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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Simulação multifísica do processo de têmpera acoplando as análises térmica, microestrutural e eletromagnética
Title Alternative: Multiphysics simulation of quenching process coupling electromagnetic, thermal and microstructural analysis
Author: de Paula, Pedro Augusto Lanza, 1991-
Advisor: Pavanello, Renato, 1959-
Abstract: Resumo: Componentes sujeitos a carregamentos cíclicos, tais como partes de um motor à combustão interna, são frequentemente submetidos ao processo de têmpera de modo a melhorar as propriedades mecânicas e prevenir falhas por fadiga e desgaste em serviço. É importante que tais componentes possuam uma camada superficial de alta dureza e com tensões residuais compressivas, aumentando assim a resistência à fadiga e ao desgaste, e um núcleo tenaz, com alta capacidade em absorver impactos. Neste trabalho, um método de simulação multifísica do processo de têmpera utilizando o Método dos Elementos Finitos é proposto. O método de simulação proposto inclui dois estágios: aquecimento e resfriamento. No primeiro, o componente mecânico, inicialmente a temperatura ambiente, é aquecido por indução eletromagnética, calculada utilizando as equações de Maxwell para o caso harmônico, até acima da temperatura de austenitização do aço. No segundo estágio, o componente é resfriado por imersão, considerando um modelo clássico de convecção e condução. A microestrutura resultante é calculada usando o modelo de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov e a regra da aditividade de Sheil, para as transformações com caráter difusional, enquanto a transformação martensítica é calculada utilizando a equação de Koistinen-Marburguer. A simulação leva em consideração a variação das propriedades mecânicas em função da temperatura e da microestrutura, enquanto as propriedades eletromagnéticas são funções da temperatura e da intensidade do campo magnético (permeabilidade magnética). Como resultado, a distribuição da microestrutura e o perfil de dureza pós-têmpera são estimados. A implementação é feita em linguagem APDL, usando como base as rotinas do programa ANSYS. É feita uma análise de influência dos parâmetros do processo sobre a espessura da camada endurecida e sobre a potência total absorvida. A metodologia foi aplicada em condições semelhantes às reais de um virabrequim fabricado pela ThyssenKrupp Metalúrgica Campo Limpo Ltda. O modelo foi validado a partir de resultados encontrados na literatura para partes do procedimento de simulação. A simulação integrada do processo, tal como mostrada neste trabalho, não foi encontrada em outras referências, tratando-se de uma contribuição inovadora

Abstract: Components subjected to cyclic loads, such as parts of internal combustion engine, are often submitted to quenching process in order to improve its mechanical properties and prevent the fatigue and wear fail in service. It is important that such components have a high hardness surface layer with compressive residual stress, thereby increasing the fatigue and wear resistance, and a tenacious core with high capacity to absorb impacts. In this work, a method of multiphysics simulation of quenching process using the finite element method is proposed. The proposed simulation method includes two stages: heating and cooling. At first, the mechanical component, initially at room temperature, is heated by electromagnetic induction, calculated using the Maxwell equations for the harmonic case, up to austenitizing temperature of steel. In the second stage, the component is cooled by immersion, whereas a classic model convection and conduction. The resulting microstructure is calculated using the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov model and the Sheil¿s Additivity Rule, for transformations with diffusive character, while the martensitic transformation is calculated using the Koistinen-Marburguer equation. The simulation takes into account the variation of mechanical properties as a function of temperature and microstructure, while the electromagnetic properties are functions of temperature and magnetic field strength (magnetic permeability). As result, the distribution of microstructure and post-quenching hardness profile are estimated. The implementation is done in APDL language, using as framework the routines of the ANSYS program. Analysis of the influence of process parameters on the thickness of the hardened layer and on the total input power is performed. The methodology was applied approaching real conditions of a crankshaft manufactured by ThyssenKrupp Metallurgical Campo Limpo Ltda. The model was validated from the results found in the literature for parts of the simulation procedure. The integrated process simulation, as shown in this work, was not found in other references, in the case of an innovative contribution
Subject: Indução magnética
Aquecimento
Aço - Tempera
Método dos elementos finitos
Microestrutura - Simulação por computador
Simulação multifísica
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: DE PAULA, Pedro Augusto Lanza. Simulação multifísica do processo de têmpera acoplando as análises térmica, microestrutural e eletromagnética. 2017. 1 recurso online (104 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/330992>. Acesso em: 3 set. 2018.
Date Issue: 2017
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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