As vantagens da utilização das simulações baseadas no MEF se devem aos elevados custos e dificuldades técnicas envolvidas nos tratamentos térmicos.

Os tratamentos térmicos demandam mão de obra qualificada para operação, grandes quantidades de energia para aquecimento, utilização de matéria prima e uma grande quantidade de horas de trabalho o que em conjunto elevam o custo do processo.

Esses custos são ainda mais elevados todavia que seja necessária a implementação de um novo processo, peça ou para a solução de um problema.

As simulações computacionais diminuem os custos à medida que diminuem a quantidade de “tryouts” necessários para definição do novo processo ou solução do problema.

Vale ressaltar que a simulação computacional não é uma substituta definitiva do “tryout”, mas atua efetivamente nas tomadas de decisão.

A qualidade dos resultados obtidos a partir das simulações computacionais está diretamente relacionada a representatividade do comportamento do material inserido no software.

Para as simulações de tratamentos térmicos são necessárias as propriedades termo físicas e os comportamentos mecânicos de cada uma das fases presentes em função da temperatura. Além, das constantes das equações cinéticas utilizadas para descrição das transformações de fase.

Essas propriedades são muito escassas na literatura e de difícil obtenção experimental além de serem influenciadas pela composição química da matéria prima.

No caso da utilização do software DEFORM para simulações de conformação massiva ou de tratamento pode-se utilizar o software JMatPro para o cálculo dessas propriedades.

Como exemplo, demonstra-se a simulação de um processo de tratamento térmico utilizando o JMatPro e o DEFORM, apresentando-se os resultados de simulações de têmpera superficial por indução de um eixo. O objetivo das simulações foi prever o problema encontrado e propor uma solução.

Processo de têmpera:

A saber, o processo de têmpera superficial por indução consiste na utilização de bobinas indutoras para gerar um aquecimento da superfície do material até uma temperatura suficiente para a formação de austenita, seguido pelo resfriamento com jatos para obter a formação de martensita.

O processo de têmpera superficial por indução do eixo. O indutor utilizado no processo e a região onde ocorre o resfriamento, estão demonstrados graficamente. Além, da fração volumétrica de martensita.

É possível perceber a previsão da não formação da camada de martensita nas regiões indicadas através da seta preta cheia como também é comumente observado em processos industriais reais.

Para a solução do problema, foram modificadas a velocidade de movimentação da bobina, a frequência da corrente e a potência elétrica, sempre considerando a tempo de duração do processo.

Após algumas iterações, utilizando-se dos resultados obtidos em cada simulação, foi possível a obtenção de uma camada de martensita homogênea. Observe na Figura 2.

A partir das previsões observadas, fica evidente que a simulação computacional foi uma importante ferramenta na previsão e resolução do problema encontrado. No caso de tratamentos térmicos, as simulações computacionais via Método dos Elementos finitos desempenham papel fundamental na redução de custos e na garantia de qualidade dos produtos tratados. Nesse sentido, fica cada vez mais claro que para a indústria, a simulação computacional deve ser vista como um investimento e não como um gasto.

Nome do autor: Eng. Pedro Stemler

Assistente Técnico da SIXPRO Virtual&Practical Process, empresa especializada em simulação computacional. Mestrando em Metalurgia Física e graduado em Engenharia Metalúrgica pela UFMG.

Nome do autor: Dr. Alisson Duarte

Consultor Técnico da SIXPRO Virtual&Practical Process, empresa especializada em simulação computacional. Professor do Dep. de Eng. de Materiais da UFMG e do Dep. de Eng. Metalúrgica da PUC. Possui Pós-Doutorado em Metalurgia da Transformação.

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Nesta coluna eu busco mostrar como a simulação computacional pode ser utilizada para se definir uma solução viável na eliminação de defeitos de têmpera.

Frente a uma peça cilíndrica, aplicada à perfuração de solos, com histórico de trincas ocorridas após o processo de têmpera em água, elaborou-se um modelo computacional capaz de simular a têmpera (Fig.1). Foram utilizados os softwares JMatPro®, na previsão do material, e o DEFORMTM, na previsão do processo de tratamento térmico.

As simulações permitiram entender a ocorrência das fraturas neste processo, levando em consideração uma análise conjunta do efeito das microestruturas obtidas e, como consequência, o surgimento de tensões trativas devido à formação superficial de martensita, microconstituinte frágil, e de bainita ao centro, microconstituinte relativamente mais tenaz.

Uma vez compreendido que as máximas tensões principais podem ser correlacionadas com a ocorrência de trincas em um material martensítico, proveniente da têmpera em água, testou-se virtualmente diferentes meios de resfriamento e até mesmo a combinação desses meios de resfriamento. A água e o óleo foram escolhidos para demonstrar esses testes.

Inicialmente, para a representação do modelo que apresentava fratura, simulou-se o processo de têmpera em água. Observou-se elevadas tensões máximas principais nos pontos P1 e P2, sendo essas correlacionadas com a ocorrência das trincas.

Assim, prosseguiu-se com novas simulações considerando-se o resfriamento em óleo, o qual reduziu significativamente a máxima tensão principal, chegando a torná-la compressiva, ou seja, eliminando a ocorrência de trincas. Entretanto, obteve-se uma quantidade de martensita abaixo da especificação, o que invalidou o uso do óleo como meio de têmpera.

Buscando-se reduzir as máximas tensões principais, e assim o risco de trincas, mas ao mesmo tempo garantir uma fração martensítica aceitável na superfície da peça, implementou-se um resfriamento combinado de meios de têmpera. A peça foi mergulhada primeiro em óleo e depois em água, conforme tempos previamente definidos.

Como pode ser visto na Fig. 2, o meio de resfriamento combinado reduziu em aproximadamente 60% a máxima tensão principal no ponto P1. Isso representa uma sensível tendência à eliminação da ocorrência de trincas. A Fig. 3 mostra que a quantidade de martensita se manteve relativamente alta para o meio de resfriamento combinado, atendendo às especificações de produto.

Outras alternativas, além da modificação do meio de têmpera, podem ser empregadas, dependendo de cada caso, especialmente em abordagens de peças complexas. Modificações nas geometrias, no material, nos parâmetros de forno, nos processos anteriores, nos tipos de dispositivos, nas formas de carregamentos e outros podem também vir a ser soluções. Todas essas alternativas devem sempre ser simuladas, visando um menor tempo de desenvolvimento e uma redução nos custos de tryout.

Nome da autora: Mariana Medeiros

Departamento Comercial da Sixpro Virtual&Practical Process, empresa especializada em simulação computacional.  Engenheira Metalurgista pela PUC-MG.

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Enfim, qual seria então a proposta do MEF, o Método dos Elementos Finitos? Basicamente, entende-se que é muito mais simples calcular esforços e repostas em geometrias básicas, como um quadrado ou um triângulo, para modelos bidimensionais (2D), ou um cubo ou tetraedro, para modelos tridimensionais (3D), do que em geometrias grandes e complexas, como uma biela forjada, por exemplo. Construindo uma linha de raciocínio que nos permita compreender a aplicação do método, é possível aceitar que uma geometria, seja ela bidimensional ou tridimensional, possa ser representada por pontos. Isso mesmo. Vários pontos distribuídos em um espaço e que, em conjunto, representam a área ou o volume da geometria de um tarugo, por exemplo. A Figura 1 ajuda a entender essa linha de raciocínio. A Figura 1 A) mostra uma geometria qualquer, sendo preenchida por pontos na Figura 1 B) e, finalmente, representada apenas pelos pontos na Figura 1 C). Esses pontos são também chamados de “nós”. Na realidade, quanto mais nós forem utilizados, melhor será a representação da geometria. A Figura 2 exemplifica muito bem como um maior número de nós pode ajudar na precisão da representação geométrica, sendo que a Figura 2 C) exibe uma maior quantidade de nós e uma geometria mais próxima da realidade.

Uma vez definidos os nós, é possível fazer uma ligação entre ambos formando figuras menores e simples. Essas figuras juntas são denominadas “elementos”, dispostas em uma quantidade definida (finita) e representando uma peça qualquer. Todos esses nós e elementos juntos formam o que pode ser chamado de “malha”. Portanto, o software calcula esforços e respostas em cada elemento, interligando todos eles matricialmente, resolvendo através de formulações diretas ou não, sendo capaz de fornecer resultados para uma determinada peça como um todo. As malhas podem ser grosseiras, poucos nós e elementos, como na Figura 3 A), ou refinadas, muitos nós e elementos como mostra a Figura 3 B).

Ainda, uma malha pode ter uma densidade variável, conforme mostrado na Figura 3 C), visando melhor representar resultados em regiões mais complexas. Enfim, quanto mais refinada uma malha, mais precisos e realísticos são os resultados obtidos. Entretanto, maiores refinamentos implicam em maiores quantidades de cálculos e tempos mais longos de simulação computacional. De maneira similar, a Figura 4 exemplifica o uso de elementos tridimensionais para a representação de parte de uma engrenagem, refinando a sua malha na região de interesse.

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