Machine components made of steel are subjected to heat treatment processes for improving mechanical properties in order to enhance product life and is usually done by quenching. During quenching, heat is transferred rapidly from the hot metal component to the quenchant and that rapid temperature drop induces phase transformation in the metal component. As a result, quenching generates some residual stresses and deformations in the material. Therefore, to estimate the temperature distribution, residual stress, and deformation computationally; three-dimensional finite element models are developed for two different steel components – a spur gear and a circular tube by a static and a dynamic quenching analyses, respectively. The time-varying nodal temperature distributions in both models are observed and the critical regions are identified. The variations of stress and deformation after quenching along different pathways for both models are studied. The convergence for both models is checked and validations of the models are done.

Este estudo apresenta uma abordagem para a determinação do campo de temperaturas e tensões residuais desenvolvidos durante a soldagem de uma solda do tipo ring-weld. Devido à complexidade da junta soldada e à velocidade de deposição, um modelo de elementos finitos sólido-tridimensional foi elaborado para a solução do campo de temperaturas e tensões residuais. As características não-lineares do fenômeno tais como a dependência das propriedades físicas e mecânicas com a temperatura e a deposição de material ao longo da soldagem foram consideradas neste estudo. Um ensaio com termopares foi realizado com a finalidade de comparação e validação do modelo térmico utilizado. Os resultados obtidos mostraram uma boa correlação entre o ensaio e o modelo numérico, permitindo uma maior confiabilidade para a execução do modelo mecânico subseqüente. Os resultados do modelo mecânico para a determinação das tensões residuais não foram comprovados por ensaio, porém os resultados se apresentaram qualitativamente satisfatórios. / This study presents an approach to determine the temperature field and residual stresses developed during the welding of a ring-weld. Due to the complexity of the welded joint and its deposition speed, a 3D solid finite element model was constructed for solving the temperature and residual stress fields. The non-linear characteristics of the phenomenon such as, the temperature dependence of the physical properties and the material deposition through the welding process were taken into account. A thermocouple test was performed in order to compare and validate the thermal model used. The results obtained have shown a good correlation between the test and numerical model results, allowing a greater reliability to the execution of the subsequent mechanical model. The results of the mechanical model used for determining the residual stresses were not verified by testing, but the results were qualitatively adequate.

A liga de alumínio 6082 apresenta de média para alta resistência mecânica e é de grande importância no mercado de perfis extrudados. O processo de jateamento com granalha de aço em componentes automotivos e aeronáuticos, visando induzir uma condição otimizada de tensão residual de compressão na superfície, tem se mostrado eficaz na melhoria das propriedades mecânicas em fadiga desses componentes. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo estudar os efeitos do jateamento com granalhas de aço na tensão residual e no comportamento mecânico em fadiga da liga de alumínio 6082 solubilizada e envelhecida artificialmente. Inicialmente foram feitos tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento artificial visando a determinação da melhor condição em termos de resistência mecânica da liga de alumínio 6082. A seguir foram realizados experimentos com diversos tipos de granalhas esféricas de aço e em condições variadas de jateamento (velocidade de rotação e tempo), definindo-se a melhor condição de tensão residual medida por difração de raios x. Ensaios de fadiga em corpos de prova jateados com granalha de aço na melhor condição de tensão residual foram executados em máquina flexo-rotativa e comparados com os resultados do material sem jateamento. A melhor condição de tensão residual ocorreu em decorrência do jateamento com o uso da granalha de aço S170PEE, rotação da turbina à 2500 rpm e tempo de exposição de 1 minuto. A curva de tensão residual em profundidade para a condição escolhida apresentou resultados coerentes somente até 76 μm devido à presença de grãos grandes em profundidades superiores a esta. As curvas S-N mostraram que houve um ganho na vida em fadiga em tensões elevadas e baixo número de ciclos para romper devido jateamento com granalha de aço. Ao contrário, ocorreu um efeito deletério na vida em fadiga em tensões baixas e número de ciclos elevados para romper, devido à influência do aumento da rugosidade em ensaios de fadiga mais longos. / Aluminum alloy 6082 exhibits medium to high strength and is widely used as extruded products. Shot peening of automobile and aircraft components, carried out to induce optimum residual compressive stress on the surface, improves fatigue properties of these components. In this context, the aim of this investigation was to study the effects of shot peening on the residual stress and fatigue behavior of solution treated and artificially aged 6082 aluminum alloy. Initially, solution treatment and artificial ageing of this alloy were carried out to determine the best conditions in terms of alloy strength. Subsequently, experiments were carried out with different types of spherical steel shots, under a variety of peening conditions (rotation speed and duration), to define the best set of conditions to increase residual stress that was measured using x-ray diffraction. Fatigue tests were carried out using a rotating-bending machine on shot peened specimens that had the highest residual stress. These results were compared with those of specimens that were not shot peened. The highest residual stress was observed when peening was done with S170PEE steel shots, at 2500 rpm for 1 minute. The variation in residual stress as a function of depth, for the above-mentioned peening conditions, was coherent only up to a depth of 76 μm and attributable to the presence of large grains at depths higher than this. The S-N curves revealed an increase in fatigue life at high stresses and at low cycles to failure and attributed to shot peening. Contrary to this, a deleterious effect in terms of reduction in fatigue life was observed at low stresses and at high cycles to failure, due to increase in surface roughness of the specimens during the extended fatigue tests.

Um dos mais críticos problemas encontrados na união de materiais distintos é a formação de tensões residuais, que ocorre principalmente pelo fato desses materiais possuírem coeficientes de expansão térmica e condutividades térmicas diferentes. Neste trabalho foi estudada a técnica de soldagem laser entre o aço carbono AISI 1010 e o aço inoxidável AISI 304. Os materiais foram unidos por solda autógena de topo com um laser de Nd:YAG contínuo. O principal objetivo do estudo foi a identificação da influência dos parâmetros de soldagem, pela análise das tensões residuais na zona termicamente afetada (ZTA). Foi executado um planejamento fatorial de três fatores a dois níveis com uma réplica, em que foram variadas a potência, a velocidade de soldagem e a posição focal do feixe laser. Na superfície da amostra foram realizadas medidas de tensão residual pela técnica de difração de raios X, para estudar sua variação em função dos parâmetros investigados. O método do furo cego foi também utilizado para avaliar a tensão residual ao longo da profundidade das amostras até a profundidade de 1 mm. Além das medidas de tensão residual, os cordões de solda foram avaliados por microscopia óptica e eletrônica de varredura (MEV), que tiveram como objetivos determinar a geometria do cordão e mudanças na microestrutura, também foram feitas medidas de microdureza Vickers para se avaliar a extensão da ZTA. Para se avaliar as propriedades mecânicas da união foram realizados ensaios de tração e fadiga. O software MINITAB 15 foi utilizado para a análise das tensões residuais nas diferentes profundidades da ZTA obtidas pelo método do furo cego. Foi utilizada também a regressão estatística baseada nas diferentes influências da entrada e combinação dos fatores na tensão residual geradas nessa união. Os resultados indicam que o desenvolvimento de modelos pode prever as respostas satisfatoriamente e fornecer aos usuários um guia para definir os melhores parâmetros de união. / The dissimilar materials union has the residual stress formation as one of the most critical problems, which occurs mainly because these materials have both different thermal expansion coefficients and thermal conductivities. In this study, it was investigated the laser welding technique between steels, AISI 1010 and AISI 304. The materials were joined by butt autogenous welding with a continuous Nd:YAG laser. The main objective was to identify the welding parameters influence by the residual stresses analysis in the heat affected zone (HAZ). It was executed a factorial design with three-factor at two levels with a replica, which were varied power, welding speed and focal position of the laser beam. Residual stress measurements by the diffraction of X-rays were performed on the sample surface, to study their variation as a function of the parameters investigated. The blind hole method was also used to evaluate the residual stress along the samples depth, up to depth of 1mm. Besides residual stress measurement, weld seams were evaluated by optical and scanned electron microscopy, which were aimed to determine the weld geometry and changes in the microstructure. It was also made Vickers hardness measurements to evaluate the extent of HAZ. To evaluate the mechanical properties of the union were performed tensile and fatigue test. The MINITAB 15 software was used to analyze the residual stresses obtained by the blind hole method at different depths of the HAZ. It was also used statistical regression based on both the influences different and the combination of this input factors, in the residual stress of union. The results indicate that the models can satisfactorily predict the responses and provide users a guide to better define the welding parameters.

O jateamento com granalha (shot peening) é um processo mecânico a frio onde um jato de granalhas é impelido contra a superfície dos componentes. Cada impacto provoca deformação plástica e introduz tensões residuais de compressão na superfície, as quais aumentam a sua resistência à fadiga. Este tratamento é muito usado na indústria automotiva, particularmente no tratamento de molas automotivas devido à alta solicitação a carregamentos cíclicos. Uma variante aprimorada deste processo, exclusivo para molas automotivas planas, é o jateamento com granalha sob tensão (stress peening) onde é imposta uma pré-carga de flexão na mola que aumenta a intensidade do processo. Neste trabalho foram desenvolvidas as modelagens numéricas, usando o Método dos Elementos Finitos (MEF), do jateamento com granalha e do jateamento com granalha sob tensão, ambos aplicados a molas automotivas, para analisar o campo de tensões residuais induzido. Os modelos numéricos desenvolvidos contemplam: análise dinâmica explícita, modelagem tridimensional de múltiplos impactos de granalha numa superfície plana, avaliação da velocidade real das granalhas, atrito entre as superfícies de contato, propriedades mecânicas do aço ABNT 5160 (molas automotivas), encruamento do material e sensibilidade do material às altas taxas de deformação. A partir dos resultados da modelagem foram avaliados: o progresso da cobertura ao longo do tempo da aplicação dos múltiplos impactos de granalha, as tensões residuais, as deformações elásticas e as deformações plásticas resultantes induzidas pelo jateamento. Neste trabalho, foi realizado um programa experimental para introdução e avaliação das tensões residuais em duas molas parabólicas automotivas, uma delas submetida ao jateamento com granalha e a outra submetida ao jateamento com granalha sob tensão. A avaliação experimental das tensões residuais foi desenvolvida usando as técnicas de difração de raios-X e do furo incremental cego. Os resultados das modelagens numéricas são corroborados com as medições experimentais e com os resultados experimentais e numérico-computacionais obtidos por outros autores. Finalmente, algumas conclusões são inferidas diante da análise comparativa entre os resultados numéricos e experimentais. / The shot peening is a cold-working mechanical process where a stream of tiny small balls is impelled against the surface of components. Each impact causes plastic deformation and introduces compressive residual stresses on the surface, which consequently increases their resistance to fatigue. This process is widely used in the automotive industry, particularly in the treatment of automotive springs due to high cyclic loads required. An improved variant of the shot peening process for leaf springs is the stress peening, in which a flexion pre-load is imposed to bend the spring while a conventional shot peening process is applied, resulting in an increase in the intensity of the process. In this work, numerical models of the shot peening and the stress peening process were created to be applied to automotive leaf springs. To analyze the induced residual stress field the finite elements method was used. Numerical models include: dynamic explicit formulation, three-dimensional modeling of multiple impacts of balls on a plane target, the calculation of the real shot speed, friction between the contact areas, mechanical properties of ABNT 5160 steel (for automotive leaf springs), plastic work of the material and high strain rate sensitivity of the material. The indentation coverage progress over the analyzed area, the residual stresses, the remaining elastic and plastic strains induced by the shot peening were evaluated from the modeling. In this work an experimental programme was carried out to introduce and to evaluate residual stresses in one automotive leaf spring submitted to conventional shot peening and another submitted to stress peening. The experimental evaluation of the residual stresses was done using X-ray diffraction and incremental hole drilling techniques. Results for the numerical model are compared to the experimental measurements and the experimental measurement, as well as to numerical modeling results obtained by other authors. Finally, conclusions are drawn after comparing the numerical results to experimental ones.

O processo de roleteamento é um tratamento superficial, comumente utilizado em peças fabricadas em aços e ferros fundidos nodulares, em regiões onde há concentradores de tensões, com o intuito de melhorar as propriedades de resistência à fadiga. Este processo endurece e introduz tensões residuais compressivas na camada superficial do material, através de deformação controlada, provocando uma redução das tensões de tração que atuam na superfície da peça submetida a carregamentos cíclicos. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo do efeito do roleteamento superficial sobre o comportamento em fadiga de um ferro fundido nodular de matriz perlítica, utilizado na fabricação de virabrequins pela indústria automobilística. Foram realizados ensaios de fadiga por flexão rotativa em corpos de prova lisos e com entalhe. Os corpos de prova com entalhe foram divididos em dois grupos, com e sem roleteamento superficial. Foi utilizado entalhe com geometria semicircular com raio de 1,20mm e profundidade de 0,70mm. Para o processo de roleteamento foi utilizado um rolete com diâmetro de 15,00mm e com raio de curvatura de 1,30mm e aplicada uma força de compressão de 2390N. A introdução de tensões residuais compressivas pelo trabalho a frio, dificultou a nucleação e a propagação de trincas na camada superficial dos entalhes roleteados. Isto ficou evidenciado pelo aumento do valor do limite de fadiga para 483MPa obtido para o material entalhado e roleteado, enquanto que para o material nas condições de sem entalhe e somente entalhado estes valores foram de 300MPa e 168Mpa, respectivamente. / Surface rolling is a mechanical treatment commonly used in parts fabricated with steel and ductile cast iron, specifically in stress concentration regions, to improve fatigue properties. This process hardens and introduces compressive residual stresses to the surface of the material through the application of controlled strains, thus provoking a reduction of resulting tensile stress at its surface under cyclic loading. This work deals with the effect of surface rolling on high cycle fatigue behavior of a pearlitic ductile cast iron used in crankshaft by automotive industries. Rotating bending fatigue tests were performed in both smooth and notched specimens. The notched specimens were divided into two groups: with and without surface rolling treatment. The specimens notch geometry was semicircular with radius of 1.20mm and depth of 0.70mm. The rolling treatment was carried out using a roller with diameter of 15,00mm, curvature radius of 1.30mm and a compression force of 2390N. The introduction of compressive residual stresses under cold work made difficult the nucleation and propagation of the crack on the rolled surface of the notch. It was confirmed by the increase of the endurance limit of the surface rolled specimens to 483MPa in comparison with the smooth and notched specimens, respectively, 300MPa and 168 MPa.

Este trabalho tem por objetivo comparar o estado da distribuição das tensões residuais nas juntas soldadas dos tubos de aço API 5L X65 pelo processo de fricção no estado sólido, realizada na máquina MASF 1500, com a junta soldada pelo processo convencional por arco elétrico GTAW (gas tungsten arc welding). Também foram realizados ensaios de macrografia e micrografia conjuntamente com a análise das microestruturas, e três perfis de microdureza para cada junta de ambos os processos de soldagem, verificando o comportamento de microdureza em diferentes regiões da solda. Adicionalmente, foi realizado o ensaio de composição química para a liga de aço API 5L X65. Os resultados mostraram que cada processo induz a diferentes estados de distribuição das tensões residuais. A soldagem por fricção resultou em uma microestrutura mais grosseira, aumento da microdureza e menores estados de distribuição das tensões residuais na linha central da solda. Já a soldagem por fusão resultou em maior heterogeneidade da microdureza na linha central da solda, um maior estado de distribuição das tensões residuais e formação de porosidade na seção transversal da junta soldada. / The objective of this work is to compare the state of the residual stress distribution in welded joints in API 5L X65 steel tubes by the solid-state friction process performed on the MASF 1500, with the joint welded by the conventional gas tungsten arc welding (GTAW). Macrography and micrography tests were also carried out in conjunction with microstructure analysis and three microhardness profiles for each joint of both welding processes. In addition, the chemical composition test for API 5L X65 steel alloy was performed. The results showed that each process induces different states of residual stress distribution. Friction welding resulted in a coarser microstructure, increased microhardness and lower states of residual stress distribution in the weld center line. However, fusion welding resulted in greater heterogeneity of the microhardness in the weld centerline, a higher state of residual stress distribution and porosity formation in the welded joint cross section.

Nuclear reactor pressure vessels are constructed by welding low alloy steel forgings together. Welding processes can leave residual stresses which affect the RPV's resistance to fracture. Welding also induces microstructural changes and these changes have a number of associated consequences, including inelastic strains and altering mechanical properties. The extent to which these microstructural changes influence residual stress evolution during welding is not fully understood. The aim of this project is to characterise the microstructural and mechanical response of SA-508 Gr.3 Cl.1 pressure vessel steel to thermal cycles and develop representative models that can be used to determine how these effects influence stress predictions. There is insufficient materials data to inform the models used to predict how phase transformations influence residual stresses. Using the recently developed Gleeble thermo-mechanical simulator, previously unmeasured data characterising the response of the material to weld-like thermal cycles was generated. Variations in the kinetics of austenite formation and decomposition were investigated using dilatometry. It was found that when the steel is subjected to multiple thermal cycles that exceed the austenisation temperature, the behaviour during the first thermal cycle is different to that of subsequent cycles. In the subsequent thermal cycles, two observations were made: 1) the austenite formation rate increases on heating, and 2) for a given cooling rate, the austenite will decompose at lower temperatures into harder phases. It is explained how these changes in behaviour can affect the residual stress distribution in this thesis. Bainitic, austenitic and martensitic samples were generated. The stress-strain behaviour of these phases is presented and has been used to inform mechanical constitutive models. Finite element simulations of autogenous edge welded beams have shown how microstructural changes can affect the residual stress predictions. The extent of the transformed region of the HAZ and the yield stress of the material surrounding this region influences the location and magnitude of the peak tensile residual stress after a weld pass. Changes in mechanical properties induced by tempering bainitic and martensitic samples were quantified experimentally. The reductions in yield stress in bainite and martensite during short tempering heat treatments were found to be significant. A new approach to integrate the observed tempering behaviour into existing models is presented. The data and models presented in this thesis can provide guidance to structural integrity engineers and help produce more accurate and less conservative residual stress predictions for use in structural integrity assessments.

No presente trabalho foram estudados alguns efeitos causados pelo jateamento por granalhas no aço Cr-Si-V, processo que tem por objetivo aumentar a resistência à fadiga. Para este estudo a variação de parâmetros no processo são ferramentas para melhor compreender os mecanismos que influenciam esta propriedade. Os parâmetros utilizados neste trabalho foram a variação da granalha e o pré tensionamento das amostras aplicados em lâminas utilizadas em feixe de molas automobilísticas de aço de liga cromo silício vanádio (SAE 9254+V). Inicialmente foi realizada a avaliação do perfil de tensão residual, efetuada por difração de raios-x pelo método do sen2 ao longo da espessura na região onde a tensão é compressiva. Nos resultados nota-se um efeito anômalo em relação ao perfil característico da distribuição de tensão residual com a perda de compressão nas camadas iniciais em relação à superfície jateada. Com o uso da microscopia eletrônica de varredura foi observado a região afetada pelo jateamento por granalhas notando que as regiões plasticamente deformadas se encontram nas mesmas regiões onde ocorre a diminuição da tensão residual compressiva. O perfil obtido pela difração de raios-x fornece as informações necessárias com o propósito de conjugar os efeitos que a microtensão (microdeformação) influenciam na macrotensão (tensão residual). Esta relação foi comprovada pela sobreposição dos resultados encontrados na distribuição da microdeformação da rede cristalina com a tensão residual ao longo da espessura na região plasticamente deformada. Os resultados dos perfis das difrações de raios-x mostraram a existência de anisotropia de tensões entre os planos, geradas por defeitos de empilhamento e pela densidade de discordâncias. Assim sendo, para obter os valores das microtensões devem ser considerados os fatores das constantes elásticas (conforme o módulo das direções) e dos planos cristalográficos. O método aplicado foi o Williamson-Hall modificado. Além deste método outros também foram utilizados, tais como: método de Warren-Averbach e o método Single Line, este aplicando a série de Fourier, porém, ao observar os resultados, nota-se a diferença entre os valores obtidos nas deformações, tanto aos métodos quanto aos planos cristalográficos, porém a ênfase deste trabalho foi dada às características dos perfis da distribuição e não aos valores absolutos. Somando a isto, foi proporcionado o estudo da distribuição do tamanho médio de cristalito ao longo da espessura no perfil das difrações de raios-x e os resultados mostraram que esta distribuição varia de forma inversa a microdeformação. A relação entre o tamanho médio de cristalito e a variação das distâncias interplanares corresponde diretamente a alterações das densidades de discordâncias ocorridas no material que por sua vez estão ligadas às microdeformações da rede cristalina. Como complemento ao trabalho foram analisados o fator de concentração de tensão e ensaios de fadiga do material. O fator de concentração de tensão não variou conforme a utilização das granalhas S330 e S390, ambas sendo aplicadas no mesmo regime de jateamento. Os ensaios de fadiga indicaram que o pré tensionamento aumenta a vida útil nas tensões cíclicas do material estudado. / In the present work, some effects caused by jateamento por granalhas on Cr-Si-V steel have been studied, a process that aims to increase fatigue resistance. For this study the variation of parameters in the process are tools to better understand the mechanisms that influence this property. The parameters used in this work were the variation of the grit and the pre-tensioning of the samples applied in leafs used in automotive springs of chrome silicon vanadium alloy steel (SAE 9254 + V). Initially the evaluation of the residual stress profile was performed by x-ray diffraction using the sen2 method along the thickness in the region where the stress is compressive. The results show an anomalous effect in relation to the characteristic profile of the residual stress distribution with the decrease of compression in the initial layers in relation to the blasted surface. With the use of scanning electron microscopy, the region affected by grit blasting was observed, noting that the plastically deformed regions are located in the same regions where the compressive residual stress decrease. The profile obtained by X-ray diffraction provides necessary information with the aim of combining the effects of microstress (microstrain) on macrostress (residual stress). This relationship was confirmed by the overlap of the results found in the distribution of the microstrain of the crystalline lattice with the residual stress along the thickness in the plastically deformed region. The results of the x-ray diffraction tests show an existence of tensile anisotropy between the planes generated by stacking faults and the dislocations density. Therefore, to obtain the values of the microstress must be considered the factors of the elastic constants and the crystallographic planes. The method applied was the modified Williamson-Hall. Beyound this method, others were also used, such as: Warren-Averbach method and the Single Line method, this applying the Fourier series, however, when observing the results, we can notice the difference between the values obtained in the deformations, however, the emphasis of this work was on the characteristics of the distribution profiles and not on the absolute values. In addition, the study of the distribution of the mean crystallite size along the thickness of the X-ray diffraction profile was provided and the results showed that this distribution varies inversely with microstrain. The relationship between the mean crystallite size and the variation of the interplanar distances corresponds directly to changes in the densities of dislocations occurring in the material, which in turn are linked to the microstrain of the crystalline lattice. As a complement to the work, the stress concentration factor and fatigue tests of the material were analyzed. The stress concentration factor did not change according to the use of the S330 and S390 grit, both being applied in the same blasting regime. Fatigue tests indicated that pretensioning increases the useful life of the cyclic stresses of the material studied.

Aluminum and steel components are usually quenched in forced gas, oil or water flow to improve mechanical properties and improve product life. During the quenching process, heat is transferred rapidly from the hot metal component to the quenchant and the rapid temperature drop introduces phase transformation and deformation in the hot metal component. As a result, quenching problems arise such as distortion, cracking and high tensile residual stresses. To avoid or minimize these problems while improving mechanical properties, process optimization is needed for both part geometry and quenching process design. A series of methods, including four existing methods and two new methods developed in this dissertation, were applied to obtain accurate thermal boundary conditions, i.e., the heat transfer coefficient (HTC) distribution. The commercially available material model DANTE was applied with finite element software ABAQUS to model the phase transformations and constitutive behavior of steel parts during quenching. A user material subroutine was developed for aluminum alloys based on a constitute model and tensile test data. The predicted residual stresses in the quenched parts agreed with those measured using the improved resistance strain gauge hole-drilling method and other methods, which validates the numerical models.