VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS03-04 maio de 2007, 13-19

           

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

D. E. K. Barrientos, M. V. Leite , R. M. Souza, A. Sinatora

Laboratório de Fenômenos de Superfície – LFS, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo – USP

E-mail para contato: david.barrientos@poli.usp.br

ResumoO coeficiente de atrito e o desgaste podem ser estudados através do ensaio de compressão do anel. Neste trabalho, foram realizados ensaios de compressão do anel, análises em simulações computacionais, empregando o aplicativo de Elementos Finitos MSC Superform. Realizaram-se simulações para várias faixas de coeficientes de atrito. Os valores numéricos da simulação se aproximam com os do ensaio para o maiores valores de coeficiente de atrito. Verificou-se nas simulações um comportamento diferente do que nos ensaios: enquanto no primeiro o diâmetro externo do topo do anel após a compressão é maior do que o diâmetro externo na base, no segundo ocorre o contrário.

Palavras-chave: Ensaio de compressão, camada de óxidos, elementos finitos, atrito.

ResumenEl coeficiente de fricción y el desgaste pueden ser estudiados mediante el ensayo de compresión del anillo. En este trabajo, se realizaron ensayos de compresión de un anillo, y análisis en simulaciones computacionales, utilizando el software de elementos finitos MSC Superform. Fueron realizadas simulaciones para diversos coeficientes de fricción. Los valores numéricos de la simulación se aproximan de los valores del ensayo para coeficientes de fricción mayores. Se verificó en las simulaciones un comportamiento diferente al de los ensayos: en las simulaciones el diámetro externo del tope del anillo después de la compresión es mayor que el diâmetro externo en la base, en el ensayo ocurre el contrario.

Palabras clave: Ensayo de compresión, capa de óxidos, elementos finitos, fricción.

1. INTRODUÇÃO

O coeficiente de atrito e o desgaste em processos de conformação dependem basicamente de três parâmetros: materiais envolvidos, topografia dos corpos e condições de trabalho (Bowden e Tabor, 1950).

O teste do anel consiste na compressão de um corpo de prova que possui a forma de anel. Neste processo, se o atrito fosse zero, o anel se deformaria tendo seus elementos fluindo radialmente para fora, ou seja, o diâmetro externo medido na altura média do anel aumentaria e o diâmetro interno, na mesma região, também. Por outro lado, análises teóricas (Male, 1970 e Rao, 1993) mostram que para atrito diferente de zero, o diâmetro interno do anel diminui e o externo aumenta.

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Assim, este trabalho tem o objetivo de relatar as evidências obtidas experimentalmente com o ensaio de compressão do anel assim como os resultados obtidos da simulação deste ensaio por método dos elementos finitos.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 O Ensaio Experimental

O ensaio foi realizado em uma prensa de 60 toneladas com velocidades de aproximação e compressão de 17 e 4 mm/s respectivamente. O material da ferramenta superior e inferior é o aço AISI H13 (microestrutura martensítica e dureza média de 484 HV10). O material utilizado para o anel foi o aço 38MnSiVS5 com dureza de 275 ± 1 HV10 (média e desvio padrão) e microestrutura, ferritico-perlítica. A Figura 1 apresenta de forma esquemática o tribossistema da montagem experimental.

Figura 1. Representação esquemática do tribosistema do ensaio de compressão do anel

Os anéis foram aquecidos a 1200 ºC, colocados no centro da ferramenta inferior, sem a presença de lubrificante, e quando submetidos à deformação constante de no máximo 3 mm estavam à temperatura de 900 ºC. Estes ensaios foram repetidos 4 vezes nestas mesmas condições.

As medidas de deformação do anel foram realizadas com o auxílio de um analisador gráfico e um micrômetro.

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2.2 Método dos Elementos Finitos

Para as simulações computacionais foi utilizado o aplicativo comercial MSC Superform. Por disponibilidade no banco de dados do aplicativo utilizou-se como material para o anel o aço ABNT 1045. A ferramenta superior e inferior foram consideradas como corpos rígidos. As dimensões das ferramentas e do anel, assim como os parâmetros de temperatura e velocidade utilizada foram os mesmos do ensaio experimental.

Para simular a redução de temperatura de 1200 a 900 ºC houve a necessidade de modificar os coeficientes de transferência de calor entre o anel com as ferramentas e com o ar presente no meio circunvizinho.

A simulação foi programada para que o corpo sofra deformação até que a altura do mesmo atinja 7,5 mm, baseando-se nos dados experimentais. A malha utilizada possui 10100 elementos em forma de hexaedro irregular. Esta malha foi definida após análises com menos elementos, que mostraram resultados pouco confiáveis devido a distorções da malha, e análises com mais elementos, que resultaram em elevado tempo de computação.

As condições topográficas tanto do anel quanto das ferramentas foram consideradas iguais e idealmente lisas.

Foram realizadas simulações com diferentes coeficientes de atrito (0,2, 0,4 e 0,6). Após as simulações de compressão do anel estes foram medidos da mesma forma que os anéis do ensaio experimental para posteriores comparações.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1 Método Experimental

Após o ensaio experimental as dimensões médias dos anéis ficaram da seguinte forma: φ externo 33,3 mm; φ interno 12,5 mm e altura de 7,6 mm. As variações máximas entre as medidas de cada anel foram de 0,7 %, 0,7 % e 1 % para cada dimensão respectivamente.

Seguindo o método desenvolvido por Male (1970), onde se utilizam curvas de calibração para determinar o atrito na interface ferramenta com material a ser conformado, foi verificado que para as deformações medidas nos anéis do ensaio o atrito na interface ferramenta-anel é maior que 1, conforme apresentado na Figura 2.

O fato de que o ponto obtido com os ensaios esteja fora das curvas de calibração do modelo do pesquisador citado levantou a hipótese de que este procedimento não é adequado às condições do ensaio realizado. A seguir descrevem-se outros pontos que justificam esta evidência.

Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel

As fotos da Figura 3 apresentam o aspecto da superfície superior e inferior do anel após ensaios, respectivamente Figura 3 a) e Figura 3 b).

Nota-se que há uma diferença expressiva no aspecto de ambas as superfícies. A superfície inferior mantém, após ensaio, uma espessa camada de óxidos, enquanto que a superfície superior perde esta camada durante o ensaio. Este comportamento foi observado nos 4 ensaios realizados.

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Buscou-se na literatura específica de ensaios de anéis alguma consideração sobre este comportamento, sem sucesso. Este hiato é significativo e surpreendente, uma vez que em toda a literatura, tanto básica (ASM Handbook, 1992) quanto especializada a respeito de determinação de coeficiente de atrito em metais há destaque para o papel lubrificante do filme de óxidos (Male, 1970 e Rudkins, 1996).

Uma análise mais detalhada das dimensões dos anéis mostrou que os diâmetros internos e externos na base e no topo do anel eram diferentes sendo que na base a área aparente de contato é maior que a área aparente do topo, em outras palavras o diâmetro externo da base é maior que o diâmetro externo do topo e o diâmetro interno da base é menor que seu correspondente do plano superior.

Esta diferença pode ser atribuída à presença de óxidos com diferentes espessuras; e das diferentes temperaturas entre interface do anel com a ferramenta superior e a interface do anel com a ferramenta inferior.

             a)

             b)

Figura 2. Curvas de calibração teórica, (Male, 1970)

Figura 3. a) Superfície superior do anel e b) superfície inferior do anel. Aumento

de 1 vez

Transformação martensítica durante a conformação a quente.

Medições de dureza do anel revelaram uma significativa elevação de 275±1 HV10 antes do ensaio para 611±5 HV10 depois do ensaio o que sugere a ocorrência de transformação martensítica durante ou após o ensaio. A observação micrográfica de uma sessão transversal corroborou a esta análise, como pode ser observado ao comparar a Figura 4 (microestrutura ferritica-perlítica antes do ensaio) com a Figura 5 (microestrutura martensitica após o ensaio).

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Figura 4. Micrografia do anel antes do ensaio de forjamento a quente

Figura 5. Microestrutura da sessão transversal do anel após o ensaio

Uma vez que a transformação martensítica causa variação de volume (ASM Handbook, 1991), buscou-se na literatura especializada menção ao peso da variação dimensional devida a transformação martensítica nas dimensões do anel e, portanto, nos valores do coeficiente de atrito determinado por este método e foi constato que a literatura não trata do efeito da variação dimensional do anel devida a transformação martensítica nos resultados de determinação do coeficiente de atrito.

3.2 Método por Elementos Finitos

A simulação desenvolvida pelo método dos elementos finitos esta limitada a algumas condições que diferem das condições experimentais, e.g material utilizado, transformações microestruturais e mecânicas, condições topográficas, formação de óxidos e transferência de calor. O objetivo nesta etapa do trabalho não é comparar os resultados experimentais com os numéricos, mas apenas desenvolver uma rotina para simulação do ensaio de compressão a quente do anel com base nos resultados do ensaio experimental.

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20

25

30

35

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Coeficiente de Atrito

Diâ

met

ro in

tern

o e

exte

rno

(mm

)

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

Figura 6. Aproximação das dimensões do anel após simulação com as dimensões do anel após ensaio experimental.

Dessa forma, foram medidas as dimensões dos anéis após as simulações com diferentes coeficientes de atrito e foi observado que as dimensões do diâmetro externo e interno se aproximam daqueles medidos

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experimentalmente conforme aumenta o coeficiente de atrito (ver Figura 6).Da mesma forma que houve uma diferença entre as áreas aparentes de

contato no ensaio experimental houve também uma diferença naquelas da simulação, porém na simulação ocorreu de forma oposta; a maior área aparente de contato foi aquela no topo do anel. Este resultado surpreende uma vez que para ambas as superfícies o programa usa o mesmo coeficiente de atrito. Adicionalmente verificou-se que esta análise sobre as dimensões da superfície superior e inferior do anel não foi encontrada na literatura sobre simulação do ensaio de anel.

Como não há possibilidade na simulação da formação de óxidos, analisa-se apenas o efeito da temperatura. Dessa forma, observou-se que a temperatura no topo do anel (820oC) é próxima à temperatura na base (819oC). Não foi possível fazer uma relação das informações de temperatura com as deformações do anel uma vez que não se têm informações sobre a resposta do aplicativo quanto das propriedades do material em altas temperaturas.

4. CONCLUSÕES

Com este trabalho pode se obter as seguintes conclusões:Há diferença das áreas aparentes de contato do anel com a ferramenta

sendo maior na superfície da base onde a espessura da camada de óxido é maior e mais compacta quando comparada aquela da superfície superior.

As medidas dimensionais dos anéis após o ensaio não possibilitaram identificar o coeficiente de atrito na interface com as curvas de calibração teórica de Male (1970).

A transformação martensítica produz variações dimensionais que podem afetar os resultados de determinação do coeficiente de atrito.

Os resultados obtidos pelo método dos elementos finitos apresentaram valores de deformação do anel mais próximos daqueles obtidos experimentalmente, no maior valor de coeficiente de atrito simulado (0,6).

Observou-se que as dimensões da superfície superior e inferior eram diferentes no ensaio e na simulação, este último resultado é inesperado, pois o atrito na interface é o mesmo e não há diferença significativa entre as temperaturas decorrentes da simulação nas superfícies de contato do anel.

Devido às condições impostas no algoritmo do aplicativo utilizado não pode ser explicada a inversão em relação ao tamanho das áreas aparentes de contato do topo e base. Faz-se necessário para a continuidade deste estudo um maior entendimento das respostas do aplicativo quanto às propriedades mecânicas em elevadas temperaturas.

4. REFERÊNCIAS

American Society for Metals. “Heat Treating”. In: Metals Handbook, Vol. 4. 1991. p. 1012.American Society for Metals. “Friction, Lubrication and Wear Technology”. In: Metals Handbook, Vol. 18. 1992. p. 942.Bowden, F.P.; Tabor, D., “The Friction and Lubrication of Solids”, At the Clarendon Press, Oxford, 1950.Male, A.T., DePierre, V., “The Validity of Mathematical Solutions for Determining Friction From the Ring Compression Test”, Journal of Lubrication Technology, July 1970, p. 389-395.

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Rao, R. P., Sivaram, K., “A review of ring-compression testing and applicability of the calibrationcurves”, Vol. 37, 1993, p. 295 – 318.Rudkins, N. T., Hartley, P., Pillinger, I., Petty, D., “Friction Modeling and Experimental Observations in Hot Ring Compression Tests”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 60, 1996, p. 349 – 353.

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