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ESTUDO DAS TENSES RESIDUAIS GERADAS NA USINAGEM DE AO AISI 4340

W. P. dos Reis; M. P. Cindra Fonseca; L. F. Serro; T. C. Chuvas; L. C. Oliveira

UFF Universidade Federal Fluminense - Departamento de Engenharia

Mecnica/PGMEC, Rua Passo da Ptria, 156, So Domingos, Niteri, RJ, Brasil.

E-mail: [email protected]

RESUMO

Dentre os aos de construo mecnica, o AISI 4340 apresenta boa

temperabilidade, alm de combinar elevada resistncia mecnica e fadiga com

tenacidade, o que o torna excelente para aplicao na indstria metal-mecnica

podendo trabalhar em diferentes nveis e tipos de solicitaes. Tenses residuais

so geradas em praticamente todos os processos de fabricao mecnica. No

presente trabalho, as tenses residuais geradas em diferentes processos de

usinagem e de tratamento trmico de tmpera do ao AISI 4340 foram analisadas

por difrao de raios-X, pelo mtodo do sen2 com radiao Cr e comparadas. Todas as amostras, com exceo das torneadas e cortadas por eletroeroso,

apresentaram tenses residuais superficiais compressivas, com magnitudes

diversas.

Palavras-chave: ao AISI 4340, usinagem, tenses residuais, difrao de raios-X.

INTRODUO

Considerado o ao de mais alta temperabilidade entre os de construo

mecnica, o ao AISI 4340 amplamente utilizado na indstria metal-mecnica, por

combinar elevada resistncia com tenacidade. considerado um ao de alta

resistncia mecnica por apresentar elevados valores dos limites de escoamento

(aproximadamente 800MPa) e resistncia trao (aproximadamente 1200MPa).

Geralmente empregado na condio de temperado e revenido, o ao AISI 4340

19 Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais CBECiMat, 21 a 25 de novembro de 2010, Campos do Jordo, SP, Brasil

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apresenta boa forjabilidade, alm de boa resistncia fadiga e corroso sendo,

entretanto, de usinabilidade e soldabilidade ruins.

As tenses residuais so tenses auto-equilibradas existentes nos materiais em

condies de temperatura homognea e sem carregamento externo (1).

A resistncia fadiga dos componentes metlicos fortemente dependente do

estado de tenses residuais induzido nas camadas superficiais, estando bem

estabelecido que as tenses residuais compressivas tm efeitos benficos na vida

em fadiga e na corroso sob tenso, alm de inibir a nucleao e a propagao de

trincas, enquanto as tenses trativas podem se somar s tenses de trabalho e

provocar a ruptura prematura do componente.

Conseqentemente, a avaliao das tenses residuais constitui um importante

mtodo de controle da qualidade na fabricao de componentes e estruturas.

Existem diversos mtodos para medio de tenses residuais. A tensometria por

difrao de raios-X, sendo um mtodo no-destrutivo e confivel, um dos mais

extensamente usados em todo mundo (2).

Na usinagem, as deformaes plsticas provenientes do processo, bem como o

intervalo de tempo em que a superfcie da pea permanece em altas temperaturas,

constituem as principais fontes de tenses residuais (3). Os parmetros de corte,

principalmente velocidade de corte e avano, influenciam de forma relevante as

propriedades superficiais das peas usinadas, tais como, dureza, tenses residuais

e rugosidade (4,5).

O presente trabalho tem como objetivo o estudo das tenses residuais

provenientes de diferentes processos de usinagem e de tratamento trmico de

tmpera, por difrao de raios-X.

MATERIAIS E MTODOS

No presente trabalho foi utilizado um ao AISI 4340, forjado e normalizado,

produzido em forma de barra de 228,6mm, da qual foi cortada uma chapa de 15mm de espessura, cuja composio qumica est apresentada na Tab. 1.


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Tabela 1 - Composio qumica do ao AISI 4340 (% em peso).

C Mn Si P S Cr Ni Mo Al Cu

0,40 0,69 0,29 0,018 0,022 0,89 1,73 0,22 0,038 0,31

Foram preparadas 20 amostras retangulares destinadas usinagem e ao

tratamento trmico, sendo:

2 amostras temperadas, denominadas TT1 e TT2; 1 amostra retificada com fluido de corte, denominada RCF; 1 amostra retificada sem fluido de corte, denominada RSF; 4 amostras fresadas, com fluido de corte; 4 amostras faceadas por torneamento; 4 amostras cortadas por eletroeroso a fio; 4 amostras fabricadas manualmente (limadas).

O tratamento trmico de tmpera foi realizado em forno de resistncia eltrica,

a uma temperatura de encharque de 850C por 3 horas, seguido de resfriamento em

leo.

No processo de retificao, para caracterizar as diferenas devido aplicao

ou no de fluido de corte (visando verificar a influncia do aquecimento localizado),

foram mantidos os mesmos parmetros de velocidade e profundidade de corte. Foi

empregado um rebolo AA60 (xido de alumnio branco), de 254mm de dimetro

externo, 25,4mm de espessura e 76,2mm de dimetro interno.

No corte por eletroeroso a fio, o avano do fio de lato utilizado foi de

12mm/min, usando gua deionizada como fluido dieltrico.

O torneamento de faceamento foi feito em um torno mecnico universal com

rotao do eixo-rvore de 500rpm, inserto de metal duro em trs passes de 1,5mm

de profundidade de corte.

As amostras submetidas ao fresamento frontal foram usinadas em dois passes,

em uma fresadora vertical, com rotao de 510rpm, avano de 12mm/min e

profundidade de corte de 0,25mm no passe de desbaste e 0,1mm no passe de

acabamento. A ferramenta de corte utilizada foi um suporte de 16mm de dimetro

com dois insertos de metal duro revestidos com TiN, com utilizao de emulso, na

proporo de 10:1, como fluido de corte.


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A limagem das amostras foi realizada com uma lima bastarda paralela

(desbaste) e lima mursa paralela (acabamento).

As tenses residuais foram medidas por difrao de raios-X, usando um

equipamento Stressrad, com radiao Cr, mostrado na Fig. 1, pelo mtodo do

sen.

Figura 1 Equipamento Stressrad, composto de: 1) Gonimetro 2) Unidade de

controle, 3) Sistema de aquisio de dados, 4) Amostra analisada.

RESULTADOS E DISCUSSES

As tenses residuais foram medidas em duas direes, longitudinal

(coincidente com a direo de maior comprimento da amostra) e transversal. Os

resultados obtidos para cada condio esto apresentados nas Fig. 2 a 5.

TT1 TT2 RCF RSF

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Amostras Temperadas e Retificadas

Tens

o R

esid

ual (

MPa

)

Amostras

Longitudinal Transversal

Figura 2 Tenses residuais das amostras temperadas e retificadas.


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As amostras temperadas e as retificadas apresentaram tenses residuais

compressivas em ambas as direes, sendo que as amostras temperadas (TT1 e

TT2) mostraram valores mais elevados na direo longitudinal (-165MPa), enquanto

que as retificadas (RCF e RSF), na direo transversal (-168MPa).

A natureza das tenses residuais geradas nas amostras temperadas esto em

discordncia com o encontrado na literatura para tmpera em leo, que apresenta

tenses trativas na superfcie (Macherauch e Kloos, 1987). Por outro lado, as

tenses superficiais medidas nas peas retificadas reafirmam os resultados

averiguados por Macherauch e Kloos, confirmando a tendncia para o estado

compressivo no processo de retificao.

As Figs. 3 e 4 apresentam as tenses residuais superficiais geradas pelo

processo de corte por eletroeroso a fio e por limagem, respectivamente.

1 2 3 40

100

200

300

400

500

600

700

Amostras Cortadas (Eletroeroso)

Tens

o R

esid

ual (

MPa

)

Amostras


1 2 3 4-500

-400

-300

-200

-100

0Amostras Limadas

Tens

o R

esid

ual (

MPa

)

Amostras


Figura 3 Tenses residuais nas amostras cortadas por eletroeroso.

Figura 4 Tenses residuais nas amostras limadas.

As tenses residuais das amostras cortadas por eletroeroso a fio (Fig. 3)

foram trativas, tanto na direo longitudinal, quanto na transversal, com magnitudes

equivalentes em ambas as direes (~553 MPa), com exceo da amostra 2, que

apresentou 740MPa na direo transversal. Estes resultados esto de acordo com a

literatura, conforme descrito por Dongtao Jiang et al , 2005. Esse estado de tenses

altamente trativas pode ser explicado pela alta taxa de aquecimento na regio de

corte, o que responsvel pela gerao de tenses trativas, conforme observado

na literatura.

As tenses residuais das amostras limadas (Fig. 4) foram compressivas, tanto

na direo longitudinal, quanto na transversal, apresentando grande uniformidade.


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Esse estado de tenso pode ser explicado pelo fato do processo de limagem

comprimir as camadas superficiais do material contra as camadas subsuperficiais,

de maneira semelhante ao shot peening, e, portanto, induzir tenses de carter

compressivo. A uniformidade dos valores pode ser explicada pelo fato da limagem

ser um processo manual, onde o operador produz esforos de corte uniformes,

induzindo tenses superficiais homogneas.

As Figs. 5 e 6 mostram as tenses residuais oriundas dos processos de

usinagem por fresamento e torneamento, respectivamente.

1 2 3 4-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0Amostras Fresadas

Tens

o R

esid

ual (

MPa

)

Amostras


1 2 3 4-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200Amostras Faceadas

Tens

o R

esid

ual (

MPa

)

Amostras


Figura 5 Tenses residuais nas amostras fresadas.

Figura 6 Tenses residuais nas amostras faceadas.

As tenses residuais das amostras fresadas (Fig. 5) foram de natureza

compressiva em ambas as direes, sendo que a longitudinal apresentou valores de

tenso maiores que a transversal, o que coerente pelo fato da direo longitudinal

ter sido a direo de avano da fresa, e, portanto, prevaleceram os efeitos de

deformao plstica.

As amostras faceadas atravs de torneamento apresentaram tenses residuais

trativas na direo longitudinal e compressivas na direo transversal, conforme

observado na Fig. 4. Essa disposio nas tenses residuais pode ser explicada por

terem prevalecido os efeitos trmicos na direo longitudinal, e os efeitos de

deformao plstica, na transversal.


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CONCLUSES

1) Embora conste na literatura que a tmpera em leo tende a gerar tenses

residuais trativas, foram encontradas tenses residuais compressivas em todas as

amostras, em ambas as direes. Sendo assim, novos ensaios devero ser

realizados para confirmar essa tendncia.

2) Conforme analisado anteriormente as tenses residuais decorrentes do processo

de limagem apresentaram grande uniformidade. No entanto, no foram encontradas

referncias bibliogrficas que pudessem confirmar a razo para o estado de tenses

final presente nas amostras e, portanto, essa anlise possui poucos dados para

comparao.

3) Apesar do pequeno nmero de amostras para a anlise e comparao dos

resultados obtidos, pode-se dizer que o objetivo do presente trabalho foi alcanado

de maneira satisfatria, uma vez que, em sua grande maioria, os resultados

puderam ser ratificados pela literatura.

4) Ensaios complementares como ensaio de dureza e de impacto, bem como

caracterizao microestrutural devero ser realizados para conhecimento da

alterao das propriedades do material devido aos diferentes processos mecnicos.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq, CAPES e FAPERJ pelo suporte financeiro

que possibilitou a execuo do presente trabalho.

REFERNCIAS

1) MACHERAUCH, E.; KLOOS, K. H. Origin, Measurements and Evaluation of

Residual Stress in Science and Technology. Ed. by Macherauch, V. Hauk,

DGM VERLAG, 1987.

2) LINDGREN, M., LEPISTO, T. Relation between residual stress and

Barkhausen noise in a duplex steel, NDT&E International, p. 279-288. 2003


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3) MAHDI, M.; ZHANG, L. C. Residual stresses in ground components caused by

coupled thermal and mechanical plastic deformation. Journal of Materials

Processing Technology 95 , p. 238-245, 1998.

4) GRUM, J. A review of the influence of grinding conditions on resulting residual

stresses after induction surface hardening and grinding. Journal of Materials

Processing Technology 114 . p. 212-226, 2001.

5) JIANG, D.; ANN, G.; VLEUGELS, J.; VANMEENSEL, K.; EERAERTS, W.;

LIU, W.; LAUWERS, B.; BIEST, O. V. D. Residual stresses in hardmetals

caused by grinding and EDM machining and their influence on the flexural

strength, Austria, 2005.

STUDY OF RESIDUAL STRESSES GENERATED IN MACHINING OF

AISI 4340 STEEL

ABSTRACT

Among the mechanical construction steels, AISI 4340 has good hardenability, while

combining high strength with toughness and good fatigue strength, making it

excellent for application in the metalworking industry, where it can work at different

levels and types of requests. Residual stresses are generated in almost all processes

of mechanical manufacturing. In this study, the residual stresses generated in

different machining processes and heat treatment hardening of AISI 4340 were

analyzed by X-ray diffraction, by the sen2 method, using Cr radiation and compared. All samples, except for turned and cut by EDM, presented compressive

residual stresses in the surface with various magnitudes.

Keywords: AISI 4340 steel, machining, residual stresses, X-ray diffraction.


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