O tratamento superficial de shot peening tem por objetivo aumentar a resistência à fadiga sendo comparada pelas medidas de tensão residual. O processo peen forming é uma variante do processo shot peening onde se obtém uma curvatura na placa produzida pelo jateamento das esferas através da compressão dos grãos localizados próximos à superfície. Foi estudado neste trabalho a influência dos parâmetros pressão e tamanho de granalha, utilizado no processo de peen forming, no perfil de tensão residual e no raio de curvatura em amostras de alumínio 7050. A avaliação do perfil de tensão de residual foi efetuada por difração de raios-x utilizando o método de sen2 . Os resultados mostram que a formação da altura do arco de curvatura é proporcional a pressão de jateamento e ao tamanho das esferas e inversamente proporcional a espessura da amostra, e que o fator de concentração de tensões é maior para amostras jateadas com menores esferas. Na seção final deste trabalho apresenta um estudo complementar sobre microdeformação e tamanho médio de cristalito, podendo avaliar o perfil das amostras após jateamento. / Shot peening is a superficial cold work process used to increase the fatigue life evaluated by residual stress measurements. The peen forming process is a variant of the shot peening process, where a curvature in the plate is obtained by the compression of the grains near to the surface. In this paper, the influence of the parameters such as: pressure of shot, ball shot size and thickness of aluminum 7050 samples with respect to residual stress profile and resulting arc height was studied. The evaluation of the residual stress profile was obtained by sin2 method. The results show that the formation of the curvature arc height is proportional to the shot peening pressure, of spheres size and inversely proportional to the thickness of the sample, and that stress concentration factor is larger for samples shot peened with small balls. On final of this paper presents an additional study on microstrain and average crystallite size, which can evaluate the profile of the samples after blasting.

A distorção em tratamento térmico é a maior causa dos problemas na indústria. Existem vários parâmetros que compõem esse fenômeno. Com o avanço da tecnologia, a medição de algumas variáveis intrínsecas ao fenômeno da distorção se tornou possível, auxiliando no melhor conhecimento do processo o que resulta na diminuição do retrabalho e sucata na indústria. A concretização de melhoria em processos produtivos já é uma realidade; que se tornou possível com a diminuição dos limites de padronização e com processos de produção bem definidos e simplificados. Estudos localizados em determinados produtos específicos, bem como os seus meios de resfriamentos estão em constante evolução, tornando possível a troca de informação e tecnologia, auxiliando na diminuição dos desperdícios e contribuindo para a mitigação dos impactos ambientais. Esse trabalho visa estudar as distorções produzidas em aços AISI 5160 e AISI 6150, com corpos de prova sensíveis a distorção, variando alguns fatores como, mudança em três níveis de temperatura e em três níveis de agitação em óleo mineral convencional; os quais fazem parte do processo produtivo na indústria. Variando as temperaturas do meio de resfriamento e a agitação do banho, é possível determinar com o auxílio estatístico, metalográfico, das curvas de resfriamento e das curvas das taxas de resfriamento quais são as variáveis que tem influência na distorção. Esses resultados mostraram que a agitação e a temperatura do meio líquido de resfriamento são parâmetros imprescindíveis de controle para uma uniformidade da têmpera para a obtenção das características desejáveis. / The heat treatment distortion is the biggest cause of problems at companies. There are many parameters which cause this phenomenon. Studies in specific products, as well as in the quenchants are always progressing what became possible the dissemination of information and also the technology, helping to decreasing of waste and to improve environment. With the technology improvement, distortion phenomenon has become well known, resulting in better control of variables decreasing scrap metal and rework. However, this subject still needs to be investigated. In his context, this work studies the distortion phenomenon in two different steels (AISI 5160 and AISI 6150) under variable conditions of the cooling. Mineral oil quenchant in three bath temperatures and three agitation levels were used in this work. Changing those parameters it was possible to determinate which conditions would promote worst results in terms of distortion. Statistics studies, cooling curves analysis and metallographic observation offered support for the obtained conclusion.

Este trabalho descreve o conceito do processo uphill aplicado no tratamento térmico de ligas de alumínio. Uma técnica pouco difundida na literatura e com aplicações limitadas na indústria aeroespacial. É um processo também conhecido em inglês por deep freezing ou tri-cycle stress relieving. A técnica uphill é interessante do ponto de vista de redução de tensão residual, podendo atingir reduções maiores do que 80% como tem sido reportado na literatura. Este processo basicamente consiste em imergir a peça, depois da têmpera, em um ambiente criogênico, com o objetivo de obtenção de uma homogeneização da temperatura, seguido da transferência para uma câmara de vapor quente para obter um gradiente de temperatura, mantendo-se ainda as propriedades mecânicas obtidas com o tratamento térmico. Este trabalho mostra o desenvolvimento de um sistema uphill e a avaliação de propriedades mecânicas (tração, dureza e fadiga) e de corrosão. Os resultados mostraram que o sistema desenvolvido produziu gradientes térmicos elevados, responsável pelas reduções, de tensão e distorções. Com relação às propriedades mecânicas e resultados de corrosão, verificou-se que a técnica uphill traz benefícios quando comparada aos métodos tradicionais de têmpera e envelhecimento, com destaque o aumento de tenacidade à fratura e vida em fadiga sem perda significativa de resistência à corrosão, mantendo a linha de desempenho das têmperas com alta taxa de resfriamento. Embora com efeitos mais significativos para maiores espessuras, a técnica foi empregada com sucesso para peças de até ¼ pol. [6,35 mm]. / This work describes the concept of uphill process applied to heat treatment of aluminum alloys. Uphill applied in aluminum aerospace industry, but it is not very widespread in the techno-scientific literature. It is also a process known as \"deep freezing\" or \"tri-cycle stress relieving\". Uphill technique is much interesting from the point of view of residual stress reduction that can be higher than 80% as has been reported. This process basically consists of immersing the part in cryogenic bath, after quenching, getting homogenization and stabilization temperature of the part, followed by transferring for a hot steam chamber to obtain a temperature gradient. Stress reduction is obtained without deleterious effect in mechanical properties gained with the heat treatment. This work shows the development from a uphill system and the mechanical properties evaluation (tensile, hardness and fatigue) and corrosion. Results shown that the developed system can produce high thermal gradients generating stresses and distortion reduction. Related to mechanical properties and corrosion results, it was verified that the uphill technique brings benefits when compared to the traditional quenching and aging methods, highlighting the increase in toughness and fatigue life without meaningful loss of corrosion resistance and maintaining the performance when highest cooling rate is used. Although with more significant effect for thicker parts, this process was successfully applied for components up to ¼ pol.

O processo de jateamento com granalhas é um tratamento superficial, muito utilizado em peças, com o intuito de melhorar as propriedades de resistência à fadiga. A deformação controlada do impacto das esferas introduz tensões residuais compressivas na camada superficial do material. Geralmente, este processo é executado na temperatura ambiente. Existem poucos estudos exploratórios de se executar este tratamento superficial em temperaturas acima da ambiente, para a promoção de um aumento na vida em fadiga causada por uma maior deformação plástica. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo do efeito do jateamento com granalhas, executados em temperaturas fora da ambiente, no comportamento em fadiga de lâminas fabricadas de aço mola SAE 5160, utilizado pela indústria automobilística. Foram realizados ensaios de fadiga por flexão em três pontos em corpos de prova no formato do componente original. Estas amostras foram jateadas nas temperaturas de 25, 100, 150, 200, 250 e 300ºC. Os resultados deste trabalho permitiram a obtenção de algumas conclusões importantes quanto ao processo de jateamento que deverão influir diretamente no processo de fabricação destas lâminas e possivelmente de outros componentes mecânicos. Com o aumento da temperatura, ocorreu primeiramente um acréscimo no nível das tensões residuais na faixa de temperatura de 25 a 100ºC, passando a decrescer continuadamente até a temperatura de 300ºC e um aumento crescente da rugosidade superficial. O jateamento a 200ºC promoveu um melhor desempenho, pois executado nesta temperatura, proporcionou a melhor associação de tensão residual introduzida e encruamento, resultando em, um acréscimo de aproximadamente 10 vezes na vida em fadiga. / Shot peening is a surface treatment commonly used in parts with the aim of improving fatigue properties. The controlled plastic deformation caused by the impact of the shots introduces compressive residual stresses on the surface layer of the material. Normally, this process is performed at room temperature, however a few studies propose to perform this surface treatment above room temperature in order to increase the fatigue strength due to the associated higher plastic deformation. The aim of this work was to study the effects of shot peening process above room temperature on the fatigue properties of a SAE 5160 leaf spring steel used by the automotive industry. Three point bending fatigue tests were performed in test pieces with the same geometry of the original component. Test pieces were peened at 25, 100, 150, 200, 250 and 300ºC. Increasing temperature, it was observed an increase in surface roughness (i.e. plastic deformation). However, residual stress values increase up to 100ºC and decrease continuously above this temperature. Fatigue strength was the highest for parts peened at 200ºC possibly due to an optimized association of residual stress and hardening effects caused by the plastic deformation. These results may directly affect the fabrication process of spring leaves and other mechanical parts.

Os painéis de material compósito são curados (ou consolidados) a temperaturas que podem variar entre 120oC e 400oC, nas quais os laminados estão totalmente livres de tensões. Quando se inicia o resfriamento dos painéis, à medida que o material começa a enrijecer, a diferença das propriedades físicas do material fibroso na direção das fibras e na direção transversal a estas, principalmente o coeficiente de dilatação térmica, provoca o surgimento das chamadas tensões residuais térmicas. No caso de um painel uniforme (sem reforçadores), laminado simetricamente e desprovido de restrições externas, o efeito dos esforços resultantes devido às tensões residuais é nulo. Entretanto, se o painel não for laminado simetricamente ou se a placa for reforçada, os esforços resultantes não são nulos e podem ter uma influência significativa no comportamento mecânico da placa. Os trabalhos sobre tensões residuais térmicas realizados até hoje estudam a carga crítica de flambagem linearizada (problema de autovalor) para estruturas/placas de material compósito. Este trabalho estuda a influência destas tensões residuais na situação de pós-flambagem de placas de grafita-epóxi em compressão, com reforçadores de diferentes tipos e larguras. Além da alteração do modo de flambagem das placas, a presença das tensões residuais térmicas pode proporcionar um alto ganho de rigidez, dependendo do tipo e da largura dos reforçadores empregados. Por exemplo, as placas com reforçadores mais largos, antes com maior rigidez do que aquelas com reforçadores mais estreitos, na presença das tensões residuais são menos rígidas do que as últimas. Para outro tipo de reforçador, a situação pode se inverter - a placa de reforçadores mais estreitos, mais rígida na ausência das tensões residuais, é menos rígida na presença de tais tensões. Ainda, para todos os casos estudados, observa-se que o ganho de rigidez é maior para cargas menos elevadas.

A síntese de placas laminadas termicamente enrijecidas sob restrições de flambagem elástica é estudada. O enrijecimento térmico surge em um laminado com rigidez variável ao longo da placa, como por exemplo no caso de sua subdivisão em regiões que diferem entre si quanto à orientação de fibras e espessura de camadas. A síntese estrutural aqui apresentada visa construir este tipo de enrijecimento térmico para aumentar a carga crítica de flambagem dos laminados. Para isto regiões propriamente definidas são controladas por variáveis de projeto associadas às alturas das camadas, de modo que ajustes sucessivos produzidos pela otimização numérica produzam um campo benéfico de tensões residuais térmicas quando o laminado for resfriado da temperatura de cura do material para a sua faixa de temperatura de trabalho. Algoritmos numéricos com base em conceitos de aproximação na otimização estrutural são implementados e testados quanto à eficácia e eficiência em atingir a configuração ótima associada à máxima carga crítica ou mínima massa. As placas são modeladas com o elemento triangular quadrático de seis nós baseado na teoria de placas de primeira ordem, AST6, cuja formulação é revista bem como apresentada a pertinente análise de sensibilidade. É também implementada uma formulação não consistente para a matriz de rigidez geométrica cujo propósito é a análise do problema de carga crítica de flambagem dos laminados usando o elemento AST6.

Faz-se no presente trabalho um estudo de Integridade Estrutural em junções de liga de Alumínio aeronáutico soldadas por FSW. O material estudado foi a liga de alumínio AA2024-T3 em chapas finas com e sem a camada protetora de clad. As chapas AlClad foram submetidas a um processo de remoção do clad previamente ao processo de soldagem. Trabalhou-se com ligas nas espessuras de 0,65mm , 0,80mm , 1,15mm , 1,30mm , 1,45mm e 1,60mm . Para efeitos de comparação também se operou com chapa de liga de alumínio AA7475-T7 na espessura 1,3mm. Um extenso programa de ensaios foi levado a cabo, contando com testes metalográficos, perfis de dureza (microindentação), ensaios de tração, ensaios de fadiga, testes de tenacidade à fratura, e ensaios de propagação de trinca. Os resultados foram compilados, avaliados e comparados com resultados de outros autores. Propõe-se neste trabalho uma abordagem qualitativa para melhor compreensão dos efeitos da tensão residual, e também se propõe uma abordagem matemática para entendimento do comportamento estático da junta, varrendo os campos elástico e plástico, sempre com abordagem linear. Faz-se também uma análise crítica de integridade estrutural da junta FSW, sempre voltada à aplicação aeronáutica.

O empenamento de um componente mecânico pode ser definido como a distorção geométrica quando o material é submetido a um estado de desequilíbrio das tensões iniciais ou residuais internas, estando livre da ação de forças e vínculos externos. Depois de empenada, a peça apresenta novamente novo estado de equilíbrio de tensões, obtido agora com a nova configuração geométrica, ou seja, a distorção. Essas tensões residuais resultam da interação entre tempo, temperatura, deformações e microestrutura em processos termo-mecânicos. O propósito deste trabalho consiste em apresentar uma comparação entre dois algoritmos numéricos usados para converter remoção de camadas e deflexão de viga associada em níveis de tensões residuais longitudinais e transversais da matéria-prima, induzidas durante o processo de laminação. Neste trabalho é empregado o método dos elementos finitos, utilizando os pacotes comerciais MSC.Patran e MSC.Marc para predizer o empenamento em peças usinadas. As tensões residuais da matéria-prima, obtidas pelo Método de Remoção de Camadas e usando Algoritmos de Flavenot e Flavenot Modificado (teoria presente), são aplicadas como input no modelo de elementos finitos para realizar a simulação do empenamento em peças. São feitas comparações entre as flechas previstas pelo Algoritmo Clássico de Flavenot e Algoritmo Modificado com as flechas medidas experimentalmente. Constata-se que as tensões residuais obtidas pelo Algoritmo de Flavenot não são plenamente satisfatórias, uma vez que as flechas calculadas via MEF não correspondem adequadamente aos valores obtidos nos ensaios de remoção de camadas. Para verificação final da eficiência da metodologia desenvolvida partiu-se para a predição e análise do empenamento de uma peça real fabricada a partir de placas laminadas em alumínio aeronáutico, sujeitas a um estado inicial de tensões residuais. É usado o Algoritmo de Flavenot Modificado, desenvolvido neste trabalho, para a determinação das tensões residuais longitudinais e transversais da matéria-prima. São feitas comparações entre o empenamento calculado e os valores medidos em pontos escolhidos desta peça. A comparação entre a deformação obtida pelo modelo de elementos finitos e a deflexão real medida na peça, apresenta valores próximos, demonstrando a boa precisão do algoritmo numérico modificado. O algoritmo desenvolvido neste trabalho mostra-se mais adequado que o classicamente usado. Com tais informações dos níveis e perfil das tensões residuais torna-se possível, na fase que antecede a fabricação, incorporar estes valores em modelos de elementos finitos para simular o empenamento das peças e também prover um melhor entendimento do processo de manufatura. Com o controle do empenamento, garante-se que os produtos sejam fabricados com uma baixa vulnerabilidade relativa, propiciando competitividade e preço.

Muitas especificações de engenharia, procedimentos de fabricação, inspeção e controle de qualidade já começam a exigir que a análise da tensão residual de determinado componente seja avaliada. Isto está se tornando tão corriqueiro quanto às exigências referentes às propriedades mecânicas. No país existem poucos laboratórios de pesquisa qualificados para execução destes ensaios e também é constatada uma preocupante falta de mão de obra qualificada. A relevância do estudo e pesquisas em tensões residuais, ressalta para o desenvolvimento científico, tecnológico e inovação nos processos de fabricação de componentes para a indústria. Novos ferramentais e instrumentações para a investigação de microestrutura dos materiais, disponíveis em laboratórios de pesquisas tanto em instituições governamentais como em instalações privativas necessitam de pesquisadores habilitados o que está associado à formação de pessoal especializado dedicado a medidas de tensões residuais, ao desenvolvimento de procedimentos experimentais e técnicas de preparação de amostras que envolvam extensometria. A tensão residual, em componentes metálicos e ligas, tem origem em decorrência de processos de fabricação (fundição, tratamento térmico, usinagem, conformação mecânica) pelo qual se obtém a conformação estrutural do componente desejado. Estudar a formação e arranjo dos campos de tensões residuais podem permitir, entre outros ganhos, a elaboração de simulações por modelagem matemática mais refinada. Assim pode-se inferir, com maior detalhamento o comportamento destes componentes somando ganhos na resiliência à fadiga, sobrevida, segurança e redução de custo operacional de equipamentos e máquinas. O uso de extensometria na investigação de tensões residuais em rodas na industria automotiva contribuirá para a formação de uma maior base de dados que permitirá obter softwares de simulação FEM, com melhor índice da relação com modelagem matemática com o componente físico real. / Many engineering specifications, manufacturing procedures, inspection and quality controls have begun to require that the residual stress analysis of a particular component is evaluated. This is becoming as common place as the demands on the mechanical properties. In the country there are few research laboratories qualified to perform these tests and also found a disturbing lack of skilled labor. The relevance of the study and research on residual stresses, stresses the development of science, technology and innovation in manufacturing components for the industry. New tools and instrumentation for the investigation of microstructure of materials available in research laboratories both in governmental institutions such as private facilities in need of qualified researchers which is associated with the training of specialists dedicated to measurements of residual stresses, the development of experimental procedures and sample preparation techniques involving gages. The residual stress in metal and alloy components arises as a result of manufacturing processes (casting, heat treatment, machining and mechanical forming) by which to obtain the structural form of the desired component. Study the formation and arrangement of residual stress fields may allow, among other gains, the development of mathematical modeling simulations more refined. Thus it can be inferred, in more detail the behavior of these components by adding gains in resilience to fatigue, survival, security and operational cost reduction of equipment and machinery. The use of strain gage in the investigation of residual stresses in automotive wheels contribute to the formation of a larger database that will allow for FEM simulation software, with a better index of mathematical modeling with respect to the real physical component.

A previsão e entendimento da formação de tensões residuais oriundas da têmpera plena ou superficial nos aços tem sido objeto de estudo por um número considerável de pesquisadores, devido ao seu grande interesse tecnológico. Neste trabalho o objetivo principal consistiu no desenvolvimento de um modelo numérico para a previsão das tensões residuais em peças cilíndricas temperadas por indução. A têmpera por indução executada num componente previamente \"beneficiado\", isto é, temperado e revenido, é capaz de produzir uma camada superficial de alta dureza e tensões compressivas num núcleo resistente e tenaz. É esperado, entretanto, que o aumento da camada endurecida possa gerar tensões trativas indesejáveis abaixo da superfície, comprometendo a integridade estrutural do componente e levando as falhas prematuras. Portanto, neste trabalho ênfase foi dada no estudo da influência da profundidade de camada induzida no perfil e magnitude das tensões residuais em corpos de prova cilíndricos (c.ps.) de aço. O método de elementos finitos foi adotado para a solução do problema térmico (distribuição de temperatura) e estrutural (cálculo das tensões) com o emprego do programa ANSYS 5.3. Os efeitos metalúrgicos da mudança de fase Austenita - Martensita, responsável pelas altas tensões compressivas residuais na superfície, como resultado da expansão volumétrica inerente a esta transformação, foi modelado através de uma rotina FORTRAN especialmente desenvolvida neste trabalho e acoplada ao programa ANSYS 5.3. A criação da geometria do modelo e passos da solução foram automatizados através do uso da linguagem paramétrica APDL (ANSYS Parametric Design Language) do programa ANSYS 5.3. Trata-se de um problema termo-elasto-plástico onde as propriedades termo-físicas e mecânicas necessárias para o cálculo foram consideradas dependente da temperatura. Verificação e calibração do modelo computacional foi efetuada através da medição das ) tensões residuais em c.ps. cilíndricos de aço com o emprego da técnica de difração de raios X. Finalmente, são discutidos aspectos de precisão e principais fontes de erro, como também proposta de melhorias e futuras aplicações deste modelo. / Large efforts have been made to predict and understand the residual stresses formation in through hardening and case hardening of steel. In the present work the objective was to develop a model to predict the residual stresses in induction hardening of cylindrical steel bars. Induction hardening, i.e. electromagnetic heating and subsequent quenching, is a surface treatment of great use in industry because it is suitable to improve locally mechanical properties of the high stressed regions of the part. A hard surface layer with high compressive residual stress is normally obtained, while retaining ductility and toughness in the core. Applied to components that undergo severe duty cycles, such as gears, shafts axles and bearings, it is also clean, fast and suitable for on-line applications. It is expected however, that increasing the hardening depth leads to undesirable high subsurface tensile stress, which can cause premature failure of the component. Emphasis has been on investigating the influence of case depth on the residual stress distribution of the cylindrical steel specimens. A finite element model was developed to compute the temperature history, phase transformation and residual stress for the induction hardening process. The Austenite to Martensite phase transformation during quenching, responsible for the high surface compressive stress, as result of volume expansion, was evaluated by a custom FORTRAN routine linked to the ANSYS5.3 FEA code. The model geometry and solution process were automated by the use of ANSYS Parametric Design Language (APDL). The thermoelastoplastic behavior of the material was studied, considering material properties temperature dependent. The results of the calculations have been compared to experimental measurements of the residual stresses at the surface, using X Ray diffraction technique. Finally, accuracy and main source of erros are discussed. Future improvements and applications of this model are proposed.