INFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONO SOBRE A INTEGRIDADE .
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EMENGENHARIA MECÂNICAINFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONO SOBRE AINTEGRIDADE SUPERFICIAL DE AÇOS SUBMETIDOS ÀOPERAÇÃO DE ROLETEAMENTOFILIPE FIGUEIREDO DOS SANTOSBelo Horizonte, 15 de março de 2019
Filipe Figueiredo dos SantosINFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONO SOBRE AINTEGRIDADE SUPERFICIAL DE AÇOS SUBMETIDOS ÀOPERAÇÃO DE ROLETEAMENTODissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação emEngenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais,como requisito parcial à obtenção do título de Mestre emEngenharia Mecânica.Área de concentração: Engenharia de Manufatura e MateriaisOrientador: Prof. Dr. Alexandre Mendes AbrãoUniversidade Federal de Minas GeraisBelo HorizonteEscola de Engenharia da UFMG2019
S237iSantos, Filipe Figueiredo dos.Influência do teor de carbono sobre a integridade superficial de açossubmetidos à operação de roleteamento [manuscrito] / Filipe Figueiredodos Santos. – 2019.135 f., enc.: il.Orientador: Alexandre Mendes Abrão.Dissertação (mestrado) Universidade Federal de Minas Gerais,Escola de Engenharia.Anexos: f.130 - 135.Bibliografia: f.17 - 52.1. Engenharia mecânica - Teses. 2. Ciência dos materiais - Teses.3. Aspereza de superfície – Teses. 4. Aço-carbono – Teses.5. Roleteamento – Teses. I. Abrão, Alexandre Mendes. II. UniversidadeFederal de Minas Gerais. Escola de Engenharia. III. Título.CDU: 621(043)
Dedico este trabalho à minha namorada Vanessa Alves Santana.
AGRADECIMENTOSAo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Escola deEngenharia da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), por permitir odesenvolvimento deste trabalho. O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenaçãode Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código deFinanciamento 001 e também por intermédio do programa BRAGECRIM - Iniciativa BrasilAlemanha para Pesquisa Colaborativa em Tecnologia de Manufatura (projeto 029/14).Ao meu orientador e professor Alexandre Mendes Abrão, por compartilhar tantoconhecimento e experiência e pela paciência, esforço e dedicação durante todo o trabalho.Aos professores Marcelo Araújo Câmara e Paulo César de Matos Rodrigues doDepartamento de Engenharia Mecânica da UFMG e aos colegas do Laboratório de Usinageme Automação, especialmente, Anderson Júnior dos Santos, Augusto Moura Martins, CarlosArtur Alevato Leal e Bruno Dorneles de Castro, pelo auxílio na operação das máquinas,realização dos ensaios e em diversas outras atividades.À professora Geralda Cristina Durães de Godoy do Departamento de EngenhariaMetalúrgica da UFMG por disponibilizar o Laboratório de Tribologia e Corrosão deMateriais.Aos professores Sandro da Costa Silva do Departamento de Engenharia Mecânicae Elaine Carballo Siqueira Corrêa do Departamento de Engenharia de Materiais do CentroFederal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG), por disponibilizarem oLaboratório de Materiais, Tribologia e Superfícies e o Laboratório de Tratamentos Térmicos,respectivamente, e pela orientação nas atividades lá desenvolvidas.Ao Centro de Microscopia da UFMG por fornecer o equipamento e o suporte dotécnico para os experimentos que envolveram microscopia eletrônica e ao técnico Marcelo daCruz Costa de Souza pela assistência técnica durante esses experimentos.Aos meus pais Sebastião Geraldo dos Santos e Janice Mendes Figueiredo dosSantos e ao meu irmão Caio Figueiredo dos Santos, pelo amor, paciência e apoio de sempre.À minha namorada Vanessa Alves Santana, pelo amor e paciência, por estarcomigo em todos os bons e maus momentos e pelo enorme apoio e incentivo sem o qual estetrabalho não seria possível.Meus sinceros agradecimentos.
SUMÁRIOLISTA DE FIGURAS . 7LISTA DE TABELAS . 11RESUMO . 131INTRODUÇÃO . 141.1Objetivo geral . 161.1.12Objetivos específicos . 16REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . 172.1Roleteamento . 182.1.12.2Mecânica do roleteamento . 19Integridade superficial . 212.2.1Acabamento superficial . 252.2.1.12.2.22.334Rugosidade . 25Camada subsuperficial. 322.2.2.1Deformação plástica . 332.2.2.2Alterações metalúrgicas . 392.2.2.3Variação de dureza . 43Fadiga e tensões residuais. 48METODOLOGIA. 533.1Materiais . 543.2Equipamentos . 573.3Métodos . 583.3.1Tratamento térmico . 583.3.2Usinagem dos corpos de prova . 593.3.3Ensaio de tração . 593.3.4Roleteamento . 603.3.5Medição da rugosidade superficial . 643.3.6Microdureza superficial . 653.3.7Análise metalográfica . 663.3.8Microdureza da camada subsuperficial . 68RESULTADOS E DISCUSSÃO . 704.1Ensaio de tração . 70
4.2Rugosidade superficial . 724.2.14.2.1.1Médias das ordenadas . 724.2.1.2Picos e vales. 794.2.24.3Parâmetros de amplitude . 72Parâmetros da curva da razão portante do perfil . 85Microdureza . 934.3.1Microdureza superficial . 934.3.2Perfil de microdureza abaixo da superfície . 974.4Análise microestrutural. 1064.4.1Influência dos parâmetros de roleteamento . 1075CONCLUSÕES . 1196SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS . 122ABSTRACT . 123REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . 124ANEXO A . 130A.1Análise química do aço ABNT 1020 . 130A.2Análise química do aço ABNT 1065 . 132A.3Análise química do aço ABNT 1080 . 134
LISTA DE FIGURASFIGURA 2.1 - Parâmetros de roleteamento, velocidade: (V), avanço (f) e força (F), e seusefeitos usuais sobre a microestrutura e os perfis de tensão residual e de dureza e sobre arugosidade superficial de aços. . 20FIGURA 2.2 - Princípio de funcionamento e componentes básicos de um sistema deroleteamento hidrostático. . 21FIGURA 2.3 - Aspectos da integridade superficial mais afetados por tratamentos mecânicossuperficiais. . 23FIGURA 2.4 - Efeito da pressão (P) e do número de passes (n) de roleteamento sobre aprofundidade máxima do vale do perfil (Rv), a altura máxima do pico do perfil (Rp) e a alturatotal do perfil (Rt). . 26FIGURA 2.5 - Efeito da pressão (P) e do avanço (f) de roleteamento sobre o desvio médioaritmético (Ra) da superfície roleteada após um torneamento prévio com ferramenta de raio deponta igual a 0,4 mm e avanço de corte de 0,08 mm/rev. . 27FIGURA 2.6 - Superfícies dos corpos de prova de UNS S32550 após a usinagem (a) e após oroleteamento com a força de 70 N (b) e 160 N (c). . 29FIGURA 2.7 - Superfícies de aço DIN 20Cr4 roleteadas a seco com força, avanço evelocidade iguais a 200 N, 0,04 mm/rev e 10 m/min, respectivamente, e com quatro passes (a)e oito passes (b). . 31FIGURA 2.8 - Superfícies de aço DIN 20Cr4 roleteadas a seco com um passe, avanço evelocidade iguais 0,04 mm/rev e 10 m/min, respectivamente, e forças de 400 N (a) e 600 N(b). . 31FIGURA 2.9 - Influência da velocidade e do número de passes (a) e da pressão (b) sobre odesvio médio aritmético (Ra) e a altura máxima do perfil (Rz) de superfícies de aço AISI1045 roleteadas. . 32FIGURA 2.10 - Efeito da pressão (P) e do número de passes (n) de roleteamento sobre amicroestrutura da camada subsuperficial de corpos de prova de aço AISI 1060 plenamenterecozidos. . 34FIGURA 2.11 - Microestrutura do aço AISI D3 após o torneamento (a) e após o roleteamentolubrificado (b) com velocidade de 1,5 m/s, profundidade de penetração de 0,5 mm, esfera de20 mm por 60 s. . 36
FIGURA 2.12 - Microestrutura da camada subsuperficial de amostras de aço AISI 1010 emtrês condições diferentes: não roleteada (a), roleteada com força de 500 N, velocidade de 70m/min e avanço de 0,18 mm/rev (b) e roleteada com força de 600 N e mesma velocidade eavanço (c). . 37FIGURA 2.13 - Microestrutura da camada subsuperficial de espécimes de aço AISI 1045 nascondições apenas fresado (a) e roleteado (b). . 38FIGURA 2.14 - Microestruturas da camada subsuperficial de um corpo de prova de aço AISI4140 apenas torneado (a) e de um roleteado com força de 750 N (b). . 39FIGURA 2.15 - Camada subsuperficial de amostras do aço DIN 20Cr4 após o torneamento(a) com velocidade e avanço iguais a 80 m/min e 0,06 mm/rev, respectivamente, e após oroleteamento (b) com quatro passes e força, avanço e velocidade iguais a 200 N, 0,04 mm/rev,10 m/min, respectivamente. . 42FIGURA 2.16 - Efeito da pressão (P) e do número de passes (n) de roleteamento sobre adureza superficial (a, b e c) e o perfil de microdureza subsuperficial (d, e e f) de corpos deprova de aço AISI 1060 submetidos à recozimento subcrítico, recozimento pleno eendurecimento por têmpera e revenimento, respectivamente. . 44FIGURA 2.17 - Efeito da força (a), do número de passes (b) e do avanço (c) de roleteamentosobre a dureza superficial de uma amostra de aço JIS-S38C. . 45FIGURA 2.18 - Dureza em diferentes profundidades da camada subsuperficial após otorneamento (a) e após o roleteamento com as pressões de 10 MPa (b) e 20 MPa (c). . 47FIGURA 2.19 - Processo de nucleação e propagação inicial de uma trinca superficial. . 49FIGURA 2.20 - Influência da tensão residual sobre a tensão resultante em um componentemecanicamente solicitado. . 52FIGURA 3.1 - Fluxograma do trabalho experimental. 54FIGURA 3.2 - Microestrutura inalterada dos aços ABNT 1020 (a), 1065 (b) e 1080 (c). 55FIGURA 3.3 - Microestrutura do aço ABNT 1080 em que verifica uma esferoidização parcialda perlita. . 57FIGURA 3.4 - Montagem para a realização dos ensaios de tração. . 60FIGURA 3.5 - Ferramenta empregada nos ensaios de roleteamento. . 61FIGURA 3.6 - Montagem da ferramenta de roleteamento e do seu sistema de pressurizaçãojunto ao torno CNC para realização dos ensaios de roleteamento dos corpos de prova. . 61FIGURA 3.7 - Desenhos dos corpos de prova de aço ABNT 1020 (a) e dos aços ABNT 1065e 1080 (b) com as regiões roleteadas indicadas pelas áreas hachuradas. . 62
FIGURA 3.8 - Perfilômetro e montagem utilizada para a medição de parâmetros derugosidade nos corpos de prova roleteados e apenas usinados. . 65FIGURA 3.9 - Medição da microdureza superficial dos corpos de prova roleteados e apenastorneados. . 65FIGURA 3.10 - Ilustração do corte realizado nos corpos de prova para a visualização dacamada subsuperficial roleteada. . 67FIGURA 3.11 - Medições realizadas na camada subsuperficial de um corpo de prova (a) eespaçamento mínimo entre a indentação e o contorno da superfície e entre indentaçõessegundo a norma ASTM E384-11:2011 (ASTM INTERNATIONAL, 2011) (b). . 69FIGURA 4.1 - Limites de escoamento e de resistência à tração (a) e coeficientes deencruamento (b) e de resistência (c) dos aços ABNT 1020, 1065 e 1080. . 71FIGURA 4.2 - Influência da pressão (a), velocidade (b), avanço (c) e número de passes (d) deroleteamento sobre o desvio médio quadrático (Rq) dos corpos de prova dos aços ABNT1020, 1065 e 1080. . 73FIGURA 4.3 - Influência da pressão (a), velocidade (b), avanço (c) e número de passes (d) deroleteamento sobre o desvio médio quadrático (Rq) dos corpos de prova dos aços ABNT1020, 1065 e 1080. . 74FIGURA 4.4 - Influência da pressão (a), velocidade (b), avanço (c) e número de passes (d) deroleteamento sobre a altura máxima do pico do perfil (Rp) e a profundidade máxima do valedo perfil (Rv) dos corpos de prova dos aços ABNT 1020, 1065 e 1080. . 80FIGURA 4.5 - Influência da pressão (a), velocidade (b), avanço (c) e número de passes (d) deroleteamento sobre a altura máxima do pico do perfil (Rp) e a profundidade máxima do valedo perfil (Rv) dos corpos de prova dos aços ABNT 1020, 1065 e 1080. . 81FIGURA 4.6 - Ilustração dos parâmetros profundidade do núcleo do perfil (Rk), altura de picoreduzida (Rpk) e profundidade de vale reduzida (Rvk) em uma curva de razão portante (MR)do perfil (curva de Abbott-Firestone). . 86FIGURA 4.7 - Influência da pressão (a), velocidade (b), avanço (c) e número de passes (d) deroleteamento sobre a profundidade do núcleo do perfil (Rk), a altura de pico reduzida (Rpk) ea profundidade de vale reduzida (Rvk) dos corpos de prova dos aços ABNT 1020, 1065 e1080. . 87FIGURA 4.8 - Influência da pressão (a), velocidade (b), avanço (c) e número de passes (d) deroleteamento sobre a profundidade do núcleo do perfil (Rk), a altura de pico reduzida (Rpk) ea profundidade de vale reduzida (Rvk) das superfícies dos corpos de prova dos aços ABNT1020, 1065 e 1080. . 88
FIGURA 4.9 - Influência da pressão (a), velocidade (b), avanço (c) e número de passes (d) deroleteamento sobre a microdureza da superfície dos corpos de prova dos aços ABNT 1020,1065 e 1080. . 94FIGURA 4.10 - Influência da pressão (a), velocidade (b), avanço (c) e número de passes (d)de roleteamento sobre o perfil de microdureza do aço ABNT 1020 após o roleteamento. . 98FIGURA 4.11 - Influência da pr
S237i Influência do teor de carbono sobre a integridade superficial de aços submetidos à operação de roleteamento [manuscrito] / Filipe Figueiredo dos Santos. – 2019. 135 f., enc.: il. Orientador: Alexandre Mendes Abrão. Dissertação (mestrado) U
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