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Tensões Residuais em Engrenagens Tratadas Termicamente: Medições e Simulação
CONTEÚDO TÉCNICO
TENSÕES RESIDUAIS EM ENGRENAGENS TRATADAS TERMICAMENTE: MEDIÇÕES E SIMULAÇÃO Por Sixpro e SEW-EURODRIVE Brasil
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Oprofissional da área de fabricação de engrenagens possui atenção constante à definição de geometrias funcionais e otimizadas e também à obtenção de propriedades mecânicas adequadas para as engrenagens. Além disso, é necessário também buscar uma maior qualidade do produto com foco na aplicação e na utilização desse por seus clientes.
Um dos caminhos possíveis para o aprimoramento na qualidade de produtos forjados e tratados termicamente é a previsão de tensões residuais, bem como ações que visem reduzir essas tensões. Assim,
Ponto (b)
Ponto (c)
torna-se viável otimizar os processos e projetos para garantir a qualidade das peças. Para demonstrar um trabalho de previsão dessas tensões residuais, toma-se o pinhão mostrado esquematicamente na Fig. 1. Observe que 3 regiões de interesse foram definidas como indicado. O pinhão objeto deste estudo foi forjado a quente, usinado, cementado, temperado, revenido e retificado. A análise se concentrou na medição e na previsão das tensões residuais provenientes do processo de têmpera, bem como na influência do revenimento subsequente. Com isso, as tensões residuais
Ponto (a) (face do pinhão)
foram medidas na superfície do pinhão após o tratamento térmico, considerando-se direções específicas em referência à peça tratada. As regiões medidas estão mostradas na Fig. 2.
A atividade de previsão das tensões residuais necessita não somente de resultar em valores realísticos, mas também demanda ser realizada em tempo compatível com as necessidades da indústria. Para tanto, foi utilizado o software JMatPro® para simular as propriedades e os comportamentos do material em várias condições de temperaturas e deformações, incluindo as suas microestruturas possíveis (austenita, ferrita, perlita, bainita, martensita e martensita revenida), e a cinemática de transformação de fases em razão da variação da temperatura no tempo. Possuir dados confiáveis do material para a alimentação do modelo por elementos finitos de previsão do processo de tratamento térmico, bem como obter esses dados com rapidez e com menor custo, é fundamental para a atividade de Engenharia com base na previsão do processo. Por essa razão, as propriedades do
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(a)
(b)
Fig. 2. Tensões residuais sendo medidas nos pontos (a), (b) e (c) [VAS Tecnologia]
material foram simuladas.
Uma vez que se determinou três pontos de interesse na superfície para a análise das tensões residuais, a caracterização da camada cementada deveria ser a primeira etapa. Com isso, ainda utilizando-se o software JMatPro®, foi possível prever o perfil da composição química na camada cementada, como mostrado na Fig. 3.
Calculado e definido o material e suas características, a previsão dos processos de têmpera e duplo revenimento foi realizada através do software QForm. A disposição dos dados importados para dentro do QForm pode ser visualizada na Fig. 4, na qual todas a propriedades de cada fase são definidas.
Após a simulação da etapa de têmpera, observou-se uma formação mantensítica mais acentuada nas regiões próximas à superfície,
(c)
em razão do resfriamento mais rápido e, em especial, na camada cementada, uma vez que o seu teor de carbono elevado propicia a formação martensítica. A dispersão martensítica calculada está demonstrada na Fig. 5. Logo, essa maior formação martensítica na região superficial definiu uma tendência da superfície sofrer um aumento de volume nessa região, como mostrado na Fig. 6 para o
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0,9
0,8
0,7 Quantidade de carbono (Wt%) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0,0
0,0 0,1 2,0 3,0 Profundidade
Fig. 3. Teor de carbono no material a partir da superfície da peça obtido via JMatPro®
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Fig. 4. Dados do material dispostos no QForm, bem como exemplificações de curvas de escoamento e variação volumétrica
Tabela 1 – Resultados comparativos de tensões residuais entre a prática e a simulação
Ponto
1 Tensão Residual Medida (MPa)
- 426 - 982 Tensão Residual Simulada (MPa)
Pós- Têmpera Pós-Duplo Revenimento
- 426
2 - 338 - 543 - 338
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Martensita
90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Volume %
9 8 7 6 5 4 3 2 1
5% 45.2947
95%
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Martensita [%]
Valor mínimo 4.43723
Valor máximo 94.4096
Valor médio 45.29
Desvio padrão 27.05
Mediano 44.39
Fig. 5. Dispersão de martensita calculada via QForm na seção longitudinal do pinhão
Alteração de volume [%]
2.65 2.60 2.55 2.50 2.45 2.30 2.25 2.20 2.15 2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 1.85
Fig. 6. Mudança relativa de volume na transformação de fases calculada via QForm
Temperatura [ºc] 100
800
600
400
200
0
σzz (superfície) ≈ - 1095 MPa σ zz (núcleo) ≈ + 480 MPa
Retirada do óleo Retirada ao ar
σzz (superfície) ≈ - 732 MPa σ zz (núcleo) ≈ + 311 MPa
Núcleo
Superfície
Após o primeiro revenimento Após o segundo revenimento
0 200 400 600 800 1000 1200
aumento relativo de volume na transformação de fase “austenita para martensita”.
Neste momento, é possível afirmar que as tensões medidas na superfície devam ser compressivas, ou seja, possuir valores negativos. Isso ocorre porque a camada cementada, com maior teor de carbono e quantidade de martensita do que o material do núcleo, tende a aumentar o seu volume e, consequentemente, ser comprimida. Toma-se o Ponto (c) para exemplificar o raciocínio aqui sendo descrito (Fig. 7), comparando-se as condições na superfície cementada com as condições no material de base próximo à região cementada. Percebe-se que as tensões residuais na superfície são negativas, e portanto compressivas, enquanto que as tensões no núcleo são positivas, e portanto trativas. Além disso, observou-se uma queda na magnitude das tensões efetivas com a realização do revenimento.
Enfim, foi possível prever as tensões residuais, como mostra a comparação na Tabela 1. Logo, torna-se viável estabelecer uma nova estratégia no processo de tratamento térmico com base na simulação do processo, reduzindo a magnitude das tensões residuais, sem influenciar nas propriedades mecânicas da peça.
