PROJETO BRAGECRIM Nº 001/09 Bolsista: Juliana Dagnese

FUNDAÇÃO COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR
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RELATÓRIO FINAL DE ESTÁGIO DE MESTRADO NO EXTERIOR
PROJETO BRAGECRIM Nº 001/09
Período: 03/03/2010 à 02/09/2010
Bolsista: Juliana Dagnese
METODOLOGIA DE LEVANTAMENTO E MODELO NUMÉRICO
DE CURVAS DE ESCOAMENTO DE AÇOS MÉDIO CARBONO
Projeto de Dissertação para obtenção do Título de Mestre em Engenharia
Área de Concentração: Processos de Fabricação
Orientador: Prof. Dr. Alexandre da Silva Rocha, PPGEM - UFRGS
Co-orientador: Priv–Doz. Dr. Ing. Habil. Thomas K. Hirsch, Stiffung Institut für
Werkstofftechnik–IWT–Universidade de Bremen, Alemanha.
Programa de Pós Graduação em Engenharia de
Minas, Metalúrgica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Porto Alegre
Outubro/2010
Introdução
O presente documento apresenta um relato sobre a experiência internacional, bem
como sobre as atividades do estágio de mestrado sanduíche da bolsista Juliana
Dagnese, no âmbito do Programa BRAGECRIM, realizado no Stiftung Institut für
Werkstofftechnik (IWT) em Bremen, Alemanha, no período de 03/03/2010 a
02/09/2010. O estágio teve papel essencial na realização das atividades relacionadas
com o Projeto BRAGECRIM 001/09 bem como nas atividades necessárias para o
desenvolvimento de dissertação de mestrado da aluna, cujo título provisório é
Metodologia de Levantamento e Modelo Numérico de Curvas de Escoamento de Aços
Médio Carbono. Durante as atividades no IWT, a aluna esteve sob co-orientação do
Priv.-Doz. Dr.-Ing. Thomas Hirsch, pesquisador do IWT e professor na Universidade
de Bremen e parceiro deste projeto.
Objetivos
O principal objetivo do presente documento é apresentar um parecer sobre o período
de permanência no exterior, com avaliação sobre a adaptação à cultura, qualidade do
laboratório e acesso à infra-estrutura da universidade de estudos ou centro de
pesquisa onde foi realizado o estágio, bem como uma breve descrição das atividades
realizadas pelo bolsista.
Avaliação
Infra-estrutura do Centro de Pesquisa
O estágio foi realizado no Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) em Bremen,
Alemanha. O IWT é um instituto de pesquisa referência em Ciência dos Materiais,
Engenharia de Processos e Tecnologia de Manufatura. O IWT possui estrutura,
tecnologia e equipamentos adequados para a caracterização e ensaios mecânicos de
materiais metálicos, tais como: difratômetros de raios-X, espectrômetros de emissão
ótica, microscópio eletrônico de varredura, máquinas servo-hidráulicas,
instrumentação para medição de tensões e deformações, dentre outros.
Abaixo segue listagem de equipamentos:
• Fornos a vácuo para tratamento térmico;
• Equipamento para tratamento térmico convencional com controle de atmosfera;
• Instrumentação para medições de dureza;
• Máquina de medição dimensional por três coordenadas de alta precisão;
• Dilatômetro diferencial com possibilidade de aplicação de deformação;
• Máquina servo-hidráulica para ensaio de tração em altas velocidades e ensaio de
compressão com aquecimento do corpo de prova por condução; (Gleeble).
• Análise química por via úmida;
• Espectrômetro de absorção atômica;
• Espectrômetro de fluorescência de raios-X (XPS);
• Espectrômetro Auger (AES);
• Nanoidentador;
• Máquinas servo-hidráulicas e mecânicas para ensaio de fadiga;
• Instrumentação para medição de tensões e deformações;
• Difratômetros de raios-x para análise de tensões residuais;
• Goniômetro de textura;
• Difratômetro móvel para a análise de tensões residuais em grande componentes;
• Espectrômetro de emissão ótica (S-OES) para análise de composição química;
• Espectrômetro de emissão óptica em descarga incandescente (GDOES);
• Laboratório equipado para preparação de amostras para metalografia;
• Microscópios óticos (campo escuro, polarização, contraste de fase) com análise
quantitativa e digital;
• Microscópio eletrônico de varredura (MEV) com a possibilidade de análise elementar
qualitativa e quantitativa (EDX, WDX),
• Microscópio eletrônico de transmissão (MET),
• Instrumentação para análise de topografia de superfície;
• Laboratório com equipamentos para micro e macroimagem com armazenamento
digital.
Adaptação
O Professor orientador estrangeiro exerceu papel fundamental para que a adaptação
do bolsista fosse possível, já que este não é familiarizado com os costumes do local
de destino. Sua freqüente orientação e ajuda que iniciaram até mesmo anterior à
chegada do bolsista no exterior através do auxílio na busca de uma moradia, evitou
com que o bolsista se deparasse com eventuais dificuldades. O esclarecimento sobre
atividades rotineiras, transporte, localização de pontos-chave, apresentação de
documentos mandatórios, visto, etc., foi suportado pelo orientador estrangeiro. Diante
desta experiência, o bolsista destaca a importância da cooperação internacional não
somente como compartilhamento de experiências tecnológicas, mas também culturais.
A adaptação no centro de pesquisa também foi suportada, no início, pelo orientador
estrangeiro, que introduziu o bolsista ao grupo. No decorrer do período o grupo
também assumiu o papel de orientador e esclarecedor de procedimentos e acessos do
centro de pesquisa. A colaboração e auxílio em diversas questões por parte dos
demais pesquisadores presentes no grupo também podem ser destacados como
essenciais para o sucesso do processo de adaptação do bolsista.
Dificuldades
A principal dificuldade que deve ser destacada está relacionada com a obtenção do
visto de estudante, obrigação esta, prevista como de inteira responsabilidade do
bolsista segundo orientação CNPq. Na presente situação, a obtenção do visto de
estudante pelo bolsista só foi possível estando este sob condição de “aluno
matriculado” na instituição de destino (Universidade de Bremen), condição esta que só
pode ser alcançada através com a insistente intervenção do orientador estrangeiro no
processo para que o bolsista brasileiro fosse aceito como aluno da instituição sem um
documento oficial. Após a carta de aceitação enviada pela Universidade, foi
necessário pagamento da taxa de matrícula por parte do bolsista (quantia de duzentos
euros).
Um documento oficial, fornecido pela DFG, esclarecendo a situação do bolsista dentro
de um projeto de cooperação internacional, neste caso o BRAGECRIM, apresenta-se
como uma alternativa viável para amenizar esta dificuldade.
Atividades no exterior
As atividades previstas no plano de dissertação, documento enviado à Capes para
aprovação da missão de estudos englobaram:
1. Treinamento com o professor Thomas Hirsch sobre análise de materiais por
difração de raios-X, além instruções sobre proteção radiológica;
2. Análise de tensões residuais em seleção de barras adequadas pelo método de
difração de raios-X.
3. Análise química.
4. Análise metalográfica.
5. Caracterização da microestrutura do material e distribuição local dos elementos
e caracterização de segregações.
6. Estudo macroestrutural do material e também investigações detalhadas da
microestrutura do material, englobando toda rota de fabricação do material,
desde a matéria-prima até o produto final.
7. Análise e comparação dos dados experimentais dos materiais com os
encontrados na literatura e ajuste das curvas de escoamento experimentais
com diferentes equações (modelos numéricos).
Todas as atividades previstas foram realizadas, conforme resultados descritos abaixo:
Atividades 1 e 2: Treinamento com o professor Thomas Hirsch sobre análise de
materiais por difração de raios-X, além instruções sobre proteção radiológica e análise
de tensões residuais em seleção de barras adequadas pelo método de difração de
raios-X.
O treinamento sobre análise de materiais por difração de raios-X e segurança e
proteção radiológica é obrigatório para o acesso e utilização dos equipamentos de
difração de raios-X que integram a infra-estrutura do instituto de pesquisa IWT (Na
figura 1 é possível visualizar um destes equipamentos durante a análise de uma das
amostras do projeto). Este treinamento faz parte das regras internas do laboratório e
inclusive é documentado e registrado para fins de auditoria por parte de órgãos
alemães responsáveis.
Após o treinamento, o bolsista tornou-se apto a realizar as análises de tensões
residuais pelo método de difração de raios-X. A figura 2 apresenta um gráfico que
representa o perfil de tensões residuais ao longo da superfície de uma barra, material
o qual é o alvo de estudos do projeto. Da mesma maneira, foram realizadas diversas
análises em uma seleção adequada de barras, cujos resultados integrarão o relatório
parcial do projeto, além de demais publicações.
Figure 1. Equipamento de difração de raios-X integrante da infra-estrutura do instituto de pesquisa
IWT.
TREFILADA 15°- OP292
400
300
Ressidual Stress [MPa]
200
Line 0°
Line
180°
Line
135°
100
Line 45°
Line 90°
0
-100
0
10
20
30
40
50
-200
Distance [mm]
Figure 2. Perfil de distribuição de tensões residuais ao longo da superfície de uma barra trefilada
de aço AISI 1045.
Atividades 3: Análise química das amostras por OES.
Conforme previsto, a composição química elementar por espectroscopia de emissão
ótica (OES) foi realizada para quatro lotes de amostra, conforme tabela 1. Pode-se
avaliar que aa quantidades de carbon (entre 0.43 e 0.44), silício e manganês estão de
acordo com as normas americana (AISI) e alemã (DIN).
Table 1. Composição química elementar para quatro diferentes lotes de amostra.
Batch
A
B
C
D
C
0,434
0,443
0,438
0,443
Si
0,237
0,232
0,229
0,246
Atividades 4, 5 e 6:
Mn
0,789
0,662
0,758
0,676
P
0,024
0,027
0,025
0,020
Cr
0,126
0,086
0,145
0,088
Ni
0,0762
0,0546
0,112
0,105
Mo
0,0289
0,0147
0,0279
0,0194
Cu
0,093
0,078
0,173
0,117
Análise metalográfica, caracterização da microestrutura do
material e distribuição local dos elementos e caracterização de segregações, estudo
macroestrutural do material e também investigações detalhadas da microestrutura do
material, englobando toda rota de fabricação do material, desde a matéria-prima até o
produto final.
Foram realizadas análises metalográficas da microestrutura da seção longitudinal e
axial em barras de quatro diferentes lotes. As imagens da figura 3 são representativas
da seção axial das barras em aumento de 500 x. A microestrutura observada consiste
em perlita e ferrita, típico para aços médio carbono.
a)
b)
c)
d)
Figure 3. Microestrutura da seção axial das barras: perlita e ferrita. a) Lote A; b) Lote B; c) Lote
C; d) Lote D.
O programa de análise de imagem QWinPro V3.2.1 foi utilizado para medir o tamanho
de grão ferrítico por método conforme norma DIN EN ISO 643 (ASTM E 1382).
Na figura 4 e 5 é possível visualizar uma análise quantitativa da distribuição de
tamanho de grão longitudinal e
radial (axial), respectivamente, para cada lote. A
análise quantitativa revela miscroestrutura de tamanho de grão fino, totalmente de
acordo com o processo.
O programa também foi utilizado para determinar a porcentagem de fases ferrita e
perlita nas imagens representativas das amostras (tabela 2.)
35
30
25
20
Lote
Seção da
peça
Fração
volumétrica de
ferrita
A
axial
0.471
B
axial
0.515
C
axial
0.458
D
axial
0.497
Lote A - Longitudinal
15
10
5
0
Anzahl
Körner
Número der
de grãos
(%) (%)
Anzahl
Körner
Número der
de grãos
(%) (%)
Table 2. Fração volumétrica de ferrita para os quatro lotes de amostra.
35
30
25
20
15
10
5
0
Lote C - Longitudinal
-7
-4
-1
2
5
8
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17
Tamanho
de grão GG(ASTM/
Korngröße
(DIN)DIN)
Anzahl
Körner
Número der
de grãos
(%) (%)
Número der
de grãos
(%) (%)
Anzahl
Körner
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17
Korngröße
(DIN) DIN)
Tamanho
de grão GG(ASTM/
35
30
25
20
15
10
5
0
Lote B - Longitudinal
35
30
25
20
Lote D - Longitudinal
15
10
5
0
11 14 17
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17
Tamanho
de grão GG(ASTM/
Korngröße
(DIN) DIN)
Korngröße
(DIN)DIN)
Tamanho
de grão GG(ASTM/
35
30
25
20
Lote A - Radial
15
10
5
0
Anzahl
Körner
Número der
de grãos
(%) (%)
Anzahl
Körner
Número der
de grãos
(%) (%)
Figure 4. Análise quantitativa e distribuição de tamanho de grão longitudinal.
35
30
25
20
15
10
5
0
Lote C - Radial
15
10
5
0
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17
Tamanho
de grão G
Korngröße
G(ASTM/
(DIN) DIN)
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17
Korngröße
(DIN)DIN)
Tamanho
de grão GG(ASTM/
Anzahl
Körner
Númeroder
de grãos
(%) (%)
Anzahl
Körner
Númeroder
de grãos
(%)(%)
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17
Tamanho
de grão GG(ASTM/
Korngröße
(DIN) DIN)
35
30
25
20
Lote B - Radial
35
30
25
20
Lote D - Radial
15
10
5
0
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17
Tamanho
de grão GG(ASTM/
Korngröße
(DIN)DIN)
Figure 5. Análise quantitativa e distribuição de tamanho de grão radial.
A segregação e a distribuição química local de elementos podem ser descrita por
análise por micro sonda. A figura 6 contém dois exemplos, para a seção longitudinal
dos lotes A e B, ao longo dos 25 mm de diâmetro da barra.
Figure 6. Descrição quantitativa de por análise por micro sonda (feixe C-Ka 20 µm a 15 KV,
1000x100 pontos).
Atividades 7: Análise e comparação dos dados experimentais dos materiais com os
encontrados na literatura e ajuste das curvas de escoamento experimentais com
diferentes equações (modelos numéricos).
Foram realizados ensaios de tração (Figura 7) para os quatro lotes de amostra e assim
as curvas tensão verdadeira versus deformação verdadeira foram construídas. A curva
tensão versus deformação em carregamento uniaxial, obtida por um tradicional teste
de tração, é de fundamental interesse na plasticidade quando esta é plotada em
termos de tensão σ e deformação verdadeira ε. A partir da curva de tensão versus
deformação verdadeira é obtida a curva de escoamento, e esta representa as
características básicas do comportamento plástico do material. O comprimento útil do
corpo de prova de tração foi de 20mm e diâmetro de 5 mm. A velocidade dos testes foi
de 10-04 s-1.
Na figura 8 estão representadas as curvas de escoamento modeladas através dos
ensaios de tração realizados no instituto de pesquisa. As curvas de escoamento de
muitos metais para a região de deformação plástica uniforme pode ser expressa pela
expressão matemática conhecida como equação de Ludwig-Hollomon:
Onde n é o expoente de encruamento, K é o coeficiente de resistência e ε é a
deformação verdadeira.
Figure 7. Ensaios de tensão versus deformação para os quatro lotes de amostra.
900
σ = 1413,6315 • φ^0,2675
800
True Stress (MPa)
700
600
500
400
300
200
100
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
True Strain
Figure 8. Curvas de escoamento pela equação Ludwig-Hollomon e equação para curva média.
O comportamento da curva e valores, tais como escoamento inicial, alongamento, e
tensão máxima dependem:
•
Composição
•
Tratamento térmico e condições
•
Pré-deformações plásticas
•
Taxa de deformação do teste
•
Temperatura
A comparação dos dados experimentais com os dados da literatura realizada durante
o estágio no exterior pode ser visualizado na figura 9, na qual diversas curvas de
escoamento de materiais de composição similar ao aço AISI 1045 estão plotadas,
além da experimental.
Figure 9. Comparação entre curva de escoamento para o material AISI 1045. Literatura versus
experimental.
Atividades Extra:
Além das atividades previamente previstas no cronograma, o bolsista teve a
oportunidade de participar e auxiliar na análise de tensões residuais por difração de
nêutrons. A atividade foi realizada durante o período de 05/05/2010 à 16/05/2010, no
centro de pesquisa de materiais e energia Helmholtz Zentrum, em Berlin.
Material e Amostras
É válido observar que todo o material utilizado nos ensaios, barras trefiladas de aço
AISI 1045, foi enviado pela UFRGS para o instituto IWT e todas as amostras e corpos
de provas utilizados para os ensaios realizados no IWT foram lá confeccionados.
Conclusão
O estágio de mestrado no exterior, realizado pela bolsista Juliana Dagnese no período
de 03 de março de 2010 à 02 de setembro do mesmo ano, teve seu objetivo cumprido
com sucesso. A adaptação da bolsista no exterior aconteceu e o apoio e auxilio do
professor orientador estrangeiro foi essencial para o seu sucesso, assim como para o
sucesso cumprimento do cronograma de atividades previstas, que também foi
alcançado. Os resultados científicos esperados foram alcançados e irão contribuir de
forma imensurável para a dissertação de mestrado da bolsista, assim como para o
projeto BRAGECRIM 001/09. Além disso, os recursos fornecidos pela Capes no
exterior também foram cumpridos conforme previsto.
Bibliografia de referência
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residual stress and deformation of steel, ASM International, Ohio, 2002, p141.
2. Dieter, G. E.; Kuhn H. A.; Handbook of Workability and Process Design, ASM
International, Parks Ohio 2003. p280.
3. Nastran, M.; Kuzman, K., Stabilization of Mechanical Properties of the Wire by
Straightening. Journal of Materials Processing Technology, p.202-206, 1999.
4. Metz M., Estudo Das Tensões Residuais Originadas no Processo de Trefilação
Combinada do Aço SAE 1048. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal
do Rio Grande do Sul. Escola de Engenharia. Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Minas, Metalúrgica e de Materiais, Porto Alegre, BR-RS, 2007.
p58. Advisor: Alexandre da Silva Rocha.
5.
M Dietenberger, M Buyuk, C Kan - 4th German LS-DYNA Forum, Bamberg,
Germany, 2005.
6. Dieter, G.E.,Mechanical Metallurgy, 2nd ed. McGraw-Hill, New York, 1976.
7. William D. Callister, Jr., Material Science and Engineering – An Introduction, 7th
edition, John Wiley & Sons, Inc., 2007.
8. ASTM E 1382 – 97, Standard Test Methods for Determining Average Grain
Size Using Semiautomatic and Automatic Image Analysis. American Society for
Testing and Materials.
9. ASTM E 8 – 04. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic
Materials. American Society for Testing and Materials.