O presente trabalho incidiu essencialmente no estudo da fase de aquecimento do tratamento térmico de têmpera, tanto ao nível do campo de temperaturas como ao nível do campo de tensões de origem térmica criadas durante a fase de aquecimento.
Deste modo os objetivos deste trabalho definem-se como:
Análise das formulações analíticas de transferência de calor transiente e comparação com resultados numéricos de um problema simples de forma a avaliar o desempenho do modelo/computador a utilizar;
Modelação da peça e construção da malha, com as inerentes simplificações, através da qual se irá estudar o comportamento do sistema real;
Procura do modelo térmico de elementos finitos que melhor representa o sistema real;
Definição de um modelo mecânico que permita representar da forma mais realista possível o campo de tensões criado durante a fase de aquecimento;
Utilização dos modelos obtidos para simular situações alternativas e estudar a otimização do processo.
Para além dos objetivos definidos anteriormente, que representam o âmbito do estudo do presente trabalho, ir-se-á ainda realizar estudos preliminares aos dois temas seguintes:
Estudo simplificado da fase de arrefecimento do tratamento de têmpera; Estudo do tratamento de revenido.
Pretendeu-se deste modo completar os objetivos propostos e obter uma noção mais abrangente da problemática estudada. A estrutura da presente dissertação é apresentada na subsecção seguinte.
1.4.1
Estrutura da dissertação
A presente dissertação foi estruturada tal como se ilustra no diagrama da Figura 1-4, encontrando-se então dividida em oito Capítulos.
No Capítulo 2 procedeu-se a um estudo analítico dos fenómenos de transferência de calor em sólidos numa primeira parte, e numa segunda foram comparados os resultados da solução analítica com a solução numérica para um sólido simples.
No Capítulo 3 foi efetuada uma análise à peça monitorizada na F. Ramada e procedeu-se à identificação e definição de parâmetros inerentes ao modelo numérico, mais concretamente a definição da geometria da peça e da malha de elementos finitos a utilizar.
Após os três primeiros Capítulos de carácter introdutório ao problema, o Capítulo 4 incidiu no ajuste dos resultados numéricos aos dados experimentais através da variação de parâmetros considerados ajustáveis, nomeadamente o coeficiente de convecção e a emissividade. Na fase final deste Capítulo foram ainda enumeradas e analisadas alterações incluídas posteriormente no modelo como por exemplo a variação das propriedades do material com a temperatura. Foi ainda feito um estudo introdutório da fase de arrefecimento do tratamento de têmpera.
No Capítulo 5 foram analisados os resultados numéricos do campo de temperaturas e foi igualmente estudado o modelo mecânico a implementar e foram discutidos também os resultados referentes ao campo de tensões e de deslocamentos. Na parte final do Capítulo apresenta-se uma estimativa do campo de tensões na fase de arrefecimento.
O Capítulo 6 incidiu no estudo de hipóteses alternativas ao tratamento original através da análise do efeito nos resultados do campo de tensões da exclusão de estágios intermédios e da variação da taxa de aquecimento entre estágios e da alteração da duração destes.
No Capítulo 7 foi estudado de forma breve o tratamento de revenido utilizando os ajustamentos efetuados para o tratamento de têmpera.
No Capítulo final enumeram-se as conclusões alcançadas após o estudo realizado e propõe-se trabalhos a realizar num estudo futuro.
usando uma solução analítica
Os modelos numéricos carecem de validação, se possível recorrendo a resultados experimentais ou recorrendo a soluções analíticas. No presente Capítulo é apresentado um processo de validação do modelo numérico utilizado, através da simulação do aquecimento por convecção de um sólido possuindo uma geometria simples, mais concretamente um paralelepípedo, e do mesmo aço que irá ser estudado, i.e., o aço AISI H13, para o qual é também possível obter uma solução analítica.
Com o objetivo de ser obtida uma boa margem de confiança para os resultados numéricos a obter no presente trabalho, foi aumentada a exigência do sistema a estudar, relativamente ao caso real, nomeadamente, por recurso a um valor para o coeficiente de convecção superior ao coeficiente global de transferência de calor esperado em aproximadamente três a quatro vezes, e a um aumento de temperatura, num só estágio, superior ao usado na prática. A ideia subjacente é a de que se os resultados numéricos reproduzirem corretamente o que acontece nesta situação bastante exigente, o mesmo irá suceder ao simular a situação real bastante menos exigente relativamente à usada na validação.
O sólido foi desenhado de modo a apresentar características próximas das peças de grandes dimensões tratadas na empresa F. Ramada, nomeadamente em termos de cotas de atravancamento e massa, deste modo foram definidas as dimensões e , sendo a dimensão segundo calculada de modo a ser alcançada uma massa de aproximadamente 1500 kg (ver Tabela 2-1), que, dado ser superior aos valores mais comuns na prática, permite adicionar uma maior exigência à validação do modelo numérico.
Tabela 2-1 – Dimensões do sólido usado para validação do modelo numérico. Dimensão Sólido
800 mm 400 mm 600 mm
Na Figura 2-1 apresenta-se uma representação esquemática do sólido usado na obtenção da solução analítica com vista à validação do modelo numérico, foi também representada a posição do sistema de eixos, estando este colocado no centro do paralelepípedo.
Figura 2-1 – Esquema do sólido analisado analiticamente e usado para validação do modelo numérico e
posição do sistema de eixos e dos pontos estudados.
Foram ainda representados na Figura 2-1 os pontos estudados, sendo o ponto B um dos vértices do paralelepípedo, e o ponto A o centro do mesmo. Estes pontos representam os comportamentos extremos relativamente à transferência de calor, delimitando assim, superior e inferiormente, a variação de temperatura nos restantes pontos do sólido.