Relatorio PROBIC

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS 
 
 
 
 
 
Análise Experimental de Fadiga Termomecânica 
 
 
 
 
ALUNO. RAFAEL JUNIO OLIVEIRA 
ALUNO. JOÃO PEDRO PALHARES DUARTE 
EDITAL Nº 102/2017 
 
 
 
 
 
 
 
BELO HORIZONTE 
20 DE SETEMBRO DE 2017 
 
 
Sumário 
 
1 Título do Projeto: ........................................................................................................................... 2 
2 Equipe do Projeto: ......................................................................................................................... 2 
3 Introdução ...................................................................................................................................... 3 
4 Problemática Abordada / Justificativa e relevância do tema ..................................................... 4 
5 Objetivos ........................................................................................................................................ 5 
5.1 Objetivos específicos ............................................................................................................. 5 
6 Metodologia.................................................................................................................................... 5 
7 Palavras Chaves............................................................................................................................ 6 
8 Unidades onde serão realizadas as atividades do projeto ........................................................ 7 
9 Plano de Etapas do projeto .......................................................................................................... 7 
10 Plano de trabalho dos bolsistas de Iniciação Científica ......................................................... 9 
11 Resultados esperados............................................................................................................. 10 
12 Referências Bibliográficas ...................................................................................................... 11 
 
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PROJETO DE PESQUISA 
1 Título do Projeto: 
Análise Experimental de Fadiga Termomecânica em Ligas Metálicas Utilizadas na 
Produção de Discos de Freio Automotivo 
2 Equipe do Projeto: 
 Aluno 1: Rafael Junio Oliveira (Engenharia Mecânica) 
Filiação: Aluno do curso de Engenharia Mecânica da PUC Minas 
Lattes: http://lattes.cnpq.br/5045786942875644 
Atribuição: Realizar as atividades do projeto definidas no item 9 com a supervisão 
do professor orientador e do professor co-orientador 
 
 Aluno 2: João Pedro Palhares Duarte (Engenharia Mecânica) 
Filiação: Aluno do curso de Engenharia Mecânica da PUC Minas 
Lattes: http://lattes.cnpq.br/5277244949142529 
Atribuição: Realizar as atividades do projeto definidas no item 9 com a supervisão 
do professor orientador e do professor co-orientador 
 
Orientador do Projeto: Dr. Ayrton Hugo de Andrade e Santos 
Filiação: Prof. Adjunto I do Curso de Engenharia Civil da Pontifícia Universidade 
Católica de Minas Gerais - PUC MINAS. 
Lattes: http://lattes.cnpq.br/1256153963330401 
Atribuição: Coordenar e acompanhar todo o desenvolvimento da pesquisa. Verificar 
os dados auxiliando na análise dos resultados. Elaborar o relatório final em conjunto 
com o professor co-orientador e os alunos. 
 
Co-orientador: Prof. Dr. Gilmar Cordeiro da Silva 
Filiação: Prof. Adjunto IV do Curso de Engenharia Mecânica da Pontifícia 
Universidade Católica de Minas Gerais - PUC MINAS. 
Lattes: http://lattes.cnpq.br/1404640470817037 
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Atribuição: Coordenar e acompanhar todo o desenvolvimento da pesquisa. Verificar 
os dados auxiliando na análise dos resultados. Elaborar o relatório final em conjunto 
com o professor orientador e os alunos. 
3 Introdução 
 Analisar a eficiência de ligas de ferro fundido cinzento, que impõe condições mais 
próximas possíveis daquelas encontradas pelo disco de freio durante a frenagem, isto é 
sob fadiga termomecânica, é um dos temas mais recorrente em discussões que versam 
a interferência da variação da temperatura em ciclos sob pressão, nas propriedades da 
liga de ferro fundido cinzento, interferindo diretamente no seu desempenho e vida útil. 
 Paralelo a isso, ensaios mecânicos uniaxiais que determinam propriedades 
mecânicas de materiais, como os ensaios de tração, compressão, fadiga mecânica e 
isotérmica dentre outros, passaram a não oferecer informações necessárias quando o 
objetivo é o estudo de componentes como o disco de freio que durante seu trabalho de 
frenagem estão sujeitos a solicitações bi ou triaxial, no mesmo intervalo de tempo. Em 
função disto, as propriedades metalúrgicas da liga de ferro fundido, necessárias para 
projetar um disco de freio, não podem ser determinadas apenas considerando os 
esforços de pressão e temperatura separados. 
 A indústria de fundição tem buscado desenvolver, novas ligas de ferros fundidos 
cinzento objetivando aumentar a vida útil dos discos de freio, aumentando a segurança 
deste componente, reduzindo o ruído e o peso e melhorando o desempenho do sistema 
de freio, mas vem encontrando dificuldades devido a interferência da temperatura que o 
componente chega durante os ciclos de frenagem nas propriedades da liga. Neste 
sentido esse projeto de pesquisa busca estudar e viabilizar um ensaio termomecânico 
eficiente, que proporcionará um melhor entendimento das interferências térmicas e 
mecânicas imposta nas ligas de ferro fundido cinzento, quando solicitados 
simultaneamente a esforços biaxiais, com o intuito de melhorar as qualidades deste 
material que é utilizado na produção dos discos de freio. 
 
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4 Problemática Abordada / Justificativa e relevância do tema 
 Vários componentes utilizados em sistemas de freio de veículos automotores, 
como os discos, estão sujeitos a variação de temperatura durante sua utilização. O 
gradiente térmico e esforços mecânicos induzidos nas diversas regiões da peça durante 
a frenagem pode provocar a ocorrência de tensões internas, e a repetição destes ciclos 
térmicos pode causar a nucleação e a propagação de trincas por fadiga, aqui 
denominada como Fadiga Termomecânica. 
 No caso dos discos de freio, durante a frenagem, os mesmos estão submetidos a 
tensões térmicas e mecânicas que podem ser relativamente altas quando muito bruscas 
(frações de segundos), situação em que a temperatura pode chegar a valores próximos 
de 600°C. Esta variação de temperatura provoca choques térmicos que podem gerar 
trincas e/ou uma grande quantidade de deformação plástica no disco resultante de 
alterações metalúrgicas influenciada pela morfologia e quantidade de grafita que podem 
ser alteradas durante ciclos de frenagem. 
 Estudos feitos pela (Tupy fundições e UDESC, RS 2003) em ligas de ferro fundido 
cinzento usadas para a produção de disco de freio, comprovam que as propriedades 
fadiga térmica, resistência a fadiga mecânica, capacidade de amortecimentos de 
vibrações e resistência ao desgaste está inerente a resistência mecânica da liga que é 
definida pela quantidade da grafita que pode ser alterada sob esforços de pressão e 
ciclos térmicos. 
 Muitas vezes realizando apenas o ensaio de fadiga térmica se torna insuficiente 
para analisar os possíveis defeitos de um componente como o disco de freio durante o 
ciclo de frenagem. Isso ocorre, uma vez que não atuam somente tensões térmicas nos 
discos de freios, mas também forças mecânicas devido a pressões e atritos causados 
entre a pastilha e o disco de freio durante a frenagem. Assim se torna inviável fazer um 
estudo micro estrutural para analisar as propriedades do disco levando em 
consideração apenas a atuação de tensões térmicas como causadoras de defeitos 
nesse componente. 
 A solução para esse problema é a análise das ligas pelo ensaio de fadiga 
termomecânico. Esse ensaio possibilita uma melhor compreensãode como as 
5 
 
propriedades das ligas de ferro fundido cinzento se comportam quando submetidas a 
situações reais encontradas num disco de freio automotivo quando submetido a ciclos 
de frenagem. 
 Neste sentido, é relevante que seja estudado a influência da fadiga termomecânica 
para o estudo do comportamento mecânico e dos mecanismos de fratura destes 
materiais sendo essencial para possibilitar a elaboração e desenvolvimento de projetos 
e a utilização racional desse componente. 
5 Objetivos 
 Este projeto de pesquisa tem por objetivo principal estudar e viabilizar um ensaio 
termomecânico eficiente observando a influência da fadiga térmica sob pressão 
mecânica nas propriedades de uma liga de ferro fundido cinzento. 
5.1 Objetivos específicos 
Nesse sentido os objetivos específicos deste trabalho são: 
i) Estudar as propriedades da liga de ferro fundido cinzento; 
ii) Apropriar-se dos conceitos mecânicos e metalúrgicos envolvidos no 
desenvolvimento de um disco de freio; 
iii) Viabilizar o desenvolvimento de um ensaio termomecânico eficiente capaz de 
avaliar a fadiga termomecânica; 
iv) Caracterizar o comportamento do material em estudo em relação à dureza, 
desgaste, morfologia, além dos parâmetros mecânicos como energia de 
fratura; 
v) Produzir relatório técnico do desenvolvimento desta analise termomecânica; 
vi) Publicar esse trabalho em congresso ou revista de relevância acadêmica; 
6 Metodologia 
 Para o desenvolvimento deste trabalho serão utilizadas as instalações do 
laboratório de física, laboratório de mecânica, laboratório de materiais e vibrações do 
6 
 
campus contagem, além de outros laboratórios da instituição que se fizerem 
necessários. 
 Inicialmente será realizada uma revisão bibliográfica sobre o tema, estudando os 
diversos tipos de liga de ferro fundido cinzento utilizados para a fabricação de disco de 
freio automotivo. Nessa etapa será realizado o estudo do objeto deste trabalho, 
entendendo os mecanismos necessários para criação e desenvolvimento de um 
dispositivo em seções independentes, atendendo as normas de segurança, para 
execução do ensaio. 
 Após apropriar-se da teoria envolvida serão desenvolvidos os cálculos das 
estruturas utilizando os bolsistas do curso de engenharia mecânica. 
 Em paralelo a isso, o dispositivo para a realização do ensaio, será modelado no 
programa solids-work por um dos bolsistas. 
 Tendo desenvolvido esse dispositivo será realizado o ensaio de fadiga 
termomecânica. Neste ensaio a temperatura do corpo de prova pode chegar até 600ºC 
e após o resfriamento do corpo-de-prova o mesmo será retirado e ensaiado na prensa 
DL 20000 do departamento de engenharia civil, obtendo os parâmetros mecânicos do 
material, além da energia de fratura. 
 Esses ensaios serviram para validar tanto a eficiência do dispositivo quanto a 
qualidade do material ensaiado. 
 Paralelo a isso, outras amostras serão retiradas e ensaios de microdureza, 
desgastes e morfologia superficial também serão realizados, utilizando o Microscópio 
Eletrônico de Varredura e/ou equipamentos fornecidos pela instituição. 
 Ao término do processo será redigido relatório técnico para submissão à PROPPg, 
bem como artigos técnicos-cientificos para publicação em congressos e/ou revistas de 
referência. 
7 Palavras Chaves 
 
 Fadiga Termomecânica 
7 
 
 Disco de Freio 
 Ferro Fundido Cinzento 
8 Unidades onde serão realizadas as atividades do projeto 
 Os ensaios serão realizados na Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – 
PUC/MG, nos campus Coração Eucarístico e Contagem, utilizando as instalações do 
laboratório de física (elétrica), laboratório de mecânica e laboratório de materiais de 
construção e laboratório de metrologia. 
9 Plano de Etapas do projeto 
Para este projeto se propõe as seguintes etapas: 
1-Inicialização 
2- Planejamento 
3- Desenvolvimento e Execução 
4- Elaboração de relatórios e textos 
 A primeira etapa consiste no estudo da arte com discussões com os professores 
orientadores no modo de abordagem do tema. Vencido essa etapa, a segunda será 
realização da revisão bibliográfica do trabalho, com estudos sobre os ensaios de fadiga 
termomecânica, cálculos estruturais do dispositivo, modelagem numérica do dispositivo 
e proposta de confecção do mesmo. 
 A terceira etapa será o desenvolvido o projeto propriamente dito, com a usinagem 
e solda do dispositivo e realização dos ensaios mecânicos, de caracterização e de 
fadiga termomecânica no ferro fundido cinzento. 
 A última etapa será a elaboração dos relatórios técnicos e do artigo com relevância 
acadêmica. 
A Tabela 1 apresenta a distribuição destas etapas durante o decorrer do projeto. 
 
 
8 
 
Tabela 1 – Plano de Etapas do Projeto 
Etapa Atividades 
Mês 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 
1 Etapa 
Estudo da Arte 
Definição dos 
parârmetros 
Metodologia do 
trabalho 
2 Etapa 
Revisão Bibliografica 
Estudo dos ensaios de 
fadiga 
 
Estudo dos ensaios de 
caracterização 
mecânica 
 
Cálculo estruturais do 
ensaio 
 
Modelagem numérica 
do ensaio 
 
Estudo da proposta e 
validação 
 
3 Etapa 
Confecção do 
dispositivo 
 
Realização dos ensaios 
mecânicos 
 
Realização dos ensaios 
de caracterização 
(micro dureza, 
desgastes, MEV) 
 
Ensaios de fadiga 
termomecânica 
 
Validação dos 
resultados 
 
4 Etapa 
Elaboração de 
relatórios, textos e 
artigos 
 
9 
 
10 Plano de trabalho dos Alunos de Iniciação Científica 
 
 As atividades dos alunos foram separadas em quatro etapas, aproximando-se 
muito do cronograma do projeto. Estas etapas são: 
 1 Etapa: Inicialização. 
 2 Etapa: Planejamento e Execução. 
 3 Etapa: Construção do equipamento. 
 4 Etapa: Encerramento com o relatório do projeto. 
 A primeira etapa será de responsabilidade simultânea dos dois alunos para que os 
mesmos assimilem os conceitos envolvidos do projeto. 
 A segunda etapa haverá divisão das tarefas, ficando o primeiro aluno responsável 
pelos estudos sobre os ensaios de fadiga termomecânica e cálculos estruturais do 
dispositivo, e o segundo aluno responsável pela modelagem numérica do dispositivo e 
proposta de confecção do mesmo. 
 A terceira etapa será realizada em conjunto pelos alunos, pois irá demandar 
esforços para confecção do dispositivo e realização dos ensaios. Com isso na Tabela 2 
apresenta-se as tarefas em conjunto. 
 A quarta etapa que é a elaboração dos textos, seja os relatórios parcial e final e o 
artigo científico serão desenvolvidos pelos dois alunos. 
 A tabela 2 apresenta a distribuição destas etapas durante o decorrer do projeto. 
 
 
 
 
 
 
10 
 
Tabela 2 – Plano de trabalho dos Alunos 
Etapa Atividades Bolsista 
Mês 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 
1 Etapa 
Estudo da Arte 1º 
2º 
Definição dos 
parârmetros 
1º 
2º 
Metodologia do 
trabalho 
1º 
2º 
2 Etapa 
Revisão Bibliografica 1º 
2º 
Estudo dos ensaios de 
fadiga 
1º 
Estudo dos ensaios de 
caracterização 
mecânica 
1º 
Cálculo estruturais do 
ensaio 
1º 
Modelagem numérica 
do ensaio 
2º 
Estudo da proposta e 
validação 
2º 
3 Etapa 
Usinagem do 
dispositivo 
 
1º 
2º 
Realização dos ensaios 
mecânicos 
1º 
2º 
Realização dos ensaios 
de caracterização 
(micro dureza, 
desgastes, MEV) 
1º 
 2º 
Ensaios de fadiga 
termomecânica 
1º 
2º 
Validação dos 
resultados 
1º 
2º 
4 Etapa 
Elaboração de 
relatórios, textos e 
artigos 
1º 
 
2º 
11 Resultados esperados 
Esse trabalho espera obter ao final da sua realização os seguintes produtos: 
11 
 
1 – Dispositivo que possibilitao ensaio de fadiga termomecânica. 
2 – Um relatório que comprove a eficiência do equipamento para ensaio em disco 
de freio de ligas de ferro fundido cinzento. 
3 - Artigos de referência acadêmica a ser publicado em congresso ou revista 
12 Referências Bibliográficas 
 
1 - Chiaverine, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. 7. ed. São Paulo: ABM, 2008. 
2 - Callister, Wiliam D.; DAVID G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais, uma 
Introdução. Tradução de Sergio M. Stamile S. 8. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013. 
3 - Askeland, Donald R.; PHULÉ, Pradeep P.Ciência e Engenharia dos Materiais. 
Tradução de Vertice Translate e All Tasks. São Paulo: Cengage Learning, 2008. 
4 - Souza, Sérgio Augusto de.; Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. 5. Ed. São 
Paulo: Blucher, 1982. 
5 - Guesser, Wilson L. Ferros Fundidos Empregados para Discos e Tambores de freio. 
Brake Colloquium, SAE Brazil, Gramado RS 2003. Disponível em: < 
www.tupy.com.br/downloads/guesser/ferro_fund_freio.pdf >. Acesso em: 15 mai, 2017. 
6 - Gell M, Duhl DN, Geamei AF. The development of single crystal superalloy turbine 
blades. In: High Temperature Alloys Committee of Metallurgical Society of AIME and the 
Power Activity of Materials Systems and Design Division of ASM. Proceedings of the 
Fourth International Symposium on Superalloys; 21-25 Sep. 1980; Champion, USA. 
ASM; 1980. p. 205-214. 
7 - Harris K, Erickson GL, Schwer RE. Development of CMSX series of single-crystals 
alloys for advanced technology turbine components. In: American Institute of Mining, 
Metallurgical, and Petroleum Engineers. Proceedings of the TMS-AIME Fall Meeting; 
1982; St. Louis, USA. Warrendale: TMS; 1982. 
8 - Date CG. TMF design considerations in turbine airfoil of advanced turbine engines. 
In: American Society of Mechanical Engineers. Proceedings of the Symposium, 112th 
ASME Winter Annual Meeting; 1-6 Dec. 1991; Atlanta, USA. Nova Iorque: ASME; 1991. 
P.59-64. 
9 - Erickson GL, Harris K. DS and SX for industrial turbines. In: Coutsouradis D., et al., 
editors. Materials for advanced power engineering, Part II. Amsterdam: Kluwer 
Academic Publishers; 1994. p.1055-74. 
12 
 
10 - American Society for Testing Materials. ASTM E606-04: Standard practice for 
strain-controlled fatigue testing. West Conshohocken: ASTM; 2004. 
http://dx.doi.org/10.1520/E0606-04. 6 American Society for Testing Materials. ASTM 
E2368-04: Standard practice for strain controlled thermomechanical fatigue testing. 
West Conshohocken: ASTM; 2004. http://dx.doi.org/10.1520/E2368-04.