Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Tensões residuais são uma das principais causas de falhas em componentes mecânicos submetidos a processos de fabricação. O objetivo do trabalho foi medir as tensões residuais presentes em um tubo quadrado soldado por resistência elétrica de alta frequência e caracterizar microestruturalmente o seu material. Para a caracterização, foram utilizadas técnicas de microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise química quantitativa. Para a medição das tensões residuais, foi utilizado o método do furo cego, baseado na norma ASTM E837-08, onde rosetas (strain-gages) são coladas à peça para medir as deformações geradas devido à usinagem de um pequeno furo no local de medição. As deformações foram associadas às tensões residuais através de equações baseadas na Lei de Hooke. A caracterização revelou uma microestrutura composta basicamente de ferrita e perlita, típica de aços com baixo teor de carbono, corroborando com a especificação fornecida pelo fabricante. As tensões residuais encontradas foram trativas e mostraram-se elevadas, com alguns valores acima do limite de escoamento do material. / Residual stresses are one of the main failure causes in mechanical components submitted to manufacture process. The aim of this work was to measure the residual stresses present in a seame welded tube welded using a high frequency electrical resistance and to microstruturally characterize its material. Optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and quantitative chemical analysis techniques were used for the characterization. The hole-drilling method was applied obeying the ASTM E837-08 norm to measure the residual stresses, where strain-gages are glued to the sample to measure the deformations caused due to the machining of a small hole in the measurement point. The deformations were linked to the residual stresses using the Hookes Law equations. The characterization basically showed a composite microstructure of ferrite and perlite, tipical in lowcarbon steels, as the specification supplied by the manufacturer. The residual stresses found were tensile and high, with some values above the material yield strength.

As distorções de forma de componentes mecânicos, que ocorrem durante a fabricação, constituem um sério problema enfrentado pela indústria metal-mecânica. Neste trabalho, avaliou-se uma rota de fabricação de barras de aço ABNT 1045 envolvendo os processos de trefilação, alívio de tensões e têmpera por indução utilizando-se uma visão holística do processo. Após um estudo detalhado, variou-se 5 parâmetros do processo, sendo eles: corrida, ângulo de fieira, ângulo de endireitamento, temperatura de alívio de tensões e profundidade de camada temperada. Caracterizou-se as tensões residuais, em todas as etapas do processo, utilizando-se as técnicas de difração de raios-X, difração de nêutrons e difração de radiação Síncrotron, bem como, a microestrutura do material. Após as etapas de trefilação combinada e tratamento térmico avaliou-se as distorções de forma, utilizando-se um equipamento de medição por coordenadas e posteriormente calculou-se os vetores distorção. Os dados obtidos foram analisados utilizando-se o software Minitab® através da montagem de uma matriz DoE (Design of Experiments). A partir dos resultados obtidos, avaliou-se quais etapas do processo induzem maior "potencial de distorção" nos componentes. A partir das medições de tensões residuais foi obtida uma visão detalhada de como estas tensões residuais se distribuem no material após cada etapa do processo, os dados mostram diferenças significativas ao longo das posições periféricas nas etapas de pré-endireitamento e trefilação. Dados apontam que a distribuição da zona de segregação é responsável pelo comportamento diferente nas duas corridas analisadas em relação às distorções. As tensões residuais geradas no endireitamento do fio-máquina são responsáveis por causar heterogeneidades no material e induzem um alto “potencial de distorção”. Nos parâmetros de processo estudados as deformações induzidas no processo de trefilação não foram capazes de eliminar as distribuições heterogêneas de tensões residuais geradas no pré-endireitamento, porém utilizando-se o ângulo de fieira de 15º houve uma diminuição da distorção após a têmpera por indução. Após o processo de endireitamento por rolos cruzados (PERC) a distribuição das tensões residuais na superfície é mais homogênea para os ângulos de ferramenta avaliados neste trabalho (16º e 18º), entretanto existem diferenças significativas na distribuição de tensões residuais no núcleo do material, e estas diferenças são umas das causadoras das distorções após o processo de têmpera por indução. / Shape distortions are a serious problem in the metalworking industry, distortion due to heat treatment is responsible for additional and cost machining operations. Minimizing or even avoiding heat treatment distortion is one of the key factors to minimize production costs. In the past, investigations had focused on single effects or isolated parameters steps in a manufacturing chain. It is well established now that each step of the process chain generates a “distortion potential” and a new global approach, treating distortion as a system attribute, analyzing the entire manufacturing chain from steelmaking to heat treatment process is necessary. The main idea of distortion engineering is that all steps of the manufacturing chain together contribute to the final distortion behavior. In this work, a steel route of combined cold-drawing process to induction hardening of ABNT 1045 steel bars was investigated. The residual stresses characterizations were carried out using X-ray diffraction, neutron diffraction and synchrotron diffraction methods. The identification and interaction between factors on distortion behavior was carried out using statistical analysis, with the aid of DoE (Design of Experiments). For the DoE method the number of causes that can be considered were 5 parameters of the process, including: different batches, drawing angle, PERC angle, stress relief temperature and induction hardening depth. From the results obtained, the evaluation of which steps in the process induce higher "distortion potential" during the various steps of the process was carried out. From the measurements of residual stresses a detailed view of how these residual stresses are distributed for material in each step of the process was obtained, the results show significant differences along the peripheral positions in the pre-straightening and drawing stages. The experimental results indicate the microstructure of the material, wire rod geometry and the die angle process parameters as main "distortion potentials".

As distorções de forma e variações dimensionais, em muitos casos, manifestam-se de maneira mais expressiva após a têmpera por indução ocasionando o chamado empenamento. Tais efeitos usualmente trazem despesas em reparos e restauração de peças, equipamentos e estruturas. Assim, a análise de tensões residuais é uma etapa obrigatória na produção de peças e elementos estruturais para a estimativa da sua confiabilidade sob condições reais de serviço. No presente trabalho foram realizadas medições de tensões residuais em semi-eixos automotivos fabricados com o aço DIN 38B3 temperados por indução. Estes eixos apresentaram diferenças quanto ao comportamento em distorção, com um eixo tendo sido endireitado e outro não. Devido a estas diferenças também se esperam diferenças em termos de distribuição de tensões residuais e propriedades dos eixos. As tensões residuais foram medidas através do método de difração de raios-X com dois equipamentos de medição (difratômetro portátil e difratômetro fixo). Complementando o trabalho foram feitas análises químicas, metalográficas, perfil de microdureza e profundidade de camada efetiva para verificar eventuais diferenças ou semelhanças entre os eixos analisados. Com os resultados de tensões obtidos foi possível obter uma visão geral da variação do perfil de tensões residuais superficiais após a têmpera por indução e a grande influência da etapa de endireitamento na redistribuição de tensões no material. / The distortions of form and dimensional variations, in many cases, appear after induction hardening causing the often called warping. These effects usually usually increase the costs of maintenance and restoration of parts, equipment and structures. Thus, the residual stress analysis is an important step in the production of parts and structural elements to estimate of its reliability under actual service conditions. In this study, measurements of residual stresses were carried out for a driveshafts manufactured from the DIN 38B3 steel after induction-hardening and straightening, if necessary. These shafts showed different behavior in distortion, with a shaft has been straightened and the other not. Due to these differences also are expected differences in the distribution of residual stresses and properties of the shafts.The residual stresses were measured by the X-ray diffraction method with two measuring equipment (a portable and a fixed diffractometers). Complementing this work chemical analysis, metallographic, of the microhardness profile and of effective case depth were accessed to eventually find differences or similarities between the analyzed driveshafts. With the residual stress results obtained it was possible to get an overview of the variation of the surface profile of residual stresses after induction hardening and the influence of straightening steps on the redistribution of residual stresses in the material.

O aumento da vida em fadiga em peças submetidas a esforços cíclicos devido à aplicação de processos de tratamento mecânico superficial já é bastante conhecido, tanto no meio industrial quanto no meio acadêmico. Para molas, o processo de shot-peening se torna etapa essencial no processo de fabricação, porém um estudo sistemático do efeito do shot-peening na vida em fadiga se faz necessário. O objetivo deste trabalho é aprofundar o conhecimento nos processos de jateamento superficial do tipo shot-peening para molas em lâminas de veículos, através da análise de tensões residuais por difração de raios-x e ensaios de fadiga em uma série de amostras que sofreram dez diferentes receitas de processos de jateamento. Dos dez diferentes processos, o de jateamento com granalha esférica fundida de aço com 1,0mm de diâmetro seguido de um segundo jateamento com granalha esférica fundida de aço de 0,3mm de diâmetro levou a uma maior vida em fadiga das amostras. A análise por difração de raios-x comprovou que a importância das tensões residuais de compressão se dá até a uma profundidade de 0,05mm, influenciando diretamente no modo de nucleação de trincas de fadiga. Acima desta profundidade, as tensões residuais induzidas por shot-peening não têm influência no modo de propagação destas trincas, e por consequência na vida em fadiga das peças. Correlações entre os resultados e a alta dureza e diminuída ductilidade do material utilizado são discutidas. / The improvement of fatigue life in parts subjected to cyclic stresses by application of mechanical surface treatment processes is already well known, both in the industry and in the academy. Dealing with automotive springs, the shot peening process becomes an essential step in manufacturing these parts. In the case of leaf springs, however, a systematic investigation of the effect of shot peening on fatigue life is still required. The aim of this work is to improve the knowledge of shot peening on leaf springs for vehicles, through the analysis of residual stresses by x-ray diffraction and fatigue tests on a series of samples that were subjected to ten different peening schedules. Among the investigated processes, the usage of 1.0 mm diameter cast steel shot followed by a second peening with 0.3 mm diameter cast steel shot leads to better performance, regarding fatigue life. X-ray diffraction analysis shows that this improved performance may be attributed to residual compressive stress maintained until a depth of 0.05 mm below the surface, which directly influences the fatigue crack nucleation. Residual stresses induced by shot-peening in larger depths, have no influence on sample fatigue life, showing that crack propagation is not affected by the induced residual stresses. Consequently, the durability of parts is improved by shot-peening exclusively due to this influence on crack nucleation at samples surface. Correlations with the increased hardness and decreased ductility of the employed material are discussed.

As distorções de forma e variações dimensionais, em muitos casos, manifestam-se de maneira mais expressiva após a têmpera por indução ocasionando o chamado empenamento. Tais efeitos usualmente trazem despesas em reparos e restauração de peças, equipamentos e estruturas. Assim, a análise de tensões residuais é uma etapa obrigatória na produção de peças e elementos estruturais para a estimativa da sua confiabilidade sob condições reais de serviço. No presente trabalho foram realizadas medições de tensões residuais em semi-eixos automotivos fabricados com o aço DIN 38B3 temperados por indução. Estes eixos apresentaram diferenças quanto ao comportamento em distorção, com um eixo tendo sido endireitado e outro não. Devido a estas diferenças também se esperam diferenças em termos de distribuição de tensões residuais e propriedades dos eixos. As tensões residuais foram medidas através do método de difração de raios-X com dois equipamentos de medição (difratômetro portátil e difratômetro fixo). Complementando o trabalho foram feitas análises químicas, metalográficas, perfil de microdureza e profundidade de camada efetiva para verificar eventuais diferenças ou semelhanças entre os eixos analisados. Com os resultados de tensões obtidos foi possível obter uma visão geral da variação do perfil de tensões residuais superficiais após a têmpera por indução e a grande influência da etapa de endireitamento na redistribuição de tensões no material. / The distortions of form and dimensional variations, in many cases, appear after induction hardening causing the often called warping. These effects usually usually increase the costs of maintenance and restoration of parts, equipment and structures. Thus, the residual stress analysis is an important step in the production of parts and structural elements to estimate of its reliability under actual service conditions. In this study, measurements of residual stresses were carried out for a driveshafts manufactured from the DIN 38B3 steel after induction-hardening and straightening, if necessary. These shafts showed different behavior in distortion, with a shaft has been straightened and the other not. Due to these differences also are expected differences in the distribution of residual stresses and properties of the shafts.The residual stresses were measured by the X-ray diffraction method with two measuring equipment (a portable and a fixed diffractometers). Complementing this work chemical analysis, metallographic, of the microhardness profile and of effective case depth were accessed to eventually find differences or similarities between the analyzed driveshafts. With the residual stress results obtained it was possible to get an overview of the variation of the surface profile of residual stresses after induction hardening and the influence of straightening steps on the redistribution of residual stresses in the material.

As distorções de forma de componentes mecânicos, que ocorrem durante a fabricação, constituem um sério problema enfrentado pela indústria metal-mecânica. Neste trabalho, avaliou-se uma rota de fabricação de barras de aço ABNT 1045 envolvendo os processos de trefilação, alívio de tensões e têmpera por indução utilizando-se uma visão holística do processo. Após um estudo detalhado, variou-se 5 parâmetros do processo, sendo eles: corrida, ângulo de fieira, ângulo de endireitamento, temperatura de alívio de tensões e profundidade de camada temperada. Caracterizou-se as tensões residuais, em todas as etapas do processo, utilizando-se as técnicas de difração de raios-X, difração de nêutrons e difração de radiação Síncrotron, bem como, a microestrutura do material. Após as etapas de trefilação combinada e tratamento térmico avaliou-se as distorções de forma, utilizando-se um equipamento de medição por coordenadas e posteriormente calculou-se os vetores distorção. Os dados obtidos foram analisados utilizando-se o software Minitab® através da montagem de uma matriz DoE (Design of Experiments). A partir dos resultados obtidos, avaliou-se quais etapas do processo induzem maior "potencial de distorção" nos componentes. A partir das medições de tensões residuais foi obtida uma visão detalhada de como estas tensões residuais se distribuem no material após cada etapa do processo, os dados mostram diferenças significativas ao longo das posições periféricas nas etapas de pré-endireitamento e trefilação. Dados apontam que a distribuição da zona de segregação é responsável pelo comportamento diferente nas duas corridas analisadas em relação às distorções. As tensões residuais geradas no endireitamento do fio-máquina são responsáveis por causar heterogeneidades no material e induzem um alto “potencial de distorção”. Nos parâmetros de processo estudados as deformações induzidas no processo de trefilação não foram capazes de eliminar as distribuições heterogêneas de tensões residuais geradas no pré-endireitamento, porém utilizando-se o ângulo de fieira de 15º houve uma diminuição da distorção após a têmpera por indução. Após o processo de endireitamento por rolos cruzados (PERC) a distribuição das tensões residuais na superfície é mais homogênea para os ângulos de ferramenta avaliados neste trabalho (16º e 18º), entretanto existem diferenças significativas na distribuição de tensões residuais no núcleo do material, e estas diferenças são umas das causadoras das distorções após o processo de têmpera por indução. / Shape distortions are a serious problem in the metalworking industry, distortion due to heat treatment is responsible for additional and cost machining operations. Minimizing or even avoiding heat treatment distortion is one of the key factors to minimize production costs. In the past, investigations had focused on single effects or isolated parameters steps in a manufacturing chain. It is well established now that each step of the process chain generates a “distortion potential” and a new global approach, treating distortion as a system attribute, analyzing the entire manufacturing chain from steelmaking to heat treatment process is necessary. The main idea of distortion engineering is that all steps of the manufacturing chain together contribute to the final distortion behavior. In this work, a steel route of combined cold-drawing process to induction hardening of ABNT 1045 steel bars was investigated. The residual stresses characterizations were carried out using X-ray diffraction, neutron diffraction and synchrotron diffraction methods. The identification and interaction between factors on distortion behavior was carried out using statistical analysis, with the aid of DoE (Design of Experiments). For the DoE method the number of causes that can be considered were 5 parameters of the process, including: different batches, drawing angle, PERC angle, stress relief temperature and induction hardening depth. From the results obtained, the evaluation of which steps in the process induce higher "distortion potential" during the various steps of the process was carried out. From the measurements of residual stresses a detailed view of how these residual stresses are distributed for material in each step of the process was obtained, the results show significant differences along the peripheral positions in the pre-straightening and drawing stages. The experimental results indicate the microstructure of the material, wire rod geometry and the die angle process parameters as main "distortion potentials".

A qualidade final dos produtos poliméricos moldados por injeção pode ser comprometida devido à ocorrência de tensões residuais provenientes do processo de moldagem, as quais podem gerar contrações e empenamentos, alterando as dimensionais finais do produto. A determinação das tensões residuais pode ser realizada pelo método do furo cego, ensaio pouco difundido para materiais poliméricos pois é normalizado para materiais metálicos. Assim, com o objetivo de avaliar os parâmetros que influenciam nas alterações dimensionais e nas tensões residuais do polipropileno moldado por injeção, este trabalho utilizou simulações computacionais, análises térmicas, medições de empenamento e contração, ensaios de resistência à tração e ao impacto e avaliação das tensões residuais via método do furo cego. Após a moldagem, os corpos de prova foram submetidos a três condições pós-moldagem (restrição física + água, restrição física + estufa, neutro). Nos ensaios experimentais os corpos de prova moldados com menores pressões de recalque, como também os moldados com nervuras apresentaram maiores empenamentos, o que corroborou as simulações computacionais e a literatura. Nas condições pós-moldagem observou-se que os corpos de prova lisos submetidos à restrição física + estufa apresentaram menores empenamentos em relação aos que não foram submetidos à essa condição. Em relação às contrações, para ambas as geometrias dos corpos de prova, não houve variações significativas das médias. A análise térmica apontou menor grau de cristalinidade nas amostras com condição pós-moldagem neutra em relação à condição restrição física + estufa. As análises das tensões residuais concluíram que os corpos de prova com nervuras apresentaram tensões residuais superiores aos corpos de prova lisos, o que corroborou a literatura que indica maior concentração de tensões residuais em peças de geometrias complexas. Devido ao alívio das tensões, os corpos de prova lisos com maiores empenamentos apresentaram menores tensões residuais. Foi observado que a restrição física utilizada para restringir o empenamento auxiliou na retenção das tensões residuais na estrutura do polímero. Assim, considerando os recursos utilizados neste estudo, mostrou-se que o empenamento está relacionado com a geometria do produto, com os parâmetros de processo, com as condições pós-moldagem e com o alívio de tensões residuais existentes na estrutura do polipropileno moldado por injeção. / The final quality of the injection molded polymer products can be compromised due to the occurrence of residual stresses from the molding process, which can generate shrinkage and warpage, altering the final product dimensions. The determination of the residual stresses can be carried out by the hole-drilling method, which is not widely used for polymeric materials since it is standardized for metallic materials. Therefore, in order to evaluate the main parameters that influence in the dimensional change and in the residual stresses of the injection molded polypropylene, this report used computer simulation, thermal analysis, warpage and shrinkage measurements, tensile and impact strength tests and evaluation of the residual stresses by hole-drilling method. After molding, the specimens were submitted to three post-molding conditions (physical restraint + water, physical restraint + heating chamber, neutral). In the experimental tests, the molded specimens with lower packing pressure, as well as the ribbed molded showed greater warpage, which corroborated the computer simulations and the literature. In the post-molding conditions, it was observed that the smooth specimens submitted to the physical restraint + heating chamber showed lower warpage in relation to those that were not submitted to this condition. Regarding the shrinkage, for both geometries specimens, there were not significant variations of the averages. The thermal analysis presented lower crystallinity in the specimens with neutral post-molding condition in relation to the physical restraint + heating chamber condition. The residual stresses analysis concluded that ribbed specimens showed greater residual stresses than smooth specimens, which corroborates the literature which indicates higher concentration of residual stresses in complex geometries parts. Due to the residual stresses relief, smooth specimens with greater warpage showed lower residual stresses. It was observed that the physical restraint used to restrain warpage assisted the retention of residual stresses in the polymer structure. Therefore, considering the resources used in this study, it was showed that the warpage is related to the product geometry, to the process parameters, the post-molding conditions and the residual stress relief existing in the injection molded polypropylene structure.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:36:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:56:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 04491.pdf: 3155069 bytes, checksum: aa854e4a23f31eb334f216ec1ea726c2 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:42:53Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:07:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 06122.pdf: 7934596 bytes, checksum: 1f20a90fa19d579c7465dc1ddb614d44 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Orientadores: Sergio Tonini Button, Renato Pavanello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T03:57:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_EvandroCardozoda_D.pdf: 7516310 bytes, checksum: e6a941fa7741a9dbf2fd38237d40195b (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O grande desafio do engenheiro no processo de jateamento de esferas, é obter o perfil da tensão residual e a deformação final da peça com precisão. Pois a solução analítica, os resultados experimentais e as simulações numéricas, que possam ser validados, ainda não são totalmente dominados, devido a complexidade do problema de contato dinâmico não linear do impacto que envolve várias disciplinas da elasticidade e plasticidade estática e dinâmica. É preciso reconhecer os vários parâmetros que influenciam o processo e obter um modelo de simulação numérica 3D de elementos finitos (EF) dinâmica e estática, utilizando ferramentas comerciais consagradas, que tenha relativa precisão e possa ser validado ao se caracterizar a tensão residual mecânica induzida e conseqüente deformação. O estudo de modelos estáticos de carregamento equivalente são limitados pela precisão da temperatura e pressão que da a forma final da peça. No modelo de EF elasto-plástico dinâmico 3D do impacto simples, identifica-se que a camada deformada plasticamente, a tensão residual superficial e sub-superficial são influenciados significativamente pelas características da esfera. Além disso, a separação entre as esferas no impacto simultâneo alteram o desenvolvimento da região plástica. Modelos de impactos múltiplos são implementados com base nestes resultados para a condição de impacto concentrado e disperso de forma semialeatória para modelos reduzidos da peça discretizada / Abstract: Shot peen forming presents a great challenge to engineers to get a precise residual stress and the correct final plastic strain distribution within the formed parts. Because there is not a complete knowledge on analytical solutions, experimental results and numerical simulations are commonly used due to the complex dynamic contact of nonlinear impact problems that involve many disciplines on static and dynamic elasticity and plasticity. Therefore, it is essential to know the parameters that affect the process to obtain a static and dynamic 3D finite element (FE) numerical model to simulate peen forming using powerful FE commercial codes that have relative precision and give results that can be validated and consequently induced mechanical residual stress and consequent deformation can be characterized. The study of equivalent static load models are limited by the precision of temperature and pressure to calculate the correct deformed shape. In the elastic-plastic 3D dynamic FE model with a single impact, the shot characteristics influence the thickness plasticity, and the superficial and under surface residual stress. Besides, the separation distance between adjacent shots changes the development of the plastic region. Multiple shot impacts models are implemented based in these results for concentrate and partial randomic dispersed impact conditions to reduce the models of the target / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica