Modelação e análise numérica de tratamentos térmicos

Abstract

O interesse industrial em componentes de elevado desempenho e durabilidade com custos razoáveis levam à necessidade de tratar termicamente os metais. Assim, manipula-se as suas características a fim de obter as propriedades mais convenientes para cada aplicação. Todavia, os tratamentos térmicos podem conduzir à inutilidade da peça devido à produção de campo de tensões residuais ou a distorções excessivas dos componentes. Presentemente não existe um procedimento experimental capaz de prever em tempo real os efeitos indesejáveis que ocorrem durante um tratamento térmico. Consequentemente, as ferramentas numéricas capazes dos prever de forma aproximada torna-se uma opção viável. Assim, o objetivo deste trabalho é contribuir para o conhecimento e utilização de ferramentas numéricas capazes de prever com precisão a evolução do estado termomecânico e metalúrgico de uma geometria quando sujeita a um tratamento térmico. Numa primeira fase, estudam-se as propriedades e características dos materiais, bem como alguns parâmetros numéricos, estabelecendo uma análise crítica para cada um deles. Numa segunda fase, introduz-se uma formulação que contempla efeitos isotrópicos, cinemáticos, viscosos e de crescimento de grão que é implementado numa subrotina de utilizador de um programa numérico de análise pelo Método dos Elementos Finitos. A subrotina usa o método do retorno radial com o objetivo corrigir os níveis de tensão e de deformação viscoplástica sendo que a integração temporal é efetuada de forma implícita. Neste âmbito, procedem-se a ensaios de validação das subrotinas desenvolvidas e à análise do seu comportamento. Numa última fase realiza-se a simulação de têmpera de uma engrenagem. Este ensaio mostra as potencialidades do código implementado e a sua aplicabilidade industrial. Os resultados obtidos nas diferentes simulações estão em concordância com os resultados expectáveis. As subrotinas implementadas no âmbito deste trabalho permitem avaliar as consequências termomecânicas numa geometria quando sujeita a um tratamento térmico.

The industrial interest in high performance components and durability with reasonable costs leads to the need of heat treating metals. So, their characteristics are manipulated in order to obtain the most suitable properties for each application. However, the heat treatment may lead to inutility of the component due to the production of residual stress field or excessive distortion on components. At present there is no experimental procedure able to predict in real time the undesirable effects that occur during a heat treatment. Consequently, the numerical tools capable of predicting it, approximately, become a viable option. The objective of this work is to contribute to the knowledge and use of numerical tools able to accurately predict the thermomechanical and metallurgical evolution of a geometry when subjected to heat treatment. Initially, we study the properties and characteristics of materials as well as some numerical parameters, establishing a critical analysis for each one. The second step introduces a formulation that includes isotropic, kinematic and viscous effects and grain growth. The formulation is implemented in a subroutine for a numerical program using the finite element method. The subroutine uses the radial return method in order to correct the levels of stress and viscoplastic strains and the time integration is made in an implicit way. In this context, validation tests of the developed user subroutines are made and the analysis of their behavior too. The last step performs a quenching simulation of a gear. This experiment shows the potential of the implemented code and its industrial applicability. The results obtained from the different simulations are consistent with the expected results. The implemented user subroutines allow the evaluation of the thermomechanical consequences in the geometry when subjected to heat treatment.