Estudo experimental e numérico sobre o roleteamento do aço ABNT 4140 endurecido

dc.creatorAugusto Moura Martins
dc.date.accessioned2024-01-12T19:02:56Z
dc.date.accessioned2025-09-09T00:39:03Z
dc.date.available2024-01-12T19:02:56Z
dc.date.issued2023-11-30
dc.description.abstractDeep rolling is a mechanical surface treatment capable of reducing roughness, increasing hardness and inducing compressive residual stresses on the workpiece surface, thus increasing the mechanical fatigue life of the component. This behavior is only achieved with use of a suitable combination of parameters, that is usually obtained by experimental analysis, procedure that can be expensive and time consuming, given that they depend on performing new tests for each value of the input parameters. In this case the use of finite element analysis is interesting because the cost to select suitable parameters can be reduced. The present study investigates the influence of the roughness promoted by turning and of the parameters employed in the subsequent deep rolling operation on roughness, surface topography, surface microstructure and microhardness, fatigue life, and fatigue fracture of hardened AISI 4140 steel (41 HRC). The samples were initially turned obtaining different surface roughness values. Afterwards, the samples were deep rolled using distinct feed and pressure values. Numerical simulation by finite elements considered a condition close to the actual deep rolling of small diameter cylindrical workpieces, using a deep rolling tool with multiple rolling elements, situation that has not been previously found in the literature. Deep rolling was able to reduce the roughness for all tested conditions, being observed an interaction between deep rolling feed and pressure, as the behavior changed depending on the selected values. Areal power spectral density analysis (APSD) was capable of indicating the incapacity of the lower pressure value to mitigate the effects of the turning parameter on the surface, in addition to the capacity of the higher deep rolling parameter values to generate a new surface pattern, that was also identified by morphology. Deep rolling was capable of increasing microhardness and of promoting a surface deformation. Fatigue life increased after deep rolling, and the samples with highest surface roughness after turning were able to achieve longer mechanical fatigue lives after deep rolling. Fatigue fracture was also affected, reducing the number of nucleation regions on the deep rolled samples. Numerical simulation evaluated the influence of deep rolling parameters, indicating larger plastic strains and compressive residual stresses for higher deep rolling pressures and more uniform residual stresses for lower deep rolling feeds.
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/62742
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.subjectEngenharia mecânica
dc.subjectSiderurgia
dc.subjectAço - Indústria
dc.subjectCilindros
dc.subjectResistência de materiais
dc.subjectAço - Propriedades mecânicas
dc.subjectAço - Ductilidade
dc.subjectAço - Fadiga
dc.subject.otherTorneamento
dc.subject.otherRoleteamento
dc.subject.otherQualidade superficial
dc.subject.otherRugosidade
dc.subject.otherVida em fadiga
dc.subject.otherAço ABNT 4140
dc.subject.otherElementos finitos
dc.titleEstudo experimental e numérico sobre o roleteamento do aço ABNT 4140 endurecido
dc.typeTese de doutorado
local.contributor.advisor-co1Frederico de Castro Magalhães
local.contributor.advisor1Alexandre Mendes Abrão
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4498255089432603
local.contributor.referee1Paulo Cesar de Matos Rodrigues
local.contributor.referee1Roberto Braga Figueiredo
local.contributor.referee1Sara Silva Ferreira de Dafé
local.contributor.referee1Carlos Eiji Hirata Ventura
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/4288075104468906
local.description.resumoO roleteamento é um tratamento mecânico superficial capaz de diminuir a rugosidade, aumentar a dureza e induzir tensões residuais compressivas na superfície da peça, ampliando a resistência do componente à fadiga mecânica. Esse comportamento somente é alcançado com a utilização de uma combinação adequada dos parâmetros, normalmente obtida por meio de análises experimentais, procedimento que pode ser de custo elevado já que depende da realização de novos experimentos para cada valor dos parâmetros de entrada. Neste caso, a utilização de uma análise por elementos finitos se faz interessante porque pode reduzir o custo para a definição de parâmetros apropriados. Neste trabalho foi avaliada a influência da rugosidade após torneamento e dos parâmetros do roleteamento subsequente sobre a rugosidade final, topografia, microestrutura e microdureza superficial, vida em fadiga e fratura por fadiga do aço ABNT 4140 endurecido (41 HRC). Inicialmente os corpos de prova foram torneados obtendo-se diferentes rugosidades. Em seguida, o material foi roleteado, variando-se os valores de pressão e avanço de roleteamento. A simulação por elementos finitos foi realizada considerando uma condição próxima ao processo real de roleteamento de peças cilíndricas de pequeno diâmetro, utilizando ferramenta de roletear com mais de um elemento rolante, situação que ainda não havia sido abordada na literatura. O roleteamento foi capaz de reduzir a amplitude dos parâmetros de rugosidade para todas as situações. Além disso, foi observada para a rugosidade uma interação entre o avanço e pressão de roleteamento, indicando comportamentos diferentes dependendo dos níveis utilizados. A análise de densidade espectral de potência de área (APSD) foi capaz indicar a incapacidade do valor inferior de pressão de mitigar os efeitos do torneamento na topografia, além da capacidade dos valores superiores dos parâmetros de roleteamento em gerar um novo padrão na superfície, que também foi identificado pela morfologia. O roleteamento foi capaz de aumentar a microdureza e promover uma deformação na microestrutura superficial. A vida em fadiga foi ampliada pelo roleteamento, promovendo número de ciclos mais elevados para as amostras com rugosidade mais elevada após o torneamento. A fratura por fadiga também foi afetada, com menor número de regiões de nucleação nas amostras roleteadas. Com a simulação numérica foi avaliada a influência dos parâmetros de roleteamento. Notou-se deformações plásticas e tensões residuais compressivas mais intensas para pressões superiores e tensões residuais mais uniformes para menores avanços de roleteamento.
local.identifier.orcidhttps://orcid.org/0000-0003-1456-087X
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica

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