Este trabalho tem a intenção de contribuir com informações sobre a integridade superficial resultante do processo de torneamento em material endurecido de componentes mecânicos fabricados em aço cementado ABNT 8620 (DIN 21 NiCrMo 2). A análise das tensões residuais do corpo de prova foi experimentalmente conduzida pelo Método do Furo Cego Incremental, no qual um pequeno furo é introduzido na superfície do componente e a deformação aliviada é registrada por meio de extensômetros especiais, e também, pelo método da difração de raios-X. A superfície foi analisada através de parâmetros obtidos do mapeamento tridimensional da topografia superficial com instrumento de interferometria laser. Os parâmetros de rugosidade, selecionados para medição, visaram uma caracterização funcional das superfícies obtidas, tais como capacidade de carga, capacidade de retenção de fluidos lubrificantes e resistência ao desgaste. Também foram executados ensaios metalográficos para avaliar a existência de camadas de material alteradas abaixo da superfície. Os resultados indicaram que o torneamento em material endurecido foi capaz de produzir uma superfície resultante com boa área de contato, boa capacidade de carregamento e razoável capacidade de retenção de fluidos uma vez que nem todos os parâmetros se encontraram na faixa funcional ideal. O torneamento em material endurecido induziu tensão de compressão nas camadas das amostras cementadas, cuja condição original era tensão residual de tração. Não foram detectadas alterações expressivas na camada cementada, principalmente na região limítrofe da área transversal com a superfície devido ao aquecimento e rápido resfriamento imposto pelo processo de usinagem. / The aim of the present work is to provide relevant information regarding the obtained surface integrity during hard turning process of mechanical components manufactured from case hardened steel ABNT 8620 (DIN 21 NiCrMo 2). The sample residual stress analysis has been experimentally conducted by the incremental Blind Hole method, in which a small hole is machined on the surface of the component and the relieved deformation is recorded through special strain gages, and by the X-ray diffraction technique. The surface was examined by parameters obtained from the surface topography three-dimensional mapping with a laser interferometer instrument. The selected roughness parameters analysis intends to have a functional characterization such as bearing capacity, fluid and lubricants retention ability and contact wear resistance. In the search for altered material layers beneath the surface, metallographic studies were carried out. The functional bearing area curve analysis parameters indicated that the resulting surface has a good area contact, good bearing capacity and reasonable ability to fluid retention as the reduced valley depth parameter did not produced negative values for all conditions tested. The hard turnig process was able to add compression residual stress condition at the surface, and no significant changes were found at the case hardened layer due to rapid heating and cooling imposed by the hard turning process.

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.

The Electrical Functional Stimulation (EFS) allows the direct connection between man and machine through electrical signals. The last years growth in EFS is possible because of the new technological resources that make it feasible. Restoring someone s vision or hearing, even parcially, is one among several contribution that EFS may contribute to human s well-being. However the interface between the electrical circuits and the tissue is sensitive to several factors. Among several effects that may damage the tissue and electrode in EFS we can find those caused by the electrical stimuli, this may harm the application. This work presents contributions regarding electrical circuits topologies for safety stimuli in EFS. It is essential to ensure proper electrical charge balance and a small residual voltage on the tissue-electrode interface. For each of these problems one proposal is presented, both share circuit blocks. The blocks to control intensity and polarity of stimuli are designed to avoid the integration of high voltage devices. The current mode stimuli is generated using an ultra-low power charge redistribution Digital to Analog Converter (DAC) for stimulus intensity definition. This DAC architecture even simplifies the feedback mechanism that is obtained directly from measurement circuit. The technic that uses only low voltage devices to measure electrodes current is presented, it is suitable to implement the charge balance control in an integrated circuit. This measurement technique is insensitive to capacitors mismatch and to the current measurement absolute ratio. That control is possible through the a simplified feedback path that joins the controller and the measurement in an efficient way acting directly in the DAC. The proposed residual voltage control technique requires only passive elements to be added to the circuit, that suggest a lower power consumption. The charge redistribution DAC keeps residual voltage information stored, in order to compensate it in next stimulation cycles. The stimulation cycle polarity is explored, alternated cathodic and anodic-first cycles are used in order to reduce the charge imbalance and residual voltage. Both proposals are presented and validated with electrical simulation, known metrics are used and the performance is equivalent to state-of-art in literature. / A estimulação elétrica funcional(EFS) faz a interface direta entre o homem e a máquina, por meio de sinais elétricos. A viabilidade advinda de novas tecnologias justifica o seu crescimento nos últimos anos. Restaurar a visão ou a audição, mesmo que parcialmente, são duas das inúmeras contribuições que pode proporcionar para o bem estar do ser humano. No entanto, a interface entre o circuito elétrico e o tecido é sensível a diversos fatores. Entre os diversos fenômenos que podem ocasionar danos ao tecido e ao eletrodo na interface de EFS estão os causados pelo estímulo elétrico usado, e isso pode inviabilizar a aplicação. Neste sentido, este trabalho apresenta contribuições relacionadas à topologia de circuitos para segurança na geração do estímulo em EFS. O correto balanceamento de carga elétrica e a diminuição da tensão residual, na interface entre o tecido e o eletrodo, são indispensáveis. Uma técnica é propostas para a solução de cada um desses problemas, ambas compartilham blocos de circuito comuns. O controle da intensidade e da polaridade de estimulação são concebidos para evitar a necessidade de dispositivos de alta tensão. A geração de estímulos em modo corrente utiliza um Conversor Digital para Analógico (DAC) do tipo redistribuição de carga de ultra baixo consumo de energia para o controle da intensidade dos pulsos. Esse conversor ainda simplifica a realimentação, que é derivada diretamente do circuito de medição. Como solução para viabilizar a implementação em circuito integrado de controle do desbalanço de carga, uma técnica de medição usando somente dispositivos de baixa tensão é apresentada. Essa técnica é tolerante ao descasamento entre capacitores utilizados e à variação no ganho do circuito de medição de corrente. O controle é possível por meio de um laço de realimentação simplificado, que une medição e controle de forma eficiente e atua direto no DAC. A técnica proposta para controle da tensão residual nos eletrodos requer somente adição de elementos passivos ao circuito, sugerindo a redução do consumo de energia. O DAC tipo redistribuição de carga é usado para armazenar a informação da tensão residual e a compensação no ciclo seguinte. A fase dos ciclos de estimulaçãotambém é explorada, ciclos com fases alternadas são usados visando redução no desbalanço de carga e tensão residual. As duas propostas são apresentadas e validadas por meio da simulação elétrica, métricas conhecidas são utilizadas e o desempenho observado é equivalente ao estado da arte.

Este trabalho tem a intenção de contribuir com informações sobre a integridade superficial resultante do processo de torneamento em material endurecido de componentes mecânicos fabricados em aço cementado ABNT 8620 (DIN 21 NiCrMo 2). A análise das tensões residuais do corpo de prova foi experimentalmente conduzida pelo Método do Furo Cego Incremental, no qual um pequeno furo é introduzido na superfície do componente e a deformação aliviada é registrada por meio de extensômetros especiais, e também, pelo método da difração de raios-X. A superfície foi analisada através de parâmetros obtidos do mapeamento tridimensional da topografia superficial com instrumento de interferometria laser. Os parâmetros de rugosidade, selecionados para medição, visaram uma caracterização funcional das superfícies obtidas, tais como capacidade de carga, capacidade de retenção de fluidos lubrificantes e resistência ao desgaste. Também foram executados ensaios metalográficos para avaliar a existência de camadas de material alteradas abaixo da superfície. Os resultados indicaram que o torneamento em material endurecido foi capaz de produzir uma superfície resultante com boa área de contato, boa capacidade de carregamento e razoável capacidade de retenção de fluidos uma vez que nem todos os parâmetros se encontraram na faixa funcional ideal. O torneamento em material endurecido induziu tensão de compressão nas camadas das amostras cementadas, cuja condição original era tensão residual de tração. Não foram detectadas alterações expressivas na camada cementada, principalmente na região limítrofe da área transversal com a superfície devido ao aquecimento e rápido resfriamento imposto pelo processo de usinagem. / The aim of the present work is to provide relevant information regarding the obtained surface integrity during hard turning process of mechanical components manufactured from case hardened steel ABNT 8620 (DIN 21 NiCrMo 2). The sample residual stress analysis has been experimentally conducted by the incremental Blind Hole method, in which a small hole is machined on the surface of the component and the relieved deformation is recorded through special strain gages, and by the X-ray diffraction technique. The surface was examined by parameters obtained from the surface topography three-dimensional mapping with a laser interferometer instrument. The selected roughness parameters analysis intends to have a functional characterization such as bearing capacity, fluid and lubricants retention ability and contact wear resistance. In the search for altered material layers beneath the surface, metallographic studies were carried out. The functional bearing area curve analysis parameters indicated that the resulting surface has a good area contact, good bearing capacity and reasonable ability to fluid retention as the reduced valley depth parameter did not produced negative values for all conditions tested. The hard turnig process was able to add compression residual stress condition at the surface, and no significant changes were found at the case hardened layer due to rapid heating and cooling imposed by the hard turning process.

O aço SAE 1552 modificado é um desenvolvimento recente da família do aço carbono manganês ligado ao silício, sendo utilizado para confecção de grampo U que tem como finalidade prender o feixe de molas no eixo do veículo. A somatória das fases de produção dessa matéria prima introduz os limites de resistência mecânica final necessária para atender a classe de resistência normativa. A peça produzida com esse aço tem alcançado crescimento de utilização na indústria automotiva devido à mesma apresentar propriedades mecânicas que atendem a requisitos normativos de classe de resistência e com vantagem de evitar tratamento térmico na fase de confecção do grampo e sendo esse processo realizado a frio em todas as suas fases. O objetivo desse trabalho foi estudar falha de grampo na etapa do processo de dobramento em forma de U e aplicar ensaios como: programa de simulação de tratamento térmico Stecal 3.0, ultrassom, fadiga, teste de cela e análise de fratura para solucionar essas falhas. Também foi realizado ensaios para prever fraturas catastróficas como: elementos finitos através de programa de computador Abaqus, ensaio de extensometria, tenacidade a fratura e medições de tensões residuais através de técnica de difração de raios-x. Foi concluído através dos resultados dos estudos de microestrutura resultante de tratamento térmico da matéria prima que o processo com resfriamento controlado em esteira é mais adequado para a produção do aço para confecção de grampo. O ensaio de ultrassom antes e após ensaio de fadiga possibilitou dimensionar o crescimento da profundidade da trinca em cotovelo de grampo e através de elementos finitos e extensometria associado com mecânica da fratura foi possível conhecer as tensões em ponto de estudo e entender o motivo de não ocorrer falha catastrófica. O ensaio de difração de raios-x permitiu o entendimento das tensões residuais introduzidas na peça de estudo. / SAE 1552 steel modified is a recent development of manganese carbon steel group linked to silicon, which is used to manufacture u-bolt that aims to fix leaf spring at vehicle axle in the back part. The sum of production stages of this raw material introduces the final mechanical resistance limits to meet class rules resistance. The piece produced with this steel has achieved growth of use in the automotive industry due to the mechanical properties it presents, which meet regulatory requirements for strength class and the advantage of avoiding heat treatment during manufacturing of the u-bolt and all the phases of this process are carried out in cold. This work aims to study the u-bolt failure during the folding process in the form of U and apply tests such as heat treatment simulation -Stecal 3.0, ultrasonic test, fatigue test, cell testing and analysis of crack. Other tests have been carried out to predict catastrophic fractures such as: finite element through computer program called Abaqus, extensometry testing, toughness testing for fracture and residual stress measurement by X ray diffraction technique. Results of heat treatment studies, by microstructure analysis, allowed choosing appropriate process for steel production. Ultrasonic testing before and after fatigue testing enabled to measure growth of crack depth on u-bolt elbow, and through finite element and extensometry testing associated with Mechanical of Fracture it was possible to know the stress concentrated at a point and to understand why catastrophic failure did not occur. Residual stress understanding has provided overall vision of u-bolt studied and contributed to have precision in measurement at inner and outer part of the u-bolt elbow.

Neste trabalho, propõe-se um modelo numérico-computacional representativo dos processos de tratamento térmico, que seja uma ferramenta eficiente e forneça meios para um entendimento efetivo do mecanismo de geração de tensões residuais durante a têmpera de aços. Foram investigados os fenômenos térmicos, mecânicos e de transformação de fase observados na têmpera, bem como o acoplamento entre esses três fenômenos. O modelo utiliza o Método dos Elementos Finitos (MEF) e o programa ABAQUS®, além de rotinas numéricas em FORTRAN responsáveis pela resolução do problema termo-mecânico-microestrutural acoplado. A utilização de sub-rotinas, que implementam uma alteração na formulação (matemática e numérica) do programa de Elementos Finitos, permite incluir no modelo as informações presentes em uma curva CRC (curva de resfriamento contínuo) do aço SAE 4140, implementando o cálculo de deformações da peça simulada de modo incremental e cumulativo. Os resultados mostram que a utilização das sub-rotinas desenvolvidas neste trabalho permitiu implementar, conjuntamente com o programa ABAQUS®, o cálculo das frações volumétricas, durezas, distorções e tensões que surgem em um tratamento térmico de têmpera, simulando as transformações martensítica, perlítica, bainítica e ferrítica. Os resultados dos modelos foram equivalentes aos relatados pela literatura, principalmente no que se refere às durezas e tensões associadas a cada transformação de fase. Em particular, os resultados indicam que a transformação martensítica está sempre associada à formação de tensões compressivas. Ensaios experimentais foram realizados a fim de validar os modelos computacionais propostos, utilizando-se um teste Jominy adaptado e instrumentado, de modo a permitir a amostragem da variação de temperaturas no material. Ensaios metalográficos permitiram correlacionar as frações volumétricas transformadas durante a têmpera do corpo de prova Jominy aos valores calculados pelo modelo numérico acoplado. / The objective of this work is to analyze residual strains and stresses and volumetric expansion due to phase transformations that occur during quenching of a steel body, as well as to predict these phase transformations. The coupled thermo-mechanical-phase transformation problem was analyzed, specifically in terms of the quenching process. Different computational models were presented, based on the finite element software ABAQUS® and on the use of FORTRAN subroutines. The continuous-cooling-transformation (CCT) diagrams of SAE 4140 steel are represented differently in each model, depending on the transformed phases and correspondent volumetric expansion. These subroutines include information from the CCT diagrams of SAE 4140 into a FORTRAN code. The subroutine calculates all the microstructures resulting from quenching (ferrite, pearlite, bainite, and martensite), depending on cooling rate. The numerical analysis conducted in this work provided results in terms of the temperature and stresses developed during quenching. The properties determined in this work are hardness, yield strength, volumetric fraction and distortion. Hardness has been predicted by the use of analytical equations. The finite element analyses were able to explain and reproduce phenomena observed during quenching of a steel cylinder. In particular, numerical results indicated that martensite formation is always related to a compressive stress field. The results of the models are in qualitative agreement with data provided by literature, particularly, in relation to the stresses originated by each different phase transformation during quenching process. Experimental testing was conducted, based on the analysis of the quenching of a Jominy probe, in order to validate the computational model developed in this work.