spi.meca
Cindra Fonseca 
  
Juan Manuel Pardal 
  
Tatiane De 
  
Campos Chuvas 
  
Wallace Palmeira 
  
Anna Carla Reis 
  
Araujo 
  
Tatiane De 
  
Araujo Carla 
  
Das Comportamento 
  
Residuais Tensões 
  
N O Geradas 
  
Tornea- 
  
Torneamento De 
  
U M Aço 
  
Aisi H13 
  
Maria P Cindra Fonseca 
  
Tatiane De Campos Chuvas 
  
Wallace Palmeira Dos Reis 
  
Anna Carla Araujo 
  
V I Congresso 
  
Nacional De 
  
Engenharia Mecânica 
  
  
  
  
  
COMPORTAMENTO DAS TENSÕES RESIDUAIS GERADAS NO TORNEAMENTO DE UM AÇO AISI H13

Keywords: Residual Stresses, H13 steel, Turning machining, X-ray diffraction

niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d'enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

INTRODUÇÃO

Os aços ferramenta são complexas ligas metálicas, contendo quantidades relativamente grandes de tungstênio, molibdênio, vanádio, manganês, e/ou cromo, que tornam possíveis suportar as crescentes severidades de serviço presentes nos processos de conformação a quente, onde são amplamente usados [START_REF] Davis | Surface Engineering of Specialty Steels[END_REF]. Aços para trabalho a quente têm sido desenvolvidos para resistir às combinações de aquecimento, pressão, e abrasão associadas com puncionamento, cisalhamento, ou conformação de metais em altas temperaturas. Os aços do grupo H têm geralmente médios teores de carbono (0,35 a 0,45%) e são ligados ao cromo, tungstênio, molibdênio e vanádio em teores que variam de 5 a 25%. Eles são divididos em aços para trabalho a quente ao cromo, ao tungstênio e ao molibdênio.

O AISI H13 é um aço ferramenta para trabalho a quente ao cromo dos mais utilizados para fabricação de matrizes de fundição sob pressão e de forjamento. Ele possui alta tenacidade, boa resistência em altas temperaturas e elevada dureza, sendo assim usado para a fabricação de inúmeros tipos de ferramentas. Devido à sua extrema dureza e baixa condutividade térmica, quando usinado a altas velocidades de corte este aço pode ser suscetível a danos superficiais e desgaste acelerado em conseqüência das altas temperaturas e tensões do processo [START_REF] Umer | Análise da usinabilidade do aço H13 usando materiais avançados de ferramenta[END_REF].

As tensões residuais (TR) são tensões auto-equilibradas existentes nos materiais em condições de temperatura uniforme e sem carregamento externo (Macherauch & Kloos et al, 1987). Elas estão presentes em praticamente todas as peças rígidas, metálicas ou não e são o produto da história metalúrgica e mecânica de cada ponto da peça ou da peça como um todo, durante o processo de fabricação [START_REF] Fonseca | Evolução do Estado de Tensões Residuais em Juntas Soldadas de Tubulação durante Ciclos de Fadiga[END_REF]. As tensões residuais geradas pela usinagem de um determinado material dependem do material da peça usinada, do tipo e geometria da ferramenta e dos parâmetros de corte, tais como, velocidade, avanço e profundidade [START_REF] Referências Bibliográficas Capello | Residual stresses in turning Part I: Influence of process parameters[END_REF]. No torneamento, as tensões residuais são provenientes, basicamente, das deformações plásticas heterogêneas, tendo como origens as forças de corte que atuam sobre a peça, aquecimento não uniforme da peça pelo calor produzido na usinagem e a possíveis variações volumétricas devido às mudanças de fase do material [START_REF] Wyatt | A new technique for the determination of superficial residual stresses associated with machining and other manufacturing processes[END_REF][START_REF] Zeilmann | Caracterização da integridade de peças usinadas[END_REF]. A utilização de fluidos de corte tendem a minimizar as tensões residuais trativas resultantes, principalmente, dos efeitos térmicos na zona de corte.

O presente trabalho teve como objetivo o estudo das tensões residuais geradas no torneamento convencional de um aço H13, com diferentes velocidades de corte e o comportamento das tensões através da profundidade da camada atingida pelo torneamento.

MATERIAIS E MÉTODOS

No presente trabalho foi estudado um aço AISI H13, fabricado pela Gerdau -Aços Especiais Piratini, em forma de barra laminada redonda, sem acabamento, com 50,8mm de diâmetro e 304mm de comprimento. A composição química do material, fornecida pelo fabricante, está apresentada na Tab. (1).

Tabela 1. Composição química do aço AISI H13 (% em peso).

C

Mn Si P S Cr Mo V 0,39 0,36 1,01 0,017 0,005 5,06 1,20 0,87 O material foi fornecido na condição de temperado e revenido em altas temperaturas, com dureza de 528HV. Da barra redonda foram cortadas quatro amostras cilíndricas de 70mm de comprimento. Cada amostra foi numerada de 1 a 4, sendo que cada lado foi nomeado de A (lado com a face marcada) e B, Fig. ( 1), perfazendo 8 amostras no total. Cada amostra foi fixada para usinada em pontos definidos para evitar o mascaramento dos resultados pela compressao das castanhas.

As análises do material na condição como-recebido foram feitas por microscopia óptica utilizando um microscópio óptico da marca Zeiss, modelo Neophot 32. Na mesma condição foi realizado ensaio de dureza Vickers, através de um total de 12 indentações distribuidas pela superfície da amostra, com aplicação de carga de 30 kgf em superfície polida da amostra, durante 25 segundos. Considerando que os resultados das tensões residuais obtidos após a usinagem do material como-recebido foram muito discrepantes, foi realizado um tratamento térmico (TT) de normalização, em forno elétrico por resistência, a uma temperatura de 860ºC por 3 horas, seguido de resfriamento lento no forno. As amostras foram mergulhadas em carvão em pó, a fim de impedir a descarbonetação das superfícies tratadas. As tensões residuais foram medidas antes (material normalizado) e após a usinagem. Também foi realizado um perfil das tensões residuais de duas amostras, com velocidade de corte diferentes, afim de analisar o comportamento das tensões através da camada atingida pelo torneamento. 

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Metalografia Óptica

Na análise por microscopia do material na condição como-recebido foi observada uma microestrutura característica de martensita revenida em altas temperaturas, onde os pontos escuros são carbonetos precipitados, como mostrado na Fig. [START_REF]Análises de dureza e microscopia do material nas condições após TT de normalização e usinagem deverão complementar os resultados[END_REF]. Esta microestrutura assemelha-se bastante a aquela obtida por [START_REF] Neves | Caracterização Metalográfica de um Aço AISI H13 por meio de Metalografia Convencional e Contraste por Interferência Diferencial (DIC)[END_REF] para materiais que sofreram têmpera e foram submetidos a vários tratamentos de revenido (semelhante em alguns aspectos ao revenido em altas temperaturas). 4). Essa mudança na microestura do material já era esperada em virtude do tratamento térmico utilizado para homogeneizar as amostras.

Figura 4 -Microestrutura do aço analisado na condição normalizado.

Dureza

No ensaio de dureza Vickers, após 12 indentações, foi obtido um valor médio de dureza de 528 HV, o que aponta para um material temperado e revenido em altas temperaturas como também mostra a metalografia.

Após o tratamento de normalização um novo ensaio de dureza foi realizado com 6 indentações. O valor médio de dureza obtido foi de 209 HV que sugere uma mudança microestural para matriz ferrítica, como visto na metalografia.

Tensões Residuais

Na Tabela (2), são mostrados os valores das tensões residuais, medidos nas amostras de aço AISI H13, após o tratamento térmico de normalização e em seguida ao torneamento. No torneamento das amostras foram usadas diferentes velocidades de corte, enquanto que os demais parâmetros, ou seja velocidade de avanço e profundidade de corte foram mantidos constantes e com valores iguais a, respectivamente, ...... . Os valores das tensões residuais após a normalização, em ambas as direções, longitudinal e transversal, estão apresentados nas Fig. ( 5) e [START_REF] Referências Bibliográficas Capello | Residual stresses in turning Part I: Influence of process parameters[END_REF]. É possível depreender dos resultados mostrados na Tab. ( 2) e nas Fig. ( 5) e ( 6) que o tratamento térmico de normalização foi eficiente para a homogeneização das tensões residuais presentes na superfície das amostras, que apresentaram valores discrepantes nas medições realizadas no material como-recebido e após a usinagem, nas mesmas peças. Os gráficos das Fig. ( 7) e ( 8) mostram a variação das tensões residuais com a velocidade de corte no torneamento, em ambas as direções, longitudinal e transversal. As tensões longitudinais (na mesma direção do avanço da ferramenta de corte) apresentaram elevados valores em tração para todas as velocidades de corte utilizadas, sendo que as tensões de maiores magnitudes (cerca de 400MPa) foram obtidas em todas as amostras usinadas na condição de maior velocidade empregada (400m/min).

O comportamento das tensões residuais na direção transversal foi o oposto ao ocorrido na direção longitudinal, com relação ao aumento velocidade de corte: na condição de maior velocidade empregada (400m/min) as tensões residuais geradas foram as menores (cerca de 200MPa). Os elevados valores de tensões residuais trativas, obtidos em condições de torneamento em velocidades de corte mais altas, poderiam ser atribuídos ao efeito térmico, que é tão mais expressivo, quanto maiores são as velocidades empregadas. Entretanto, com o uso de fluidos de corte a quantidade de calor gerada na zona de corte é drasticamente diminuída e, assim sendo, não explicaria o aumento das tensões geradas. No trabalho realizado em fresamento de amostras de aço H13, [START_REF] Zeilmann | Caracterização da integridade de peças usinadas[END_REF] também obtiveram elevados valores de tensões residuais trativas, tanto na direção longitudinal, quanto na transversal, usando velocidades de corte similares às do presente trabalho.

Nas Figura (9) podemos observar a diferença do perfil das tensões residuais em profundidade entre as amostras amostras 3B e 4B. Na amostra 4B, com menor velocidade de corte (200m/min), a maior magnitude de compressão foi atingida em 50µm e permaneceu no estado compressivo por pelo menos 100µm de profundidade. Ao contrário, na amostra 3B, usinada em velocidade mais elevada (400 m/min), o pico de compressão é mais supercial (25µm) e o estado trativo é atingido novamente antes dos 100µm de profundidade. Esse fato pode ser caracterizado pelo menor tempo de contato da ferramenta de corte com a peça, pois em regimes de velocidade menores este contato é maior e deve redundar na introdução de tensões residuais compressivas.

Figura 9 -Perfil de profundidade das tensões residuais da amostras 3B e 4B.

Figura 1 -

 1 Figura 1 -Desenho esquemático das amostras estudadas. A usinagem das amostras foi realizada em um torno modelo Mascote MS 205 fabricado pela Nardini, com um inserto de metal duro de geometria rômbica para acabamento da Sandvik Coromant, modelo DCMT 11T304 PM 4225 e emulsão como fluido de corte na fração..... As tensões residuais foram medidas após a usinagem, por difração de raios-X, usando um equipamento portátil, pelo método da dupla exposição, Fig. (2), com radiação Crκα. As medidas foram feitas em duas direções, longitudinal (L) e transversal (T).Considerando que os resultados das tensões residuais obtidos após a usinagem do material como-recebido foram muito discrepantes, foi realizado um tratamento térmico (TT) de normalização, em forno elétrico por resistência, a uma temperatura de 860ºC por 3 horas, seguido de resfriamento lento no forno. As amostras foram mergulhadas em carvão em pó, a fim de impedir a descarbonetação das superfícies tratadas. As tensões residuais foram medidas antes (material normalizado) e após a usinagem. Também foi realizado um perfil das tensões residuais de duas amostras, com velocidade de corte diferentes, afim de analisar o comportamento das tensões através da camada atingida pelo torneamento.

Figura 2 -

 2 Figura 2 -Equipamento medidor portátil de tensões por difração de raios-X, composto de (1) unidade de controle de tensão e corrente; (2) tubo de raios-X com radiação CrKα; (3) colimador e (4) amostra analisada.

Figura 3 -

 3 Figura 3 -Microestrutura do aço analisado na condição como-recebido. Após a normalização foi observada uma microestura ferrítica com carbonetos precipitados, Fig. (4). Essa mudança na microestura do material já era esperada em virtude do tratamento térmico utilizado para homogeneizar as amostras.

Figura 5 -Figura 6 -

 56 Figura 5 -Tensões residuais longitudinais após normalização.

Figura 7 -

 7 Figura 7 -Tensões residuais longitudinais após torneamento.

  

  

Tabela 2. Valores de Tensão Residual antes e após usinagem.

  

	Amostra Amostra	Velocidade de Corte Vc (m/min) Velocidade de Corte Vc (m/min)	TR após TT de Normalização (MPa) TR após TT de Normalização (MPa)	TR após Torneamento inicial (MPa) TR após Torneamento inicial (MPa) Longitudinal Transversal Longitudinal Transversal TR após Torneamento (MPa) TR após Torneamento (MPa)
	2B	130	10	340	310	330	380
	4A	130	10	310	350	310	350
	2A	200	10	170	310	300	310
	4B	200	-10	350	270	350	270
	3A	260	-10	330	270	320	270
	1A	260	10	370	210	370	210
	3B	400	10	390	440	390	210
	1B	400	-10	380	180	380	200

V I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a , 1 8 a 2 1 d e A g o s t o 2 0 1 0 , C a m p i n a G r a n d e -P a r a í b a

BEHAVIOR OF RESIDUAL STRESS AFTER TURNING MACHINING OF A AISI H13 STEEL

Maria P. Cindra Fonseca 

Abstract:

The control of residual stresses generated by manufacturing processes is an important knowledge, as the tool life of the components can be severely affected depending on the nature and magnitude of internal stresses remained. Tensile residual stresses on the surface of a component are generally undesirable, because they can contribute to fatigue failure. This paper presents a study on residual stress after turning AISI H13 on different cutting speeds.. In the experiments, the residual stresses have been measured using the X-ray diffraction technique by the double exposure method. All machined pieces presented induced residual stress is tensile in both directions: transverse and longitudinal, this one with higher levels. Vickers hardness and light optical microscopy were made for characterization of material.