this method is still little used and the process of hot forging. This work analyzes the individual and cumulative influence of some controllable parameters in a closed die hot forging process in the pressing force required for its realization. This analysis was performed using a Design of Experiments (DOE) method. To determine the influence of variable factors selected in response Design of Experiments (DOE), a several tests varying the lubricant, the diameter of the billet and the forging temperature was performed. The response variable for the experiment was defined as pressing force. For this study, it was used the ABNT 4140 steel provided in drawn bars of 28,6mm (1 1/8 ″). The fator that had more influence over the pressing force was the lubricant. Other factors, whether or not combined, did not show a significant influence on the response variable. This study demonstrates that it is possible use techniques to set hot forging process parameters reliably and without necesside the application of complex computer simulation programs or the trial and error system. Finally, this work reinforces the versatility of Design of Experiments (DOE) wich is still little used in forging processes.

Atualmente o Projeto de Experimentos (DOE) vem sendo largamente utilizado para determinar os fatores de projetos e processos mais significativos afetando uma variável resposta e para estabelecer modelos empíricos entre os fatores, entretanto este método ainda é pouco utilizado e processo de forjamento a quente. O presente trabalho analisa a influência individual e cumulativa de alguns parâmetros controláveis de um processo de forjamento a quente em matriz fechada na força de prensagem necessária para sua realização. Esta análise foi realizada utilizando a técnica de Projeto de Experimentos (DOE). Para a determinação da influência dos parâmetros de processo selecionados na variável resposta do Projeto de Experimentos (DOE), uma série de ensaios variando o lubrificante utilizado, o diâmetro da geratriz e a temperatura de forjamento foram realizados. A variável resposta para o experimento foi definida como a força de prensagem exigida do equipamento para a realização do forjamento. Para este trabalho foi utilizado o material ABNT 4140 fornecido em barras trefiladas de 28,6mm (1.1/8″) posteriormente forjado a quente em matriz fechada. Os resultados mostraram que o fator que mais influencia na força de prensagem para a situação ensaiada é o lubrificante. Os demais fatores, mesmo combinados, não apresentaram uma influência significativa na variável resposta. O presente estudo demonstra que é possível a utilização de técnicas de ajuste e definição de parâmetros de processo de forjamento a quente de maneira confiável e sem a necesside da aplicação dos complexos programas de simulação computacional e os métodos de tentativa e erro ainda presentes na indústria. Finalmente este trabalho reforça a versatilidade do Projeto de Experimentos (DOE) ainda pouco aplicado em processos de forjamento. / Nowadays the Design of Experiments (DOE) has been widely used to determine the most significant project and process factors affecting a response variable and to establish empirical models among the factors, although this method is still little used and the process of hot forging. This work analyzes the individual and cumulative influence of some controllable parameters in a closed die hot forging process in the pressing force required for its realization. This analysis was performed using a Design of Experiments (DOE) method. To determine the influence of variable factors selected in response Design of Experiments (DOE), a several tests varying the lubricant, the diameter of the billet and the forging temperature was performed. The response variable for the experiment was defined as pressing force. For this study, it was used the ABNT 4140 steel provided in drawn bars of 28,6mm (1 1/8 ″). The fator that had more influence over the pressing force was the lubricant. Other factors, whether or not combined, did not show a significant influence on the response variable. This study demonstrates that it is possible use techniques to set hot forging process parameters reliably and without necesside the application of complex computer simulation programs or the trial and error system. Finally, this work reinforces the versatility of Design of Experiments (DOE) wich is still little used in forging processes.

Semi-hot or warm forging is an economical alternative to the conventional forging processes by combining advantages of hot and cold forging processes. In this study, a new forging process sequence and design of the preform die for a part which has been produced by hot forging are proposed to be produced by semi-hot forging. Thermo-mechanical finite element analyses are performed over the stages of forging process. The billet and the dies are modeled as elastic-plastic bodies. Effects of preform die geometry on the die stresses and the forging load are investigated using finite element method. Comparison of the results obtained by using two different commercial finite element analysis programs is done for semi-hot and hot forging temperature ranges. The forging temperatures are determined for the particular part and the experiments are conducted by using the 1000 ton forging press. The parts are produced without any defects and material wastage in the form of flash is reduced. The numerical results are also compared with the experimental results and a good agreement is achieved.

L’Inconel 718 est un superalliage base nickel, élaboré dans les années 60, utilisé dans la fabrication de pièces pour les parties chaudes des moteurs d’avion. Il acquiert ses propriétés mécaniques et sa microstructure finale au cours du procédé de mise en forme appelé forgeage à chaud. La maîtrise de ce procédé nécessite de comprendre l’interaction entre les phénomènes d’écrouissage et de recristallisation dynamique tout en intégrant l’influence de diverses conditions thermomécaniques. Cette étude s’est focalisée, expérimentalement, sur les phénomènes liés au forgeage à chaud en mise en forme unipasses et multipasses super-δ-solvus (1050 °C). Afin de les caractériser, des essais de compression ont été réalisés à l’échelle de pions. Des trempes à l’hélium, après déformation, ont permis de figer les microstructures dans le but de comprendre leur évolution en fonction des paramètres thermomécaniques (ε, et T). Des observations ont ensuite été réalisées expérimentalement : microscopie optique et à balayage, EBSD et diffraction des neutrons. Une attention particulière a été portée sur l’évolution de la phase δ, influençant indirectement les propriétés mécaniques de l’alliage, au cours de traitements thermiques puis thermomécaniques. La quantification ainsi que la détermination des cinétiques d’évolution statiques et dynamiques de cette phase a permis de mieux comprendre son influence au cours du forgeage sub-δ-solvus (980 °C). Un chaînage séquentiel a été développé entre deux modèles, l’un de plasticité cristalline implémenté dans un code éléments finis (CPFEM) et l’autre de recristallisation, implémenté dans un code automates cellulaires. Ce chaînage séquentiel permet de décrire les évolutions de champs mécaniques et de microstructures au cours du forgeage à chaud et a été validé par une comparaison avec les résultats expérimentaux. MOTS CLÉS : forgeage à chaud, Inconel 718, recristallisation dynamique, mise en forme multipasses, phase δ, plasticité cristalline (CPFEM), automates cellulaires, chaînage séquentiel, agrégats polycristallins 3D. / Developed in the 60’s, the nickel-base superalloy, Inconel 718, is widely used for hot parts of aircraft engines. The hot forging process confers to the alloy its final microstructure and its mechanical properties. The control of the process requires a deep knowledge of the interactions between the hardening phenomena and the dynamic recrystallization for the various thermomechanical conditions which are used. The present study mainly focuses on the experimental characterization of the phenomena linked to hot forging in the super-δ-solvus domain (1050 °C), as well for a single pass process as for a multipass one. Hot compression tests are used to simulate forging. After deformation, samples are helium quenched in order to freeze the microstructure that allows understanding its evolution as a function of the thermomechanical parameters (ε, and T). Microstructure analyses have then been performed using optical and scanning microscopy, EBSD, and neutron diffraction. A specific attention is paid on the study of the -phase evolution as it has a direct influence on the mechanical properties of the alloy. Its evolution is followed along thermal and thermomechanical treatments. The measure of the static and dynamic precipitation kinetics has led to a better understanding of the -phase role during hot forging at temperatures below solvus (980 °C). A sequential coupling is developed, based on two models; the first one is a crystal plasticity model implemented in a finite element code (CPFEM), the second one being a modeling of recrystallization using a cellular automata approach. The coupling allows the evolutions of the mechanical fields and the microstructure to be simulated during hot forging. The numerical results fit correctly most of the experimental data, mechanical and structural.

A falha devido à ocorrência de fadiga térmica de materiais utilizados como ferramentas para trabalho a quente é identificada durante serviço e ocorre devido ao acúmulo de dano localizado. O aço AISI H13 é comumente utilizado em ferramentas para a conformação a quente devido à sua boa tenacidade à fratura e resistência ao desgaste, e considerável resistência à perda de dureza a quente. Este trabalho teve como motivação estudar a relação entre a microestrutura do aço H13 e os carregamentos térmicos e mecânicos, que possam levar à falha de ferramentas para forjamento a quente. Para este estudo, fez-se uso de meios computacionais (simulação numérica) aliados aos conhecimentos de caracterização microestrutural e do comportamento mecânico dos materiais. Nesta abordagem, elabora-se uma malha na microestrutura do referido aço no software OOF2®, do NIST, e as análises são feitas a partir da aplicação do método dos elementos finitos com o emprego do software Abaqus®. Com isso, torna-se possível examinar o efeito de aspectos microestruturais, como a influência dos precipitados, na ocorrência de tensões e de deformações na microestrutura de forma a obter um mapeamento de regiões críticas ao dano e à falha na ferramenta de forjar a quente. Os estudos são baseados e comparados com trabalhos já publicados, e simulam carregamentos e variações de temperatura no material em questão de modo a verificar as condições que favorecem a nucleação de trincas por fadiga térmica. Como principais conclusões e contribuições obtidas da análise realizada, podem ser destacadas: (i-) as regiões críticas que vêm a propiciar a nucleação de trincas térmicas são os precipitados e as interfaces; (ii-) no campo de tensões, a propriedade das fases que exerce a maior influência é o módulo de elasticidade; (iii-) os diferentes coeficientes de expansão térmica das fases geram deformações térmicas mais elevadas e tensões compressivas nas interfaces; (iv-) as deformações térmicas nos precipitados são superiores às da matriz devido à influência no campo de tensões; (v-) em termos de tensões térmicas, o momento do ciclo térmico mais crítico para a matriz é o resfriamento; e (vi-) ao passo que, nos precipitados, a etapa mais crítica é o aquecimento. / Failure due to thermal fatigue can occur in hot working tool materials and its onset takes place in the regions where the highest stress and strain are reached. AISI H13 steel is often used as a hot working tool since it has good toughness and wear resistance, and also a sensible resistance to loss of hot hardness. This study was carried out by means of finite element method (FEM) combined with microstructural characterization and mechanical behavior of materials analysis. According to this approach, H13 steel microstructure, in which carbides could be observed, was meshed by means of OOF2® (NIST). Moreover, the ABAQUS® commercial FEM software was used to simulate thermal and mechanical loading applied in the tool throughout mechanical processing. The conducted analysis allowed to observe the effect of precipitates on stress-strain distribution at different temperatures and loads. Hence, critical regions, in which damage could be favored as well failure onset in the microstructure of the hot forging tool, are displayed. The investigation was based on and compared to literature results and it showed that it can be possible to design the microstructure of hot forging materials, in which an improvement in the thermal fatigue resistance could be improved. The main remarks and conclusions of this work are as follows: (i-) precipitates and interfaces are preferential regions to nucleation and growth of cracks, and they seem to work as stress concentrators; (ii-) modulus of elasticity of phases has the strongest influence in the stress fields of the microstructure; (iii-) the mismatch between thermal expansion coefficients of the phases leads to compressive stresses on interfaces and also the highest thermal strain; (iv-) thermal strains are higher on the precipitates than on the steel matrix; (v-) elastic-plastic properties of steel matrix influenced on thermal cycles. In addition, cooling is the most critical condition of thermal stresses by analyzing each thermal cycle in this phase; and (vi-) whereas the precipitates have elastic behavior, and the most critical step is the heating, in which the maximum temperature of the cycle is reached.

Forging is a metal forming process which involves non-linear deformations. Finite element and finite volume software programs are commonly used to simulate the process. In these simulations, material properties are required. However, stress-strain relations of the materials at some elevated temperatures are not available in the material libraries of the related software programs. In this study, the stress-strain curves have been obtained by applying the Cook and Larke Simple Compression Test to AISI 1045 steel at several temperatures on a forging press with a capacity of 1000 tons. The stress-strain curves have also been determined by simulating the processes in a commercial finite element software. It is observed that experimental results are consistent with the numerical ones. A modular die set has been designed and manufactured to conduct the Cook and Larke Simple Compression Test. It has been shown that the forging press with data acquisition system can be used as a material testing equipment to obtain stress-strain curves.

Forging operations are widely used for manufacturing processes. Forging process is done hot, warm or cold. All three temperature ranges have advantages and disadvantages. The aim of this study is to combine the advantages of hot and cold forging in a flange forming process with cylindirical workpieces in a single step. The process idea is the partial heating of the workpiece at locations where large deformations occur and to keep the parts of the workpiece cold at regions where high precision forming is required. Firstly, the process idea has been investigated virtually by the finite element method supplying the theoretical verification of the feasibility of the novel process. By this analysis also the process limits have been estimated. All analysis are based on an elastoplastic large strain material law with thermomechanical coupling. The experimental part of the study served to realize the new process idea and to verify the process window. In the experimental study two different materials, three different part geometries and different initial conditions such as temperature field, lubrication etc. have been investigated. The specifimens are heated by induction.