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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

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Resumo da apresentação

Introdução Materiais e métodos

Experimental Simulação

Resultados e Discussões Experimental Simulação

Conclusões

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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.

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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.

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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)

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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.

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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

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Materiais e métodos – Experimental Representação esquemática do tribossistema do ensaio

Ferramentas:Microestrutura martensíticaDureza:484HV10

Anel: Microestrutura ferritico-perlíticaDureza: 275 HV10

Saída do forno: 1200°CDescida da ferramenta: 14sInício do forjamento: 20s

N° de ensaios: 4Prensa: 60 t

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Materiais e métodos – SimulaçãoSoftware:

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

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Materiais e métodos – Simulação

Malha de elementos finitos utilizada:

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Materiais e métodos – SimulaçãoMateriais

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).

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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).

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Resultados e Discussões Experimental

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 %)

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Resultados e Discussões Experimental

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)

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Resultados e Discussões Experimental

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-anelTransformação martensítica

durante a conformação a quente

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Resultados e Discussões Simulações

As dimensões do diâmetro externo e interno da simulação se aproximam do experimental conforme o coeficiente de atrito aumenta

10

15

20

25

30

35

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Coeficiente de Atrito

Diâ

me

tro

inte

rno

e e

xte

rno

(m

m)

dia. interno dia. externodia. ext. experimental dia. int. experimental

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Resultados e Discussões Simulações

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.

Simulação:

Experimento:

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Resultados e Discussões Simulações

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.

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Resultados e Discussões Simulações

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 anelPois não se têm informações sobre

propriedades do material em altas temperaturas.

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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.

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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.

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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

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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.

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Ensaio de Compressão do Anel: resultados experimentais e

por método dos elementos finitos

Obrigado

Dúvidas?

David E. K. Barrientosdavid.barrientos@poli.usp.br

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Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel

Aspecto da superfície superior e inferior do anel após ensaios

espessa camada de óxidos.

Superfície superior (aumento de 1 vez)

Superfície inferior (aumento de 1 vez)

perde a camada durante o ensaio.

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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

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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

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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