CONEM2024-1456

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<p>Sóstenes Pinheiro Campos 1;</p><p>Adilto Pereira Andrade Cunha 2;</p><p>Alisson Augusto Azevedo Figueiredo 1,2.</p><p>1 Instituto Federal do Maranhão - IFMA</p><p>2 Universidade Estadual do Maranhão - UEMA</p><p>02/08/2024</p><p>CONEM 2024-1456</p><p>ANÁLISE DA TRANSFERÊNCIA DE</p><p>CALOR DURANTE O AQUECIMENTO</p><p>ATÉ A TEMPERATURA DE</p><p>AUSTENITIZAÇÃO DOS AÇOS SAE</p><p>1020 E 1045</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>Os tratamentos térmicos são muito utilizados em componentes metálicos</p><p>Fig. 1. Tratamento térmico. Fonte: PORTAL AQUECIMENTO INDUSTRIAL, 2020.</p><p>2</p><p>OBJETIVOS</p><p>▪ Avaliar a transferência de calor de forma experimental durante o</p><p>aquecimento dos aços SAE 1020 e 1045.</p><p>▪ Estimar o tempo mínimo necessário para a total austenitização das</p><p>amostras em um forno mufla.</p><p>3</p><p>METODOLOGIA</p><p>Aquecimento em um forno mufla</p><p>O aquecimento de peças metálicas é resultado da energia térmica total</p><p>absorvida por sua superfície.</p><p>Fig. 2. (a) ilustração da peça inserida no forno e (b) Troca de calor entre a peça e o ar no interior do forno.</p><p>(a)</p><p>(b)</p><p>4</p><p>METODOLOGIA</p><p>Aquecimento em um forno mufla</p><p>Taxa total de calor transferida entre a peça e o meio externo, é dada por :</p><p>Simplificando para um único coeficiente combinado de transferência de calor,</p><p>tem-se;</p><p>qtotal = qconv + qrad = hconvAs T − T∞ + εσAs T4 −Tviz</p><p>4 (1)</p><p>ℎ𝑐𝑜𝑚𝑏= ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 + ℎ𝑟𝑎𝑑 (3)</p><p>𝑞𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ℎ𝑐𝑜𝑚𝑏𝐴𝑠 𝑇 − 𝑇∞ (2)</p><p>5</p><p>METODOLOGIA</p><p>Método da Capacitância Global</p><p>Considera a resistência a condução no interior do sólido desprezível.</p><p>Fig. 3. Método da capacitância global.</p><p>Fonte: INCROPERA et al, 2012.</p><p>ℎ𝑐𝑜𝑚𝑏 =</p><p>𝜌𝑉𝑐𝑝</p><p>𝑡𝐴𝑠</p><p>ln</p><p>𝑇𝑖 − 𝑇∞</p><p>𝑇 − 𝑇∞</p><p>(4)</p><p>𝐵𝑖 =</p><p>ℎ𝑐𝑜𝑚𝑏𝐿𝐶</p><p>𝑘</p><p>< 0,1 (5)</p><p>𝐿𝐶 =</p><p>𝑉</p><p>𝐴𝑆</p><p>6</p><p>METODOLOGIA</p><p>Convecção natural</p><p>Movimento do fluido é induzido por diferenças de densidade resultantes de</p><p>gradientes de temperatura no fluido.</p><p>𝑅𝑎𝐷 = 𝐺𝑟𝐷 Pr =</p><p>𝑔𝛽(𝑇𝑠 − 𝑇∞)𝐷</p><p>3</p><p>ν2</p><p>Pr =</p><p>𝑔𝛽(𝑇𝑠 − 𝑇∞)𝐷</p><p>3</p><p>ν𝛼</p><p>(6)</p><p>𝑁𝑢𝐷 = 0,60 +</p><p>0,387𝑅𝑎𝐷</p><p>Τ1 6</p><p>1+ Τ0,559 𝑃𝑟 Τ9 16</p><p>Τ8 27</p><p>2</p><p>(7)</p><p>ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 =</p><p>𝑘𝑎𝑟</p><p>𝐷</p><p>𝑁𝑢𝐷 (8)</p><p>ℎ𝑟𝑎𝑑 = ℎ𝑐𝑜𝑚𝑏 − ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣</p><p>Fig. 4 – Convecção de uma superfície</p><p>para um fluido em movimento.</p><p>7</p><p>METODOLOGIA</p><p>Procedimento experimental</p><p>Fig. 6. Fluxograma das etapas do procedimento</p><p>experimental.</p><p>Preparação das amostras</p><p>Aquecimento do forno</p><p>Aquisição dos dados</p><p>Análise dos dados</p><p>Inserir a amostra no forno</p><p>Fig. 5. Desenho esquemático da</p><p>configuração do experimento.</p><p>8</p><p>METODOLOGIA</p><p>Procedimento experimental</p><p>Aço C Si S Mn P Cr Mo Fe</p><p>1020 0,21 0,25 0,025 0,55 0,025 0,043 - 98,77</p><p>1045 0,47 0,32 0,005 0,71 0,009 0,18 0,005 -</p><p>Tab. 1. Composições químicas dos aços estudados (em %).</p><p>Fontes: Gulvir e Pradeep (2022) e Steven et al., (2021).</p><p>Fig. 7. Variação do calor específico e</p><p>condutividade térmica em função da</p><p>temperatura dos aços SAE 1020 e 1045.</p><p>9</p><p>METODOLOGIA</p><p>Procedimento experimental</p><p>Fig. 8. Preparação da amostra: (a) dimensões da amostra</p><p>usinada e (b) peça pronta para o experimento.</p><p>(a) (b)</p><p>Fig. 9. Amostra inserida no forno.</p><p>✓ A peça foi cortada, furada e escovada.</p><p>✓ O forno possui 300 mm de profundidade, a peça adentra apenas 160 mm sendo posicionado no</p><p>centro geométrico do forno.</p><p>10</p><p>RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Aquecimento para o aço SAE 1020</p><p>Fig. 10. Aquecimento da peça de aço 1020: (a) repetições dos experimentos e (b) média dos experimentos.</p><p>(a) (b)</p><p>✓ Temperatura final da peça – 857 ºC;</p><p>✓ Transformação de fase – temperatura de 741,9 °C, tempo inicial 350 s e duração de 19 s.</p><p>11</p><p>RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Aquecimento para o aço SAE 1020</p><p>Fig. 11. Coeficiente de transferência de calor para o aço 1020: (a) sem filtro e (b) com filtro</p><p>(a) (b)</p><p>✓ ℎ𝑐𝑜𝑚𝑏 = 149,16 W/(m²K); ℎ𝑟𝑎𝑑 = 140,59 W/(m²K) e ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 = 8,57 W/(m²K)</p><p>✓ O número de Biot médio foi de 0,02, inferior a 0,1.</p><p>12</p><p>RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Aquecimento para o aço SAE 1020</p><p>Fig. 12. Taxa de calor para o aço 1020: (a) sem filtro e (b) com filtro.</p><p>(a) (b)</p><p>✓ A taxa combinada atingiu 331,1 W aos 29 s.</p><p>✓ A convecção é considerada desprezível a partir dos 300 s.</p><p>✓ A radiação tende a 0 W próximo aos 370 s durante a mudança de fase.</p><p>13</p><p>RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Aquecimento para o aço SAE 1045</p><p>Fig. 13. Aquecimento da peça de aço 1045: (a) média dos experimentos, (b) coeficientes e (c) taxas de calor..</p><p>(a) (b) (c)</p><p>✓ Aqueceu até 869,1 °C; Em 337 s, atingiu 751,9 °C, ocorreu a mudança de fase durante 49 s.</p><p>✓ ℎ𝑐𝑜𝑚𝑏 = 175,70 W/(m²K); ℎ𝑟𝑎𝑑 = 167,44 W/(m²K) e ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 = 8,62 W/(m²K); Bi =0,02.</p><p>✓ A taxa é alta no início atingindo 650 W em 27 s.</p><p>14</p><p>RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Comparação entre os resultados para os aços SAE 1020 e 1045</p><p>Fig. 14. comparação dos aços 1020 e 1045: (a) média dos aquecimentos, (b) coeficientes e (c) taxas de calor.</p><p>(a) (b) (c)</p><p>O aço 1045 alcança a temperatura de mudança de fase mais rapidamente, o processo dura 127,9</p><p>% mais, o coeficiente de transferência de calor é 12,7 % maior, em relação ao aço 1020.</p><p>15</p><p>CONCLUSÃO</p><p>✓ O coeficiente e taxa de transferência de calor foram diretamente proporcionais a</p><p>diferença de temperatura entre a peça e o forno, e maiores no aço SAE 1045.</p><p>✓ O tempo mínimo necessário para os aços SAE 1020 e 1045 aquecidos à 900 °C</p><p>atingirem a temperatura de transformação de fase foi de 350 e 337 s,</p><p>respectivamente.</p><p>✓ A austenitização total da microestrutura dos materiais durou 19 e 49 s para os aços</p><p>SAE 1020 e 1045, respectivamente.</p><p>✓ Portanto, os resultados mostraram que o calor específico e a composição química</p><p>dos metais influenciam diretamente no tempo de aquecimento e de transformação de</p><p>fase, principalmente o teor de carbono e elementos de liga.</p><p>16</p><p>REFERÊNCIAS</p><p>PORTAL AQUECIMENTO INDUSTRIAL. A importância do tratamento térmico para alcançar o maior</p><p>rendimento das ferramentas. 2020. 5p mtctra - Diadema, São Paulo.</p><p>INCROPERA, Frank P. et al. Fundamentals of heat and mass transfer. 6th ed. 2012.</p><p>STEVEN W. Thompson, VENKKATEESH Parthasarathi, KIP O. Findley, A comparison of bending-fatigue</p><p>properties of surface-induction-hardened SAE 1045 bar steels with and without vanadium and the influence of</p><p>comparable low-temperature induction-tempering and furnace-tempering treatments, Materials Science and</p><p>Engineering: A, Volume 807, 2021.</p><p>GULVIR Singh, PRADEEP K. Singh, Effect of process parameters on roll separating force, driving torque and end</p><p>crop length during grooved hot rolling of SAE 1020 steel, Journal of Manufacturing Processes, Volume 79,</p><p>Pages 1003-1016, ISSN 1526-6125, 2022.</p><p>17</p><p>18</p><p>Slide 1</p><p>Slide 2: INTRODUÇÃO</p><p>Slide 3: OBJETIVOS</p><p>Slide 4: METODOLOGIA</p><p>Slide 5: METODOLOGIA</p><p>Slide 6: METODOLOGIA</p><p>Slide 7: METODOLOGIA</p><p>Slide 8: METODOLOGIA</p><p>Slide 9: METODOLOGIA</p><p>Slide 10: METODOLOGIA</p><p>Slide 11: RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Slide 12: RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Slide 13: RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Slide 14: RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Slide 15: RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>Slide 16: CONCLUSÃO</p><p>Slide 17: REFERÊNCIAS</p><p>Slide 18</p>