Ensaio de Compressão do Anel: resultados experimentais e por método dos elementos finitos

1. Ensaio de Compressão do Anel:resultados experimentais e por método dos elementos finitos David E. K. Barrientos Amilton Sinatora Mario V. Leite Roberto. M. Souza VIII Encontro de Iniciação Científica Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 2007

2. Resumo da apresentação • Introdução • Materiais e métodos • Experimental • Simulação • Resultados e Discussões • Experimental • Simulação • Conclusões

3. Introdução • Bowden e Tabor (1950) abordam no livro “The Friction and Lubrication of Solids” a dependência do atrito e desgaste com os seguintes parâmetros : • materiais envolvidos, • topografia dos corpos e • condições de trabalho. • O ensaio de compressão do anel foi utilizado para estudar a influência dos parâmetros da topografia dos corpos e condições de trabalho no atrito e desgaste.

4. Introdução • Teste de compressão do anel: • Consiste na compressão, em uma prensa, de um corpo de prova que possui a forma de um anel. • Esta compressão causa redução da altura do anel e variações no diâmetro interno e externo do mesmo. • A mudança nas dimensões do anel é dependente do atrito na interface ferramenta/corpo de prova.

5. Introdução • Teste do anel: • Atrito igual a zero (figura b): • Diâmetro externo aumenta • Diâmetro interno aumenta • Atrito diferente de zero (figura c): • Diâmetro externo aumenta • Diâmetro interno diminui (ASM HANDBOOK, 1992)

6. Introdução – Objetivos • Relatar as evidências obtidas experimentalmente com o ensaio de compressão do anel • Com base nos resultados do ensaio experimental, desenvolver uma rotina para simulação computacional, pelo método dos elementos finitos, do ensaio de compressão do anel.

7. Materiais e métodos – Experimental • Corpo de prova: • Topografia aperiódica, Rq de 0,21 μm, limpeza com álcool em ultrassom seguida de secagem em ar seco. • Dureza: 275 ± 1 HV10. • Microestrutura: ferritico perlítica. • Ferramenta: • Topografia periódica, Rq de 2,47 μm, e espaçamento médio entre picos (RSm) de 489 μm. • Dureza: 484 HV10 • Microestrutura martensítica

8. Materiais e métodos – Experimental Saída do forno: 1200°C Descida da ferramenta: 14s Início do forjamento: 20s N° de ensaios: 4 Prensa: 60 t • Representação esquemática do tribossistema do ensaio Ferramentas: Microestrutura martensítica Dureza:484HV10 Anel: Microestrutura ferritico-perlítica Dureza: 275 HV10

9. Materiais e métodos – Simulação • Software: • comercial MSC Superform • Elementos finitos: • Discretização da entidade em interesse para calcular, durante um processo, os parâmetros desejados. • Malha: • 10100 elementos, hexaedro irregular • análises com menos elementos mostraram resultados pouco confiáveis devido a distorções da malha • análises com mais elementos resultaram em custo elevado de computação

10. Materiais e métodos – Simulação Malha de elementos finitos utilizada:

11. Materiais e métodos – Simulação • Materiais • Anel: ABNT 1045 • Ferramentas: corpos rígidos • Dimensões, parâmetros de tempo e velocidade: • mesmos do ensaio • Coeficientes de transferência de calor: • Modificados e determinados de acordo com o teste experimental (redução de 1200 para 900 °C).

12. Materiais e métodos – Simulação • Deformação: • até a altura do anel atingir 7,5 mm (conforme dados experimentais) • Condições topográficas: • Anel e ferramentas iguais e idealmente lisas. • Realizadas simulações com diferentes coeficientes de atrito (0,2, 0,4 e 0,6).

13. Resultados e DiscussõesExperimental • Dimensões médias dos anéis: • Diâmetro externo: 33,3 mm (variação máxima: 0,7 %) • Diâmetro interno: 12,5 mm (variação máxima: 0,7 %) • Altura: 7,6 mm (variação máxima: 1 %)

14. Resultados e DiscussõesExperimental • Male e DePierre: realizaram o ensaio e geraram curvas de calibração para determinar o atrito na interface ferramenta-anel. • Segundo este método, para o ensaio, o atrito na interface ferramenta-anel é maior que 1. Curvas de calibração teórica, (Male, 1970)

15. Resultados e DiscussõesExperimental • Portanto: o procedimento de Male e DePierre não é adequado às condições do ensaio realizado. • Outras justificativas para esta evidência: • Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel • Transformação martensítica durante a conformação a quente

16. Resultados e DiscussõesSimulações • As dimensões do diâmetro externo e interno da simulação se aproximam do experimental conforme o coeficiente de atrito aumenta

17. Resultados e DiscussõesSimulações Simulação: • Diferença entre áreas aparentes de contato: a maior área foi a do topo do anel (resultado oposto ao experimento) • Surpreendente: mesmo coeficiente de atrito para ambas as superfícies. • Esta análise não foi encontrada na literatura. Experimento:

18. Resultados e DiscussõesSimulações • A temperatura no topo do anel (820 ºC) é próxima à temperatura na base (819 ºC). a) b) Mapa de temperatura (ºC) na superfície do topo (a) e na superfície da base (b) do anel.

19. Resultados e DiscussõesSimulações • Analisa-se apenas o efeito da temperatura. • Pois não há possibilidade na simulação de formação de óxidos • Não foi possível fazer uma relação das informações de temperatura com as deformações do anel • Pois não se têm informações sobre propriedades do material em altas temperaturas.

20. Conclusões • A literatura não especifica características a iniciais do anel ou da ferramenta nem estabelece procedimentos de condicionamento. • tribossistema anel-ferramenta indeterminando • sugestões sobre as melhores condições para se realizar o ensaio de anel • Diferença das áreas aparentes de contato do anel com a ferramenta: • área maior na base onde a espessura da camada de óxido é maior e mais compacta.

21. Conclusões • Curvas de calibração de Male e DePierre (1970): não foi possível identificar o coeficiente de atrito na interface • A transformação martensítica produz variações dimensionais que podem afetar os resultados de determinação do coeficiente de atrito.

22. Conclusões • Simulação: valores de deformação do anel mais próximos do experimental para o maior coeficiente de atrito (0,6). • Dimensões da superfície superior e inferior são diferentes no ensaio e na simulação • O atrito na interface é o mesmo e não há diferença significativa entre as temperaturas da simulação nas superfícies de contato do anel

23. Conclusões • Não pôde ser explicada a inversão em relação ao tamanho das áreas aparentes de contato do topo e base. • É preciso um maior entendimento das respostas do aplicativo quanto às propriedades mecânicas em elevadas temperaturas.

24. Ensaio de Compressão do Anel: resultados experimentais e por método dos elementos finitos Obrigado Dúvidas? David E. K. Barrientos david.barrientos@poli.usp.br

25. Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel Aspecto da superfície superior e inferior do anel após ensaios • espessa camada de óxidos. • perde a camada durante o ensaio. Superfície superior (aumento de 1 vez) Superfície inferior (aumento de 1 vez)

26. Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel • Os diâmetros internos e externos na base e no topo do anel são diferentes • Na base, a área aparente de contato é maior do que no topo

27. Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel • Esta diferença pode ser causada por: • presença de óxidos com diferentes espessuras • diferentes temperaturas entre interface do anel com a ferramenta superior e a interface do anel com a ferramenta inferior

28. Transformação martensítica durante a conformação a quente Evidências: • Elevação da dureza: • 275 ± 1 HV10 antes do ensaio para 611 ± 5 HV10 depois do ensaio. • Observação das micrografias do anel (sessão transversal) : Antes do ensaio Após o ensaio