Ensaio de Compressão do Anel:
resultados experimentais
e por método dos elementos finitos
David E. K. Barrientos
Mario V. Leite
Amilton Sinatora
Roberto. M. Souza
VIII Encontro de Iniciação Científica
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
2007
1
Resumo da apresentação


Introdução
Materiais e métodos
 Experimental
 Simulação

Resultados e Discussões
 Experimental
 Simulação

Conclusões
2
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.
3
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.

4
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.

6
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:
periódica, Rq de 2,47 μm, e espaçamento
médio entre picos (RSm) de 489 μm.
 Dureza: 484 HV10
 Microestrutura martensítica
 Topografia
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Materiais e métodos – Experimental

Representação esquemática do tribossistema do ensaio
Saída do forno: 1200°C
Descida da ferramenta: 14s
Início do forjamento: 20s
Ferramentas:
Microestrutura martensítica
Dureza:484HV10
N° de ensaios: 4
Prensa: 60 t
Anel:
Microestrutura ferritico-perlítica
Dureza: 275 HV10
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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
9

Materiais e métodos – Simulação
Malha de elementos finitos utilizada:
10
Materiais e métodos – Simulação
 Materiais
Anel: ABNT 1045
 Ferramentas: corpos rígidos

 Dimensões,

mesmos do ensaio
 Coeficientes

parâmetros de tempo e velocidade:
de transferência de calor:
Modificados e determinados de acordo com o teste
experimental (redução de 1200 para 900 °C).
11
Materiais e métodos – Simulação

Deformação:


Condições topográficas:


até a altura do anel atingir 7,5 mm (conforme dados
experimentais)
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 %)
13
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.
14
Curvas de calibração teórica, (Male, 1970)
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-anel
 Transformação
martensítica
durante
a
conformação a quente
15
Resultados e Discussões
Simulações
 As
dimensões do diâmetro externo e interno da
simulação se aproximam do experimental conforme o
coeficiente de atrito aumenta
dia. interno
dia. ext. experimental
dia. externo
dia. int. experimental
Diâmetro interno e externo (mm)
35
30
25
20
15
10
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Coeficiente de Atrito
16
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:
17
Resultados e Discussões
Simulações

a)
A temperatura no topo do anel (820 ºC) é próxima à
temperatura na base (819 ºC).
b)
Mapa de temperatura (ºC) na superfície do topo (a)
e na superfície da base (b) do anel.
18
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 anel
 Pois
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.
20
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.

21
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. Barrientos
[email protected]
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Presença de uma camada de óxidos
na interface ferramenta-anel
Aspecto da superfície superior e inferior do anel após ensaios
Superfície superior
(aumento de 1 vez)
Superfície inferior
(aumento de 1 vez)

espessa camada de
óxidos.

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
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