Congresso Técnico Científico da Engenharia e da Agronomia
CONTECC’ 2015
Centro de Eventos do Ceará - Fortaleza - CE
15 a 18 de setembro de 2015
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DO TAMANHO DE GRÃO SOBRE A
TENACIDADE À FRATURA DE UM AÇO BAIXO CARBONO
JOSÉ MÁSPOLI FERREIRA PEREIRA1, FRANCISCO EDSON NOGUEIRA FRAGA2*, YCARO JORGE
MAIA DA COSTA3
1
2
Bolsista PET Mecânica&Energia, UFERSA, Mossoró-RN, [email protected]
Prof. Dr. em Eng. Mecânica, UFERSA, Mossoró-RN, Tutor do PET Mecânica&Energia, [email protected]
3
Bolsista PET Mecânica&Energia, UFERSA, Mossoró-RN, [email protected]
Apresentado no
Congresso Técnico Científico da Engenharia e da Agronomia – CONTECC’ 2015
15 a 18 de setembro de 2015 - Fortaleza-CE, Brasil
RESUMO: O presente trabalho é uma compilação de resultados obtidos em aulas de laboratório que
objetivaram não só apresentar os procedimentos de realização de ensaios de impacto charpy, mas
principalmente, demonstrar alguns conceitos de engenharia por meio de experimentos para avaliar a
influência da temperatura e do tamanho de grão sobre a tenacidade à fratura de um aço baixo carbono.
Foram realizados ensaios charpy com corpos de prova de aço SAE 1020 em três condições distintas:
recozido e à temperatura ambiente; encruado e à temperatura ambiente; encruado e à temperatura de
0°C. Os resultados permitiram demonstrar que, tanto a redução da temperatura quanto o aumento do
tamanho do grão, provocam perda de tenacidade à fratura ao impacto.
PALAVRAS–CHAVE: Ensaio charpy,
INFLUENCE OF TEMPERATURE AND GRAIN SIZE ON THE TOUGHNESS TO
FRACTURE OF LOW CARBON STEEL
ABSTRACT: Work present and a compilation of results obtained in laboratory classes that aimed to
present only do not impact trials procedures charpy, but mainly demonstrate some engineering
concepts for experiments of middle to evaluate the influence of temperature and size about grain
fracture toughness of hum steel Low carbon. Were done testing with charpy test pieces of steel SAE
1020 in three different conditions: annealed at room temperature; hardened by plastic deformation at
room temperature; hardened by plastic deformation and 0 ° C. The results allowed to demonstrate that
both temperature reduction and the increase of grain size, causing loss of fracture toughness to impact.
KEYWORDS: Charpy test, soil potential, sustainable agriculture, geo.
INTRODUÇÃO
O ensaio de impacto Charpy foi inicialmente proposto durante a segunda guerra mundial.
Engenheiros caracterizaram o fenômeno da fratura frágil ao estudarem a alta incidência desse tipo de
falha em estruturas de aço de navios de guerra (Garcia, Spim e Santos, 2012; Callister, 2012).
Por meio de ensaios de impacto é possível avaliar a influência de diversas variáveis que
podem causar perda de tenacidade em um aço, como por exemplo, presença de microconstituintes
frágeis, redução da temperatura em serviço, crescimento acentuado do tamanho de grão, presença de
concentradores de tensão. Ensaios de impacto permitem também identificar faixa de temperatura de
transição dúctil-frágil (Fabricio et al., 2014; Magnabosco e Bergamo, 2015; Callister, 2012.).
De acordo com a mudança de uma dessas variáveis, um material que inicialmente apresente
comportamento completamente dúctil, pode passar a apresentar-se frágil. Conhecer como essas
variáveis atuam sobre a tenacidade de um material é muito importante para evitar falhas catastróficas.
Os ensaios de impacto possuem um caráter quantitativo, ao medir a quantidade de energia
absorvida no impacto, mas também qualitativo, ao permitir avaliar o aspecto visual da superfície
fraturada e identificar a porcentagem do tipo de fratura (dúctil e/ou frágil) que ocorre. A fratura dúctil
apresenta uma superfície com aspecto opaco e com deformações plásticas e a fratura frágil apresenta
uma superfície facetada e brilhosa e sem deformações (Callister, 2012; Garcia, Spim e Santos, 2012)
Esses ensaios permitem ainda uma avaliação qualitativa da capacidade de absorção de energia,
comparando-se a quantidade de deformação plástica do corpo de prova rompido, entre diferentes
condições de ensaios.
Outra característica importante dos ensaios de impacto é viabilizarem o estudo e
caracterização da transição dúctil-frágil, faixa de temperatura em que o material passa de dúctil para
frágil em decorrência da redução da temperatura (Callister, 2012).
Duas variáveis que foram estudadas nesse trabalho foram a influência do tamanho do grão
(TG) e a temperatura de serviço em que o material se encontra.
Um aço recozido apresentará maior ductilidade do que quando encruado e, consecutivamente,
poderá apresentar também maior tenacidade. Todavia, um crescimento acentuado do TG poderá
provocar perda de tenacidade. O contorno de grão é uma parreira para a propagação de trincas. A
medida que o grãos crescem, a quantidade de contornos de grão se reduz e a propagação de trincas
intergranulares é facilitada, o que provocará queda de tenacidade do material mesmo com o aumento
da ductilidade (Padilha, Siliciano Junior, 2005).
O presente trabalho é uma compilação de resultados obtidos em aulas práticas de laboratório,
que objetivaram não só apresentar os procedimentos de realização de ensaios de impacto charpy, mas
principalmente, demonstrar alguns conceitos de engenharia por meio de experimentos para avaliar a
influência da temperatura e do tamanho de grão sobre a tenacidade à fratura do aços.
No âmbito educacional, conforme discutido por Maines (2001), os currículos de engenharia
em nosso país devem ser repensados segundo a necessidade de se reduzir o tempo em sala de aula,
favorecendo o trabalho prático individual e em grupo dos estudantes.
Este trabalho é um reflexo de que aulas práticas podem viabilizar ao aluno apreender conceitos
mais aprofundados de engenharia, especialmente quando se consegue envolver nas aulas experimentos
que busquem retratar os conceitos estabelecidos na literatura. Os resultados apresentados aqui estão
em concordância com o conhecimento científico, facilitando o aprendizado aprofundado do aluno.
MATERIAL E MÉTODOS
Os ensaios de impacto foram realizados usando corpos de prova charpy, confeccionados em
aço SAE 1020. Medidas segundo a norma ASTM E23-94a, ilustradas na figura 01. O material
utilizado para a confecção dos corpos de prova (CP) foi uma barra chata de aço laminado com
dimensões de 2” x 1/2”. Material obtido no comercio local.
Figura 01: Medida do corpo de prova em mm.
Fonte: Souza (1982).
Avaliou-se três condições: material com grãos grosseiros e à temperatura ambiente; material
encruado e à temperatura ambiente; material encruado e à temperatura de 0ºC. Foram confeccionados
6 (seis) CP’s para cada condição, totalizando uma quantidade de 18 CP´s.
Para a confecção dos CP’s na condição “com grãos grosseiros”, previamente o material com
as dimensões em bruto sofreu um tratamento de recozimento à uma temperatura de 850°C por 4 horas
e depois resfriando dentro do forno desligado.
A condição “encruado” é a própria do material utilizado, do qual foram confeccionados 12
(doze) CP’s. Metade destes foi utilizado à temperatura ambiente, em torno de 28 °C. A outra metade
foi congelado individualmente dentro de copos com água a fim de se obter a condição de temperatura
à 0°C, onde, o gelo era quebrado para retirar o CP e ensaiado imediatamente.
Foi utilizado um pirômetro para monitorar a temperatura dos CP’s no instante dos ensaios,
com o qual identificou-se que os CP’s congelados (0ºC) não ultrapassaram 4°C quando removidos do
gelo e logo ensaiados.
Foi realizada metalografia para caracterização da microestrutura encruada e recozida. Também
foi feita a inspeção visual da superfície fraturada de todos os corpos de prova para identificar o tipo de
falha, se dúctil e ou frágil.
Os ensaios foram realizados em uma máquina de ensaio charpy, modelo JB-W300 A, usando
um martelo pendular de 300 (J), com o corpo de prova em apoio simples. Estão reunidos aqui os
resultados experimentais de seis aulas práticas. Em cada aula prática eram feitos três ensaios, sendo
obtidos um resultado para cada condição à serem discutidos pelos alunos em grupos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na figura 02 são ilustradas metalografias representativas das microestruturas dos CP’s
encruados (a) e recozidos (b). Comparando-se as duas imagens, pode-se constatar nas amostras
recozidas um aumento superior a duas vezes o TG das amostras encruadas. Evidenciando que, de fato,
o tratamento térmico de recozimento que foi feito aumentou a granulometria do material.
Figura 02: Microestrutura com aumento de 100x do aço SAE 1020 (a) encruado e (b) recozido.
(a)
(b)
Fonte: Autoria própria (2015).
Os resultados obtidos nas práticas de ensaio Charpy se encontram na tabela abaixo, com
respectivos valores de média e desvio padrão apresentados nas duas últimas linhas. Esses resultados
estão plotados no gráfico apresentado na figura 03 valore média com o desvio padrão em parênteses.
Tabela 01: Dados do ensaio charpy, com
respectivas média e desvio.
Resultados ensaios de impacto (J)
RECOZIDO ENCRUADO
Temp. Amb. Temp. Amb.
68,0
51.8
66,0
83,0
69,0
52,0
79,0
74,0
66,0
52,0
69,0
58,0
M
69,5
63,8
S
(4,8)
(14,0)
Fonte: Autoria Própria (2015).
Figura 03: Gráfico com os resultados de média
desvio padrão dos ensaios charpy.
ENCRUADO
Temp. 0°C
42,0
40,0
43,0
40,0
35,0
34,0
39,0
(3,7)
Fonte: Autoria Própria (2015).
Comparando-se as condições “Recozido/Temp.Ambiente” X “Encruado/Temp.Ambiente”,
primeira e segunda colunas da tabela, constata-se que o crescimento de grão promoveu um aumento da
tenacidade do material. A energia média absorvida na condição “Encruado/Temp.Ambiente” foi de
63,8J enquanto que na condição “Recozido/Temp.Ambiente” foi de 69,5J. No entanto, esse aumento
não foi significativo, uma vez que o desvio padrão dos resultados para a condição
“Encruado/Temp.Ambiente” abrangeram os valores obtidos na condição “Recozido/Temp.Ambiente”.
Agora, comparando as condições “Encruado/Temp.Ambiente” X “Encruado/Temp 0ºC”,
respectivamente segunda e terceira colunas da tabela, constata-se que a redução de temperatura de
28ºC para próximo de 0ºC reduziu a tenacidade do material de modo significativo. A condição
“Encruado/Temp.Ambiente” absorveu 63,8J enquanto que a condição “Encruado/Temp.0ºC” absorveu
uma energia de impacto de 39,0J.
Analisando o aspecto da superfície fraturada dos corpos de prova e, comparando essas com os
resultados obtidos nessa análise anterior, em que o material à temperatura ambiente absorveu bem
mais energia de impacto do que o mesmo material em temperaturas próximo à 0°C, foi possível
caracterizar que as fraturas nessa temperatura mais baixa ocorreram na transição dúctil-frágil, pois foi
observada na fratura destes corpos de prova uma parcela de fratura dúctil (aspecto superficial opaco) e
uma parcela de fratura frágil (aspecto superficial brilhoso), além de menor deformação plástica dos
corpos de prova em relação aos CP’s na condição à temperatura ambiente.
CONCLUSÕES
O tratamento térmico para crescimento de grão que foi realizado aqui, causou um ligeiro
aumento na capacidade de absorção de energia ao impacto, quando comparado com a amostra
encruada e à mesma temperatura, demostrando que o crescimento de grão obtido, apesar de moderado,
pouco modificou a tenacidade do aço em estudo.
A redução da temperatura para valores entre 0ºC e 4ºC provocou uma redução significativa na
capacidade de absorção de energia ao impacto. O aspecto visual das fraturas dos corpos de prova
comprovaram que as amostras encruadas, quando ensaiadas à temperatura ambiente, comportaram-se
quase que completamente dúctil e, quando ensaiados à próximo de 0ºC, as fraturas apresentaram-se
frágil com alguma parcela dúctil.
REFERÊNCIAS
Callister, William D. Ciência e Engenharia dos materiais: uma introdução. 8. ed. Rio de Janeiro: Ltc,
2012.
Fabricio, Daniel Antonio Kapper et al. Acreditação do ensaio de impacto charpy: o caso do
lamef. 2014. Disponível em:
<Http://www.resag.org.br/congressoresagenqualab2014/anais/trabalhos/danielantoniokapperfabricio2.
pdf>.
Garcia, Amauri; SPIM, Jaime Alvares; SANTOS, Carlos Alexandre dos. Ensaio dos Materiais. 2. ed.
Rio de Janeiro: Ltc, 2012. 365 p.
Magnobosco, Rodrigo; Bergamo. Influência da energia de impacto na energia absorvida em ensaio
charpy
de
aços
com
estrutura
ferrita-martensita. 2015.
Disponível
em:
<http://www.researchgate.net/profile/Rodrigo_Magnabosco/publication/265938848_INFLUNCI
A_DA_ENERGIA_DE_IMPACTO_NA_ENERGIA_ABSORVIDA_EM_ENSAIO_CHARPY_
DE_AOS_COM_ESTRUTURA_FERRITAMARTENSITA/links/54cf5b930cf24601c0933d84.pdf>.
Maines, Alexandre. Ensino de engenharia – Tendência de Mudanças. XXIX COBENGE - Congresso
Brasileiro de Educação em Engenharia. Porto Alegre/RS. 2001. Disponível em:
<http://www.abenge.org.br/CobengeAnteriores/2001/trabalhos/FCU011.pdf>.
Padilha, Ângelo Fernando; Siliciano Junior, Fulvio. Encruamento, recristalização, crescimento de grão
e textura. 3. ed. São Paulo: Abm, 2005. 232 p.
Souza, Sérgio Augusto de. Ensaios mecânicos de materiais metálicos: fundamentos teóricos e práticos. 5.
ed. São Paulo: Edgard Blucher Ltda., 1982. 286 p.