Componente químico do tubo da bobina de aço inoxidável 310, efeito de defeitos superficiais em fios de aço endurecidos com óleo na vida útil em fadiga de molas de válvulas em motores automotivos

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Tubos enrolados de aço inoxidável 310/tubulação espiraladaComposição químicae composição

A tabela a seguir mostra a composição química do aço inoxidável grau 310S.

10*1mm 9,25*1,24 mm 310 Fornecedores de tubos enrolados capilares de aço inoxidável

Propriedades físicas

As propriedades físicas do aço inoxidável grau 310S são exibidas na tabela a seguir.

Propriedades mecânicas

A tabela a seguir descreve as propriedades mecânicas do aço inoxidável grau 310S.

Propriedades térmicas

As propriedades térmicas do aço inoxidável grau 310S são fornecidas na tabela a seguir.

Outras designações

Outras designações equivalentes ao aço inoxidável grau 310S estão listadas na tabela a seguir.

O objetivo deste estudo é avaliar a vida em fadiga de uma mola de válvula de um motor de automóvel ao aplicar microdefeitos em um fio endurecido em óleo de grau 2300 MPa (fio OT) com profundidade de defeito crítico de 2,5 mm de diâmetro.Primeiro, a deformação dos defeitos superficiais do fio OT durante a fabricação da mola da válvula foi obtida por análise de elementos finitos usando métodos de subsimulação, e a tensão residual da mola acabada foi medida e aplicada ao modelo de análise de tensão da mola.Segundo, analise a resistência da mola da válvula, verifique a tensão residual e compare o nível de tensão aplicada com as imperfeições superficiais.Terceiro, o efeito dos microdefeitos na vida em fadiga da mola foi avaliado aplicando a tensão nos defeitos superficiais obtidos a partir da análise de resistência da mola às curvas SN obtidas a partir do teste de fadiga por flexão durante a rotação do fio OT.Uma profundidade de defeito de 40 µm é o padrão atual para gerenciar defeitos superficiais sem comprometer a vida em fadiga.
A indústria automotiva tem uma forte demanda por componentes automotivos leves para melhorar a eficiência de combustível dos veículos.Assim, o uso de aços avançados de alta resistência (AHSS) vem aumentando nos últimos anos.As molas das válvulas de motores automotivos consistem principalmente em fios de aço endurecidos a óleo resistentes ao calor, ao desgaste e que não flacidem (fios OT).
Devido à sua alta resistência à tração (1900–2100 MPa), os fios OT atualmente utilizados permitem reduzir o tamanho e a massa das molas das válvulas do motor, melhorar a eficiência do combustível, reduzindo o atrito com as peças adjacentes1.Devido a essas vantagens, o uso de fio-máquina de alta tensão está aumentando rapidamente, e o fio-máquina de ultra-alta resistência da classe 2300MPa aparece um após o outro.As molas de válvulas em motores automotivos requerem uma longa vida útil porque operam sob altas cargas cíclicas.Para atender a esse requisito, os fabricantes normalmente consideram a vida útil em fadiga superior a 5,5×107 ciclos ao projetar molas de válvula e aplicam tensão residual à superfície da mola da válvula por meio de processos de shot peening e encolhimento térmico para melhorar a vida útil em fadiga2.
Existem alguns estudos sobre a resistência à fadiga de molas helicoidais em veículos sob condições normais de operação.Gzal et al.São apresentadas análises analíticas, experimentais e de elementos finitos (FE) de molas helicoidais elípticas com pequenos ângulos de hélice sob carga estática.Este estudo fornece uma expressão explícita e simples para a localização da tensão de cisalhamento máxima versus relação de aspecto e índice de rigidez, e também fornece informações analíticas sobre a tensão de cisalhamento máxima, um parâmetro crítico em projetos práticos3.Pastorcic et al.São descritos os resultados da análise da destruição e fadiga de uma mola helicoidal removida de um carro particular após falha na operação.Usando métodos experimentais, uma mola quebrada foi examinada e os resultados sugerem que este é um exemplo de falha por fadiga por corrosão4.buraco, etc. Vários modelos de regressão linear de vida útil da mola foram desenvolvidos para avaliar a vida útil em fadiga de molas helicoidais automotivas.Putra e outros.Devido ao desnível da superfície da estrada, é determinada a vida útil da mola helicoidal do carro.No entanto, pouca pesquisa foi feita sobre como os defeitos superficiais que ocorrem durante o processo de fabricação afetam a vida útil das molas helicoidais automotivas.
Defeitos superficiais que ocorrem durante o processo de fabricação podem levar à concentração local de tensão nas molas das válvulas, o que reduz significativamente sua vida útil em fadiga.Os defeitos superficiais das molas das válvulas são causados ​​por vários fatores, como defeitos superficiais das matérias-primas utilizadas, defeitos nas ferramentas, manuseio brusco durante a laminação a frio7.Os defeitos superficiais da matéria-prima são em forma de V acentuados devido à laminação a quente e ao desenho multipasse, enquanto os defeitos causados ​​pela ferramenta de conformação e manuseio descuidado são em forma de U com inclinações suaves8,9,10,11.Os defeitos em forma de V causam maiores concentrações de tensão do que os defeitos em forma de U, portanto, critérios rigorosos de gerenciamento de defeitos são geralmente aplicados ao material de partida.
Os padrões atuais de gerenciamento de defeitos de superfície para fios OT incluem ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 e KS D 3580. DIN EN 10270-2 especifica que a profundidade de um defeito de superfície em diâmetros de fio de 0,5– 10 mm é inferior a 0,5–1% do diâmetro do fio.Além disso, JIS G 3561 e KS D 3580 exigem que a profundidade dos defeitos superficiais no fio-máquina com diâmetro de 0,5–8 mm seja inferior a 0,5% do diâmetro do fio.Na ASTM A877/A877M-10, o fabricante e o comprador devem concordar com a profundidade permitida dos defeitos superficiais.Para medir a profundidade de um defeito na superfície de um fio, o fio geralmente é gravado com ácido clorídrico e, em seguida, a profundidade do defeito é medida com um micrômetro.No entanto, este método só pode medir defeitos em determinadas áreas e não em toda a superfície do produto final.Portanto, os fabricantes usam testes de correntes parasitas durante o processo de trefilação para medir defeitos superficiais em fios produzidos continuamente;esses testes podem medir a profundidade dos defeitos superficiais até 40 µm.O fio de aço de grau 2300MPa em desenvolvimento tem maior resistência à tração e menor alongamento do que o fio de aço de grau 1900-2200MPa existente, portanto, a vida útil da fadiga da mola da válvula é considerada muito sensível a defeitos superficiais.Portanto, é necessário verificar a segurança da aplicação dos padrões existentes para controlar a profundidade dos defeitos superficiais do fio de aço grau 1900-2200 MPa ao fio de aço grau 2300 MPa.
O objetivo deste estudo é avaliar a vida em fadiga de uma mola de válvula de motor automotivo quando a profundidade mínima de falha mensurável por teste de correntes parasitas (ou seja, 40 µm) é aplicada a um fio OT de grau 2300 MPa (diâmetro: 2,5 mm): falha crítica profundidade .A contribuição e metodologia deste estudo são as seguintes.
Como defeito inicial no fio OT foi utilizado um defeito em forma de V, que afeta gravemente a vida à fadiga, no sentido transversal em relação ao eixo do fio.Considere a razão entre as dimensões (α) e o comprimento (β) de um defeito de superfície para ver o efeito de sua profundidade (h), largura (w) e comprimento (l).Os defeitos superficiais ocorrem dentro da mola, onde a falha ocorre primeiro.
Para prever a deformação dos defeitos iniciais no fio OT durante o enrolamento a frio, foi utilizada uma abordagem de subsimulação, que levou em consideração o tempo de análise e o tamanho dos defeitos superficiais, uma vez que os defeitos são muito pequenos em comparação com o fio OT.modelo mundial.
As tensões residuais de compressão na mola após shot peening em dois estágios foram calculadas pelo método dos elementos finitos, os resultados foram comparados com as medições após shot peening para confirmação do modelo analítico.Além disso, as tensões residuais nas molas das válvulas de todos os processos de fabricação foram medidas e aplicadas à análise da resistência da mola.
As tensões nos defeitos superficiais são previstas analisando a resistência da mola, levando em consideração a deformação do defeito durante a laminação a frio e a tensão residual de compressão na mola acabada.
O teste de fadiga por flexão rotacional foi realizado utilizando um fio OT feito do mesmo material da mola da válvula.A fim de correlacionar as características de tensão residual e rugosidade superficial das molas de válvula fabricadas com as linhas OT, as curvas SN foram obtidas por meio de testes de fadiga por flexão rotativa após a aplicação de shot peening e torção em dois estágios como processos de pré-tratamento.
Os resultados da análise de resistência da mola são aplicados à equação de Goodman e à curva SN para prever a vida em fadiga da mola da válvula, e o efeito da profundidade do defeito superficial na vida em fadiga também é avaliado.
Neste estudo, um fio grau OT de 2300 MPa com diâmetro de 2,5 mm foi utilizado para avaliar a vida em fadiga de uma mola de válvula de motor automotivo.Primeiramente foi realizado um ensaio de tração do fio para obtenção do seu modelo de fratura dúctil.
As propriedades mecânicas do fio OT foram obtidas a partir de testes de tração antes da análise de elementos finitos do processo de enrolamento a frio e da resistência da mola.A curva tensão-deformação do material foi determinada a partir dos resultados de ensaios de tração a uma taxa de deformação de 0,001 s-1, conforme mostrado na fig.1. O fio SWONB-V é usado, e sua resistência ao escoamento, resistência à tração, módulo de elasticidade e razão de Poisson são 2.001,2 MPa, 2.316 MPa, 206 GPa e 0,3, respectivamente.A dependência da tensão na deformação do fluxo é obtida da seguinte forma:
Arroz.2 ilustra o processo de fratura dúctil.O material sofre deformação elastoplástica durante a deformação e se estreita quando a tensão no material atinge sua resistência à tração.Posteriormente, a criação, o crescimento e a associação de vazios dentro do material levam à destruição do material.
O modelo de fratura dúctil usa um modelo de deformação crítica modificado por tensão que leva em consideração o efeito da tensão, e a fratura pós-escortelamento usa o método de acumulação de danos.Aqui, o início do dano é expresso como uma função de deformação, triaxialidade de tensão e taxa de deformação.A triaxialidade das tensões é definida como o valor médio obtido pela divisão da tensão hidrostática causada pela deformação do material até a formação do pescoço pela tensão efetiva.No método de acumulação de dano, a destruição ocorre quando o valor do dano atinge 1, e a energia necessária para atingir o valor do dano 1 é definida como a energia de destruição (Gf).A energia de fratura corresponde à região da verdadeira curva tensão-deslocamento do material desde o estrangulamento até o tempo de fratura.
No caso dos aços convencionais, dependendo do modo de tensão, ocorre fratura dúctil, fratura por cisalhamento ou fratura por modo misto devido à ductilidade e fratura por cisalhamento, conforme mostrado na Figura 3. A deformação de fratura e a triaxialidade de tensão apresentaram valores diferentes para o padrão de fratura.
A falha plástica ocorre em uma região correspondente a uma triaxialidade de tensão superior a 1/3 (zona I), e a deformação de fratura e a triaxialidade de tensão podem ser deduzidas a partir de testes de tração em corpos de prova com defeitos superficiais e entalhes.Na área correspondente à triaxialidade de tensões de 0 ~ 1/3 (zona II), ocorre uma combinação de fratura dúctil e ruptura por cisalhamento (ou seja, através de um teste de torção. Na área correspondente à triaxialidade de tensões de -1/3 a 0 (III), falha por cisalhamento causada por compressão e deformação de fratura e triaxialidade de tensão podem ser obtidas por teste de perturbação.
Para fios OT utilizados na fabricação de molas de válvulas de motores, é necessário levar em consideração as fraturas causadas por diversas condições de carga durante o processo de fabricação e condições de aplicação.Portanto, testes de tração e torção foram realizados para aplicar o critério de deformação de ruptura, o efeito da triaxialidade de tensão em cada modo de tensão foi considerado, e análise elastoplástica de elementos finitos em grandes deformações foi realizada para quantificar a mudança na triaxialidade de tensão.O modo de compressão não foi considerado devido à limitação do processamento da amostra, ou seja, o diâmetro do fio OT é de apenas 2,5 mm.A Tabela 1 lista as condições de ensaio de tração e torção, bem como triaxialidade de tensões e deformação de fratura, obtidas por meio de análise de elementos finitos.
A deformação de fratura de aços triaxiais convencionais sob tensão pode ser prevista usando a seguinte equação.
onde C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) corte limpo (η = 0) e C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Tensão uniaxial (η = η0 = 1/3).
As linhas de tendência para cada modo de tensão são obtidas aplicando os valores de deformação de fratura C1 e C2 na equação.(2);C1 e C2 são obtidos a partir de ensaios de tração e torção em amostras sem defeitos superficiais.A Figura 4 mostra a triaxialidade de tensões e deformações de fratura obtidas nos ensaios e as linhas de tendência previstas pela equação.(2) A linha de tendência obtida no teste e a relação entre triaxialidade de tensão e deformação de fratura mostram uma tendência semelhante.A deformação de fratura e a triaxialidade de tensão para cada modo de tensão, obtidas a partir da aplicação de linhas de tendência, foram utilizadas como critérios para fratura dúctil.
A energia de ruptura é usada como uma propriedade do material para determinar o tempo de ruptura após o estrangulamento e pode ser obtida em testes de tração.A energia de fratura depende da presença ou ausência de trincas na superfície do material, já o tempo para fraturar depende da concentração de tensões locais.As Figuras 5a-c mostram as energias de fratura de amostras sem defeitos superficiais e amostras com entalhes R0,4 ou R0,8 a partir de testes de tração e análise de elementos finitos.A energia de fratura corresponde à área da verdadeira curva tensão-deslocamento desde o estrangulamento até o tempo de fratura.
A energia de fratura de um fio OT com defeitos superficiais finos foi prevista realizando testes de tração em um fio OT com profundidade de defeito superior a 40 µm, como mostrado na Fig.Dez corpos de prova com defeitos foram utilizados nos ensaios de tração e a energia média de fratura foi estimada em 29,12 mJ/mm2.
O defeito superficial padronizado é definido como a razão entre a profundidade do defeito e o diâmetro do fio da mola da válvula, independentemente da geometria do defeito superficial do fio OT utilizado na fabricação de molas de válvulas automotivas.Os defeitos do fio OT podem ser classificados com base na orientação, geometria e comprimento.Mesmo com a mesma profundidade do defeito, o nível de tensão que atua sobre um defeito superficial em uma mola varia dependendo da geometria e da orientação do defeito, de modo que a geometria e a orientação do defeito podem afetar a resistência à fadiga.Portanto, é necessário levar em consideração a geometria e a orientação dos defeitos que têm maior impacto na vida à fadiga de uma mola, a fim de aplicar critérios rigorosos para o gerenciamento de defeitos superficiais.Devido à estrutura de grão fino do fio OT, sua resistência à fadiga é muito sensível ao entalhe.Portanto, o defeito que apresenta a maior concentração de tensões de acordo com a geometria e orientação do defeito deve ser estabelecido como o defeito inicial utilizando análise de elementos finitos.Na fig.6 mostra as molas de válvula automotiva de ultra-alta resistência da classe 2300 MPa usadas neste estudo.
Os defeitos superficiais do fio OT são divididos em defeitos internos e defeitos externos de acordo com o eixo da mola.Devido à flexão durante a laminação a frio, a tensão de compressão e a tensão de tração atuam no interior e no exterior da mola, respectivamente.A fratura pode ser causada por defeitos superficiais que aparecem do lado de fora devido a tensões de tração durante a laminação a frio.
Na prática, a mola está sujeita a compressão e relaxamento periódicos.Durante a compressão da mola, o fio de aço torce e, devido à concentração de tensões, a tensão de cisalhamento dentro da mola é maior do que a tensão de cisalhamento circundante7.Portanto, se houver defeitos superficiais dentro da mola, a probabilidade de a mola quebrar é maior.Assim, o lado externo da mola (o local onde a falha é esperada durante a fabricação da mola) e o lado interno (onde a tensão é maior na aplicação real) são definidos como os locais dos defeitos superficiais.
A geometria do defeito de superfície das linhas OT é dividida em formato de U, formato de V, formato de Y e formato de T.Os tipos Y e T existem principalmente nos defeitos superficiais das matérias-primas, e os defeitos do tipo U e V ocorrem devido ao manuseio descuidado das ferramentas no processo de laminação a frio.No que diz respeito à geometria dos defeitos superficiais nas matérias-primas, os defeitos em forma de U decorrentes da deformação plástica não uniforme durante a laminação a quente são deformados em defeitos de costura em forma de V, em forma de Y e em forma de T sob estiramento multipassagem8, 10.
Além disso, defeitos em forma de V, em forma de Y e em forma de T com inclinações acentuadas do entalhe na superfície estarão sujeitos a alta concentração de tensão durante a operação da mola.As molas das válvulas dobram durante a laminação a frio e torcem durante a operação.As concentrações de tensão de defeitos em forma de V e em Y com concentrações de tensão mais altas foram comparadas usando análise de elementos finitos, ABAQUS – software comercial de análise de elementos finitos.A relação tensão-deformação é mostrada na Figura 1 e na Equação 1. (1) Esta simulação usa um elemento retangular bidimensional (2D) de quatro nós, e o comprimento lateral mínimo do elemento é de 0,01 mm.Para o modelo analítico, defeitos em forma de V e em Y com profundidade de 0,5 mm e inclinação do defeito de 2° foram aplicados a um modelo 2D de um fio com diâmetro de 2,5 mm e comprimento de 7,5 mm.
Na fig.7a mostra a concentração de tensão de flexão na ponta de cada defeito quando um momento de flexão de 1500 Nmm é aplicado em ambas as extremidades de cada fio.Os resultados da análise mostram que as tensões máximas de 1.038,7 e 1.025,8 MPa ocorrem nos topos dos defeitos em forma de V e em forma de Y, respectivamente.Na fig.7b mostra a concentração de tensões no topo de cada defeito causado pela torção.Quando o lado esquerdo é restringido e um torque de 1500 N∙mm é aplicado ao lado direito, a mesma tensão máxima de 1099 MPa ocorre nas pontas dos defeitos em forma de V e em forma de Y.Estes resultados mostram que os defeitos do tipo V apresentam maior tensão de flexão do que os defeitos do tipo Y quando têm a mesma profundidade e inclinação do defeito, mas sofrem a mesma tensão de torção.Portanto, defeitos superficiais em forma de V e em Y com a mesma profundidade e inclinação do defeito podem ser normalizados para defeitos em forma de V com uma tensão máxima mais alta causada pela concentração de tensão.A proporção do tamanho do defeito tipo V é definida como α = w/h usando a profundidade (h) e largura (w) dos defeitos tipo V e tipo T;portanto, um defeito do tipo T (α ≈ 0), em vez disso, a geometria pode ser definida pela estrutura geométrica de um defeito do tipo V.Portanto, os defeitos do tipo Y e do tipo T podem ser normalizados por defeitos do tipo V.Usando profundidade (h) e comprimento (l), a razão de comprimento é definida como β = l/h.
Conforme mostrado na Figura 811, as direções dos defeitos superficiais dos fios OT são divididas em direções longitudinais, transversais e oblíquas, conforme mostrado na Figura 811. Análise da influência da orientação dos defeitos superficiais na resistência da mola pelo elemento finito método.
Na fig.9a mostra o modelo de análise de tensão da mola da válvula do motor.Como condição de análise, a mola foi comprimida de uma altura livre de 50,5 mm até uma altura rígida de 21,8 mm, uma tensão máxima de 1086 MPa foi gerada no interior da mola, conforme mostrado na Figura 9b.Como a falha das molas das válvulas do motor ocorre principalmente dentro da mola, espera-se que a presença de defeitos na superfície interna afete seriamente a vida útil da mola em fadiga.Portanto, defeitos superficiais nas direções longitudinal, transversal e oblíqua são aplicados no interior das molas das válvulas do motor usando técnicas de submodelagem.A Tabela 2 mostra as dimensões dos defeitos superficiais e a tensão máxima em cada direção do defeito na compressão máxima da mola.As tensões mais altas foram observadas na direção transversal, e a razão entre as tensões nas direções longitudinal e oblíqua e na direção transversal foi estimada em 0,934–0,996.A relação de tensão pode ser determinada simplesmente dividindo este valor pela tensão transversal máxima.A tensão máxima na mola ocorre no topo de cada defeito superficial, conforme mostrado na Fig.Os valores de tensão observados nas direções longitudinal, transversal e oblíqua são 2.045, 2.085 e 2.049 MPa, respectivamente.Os resultados destas análises mostram que os defeitos superficiais transversais têm o efeito mais direto na vida em fadiga das molas das válvulas do motor.
Um defeito em forma de V, que supostamente afeta mais diretamente a vida em fadiga da mola da válvula do motor, foi escolhido como o defeito inicial do fio OT, e a direção transversal foi escolhida como a direção do defeito.Esse defeito ocorre não só na parte externa, onde a mola da válvula do motor quebrou durante a fabricação, mas também na parte interna, onde ocorre o maior estresse devido à concentração de tensões durante a operação.A profundidade máxima da falha é definida como 40 µm, que pode ser detectada pela detecção de falhas por correntes parasitas, e a profundidade mínima é definida como uma profundidade correspondente a 0,1% do diâmetro do fio de 2,5 mm.Portanto, a profundidade do defeito é de 2,5 a 40 µm.A profundidade, o comprimento e a largura das falhas com uma relação de comprimento de 0,1~1 e uma relação de comprimento de 5~15 foram utilizados como variáveis, e seu efeito na resistência à fadiga da mola foi avaliado.A Tabela 3 lista as condições analíticas determinadas utilizando a metodologia de superfície de resposta.
As molas de válvula de motores automotivos são fabricadas por enrolamento a frio, têmpera, jateamento e ajuste térmico de fio OT.Mudanças nos defeitos superficiais durante a fabricação da mola devem ser levadas em consideração para avaliar o efeito dos defeitos superficiais iniciais nos fios OT na vida em fadiga das molas das válvulas do motor.Portanto, nesta seção, a análise de elementos finitos é usada para prever a deformação dos defeitos superficiais do fio OT durante a fabricação de cada mola.
Na fig.10 mostra o processo de enrolamento a frio.Durante este processo, o fio OT é alimentado na guia de fio pelo rolo de alimentação.A guia de arame alimenta e suporta o arame para evitar que se dobre durante o processo de conformação.O fio que passa através da guia de fio é dobrado pela primeira e segunda hastes para formar uma mola helicoidal com o diâmetro interno desejado.O passo da mola é produzido movendo a ferramenta de passo após uma revolução.
Na fig.11a mostra um modelo de elementos finitos usado para avaliar a mudança na geometria dos defeitos superficiais durante a laminação a frio.A formação do fio é completada principalmente pelo pino de enrolamento.Como a camada de óxido na superfície do fio atua como lubrificante, o efeito de fricção do rolo de alimentação é insignificante.Portanto, no modelo de cálculo, o rolo alimentador e a guia do fio são simplificados como uma bucha.O coeficiente de atrito entre o fio OT e a ferramenta de conformação foi ajustado em 0,05.O plano de corpo rígido 2D e as condições de fixação são aplicados à extremidade esquerda da linha para que ela possa ser alimentada na direção X na mesma velocidade do rolo de alimentação (0,6 m/s).Na fig.11b mostra o método de subsimulação usado para aplicar pequenos defeitos nos fios.Para levar em conta o tamanho dos defeitos superficiais, o submodelo é aplicado duas vezes para defeitos superficiais com profundidade de 20 µm ou mais e três vezes para defeitos superficiais com profundidade inferior a 20 µm.Defeitos superficiais são aplicados em áreas formadas em etapas iguais.No modelo geral da mola, o comprimento do pedaço reto de fio é de 100 mm.Para o primeiro submodelo, aplique o submodelo 1 com comprimento de 3mm a uma posição longitudinal de 75mm do modelo global.Esta simulação utilizou um elemento hexagonal tridimensional (3D) de oito nós.No modelo global e no submodelo 1, o comprimento lateral mínimo de cada elemento é de 0,5 e 0,2 mm, respectivamente.Após a análise do submodelo 1, os defeitos superficiais são aplicados ao submodelo 2, e o comprimento e a largura do submodelo 2 são 3 vezes o comprimento do defeito superficial para eliminar a influência das condições de contorno do submodelo, em Além disso, 50% do comprimento e largura são usados ​​como profundidade do submodelo.No submodelo 2, o comprimento lateral mínimo de cada elemento é de 0,005 mm.Certos defeitos superficiais foram aplicados à análise de elementos finitos, conforme mostrado na Tabela 3.
Na fig.12 mostra a distribuição de tensões em fissuras superficiais após trabalho a frio de uma bobina.O modelo geral e o submodelo 1 apresentam quase as mesmas tensões de 1076 e 1079 MPa no mesmo local, o que confirma a correção do método de submodelagem.As concentrações de tensão local ocorrem nas bordas do submodelo.Aparentemente, isto se deve às condições de contorno do submodelo.Devido à concentração de tensões, o submodelo 2 com defeitos superficiais aplicados apresenta uma tensão de 2.449 MPa na ponta do defeito durante a laminação a frio.Conforme mostrado na Tabela 3, os defeitos superficiais identificados pelo método da superfície de resposta foram aplicados no interior da mola.Os resultados da análise de elementos finitos mostraram que nenhum dos 13 casos de defeitos superficiais falhou.
Durante o processo de enrolamento em todos os processos tecnológicos, a profundidade dos defeitos superficiais dentro da mola aumentou em 0,1–2,62 µm (Fig. 13a), e a largura diminuiu em 1,8–35,79 µm (Fig. 13b), enquanto o comprimento aumentou em 0,72 –34,47 µm (Fig. 13c).Como o defeito transversal em forma de V é fechado em largura por flexão durante o processo de laminação a frio, ele é deformado em um defeito em forma de V com uma inclinação mais acentuada do que o defeito original.
Deformação em profundidade, largura e comprimento de defeitos superficiais de fios OT no processo de fabricação.
Aplique defeitos superficiais na parte externa da mola e preveja a probabilidade de quebra durante a laminação a frio usando Análise de Elementos Finitos.Nas condições listadas na Tabela.3, não há probabilidade de destruição de defeitos na superfície externa.Em outras palavras, nenhuma destruição ocorreu na profundidade dos defeitos superficiais de 2,5 a 40 µm.
Para prever defeitos superficiais críticos, as fraturas externas durante a laminação a frio foram investigadas aumentando a profundidade do defeito de 40 µm para 5 µm.Na fig.14 mostra fraturas ao longo de defeitos superficiais.A fratura ocorre em condições de profundidade (55 µm), largura (2 µm) e comprimento (733 µm).A profundidade crítica de um defeito superficial fora da mola foi de 55 μm.
O processo de shot peening suprime o crescimento de fissuras e aumenta a vida em fadiga, criando uma tensão de compressão residual a uma certa profundidade da superfície da mola;no entanto, induz a concentração de tensões aumentando a rugosidade da superfície da mola, reduzindo assim a resistência à fadiga da mola.Portanto, a tecnologia de shot peening secundário é usada para produzir molas de alta resistência para compensar a redução na vida em fadiga causada pelo aumento da rugosidade superficial causada pelo shot peening.O shot peening de dois estágios pode melhorar a rugosidade da superfície, a tensão residual compressiva máxima e a tensão residual compressiva da superfície porque o segundo shot peening é realizado após o primeiro shot peening12,13,14.
Na fig.15 mostra um modelo analítico do processo de jateamento.Foi criado um modelo elástico-plástico no qual 25 bolas de tiro foram lançadas na área local alvo da linha OT para detonação.No modelo de análise de jateamento, os defeitos superficiais do fio OT deformado durante o enrolamento a frio foram utilizados como defeitos iniciais.Remoção de tensões residuais decorrentes do processo de laminação a frio por revenido antes do processo de jateamento.Foram utilizadas as seguintes propriedades da esfera de tiro: densidade (ρ): 7800 kg/m3, módulo de elasticidade (E) – 210 GPa, coeficiente de Poisson (υ): 0,3.O coeficiente de atrito entre a bola e o material é definido como 0,1.Projéteis com diâmetro de 0,6 e 0,3 mm foram ejetados na mesma velocidade de 30 m/s durante a primeira e segunda passadas de forjamento.Após o processo de jateamento (entre outros processos de fabricação mostrados na Figura 13), a profundidade, largura e comprimento dos defeitos superficiais dentro da mola variaram de -6,79 a 0,28 µm, -4,24 a 1,22 µm e -2,59 a 1,69. µm, respectivamente µm.Devido à deformação plástica do projétil ejetado perpendicularmente à superfície do material, a profundidade do defeito diminui, em particular, a largura do defeito é significativamente reduzida.Aparentemente, o defeito foi fechado devido à deformação plástica causada pelo shot peening.
Durante o processo de contração térmica, os efeitos da contração a frio e do recozimento a baixa temperatura podem atuar na mola da válvula do motor ao mesmo tempo.Uma configuração fria maximiza o nível de tensão da mola, comprimindo-a ao nível mais alto possível à temperatura ambiente.Neste caso, se a mola da válvula do motor for carregada acima do limite de escoamento do material, a mola da válvula do motor se deforma plasticamente, aumentando o limite de escoamento.Após a deformação plástica, a mola da válvula flexiona, mas o aumento da resistência ao escoamento fornece a elasticidade da mola da válvula na operação real.O recozimento em baixa temperatura melhora a resistência ao calor e à deformação das molas das válvulas que operam em altas temperaturas2.
Defeitos superficiais deformados durante o jateamento na análise FE e o campo de tensão residual medido com equipamento de difração de raios X (XRD) foram aplicados ao submodelo 2 (Fig. 8) para inferir a mudança nos defeitos durante a contração térmica.A mola foi projetada para operar na faixa elástica e foi comprimida desde sua altura livre de 50,5 mm até sua altura firme de 21,8 mm e depois deixada retornar à sua altura original de 50,5 mm como condição de análise.Durante a contração térmica, a geometria do defeito muda insignificantemente.Aparentemente, a tensão de compressão residual de 800 MPa e superior, criada pelo jateamento, suprime a deformação dos defeitos superficiais.Após a contração térmica (Fig. 13), a profundidade, largura e comprimento dos defeitos superficiais variaram de -0,13 a 0,08 µm, de -0,75 a 0 µm e de 0,01 a 2,4 µm, respectivamente.
Na fig.16 compara deformações de defeitos em forma de U e em forma de V da mesma profundidade (40 µm), largura (22 µm) e comprimento (600 µm).A mudança na largura dos defeitos em forma de U e V é maior do que a mudança no comprimento, que é causada pelo fechamento na direção da largura durante o processo de laminação a frio e jateamento.Em comparação com os defeitos em forma de U, os defeitos em forma de V formaram-se a uma profundidade relativamente maior e com declives mais acentuados, sugerindo que uma abordagem conservadora pode ser tomada ao aplicar defeitos em forma de V.
Esta seção discute a deformação do defeito inicial na linha OT para cada processo de fabricação de molas de válvula.O defeito inicial do fio OT é aplicado no interior da mola da válvula, onde a falha é esperada devido às altas tensões durante a operação da mola.Os defeitos superficiais transversais em forma de V dos fios OT aumentaram ligeiramente em profundidade e comprimento e diminuíram acentuadamente em largura devido à flexão durante o enrolamento a frio.O fechamento na direção da largura ocorre durante o shot peening com pouca ou nenhuma deformação de defeito perceptível durante a configuração final do calor.No processo de laminação a frio e shot peening, ocorre uma grande deformação na direção da largura devido à deformação plástica.O defeito em forma de V dentro da mola da válvula é transformado em defeito em forma de T devido ao fechamento da largura durante o processo de laminação a frio.