Ministério da Educação
Secretaria de Educação Profissional
e Tecnológica
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA MECÂNICA E MATERIAIS
CURSO TECNICO DE MECÂNICA
2009
Aço superduplex SAF 2507
Laboratório de Metalografia
Professoras:
Maria Dorotéia Costa Sobral
Dilcian Gomes Ribeiro de Oliveira
A apostila é uma compilação de textos, alguns com pequenas modificações, da bibliografia
recomendada, e não substitui os livros.
Bibliografia Recomendada
A bibliografia denominada de básica pode ser encontrada na Biblioteca do IFBA. Os três
volumes do Chiaverini, Tecnologia Mecânica [1] contém todo o assunto estudado em
Tecnologia dos Materiais, exceto a parte referente à prática de Metalografia, que pode ser
encontrada no livro de Colpaert [5]. O livro que melhor explica os ensaios mecânicos é o
livro de Souza [2]. O livro de Remy [6] foi escrito em linguagem mais simples, mas a
norma utilizada é a alemã (DIN) e não a que é usada no Brasil (ABNT).
Da lista da bibliografia complementar, os livros mais baratos são os do Telecurso 2000 da
Editora Globo.
Básica
1. Chiaverini, Vicente. Tecnologia Mecânica. Vol. I, II e III. Ed. McGraw-Hill. 1986.
2. Souza, S. Augusto. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. Editora Edgard
Blutcher Ltda. 1982.
3. Chiaverini, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. ABM. 1987.
4. Van Vlack, L. H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais. Ed. Campus.
1970.
5. Colpaert, Hubertus, Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 1969.
6. Remy, A., Gay, M. e Gonthier, R. Materiais. Ed. Hemus.
7. Coutinho, Telmo de Azevedo. Análise e Prática Metalográfica. Ed.
8. Fazano, Carlos Alberto T. V. A Prática Metalográfica. Ed.
9. Catálogos Técnicos (diversos)
10. Costa e Silva, A. L. e Mei, P. R. Aços e Ligas Especiais. Villares Metals S. A. 1988.
Complementar
•
Higgins, R. A. Propriedades e Estrutura dos Materiais em Engenharia. Editora Difel.
1982.
•
Coutinho, C. Bottrel. Materiais Metálicos para Engenharia. 1992.
•
Garcia, Amauri; Spim, J. A. e Santos, C. A. dos. Ensaios dos Materiais, Editora LTC.
2000.
•
Telecurso 2000, Apostila. Mecânica, Ensaios. Editora Globo. 1995
•
Telecurso 2000, Apostila. Mecânica, Materiais. Editora Globo. 1995.
•
Telecurso 2000, Apostila. Tratamentos Térmicos e Tratamentos de Superfície. Editora
Globo. 1995
•
Freire, J. M. Materiais de Construção Mecânica. L. T. C. 1983.
2
PORQUE ENSAIAR?
Como você se sentiria se a chave que acabou de mandar fazer quebrasse ao dar a
primeira volta na fechadura? Ou se a jarra de vidro refratário que a propaganda diz que
pode ir do fogão ao freezer trincasse ao ser enchida com água fervente? Ou ainda, se o
seu guarda-chuva virasse ao contrário em meio a um temporal?
É. Hoje em dia ninguém se contenta com objetos que apresentem esses resultados. Mas
por longo tempo essa foi a única forma de avaliar a qualidade de um produto!
Nos séculos passados, como a construção dos objetos era essencialmente artesanal,
não havia um controle de qualidade regular dos produtos fabricados. Avaliava-se a
qualidade de uma lâmina de aço, a dureza de um prego, a pintura de um objeto
simplesmente pelo próprio uso.
Um desgaste prematuro que conduzisse à rápida quebra da ferramenta era o método
racional que qualquer um aceitava para determinar a qualidade das peças, ou seja, a
análise da qualidade era baseada no comportamento do objeto depois de pronto.
O acesso a novas matérias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricação
obrigaram a criação de métodos padronizados de produção, em todo o mundo. Ao
mesmo tempo, desenvolveram-se processos e métodos de controle de qualidade dos
produtos.
Atualmente, entende-se que o controle de qualidade precisa começar pela matéria-prima
e deve ocorrer durante todo o processo de produção, incluindo a inspeção e os ensaios
finais nos produtos acabados.
Nesse quadro, é fácil perceber a importância dos ensaios de materiais: é por meio deles
que se verifica se os materiais apresentam as propriedades que os tornarão adequados
ao seu uso.
Que propriedades são essas, que podem ser verificadas nos ensaios?
Para que servem os ensaios?
Se você parar para observar crianças brincando de cabo-de-guerra, ou uma dona de
casa torcendo um pano de chão, ou ainda um ginasta fazendo acrobacias numa cama
elástica, verá alguns exemplos de esforços a que os materiais estão sujeitos durante o
uso.
Veja a seguir a representação esquemática de alguns tipos de esforços que afetam os
materiais.
Figura 1. Tipos de esforços a que estão submetidos os materiais.
3
É evidente que os produtos têm de ser fabricados com as características necessárias
para suportar esses esforços. Mas como saber se os materiais apresentam tais
características?
Realizando ensaios mecânicos! Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos
padronizados que compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, tudo
isso em conformidade com normas técnicas.
Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que vai
ser processado industrialmente a situações que simulam os esforços que eles vão sofrer
nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação.
Onde são feitos os ensaios
Os ensaios podem ser realizados na própria oficina ou em ambientes especialmente
equipados para essa finalidade: os laboratórios de ensaios. Os ensaios fornecem
resultados gerais, que são aplicados a diversos casos, e devem poder ser repetidos em
qualquer local que apresente as condições adequadas.
São exemplos de ensaios que podem ser realizados na oficina:
Ensaio por lima - É utilizado para verificar a dureza por meio do corte do cavaco.
Quanto mais fácil é retirar o cavaco, mais mole o material. Se a ferramenta desliza e não
corta, podemos dizer que o material é duro.
Ensaio pela análise da centelha - É utilizado para fazer a classificação do teor de carbono
de um aço, em função da forma das centelhas que o material emite ao ser atritado num
esmeril. Por meio desses tipos de ensaios não se obtêm valores precisos, apenas
conhecimentos de características específicas dos materiais. As informações servem de
comparação entre os materiais.
Cabeçote
móvel
Garras de
fixação
Corpo de
prova
Extensômetro
Base fixa
Dinamômetro
Figura 2. Máquina de Ensaios Universal.
Os ensaios podem ser realizados em protótipos, no próprio produto final ou em corpos de
prova e, para serem confiáveis, devem seguir as normas técnicas estabelecidas.
4
Imagine que uma empresa resolva produzir um novo tipo de tesoura, com lâmina de aço
especial. Antes de lançar comercialmente o novo produto, o fabricante quer saber, com
segurança, como será seu comportamento na prática.
Para isso, ele ensaia as matérias-primas, controla o processo de fabricação e produz
uma pequena quantidade dessas tesouras, que passam a ser os protótipos. Cada uma
dessas tesouras será submetida a uma série de testes que procurarão reproduzir todas
as situações de uso cotidiano. Por exemplo, o corte da tesoura pode ser testado em
materiais diversos, ou sobre o mesmo material por horas seguidas. Os resultados são
analisados e servem como base para o aperfeiçoamento do produto.
Os ensaios de protótipos são muito importantes, pois permitem avaliar se o produto
testado apresenta características adequadas à sua função. Os resultados obtidos nesses
testes não podem ser generalizados, mas podem servir de base para outros objetos que
sejam semelhantes ou diferentes.
Já os ensaios em corpos de provas, realizados de acordo com as normas técnicas
estabelecidas, em condições padronizadas, permitem obter resultados de aplicação mais
geral, que podem ser utilizados e reproduzidos em qualquer lugar.
Propriedades dos materiais
Todos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes à construção de
máquinas e estruturas, estão intimamente ligados aos materiais e às suas propriedades.
Tomando como base as mudanças que ocorrem nos materiais, essas propriedades
podem ser classificadas em dois grupos:
· físicas;
· químicas.
Se colocarmos água fervente num copo descartável de plástico, o plástico amolece e
muda sua forma. Mesmo mole, o plástico continua com sua composição química
inalterada. A propriedade de sofrer deformação sem sofrer mudança na composição
química é uma propriedade física.
Por outro lado, se deixarmos uma barra de aço-carbono (ferro + carbono) exposta ao
tempo, observaremos a formação de ferrugem (óxido de ferro: ferro + oxigênio). O açocarbono, em contato com o ar, sofre corrosão, com mudança na sua composição
química. A resistência à corrosão é uma propriedade química. Entre as propriedades
físicas, destacam-se as propriedades mecânicas, que se referem à forma como os
materiais reagem aos esforços externos, apresentando deformação ou ruptura.
Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas constituem as características mais importantes dos metais
para sua aplicação no campo da engenharia, visto que o projeto e a execução das
estruturas metálicas, quer móveis, quer fixas, assim como a confecção dos componentes
mecânicos são baseados no seu conhecimento.
As propriedades mecânicas definem o comportamento de um material quando sujeito a
esforços mecânicos e correspondem às propriedades que, num determinado material
indicam a sua capacidade de transmitir e resistir aos esforços que lhe são aplicados, sem
romper ou sem que se verifiquem deformações incontroláveis.
Esses esforços mecânicos são os mais variados.
Eles podem significar a aplicação de uma carga de modo lento e gradual; neste caso a
natureza do esforço é estática, como tração, compressão, dobramento, torção etc. A
aplicação da carga pode ser feita de modo repentino como o choque. Sua natureza é
dinâmica.
Finalmente os esforços podem ser repetidos, a carga variando repetidamente, seja em
valor, seja em direção, como na fadiga.
Para ter-se uma melhor visão do comportamento dos metais quando sujeitos a esses
tipos de esforços - para o que se utilizam os chamados “ensaios mecânicos” – é
necessário definir com precisão alguns conceitos fundamentais.
5
Definições – Na determinação das propriedades mecânicas, aplicam-se cargas
expressas em kgf. Como resultado dessa aplicação, ocorre uma distribuição interna de
forças ou componentes de forças que pode resultar numa mudança na forma da peça
submetida à carga. Define-se tensão como a intensidade dessas forças,
correspondendo, portanto, à carga dividida pela secção transversal do corpo. A tensão é
expressa em kgf/mm2 ou MPa1.
Há três tipos básicos de tensões, em função do tipo de carga aplicada:
Plano de
tensão
Tração
Compressão
Cisalhamento
Figura 3. Tensões em função da carga aplicada.
-
tensão de tração, na qual há uma tendência de separação do material em duas
partes, em relação ao plano de tensão;
tensão de compressão, que é o inverso da tração; as partes do material
adjacentes ao plano de tensão tendem a comprimir-se uma contra a outra;
tensão de cisalhamento, em que as duas partes tendem a escorregar uma sobre
a outra.
Matematicamente, há somente dois tipos de cargas ou de tensões, pois a compressão
pode ser considerada como a versão negativa da tração.
Deformação: é a mudança dimensional que se verifica no material como resultado da
carga aplicada. Exprime-se quase sempre em porcentagem. Contudo, na torção por
exemplo, a deformação está relacionada com o ângulo de torção, expresso em radianos.
Resistência(strength): é a carga ou tensão máxima suportada pelo material dentro de
determinadas condições; por exemplo, resistência elástica, resistência à carga máxima,
resistência à ruptura, etc.
Ductilidade: corresponde à capacidade de um material poder ser deformado
apreciavelmente antes de romper. O aço de baixo carbono, por exemplo, é uma liga de
grande ductilidade.
Os materiais não dúcteis são chamados de frágeis, sendo a fragilidade a característica
correspondente. Exemplo: ferro fundido cinzento.
Dureza: ela é, na realidade, uma medida de resistência à penetração de uma ponta
(esférica, cônica ou piramidal constituída de material duro) oferecida pelo material do cdp;
Módulo de elasticidade: corresponde à relação entre a tensão e deformação no regime
elástico; é uma medida da rigidez, pois quanto maior for, menor será a deformação
elástica para uma dada tensão aplicada, e assim se constitui num importante parâmetro
para o projeto do produto.
Tenacidade: corresponde à quantidade de energia necessária para romper um material,
podendo, portanto, ser medida pela quantidade de trabalho por unidade de volume
necessário para levar o material à ruptura sob a ação de carga estática. A tenacidade
pode ser expressa em Joules/m3.
1
1 MPa equivale a 0,102 kgf/mm2 ou 1 kgf/mm2 corresponde a 9,807 MPa
6
Fadiga: as falhas de componentes metálicos em serviço, na maioria das vezes, decorrem
devido à fadiga provocada por solicitações cíclicas. A fratura apresenta características
frágeis e é influenciada por diversos fatores como pontos de concentrações de tensões
residuais e outros.
Resistência ao choque: a solicitação dinâmica das peças metálicas por impacto é um
dos fatores que conduz a fratura também com características frágeis. Os ensaios de
choque são padronizados nos ensaios Charpy e Izod.
Resistência à fluência: as solicitações mecânicas podem provocar, a partir de uma
determinada temperatura, a deformação plástica em função do tempo à tensão ou carga
constante; essa propriedade é fundamental para o projeto de componentes de máquinas
e estruturas que devem operar em temperaturas elevadas.
Coeficiente de segurança e tensão admissível de trabalho. Ao projetar-se uma
estrutura ou um componente mecânico, depois de conhecidas as tensões às quais as
peças estão sujeitas, lança-se mão de um fator chamado fator de segurança, ou
coeficiente de segurança pelo qual é dividida a resistência adotada para o material
escolhido.
O coeficiente de segurança é, portanto, um número empírico pelo qual a resistência do
material é dividida de modo a obter-se uma tensão conservadora, por assim dizer.
O resultado desse quociente é chamado tensão admissível de trabalho.
São inúmeras as razões pelas quais a tensão de trabalho de um membro de uma
estrutura ou de uma máquina deve corresponder a um valor inferior à resistência do
material.
Em primeiro lugar, os materiais de construção, em particular, os metais, tendem a
deteriorar-se em serviço, pela ação do meio ambiente. Em segundo lugar, ocorrem
freqüentes variações na distribuição das tensões adotadas no projeto, além de surgirem
ocasionalmente sobrecargas. Em terceiro lugar, é difícil garantir-se perfeição na
fabricação de uma determinada peça metálica, além de poderem ser introduzidas
variações de tensões adicionais no transporte, montagem e instalação da máquina ou da
estrutura.
Nessas condições, o comportamento do material pesquisado em laboratórios de ensaios
mediante a determinação de suas propriedades em amostras pode divergir do seu
verdadeiro comportamento na prática.
Os fatores ou coeficientes de segurança variam grandemente em função do tipo de
carga, do tipo de material e das condições de serviço. Para materiais dúcteis que se
deformam antes de romper, os seus valores variam de 1,5 a 4. Para materiais frágeis
quem rompem bruscamente, sem qualquer aparente deformação prévia, os coeficientes
de segurança podem atingir valores de 5 a 8.
Em resumo, os membros de máquinas e estruturas, principalmente quando sujeitos a
cargas estáticas, raramente rompem em serviço graças ao coeficiente de segurança, a
não ser que fiquem repentinamente sujeitos a uma carga acidental de considerável
grandeza. No caso de partes móveis de máquinas, as falhas ocorrem mais
freqüentemente pela presença de cargas dinâmicas ou cíclicas.
Telecurso 2000, Ensaios. Ed. Globo, Cap. 1.
Chiaverini, Vicente. Tecnologia Mecânica. V. I, Pearson Education, 1986, pp.84-87.
7
EXERCÍCIO
1. O que são protótipos e para que servem?
2. Porque é necessário conhecer as propriedades mecânicas do material que será usado
na fabricação de componentes mecânicos?
3. Explique o que é um esforço estático e um esforço dinâmico.
4. Se o módulo de elasticidade do alumínio é de 7000 kgf/mm2, qual o valor em MPa?
5. O que é tensão?
6. No dia a dia, aonde podemos observar um componente mecânico submetido a um
esforço de tração?
7. Como você definiria resistência à tração?
8. Compare materiais dúcteis com materiais frágeis em relação à deformação sofrida
quando submetidos a um esforço estático até que se rompam.
9. O que é fadiga?
10.
Porque a tensão admissível de trabalho deve ser menor do que à resistência do
material?
Ensaio de tração
O ensaio de tração consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo
até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio. No
ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento em que se
rompe. Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais reagem aos esforços
de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se
rompem.
Antes da ruptura, a deformação
Imagine um corpo preso numa das extremidades, submetido a uma força, como na
ilustração da figura 4. Quando esta força é aplicada na direção do eixo longitudinal,
dizemos que se trata de uma força axial. Ao mesmo tempo, a força axial é perpendicular
à seção transversal do corpo.
Observe novamente a figura 4. Repare que a força axial está dirigida para fora do corpo
sobre o qual foi aplicada. Quando a força axial está dirigida para fora do corpo, trata-se
de uma força axial de tração. A aplicação de uma força axial de tração num corpo preso
produz uma deformação no corpo, isto é, um aumento no seu comprimento com
diminuição da área da seção transversal.
Figura 4. Força de tração produz deformação no corpo
Este aumento de comprimento recebe o nome de alongamento. Veja o efeito do
alongamento num corpo submetido a um ensaio de tração.
8
Figura 5. Corpo de prova de ensaio de tração
Na norma brasileira, o alongamento é representado pela letra A e é calculado subtraindose o comprimento inicial do comprimento final e dividindo-se o resultado pelo
comprimento inicial. De acordo com Souza (1982) deve ser expressa em %.
Em linguagem matemática, esta afirmação pode ser expressa pela seguinte igualdade:
sendo que Lo representa o comprimento inicial antes do ensaio e Lf representa o
comprimento final após o ensaio.
A=
L f − Lo
Lo
x100
Suponha que você quer saber qual o alongamento sofrido por um corpo de 12 mm que,
submetido a uma força axial de tração, ficou com 13,2 mm de comprimento.
Aplicando a fórmula anterior, você fica sabendo que:
A=
L f − Lo
Lo
⇒ A=
13,2 − 12
1,2
⇒ A=
= (0,1mm / mm) x100
12
12
A unidade mm/mm indica que ocorre uma deformação de 0,1 mm por 1 mm de dimensão
do material.
Para obter a deformação expressa em porcentagem, basta multiplicar o resultado anterior
por 100.
No nosso exemplo: A = 0,1 mm/mm X 100 = 10%.
Tensão de tração: o que é e como é medida
A força de tração atua sobre a área da seção transversal do material. Tem-se assim uma
relação entre essa força aplicada e a área do material que está sendo exigida,
denominada tensão. Neste módulo, a tensão será representada pela letra T ou Sigma (σ)
Em outras palavras:
Tensão (T ou σ) é a relação entre uma força (F) e uma unidade de área (S), tensão é a
força aplicada dividida pela área da seção considerada:
σ =
F
S
Para efeito de cálculo da tensão suportada por um material, considera-se como área útil
da seção deste material a soma das áreas de suas partes maciças. Por exemplo: um
cabo metálico para elevação de pesos, cuja área da seção é de 132,73 mm2, composto
por 42 espiras de 1,2 mm2, tem como área útil 50,4 mm2.
9
A unidade de medida de força adotada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) é o
Newton (N).
A unidade quilograma-força (kgf) ainda é usada no Brasil porque a maioria das máquinas
disponíveis possui escalas nesta unidade. Porém, após a realização dos ensaios, os
valores de força devem ser convertidos para Newton (N). A unidade de medida de área é
o metro quadrado (m2). No caso da medida de tensão, é mais freqüentemente usado seu
submúltiplo, o milímetro quadrado (mm2).
Assim, a tensão é expressa matematicamente como:
σ=
N
mm 2
Durante muito tempo, a tensão foi medida em kgf/mm2 ou em psi (Pound Square Inch,
que quer dizer: libra por polegada quadrada).
Com adoção do Sistema Internacional de Unidades (SI) pelo Brasil, em 1978, essas
unidades foram substituídas pelo pascal (Pa). Um múltiplo dessa unidade, o megapascal
(MPa), vem sendo utilizado por um número crescente de países, inclusive o Brasil.
Veja no quadro de conversões a seguir a correspondência entre essas unidades de
medida.
1N
1 kgf
1 MPa
1 kgf/mm2
= 0,102 kgf
= 0,454 lb
= 1 N/mm2
= 1422,27 psi
= 9,807 N
= 0,102 kgf/mm2
= 9,807 MPa
= 9,807 N/mm2
Equipamento para o ensaio de tração
O ensaio de tração geralmente é realizado na máquina universal (Figura 2), que tem este
nome porque se presta à realização de diversos tipos de ensaios. Analise
cuidadosamente a ilustração da figura 2, que mostra os componentes básicos de uma
máquina universal de ensaios.
Fixa-se o corpo de prova na máquina por suas extremidades, numa posição que permite
ao equipamento aplicar-lhe uma força axial para fora, de modo a aumentar seu
comprimento.
A máquina de tração é hidráulica, movida pela pressão de óleo, e está ligada a um
dinamômetro que mede a força aplicada ao corpo de prova.
A máquina de ensaio possui um registrador gráfico que vai traçando o diagrama de força
e deformação, em papel milimetrado, à medida que o ensaio é realizado.
Corpos de prova
O ensaio de tração é feito em corpos de prova com características especificadas de
acordo com normas técnicas. Suas dimensões devem ser adequadas à capacidade da
máquina de ensaio. Normalmente utilizam-se corpos de prova de seção circular ou de
seção retangular, dependendo da forma e tamanho do produto acabado do qual foram
retirados, como mostram as ilustrações a seguir.
10
Figura 6. Corpos de prova de seção circular e de seção retangular
A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por Lo, é a região onde
são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material.
Entre as cabeças e a parte útil há um raio de concordância para evitar que a ruptura
ocorra fora da parte útil do corpo de prova (Lo).
Segundo a ABNT, o comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaios
de tração deve corresponder a 5 (cinco) vezes o diâmetro da seção da parte útil.
Por acordo internacional, sempre que possível um corpo de prova deve ter 10 mm de
diâmetro e 50 mm de comprimento inicial. Não sendo possível a retirada de um corpo de
prova deste tipo, deve-se adotar um corpo com dimensões proporcionais a essas. Corpos
de prova com seção retangular são geralmente retirados de placas, chapas ou lâminas.
Suas dimensões e tolerâncias de usinagem são normalizadas pela ISO/R377 enquanto
não existir norma brasileira correspondente. A norma brasileira (NBR 6152, dez./1980)
somente indica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento de superfície
e ausência de trincas.
Preparação do corpo de prova para o ensaio de tração
O primeiro procedimento consiste em identificar o material do corpo de prova. Corpos de
prova podem ser obtidos a partir da matéria-prima ou de partes específicas do produto
acabado.
Depois, deve-se medir o diâmetro do corpo de prova em dois pontos no comprimento da
parte útil, utilizando um micrômetro, e calcular a média.
Por fim, deve-se riscar o corpo de prova, isto é, traçar as divisões no comprimento útil.
Num corpo de prova de 50 mm de comprimento, as marcações devem ser feitas de 5 em
5 milímetros.
Alongamento
O alongamento elástico pode ser medido de forma direta por meio de um aparelho
chamado extensômetro (Figura 2), que é acoplado ao corpo de prova.
Já o alongamento plástico define a ductilidade do material: quanto maior o alongamento
plástico, maior a facilidade de deformar o material. Pelo alongamento, podemos saber
11
para que tipo de processo de produção um material é indicado (forja a frio, laminação,
estamparia profunda, etc.).
Determinação do limite elástico ou de proporcionalidade
Para sentir a importância desta propriedade, imagine-se dentro de um elevador, que
funciona preso por um cabo de aço. O que aconteceria se o cabo se alongasse um
pouquinho toda vez que o elevador subisse ou descesse? O cabo de aço iria ficar cada
vez mais fino, até que a sua espessura se tornasse tal que não suportaria mais o peso da
cabine (e com você lá dentro!).
Não seria nada agradável uma queda do vigésimo andar. É, mas isto aconteceria se a
solicitação ultrapassasse o limite elástico, porque qualquer solicitação acima do limite
elástico causa deformação permanente.
Portanto, o limite elástico é a máxima tensão a que uma peça pode ser submetida sem
que ocorra deformação permanente. Por isso, o conhecimento de seu valor é
fundamental para qualquer aplicação.
A rigor, a determinação do limite elástico deveria ser feita por carregamentos e
descarregamentos sucessivos, até que se alcançasse uma tensão que mostrasse, com
precisão, uma deformação permanente.
Este processo é muito trabalhoso e não faz parte dos ensaios de rotina. Porém, devido à
importância de se conhecer o limite elástico, em 1939 um cientista chamado Johnson
propôs um método para determinar um limite elástico aparente, que ficou conhecido
como limite Johnson.
Veja como determinar o limite Johnson na prática, acompanhando os passos explicados
a seguir.
1. Trace uma reta perpendicular ao eixo das tensões, fora da região da curva tensãodeformação (F-G).
G
G
Figura 7. Passos 1 e 2 para determinar o limite Johnson.
2. Prolongue a reta da zona elástica, a partir do ponto O, até que ela corte a reta FG no
ponto E.
3. Marque o ponto D de modo que a medida do segmento FD seja igual a uma vez e
meia o segmento FE.
4. Trace a reta OD.
12
Figura 8. Passos 3 e 4 para determinar o limite Johnson.
5. Trace a reta MN paralela a OD, tangenciando a curva tensão-deformação.
Figura 9. Determinação do limite Johnson.
O limite Johnson é o valor de tensão do ponto tangencial (A).
Limite de escoamento: valores convencionais
O limite de escoamento é, em algumas situações, alternativa ao limite elástico, pois
também delimita o início da deformação permanente (um pouco acima). Ele é obtido
verificando-se a parada do ponteiro na escala da força durante o ensaio e o patamar
formado no gráfico exibido pela máquina. Com esse dado é possível calcular o limite de
escoamento do material.
Entretanto, vários metais não apresentam escoamento, e mesmo nas ligas em que ocorre
ele não pode ser observado, na maioria dos casos, porque acontece muito rápido e não é
possível detectá-lo.
Por essas razões, foram convencionados alguns valores para determinar este limite. O
valor convencionado (n) corresponde a um alongamento percentual.
Os valores de uso mais freqüente são:
· n = 0,2%, para metais e ligas metálicas em geral;
· n = 0,1%, para aços ou ligas não ferrosas mais duras;
· n = 0,01%, para aços-mola.
Graficamente, o limite de escoamento dos materiais citados pode ser determinado pelo
traçado de uma linha paralela ao trecho reto do diagrama tensão-deformação, a partir do
13
ponto n. Quando essa linha interceptar a curva, o limite de escoamento estará
determinado, como mostra a figura 10 abaixo à direita.
Figura 10. Limite de escoamento.
Se o gráfico obtido no ensaio for expresso como Força versus ∆l, faz-se necessário
encontrar o valor de ∆l em mm que corresponda ao alongamento recomendado ou
convencional n. Por exemplo, se n=0,2% significa que ε=0,002. Já que ε=∆l/l0 e o valor
de l0 é conhecido, temos que ∆l=0,002xl0, valor que será marcado no gráfico para se
traçar a reta paralela ao trecho reto da curva.
Tensão no limite de resistência
Este valor de tensão é utilizado para a especificação dos materiais nas normas, pois é o
único resultado preciso que se pode obter no ensaio de tração e é utilizado como base de
cálculo de todas as outras tensões determinadas neste ensaio.
Por exemplo, um aço 1080 apresenta um limite de resistência de aproximadamente 700
MPa. Ao produzirmos novos lotes desse aço, devemos executar seu ensaio para verificar
se ele realmente possui esta resistência. Ou seja, esta especificação é utilizada para
comparar a resistência de um aço produzido com o valor referencial da norma.
Conhecer o limite de resistência também é útil para comparar materiais. Por exemplo, um
aço 1020 apresenta aproximadamente 400 MPa de resistência à tração. Este valor nos
demonstra que o aço 1080 tem uma resistência 300 MPa maior que o 1020. Apesar de
não se utilizar este valor para dimensionar estruturas, ele servirá de base para o controle
de qualidade dessas ligas.
Dificuldades com a tensão de ruptura
É difícil determinar com precisão o limite de ruptura, pois não há forma de parar o
ponteiro da força no instante exato da ruptura. Além disso, o limite de ruptura não serve
para caracterizar o material, pois quanto mais dúctil ele é, mais se deforma antes de
romper-se.
Calculando a estricção
Após ser atingida a carga máxima, ocorre a estricção do material, que é uma diminuição
da seção transversal do corpo de prova na região aonde vai se localizar a ruptura, devido
a um alongamento um pouco maior numa porção levemente mais fraca do corpo de
prova. A estricção também é uma medida da ductilidade do material, da mesma forma
que o alongamento plástico. É representada pela letra Z ou φ (phi), e calculada pela
seguinte fórmula:
14
Z =
So − S f
So
x100
onde So é a área de seção transversal inicial e Sf a área de seção final, conhecida pela
medição da região fraturada. A redução da área da seção transversal ocorre após ter se
atingido a carga máxima no ensaio de tração.
Calculando o Módulo de Elasticidade
O módulo de elasticidade é determinado pelas forças de ligação entre os átomos de um
metal. Como estas forças são constantes para cada estrutura que apresente o metal, o
módulo de elasticidade é uma das propriedades mais constantes dos metais, embora
possa ser levemente afetado por adições de elementos de liga, ou por variações
alotrópicas, tratamentos térmicos ou trabalho a frio que alterem a estrutura metálica. A
medida de E é feita pela tangente da reta característica da zona elástica, traçando-se a
curva tensão-deformação na zona elástica com a maior precisão possível. Poderá ser
calculado a partir do limite Johnson determinado em tensão, dividido pela deformação ε
obtida a partir do ∆l correspondente à força do Johnson dividido por l0.
Ou
E=
σ proporcionalidade
E=
ε proporcionalidade N/mm ,
2
que
pode
ser
calculado
por
Fproporcionalidade / So
∆l proporcionalidade / l0
N/mm2 conforme figura 11.
F (N).
Fprop
∆lprop
∆l (mm).
Figura 11. Determinação da força de proporcionalidade e o correspondente valor de ∆l
usados respectivamente para calcular a tensão limite de proporcionalidade e a
deformação de proporcionalidade.
15
Calculando o Módulo de Resiliência
A resiliência corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é
deformado elasticamente e a propriedade associada a ela é dada pelo módulo de
resiliência (Ur).
UR =
2
σ escoamento
2E
N.mm/mm3
Figura 12. Módulo de resiliência
Calculando o Módulo de Tenacidade
A tenacidade de um metal é a sua capacidade de absorver energia na zona plástica. A
tenacidade é medida através do módulo de tenacidade, que é a quantidade de energia
absorvida por unidade de volume no ensaio de tração até a fratura.
Para materiais dúcteis podem ser usadas
UT =
σ esc + σ res
2
xε total
N.mm/mm3 ou
U T = σ res xε total
N.mm/mm3
E para materiais frágeis
2
U T = σ res xε total
3
N.mm/mm3
Telecurso 2000. Mecânica. Ensaios e Souza(Adaptados)
EXERCÍCIO
Uma barra de aço foi submetida a um ensaio de tração convencional, apresentando os
resultados da tabela abaixo.
Dados: Diâmetro do corpo de prova: 19,0 mm. Comprimento de referência (inicial): lo=
198 mm. Comprimento final = 218 mm. Diâmetro da seção estrita= 15,7 mm. Carga
máxima suportada pelo corpo de prova: 195000 N.
Faça o gráfico em papel milimetrado e determine:
16
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Alongamento plástico (A em %) e estricção (Z em %)
Limite de resistência à tração
Limite de escoamento para n=0,2%
Limite de proporcionalidade pelo método de Johnson
Módulo de Elasticidade
Módulo de Resiliência
Módulo de Tenacidade
Carga(N)
∆l (mm)
0,05
14900
0,1
30000
0,15
44200
0,2
59200
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
1,05
1,1
1,15
1,2
74500
89000
103500
119000
128000
137500
144000
150000
153600
157000
161000
162400
165000
166000
167000
168000
168200
168500
169000
170500
17
Dureza Brinell
Ao escrever a lápis ou lapiseira, você sente com facilidade a diferença entre uma grafite
macia, que desliza suavemente sobre o papel, e uma grafite dura, que deixa o papel
marcado.
Entretanto, a dureza de um material é um conceito relativamente complexo de definir,
originando diversas interpretações.
Num bom dicionário, você encontra que dureza é: qualidade ou estado de duro, rijeza.
Duro, por sua vez, é definido como .difícil de penetrar ou de riscar, consistente, sólido.
Essas definições não caracterizam o que é dureza para todas as situações, pois ela
assume um significado diferente conforme o contexto em que é empregada:
· Na área da metalurgia, considera-se dureza como a resistência à deformação plástica
permanente. Isso porque uma grande parte da metalurgia consiste em deformar
plasticamente os metais.
· Na área da mecânica, é a resistência à penetração de um material duro no outro, pois
esta é uma característica que pode ser facilmente medida.
· Para um projetista, é uma base de medida, que serve para conhecer a resistência
mecânica e o efeito do tratamento térmico ou mecânico em um metal. Além disso,
permite avaliar a resistência do material ao desgaste.
· Para um técnico em usinagem, é a resistência ao corte do metal, pois este profissional
atua com corte de metais, e a maior ou menor dificuldade de usinar um metal é
caracterizada como maior ou menor dureza.
· Para um mineralogista é a resistência ao risco que um material pode produzir em outro.
E esse é um dos critérios usados para classificar minerais.
Ou seja, a dureza não é uma propriedade absoluta. Só tem sentido falar em dureza
quando se comparam materiais, isto é, só existe um material duro se houver outro mole.
É importante destacar que, apesar das diversas definições, um material com grande
resistência à deformação plástica permanente também terá alta resistência ao desgaste,
alta resistência ao corte e será difícil de ser riscado, ou seja, será duro em qualquer uma
dessas situações.
Ensaio de dureza Brinell
Em 1900, J. A. Brinell divulgou este ensaio, que passou a ser largamente aceito e
padronizado, devido à relação existente entre os valores obtidos no ensaio e os
resultados de resistência à tração.
O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço
temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por
meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d.
A dureza Brinell é representada pelas letras HB. Esta representação vem do inglês
Hardness Brinell, que quer dizer .dureza Brinell. A dureza Brinell (HB) é a relação entre a
carga aplicada (F) e a área da calota esférica impressa no material ensaiado (Ac).
Em linguagem matemática
HB =
F
Ac
A área da calota esférica é dada pela fórmula: πDp, onde p é a profundidade da calota.
Substituindo Ac pela fórmula para cálculo da área da calota, temos:
18
HB =
F
πDp
A localização de uma impressão Brinell deve ser tal que mantenha um afastamento das
bordas do corpo de prova de no mínimo duas vezes e meia o diâmetro, d, obtido. A
espessura do corpo de prova, para ser ensaiado à dureza Brinell, deve ser no mínimo
igual a dez vezes o diâmetro, d obtido, para evitar, em ambos os casos, degenerações
laterais e de profundidade, falseando o resultado. A distância entre duas impressões
Brinell deve ser no mínimo igual a 5d.
Figura 13. Ensaio de dureza Brinell.
Devido à dificuldade técnica de medição da profundidade (p), que é um valor muito
pequeno, utiliza-se uma relação matemática entre a profundidade (p) e o diâmetro da
calota (d) para chegar à fórmula matemática que permite o cálculo da dureza HB,
representada a seguir:
HB =
2F
πD( D − D 2 − d 2 )
A unidade kgf/mm2, que deveria ser sempre colocada após o valor de HB, é omitida, uma
vez que a dureza Brinell não é um conceito físico satisfatório, pois a força aplicada no
material tem valores diferentes em cada ponto da calota.
Os cálculos anteriores são dispensáveis, se você dispuser de uma tabela apropriada.
Veja a seguir um exemplo de tabela que fornece os valores de dureza Brinell normal, em
função de um diâmetro de impressão d.
Exercício: Tente localizar na tabela da página seguinte o valor de dureza para um
material que deixou um diâmetro de impressão de 3,55 mm.
19
Escolha das condições de ensaio
O ensaio padronizado, proposto por Brinell, é realizado com carga de 3.000 kgf e esfera
de 10 mm de diâmetro, de aço temperado.
Porém, usando cargas e esferas diferentes, é possível chegar ao mesmo valor de dureza,
desde que se observem algumas condições:
· A carga será determinada de tal modo que o diâmetro de impressão d se situe no
intervalo de 0,25 a 0,5 do diâmetro da esfera D. A impressão será considerada ideal se o
valor de d ficar na média entre os dois valores anteriores, ou seja, 0,375 mm.
· Para obter um diâmetro de impressão dentro do intervalo citado no item anterior, devese manter constante a relação entre a carga (F) e o diâmetro ao quadrado da esfera do
penetrador (D2), ou seja, a relação:
F
D2
é igual a uma constante chamada fator de carga.
20
Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de fatores de carga de acordo com a
faixa de dureza e o tipo de material. O quadro a seguir mostra os principais fatores de
carga utilizados e respectivas faixas de dureza e indicações.
O diâmetro da esfera é determinado em função da espessura do corpo de prova
ensaiado. A espessura mínima é indicada em normas técnicas de método de ensaio. No
caso da norma brasileira, a espessura mínima do material ensaiado deve ser 17 vezes a
profundidade da calota.
O quadro a seguir mostra os diâmetros de esfera mais usados e os valores de carga para
cada caso, em função do fator de carga escolhido.
Observe que, no quadro anterior, os valores de carga foram determinados a partir das
relações entre F e D2 indicadas no primeiro quadro. Exemplificando:
F
= 30 ⇒ F = 30 D 2
2
D
Verificando o entendimento
Uma empresa comprou um lote de chapas de aço carbono com a seguinte especificação:
- espessura: 4 mm
- dureza Brinell (HB): 180
Essas chapas devem ser submetidas ao ensaio de dureza Brinell para confirmar se estão
de acordo com as especificações.
Nosso problema consiste em saber se essas chapas podem ser ensaiadas com a esfera
de 10 mm.
Para resolver esse problema, precisamos das informações contidas nos dois quadros
anteriores.
Observando o primeiro quadro, você fica sabendo que a relação F/D2 para este material
(aço carbono) é igual a 30.
O segundo quadro mostra que, para uma esfera de 10 mm e um fator de carga igual a
30, a carga de ensaio é de 3.000 kgf.
Com esses dados, é possível calcular a profundidade de impressão da calota, aplicando
a fórmula: HB=F/πDp. Isolando p, temos:
21
p=
F
3000
3000
⇒ p=
⇒ p=
⇒ p = 0,53
πDHB
3,14 x10 x180
5652
Portanto, a profundidade da impressão é de 0,53 mm. Sabemos que a espessura do
material ensaiado deve ser, no mínimo, 17 vezes a profundidade da calota. Multiplicando
a profundidade da impressão por 17, obtemos: 9,01 mm.
Conclusão: as chapas de 4 mm não podem ser ensaiadas com a esfera de 10 mm.
Devem ser usadas esferas menores.
A esfera de 10 mm produz grandes calotas na peça. Por isso é a mais adequada para
medir materiais que têm a estrutura formada por duas ou mais fases de dureza muito
discrepantes.
Em casos assim, a dureza é determinada pela média entre as fases, como acontece com
os ferros fundidos, bronzes etc.
A utilização de esferas diferentes de 10 mm só é válida para materiais homogêneos.
Esferas de diâmetros menores produziriam calotas menores e, no caso de materiais
heterogêneos, poderia ocorrer de se estar medindo a dureza de apenas uma das fases.
Com isso, o valor de dureza seria diferente do esperado para o material.
Representação dos resultados obtidos
O número de dureza Brinell deve ser seguido pelo símbolo HB, sem qualquer sufixo,
sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicação da carga durante 15
segundos.
Em outras condições, o símbolo HB recebe um sufixo formado por números que indicam
as condições específicas do teste, na seguinte ordem: diâmetro da esfera, carga e tempo
de aplicação da carga.
Exemplificando: Um valor de dureza Brinell 85, medido com uma esfera de 10 mm de
diâmetro e uma carga de 1.000 kgf, aplicada por 30 segundos, é representado da
seguinte forma:
85HB 10/1000/30.
O tempo de aplicação da carga varia de 15 a 60 segundos: é de 15 segundos para
metais com dureza Brinell maior que 300; de 60 segundos para metais moles, como o
chumbo, estanho, metais-patente etc., e de 30 segundos para os demais casos.
A medida do diâmetro da calota (d) deve ser obtida pela média de duas leituras obtidas a
90º uma da outra, e de maneira geral não pode haver diferença maior que 0,06 mm entre
as duas leituras, para esferas de 10 mm.
DUREZA ROCKWELL
Em 1922, Rockwell desenvolveu um método de ensaio de dureza que utilizava um
sistema de pré-carga. Este método apresenta algumas vantagens em relação ao ensaio
Brinell, pois permite avaliar a dureza de metais diversos, desde os mais moles até os
mais duros. Entretanto, também tem limitações, o que indica que está longe de ser a
solução técnica ideal.
O ensaio Rockwell, que leva o nome do seu criador, é hoje o processo mais utilizado no
mundo inteiro, devido à rapidez e à facilidade de execução, isenção de erros humanos,
facilidade em detectar pequenas diferenças de durezas e pequeno tamanho da
impressão.
Todas essas razões justificam dedicar uma aula ao estudo deste método de ensaio. No
final, você ficará sabendo como é feito o ensaio Rockwell, qual o equipamento
empregado e como utilizar as diferentes escalas de dureza Rockwell.
Neste método, a carga do ensaio é aplicada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma
pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, e
depois se aplica a carga do ensaio propriamente dita.
22
A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de
ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do
material.
Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell são do tipo
esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de
conicidade).
DESCRIÇÃO DO PROCESSO
Figura 14. Etapas da determinação da dureza Rockwell.
Quando se utiliza o penetrador cônico de diamante, deve-se fazer a leitura do resultado
na escala externa do mostrador, de cor preta. Ao se usar o penetrador esférico, faz-se a
leitura do resultado na escala vermelha.
Nos equipamentos com mostrador digital, uma vez fixada a escala a ser usada, o valor é
dado diretamente na escala determinada.
O valor indicado na escala do mostrador é o valor da dureza Rockwell. Este valor
corresponde à profundidade alcançada pelo penetrador, subtraídas a recuperação
elástica do material, após a retirada da carga maior, e a profundidade decorrente da
aplicação da pré-carga.
Em outras palavras: a profundidade da impressão produzida pela carga maior é a base
de medida do ensaio Rockwell. Veja a seguir a representação esquemática da
profundidade produzida por um penetrador cônico de diamante.
23
Figura 15. Penetrador de diamante no ensaio Rockwell na aplicação da carga.
Pode-se realizar o ensaio de dureza Rockwell em dois tipos de máquinas, ambas com a
mesma técnica de operação, que diferem apenas pela precisão de seus componentes.
A máquina padrão mede a dureza Rockwell normal e é indicada para avaliação de dureza
em geral.
A máquina mais precisa mede a dureza Rockwell superficial, e é indicada para avaliação
de dureza em folhas finas ou lâminas, ou camadas superficiais de materiais.
Na máquina Rockwell normal, cada divisão da escala equivale a 0,02 mm; na máquina
Rockwell superficial, cada divisão equivale a 0,01 mm.
As escalas de dureza Rockwell foram determinadas em função do tipo de penetrador e
do valor da carga maior.
Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pré-carga de 10 kgf e a carga
maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf.
Nos ensaios de dureza Rockwell superficial a pré-carga é de 3 kgf e a carga maior pode
ser de 15, 30 ou 45 kgf.
Estas escalas não têm relação entre si. Por isso, não faz sentido comparar a dureza de
materiais submetidos a ensaio de dureza Rockwell utilizando escalas diferentes. Ou seja,
um material ensaiado numa escala só pode ser comparado a outro material ensaiado na
mesma escala.
E por falar em escalas, analise os quadros a seguir, que mostram as escalas mais
utilizadas nos processos industriais.
24
Telecurso 2000, Ensaios.
25
Representação da dureza Rockwell
O número de dureza Rockwell deve ser seguido pelo símbolo HR, com um sufixo que
indique a escala utilizada.
Veja, por exemplo, a interpretação do resultado 64HRC:
· 64 é o valor de dureza obtido no ensaio;
· HR indica que se trata de ensaio de dureza Rockwell;
· a última letra, no exemplo C, indica qual a escala empregada.
Profundidade de penetração
A profundidade que o penetrador vai atingir durante o ensaio é importante para definir a
espessura mínima do corpo de prova.
De modo geral, a espessura mínima do corpo de prova deve ser 17 vezes a profundidade
atingida pelo penetrador.
Entretanto, não há meios de medir a profundidade exata atingida pelo penetrador no
ensaio de dureza Rockwell.
É possível obter a medida aproximada desta profundidade (P), a partir do valor de dureza
indicado na escala da máquina de ensaio, utilizando as fórmulas a seguir:
· Penetrador de diamante:
HR normal: P = 0,002 ´ (100 - HR)
HR superficial: P = 0,001 ´ (100 - HR)
· Penetrador esférico:
HR normal: P = 0,002 ´ (130 - HR)
HR superficial: P = 0,001 ´ (100 - HR)
Por exemplo, a profundidade aproximada de penetração que será atingida ao ensaiar um
material com dureza estimada de 40HRC é de 0,12 mm.
26
Como se chegou a este resultado? Consultando as tabelas com as escalas de dureza
Rockwell, ficamos sabendo que a escala C se refere à dureza Rockwell normal e que
esta escala utiliza penetrador de diamante. O passo seguinte foi escolher a fórmula: P =
0,002 ´ (100 - HR) e fazer as contas.
Exercício
Qual deve ser a espessura mínima de uma chapa que será submetida ao ensaio de
dureza Rockwell para um material com dureza esperada de 80HRB?
A primeira coisa a ser feita é descobrir a profundidade aproximada atingida pelo
penetrador.
Para isso, deve ter ido ao quadro com a escala B (dureza Rockwell normal), e constatado
que esta escala usa penetrador esférico.
Com essas informações, deve ter escolhido a fórmula: P = 0,002 ´ (130 - 80) para
encontrar o valor da profundidade aproximada. Feitos os cálculos, deve ter concluído que
esta profundidade é de aproximadamente 0,1 mm.
Uma vez que a espessura do corpo de prova equivale, em geral, a pelo menos 17 vezes
a medida da profundidade, a espessura mínima da chapa deve ser de 1,7 mm.
Como você viu, o ensaio de dureza Rockwell tornou possível avaliar a dureza de
materiais que não poderiam ser submetidos ao ensaio Brinell. Mesmo assim, há
situações em que nem o ensaio Brinell nem o Rockwell são recomendáveis. Por isso, a
próxima aula será dedicada a outro tipo de ensaio de dureza, o ensaio Vickers.
Ensaios de Dureza Vickers e Knoop
Figura 16. Penetradores para ensaio Vickers e Knoop.
27
OUTROS ENSAIOS
Ensaio de Compressão - É a aplicação de carga compressiva uniaxial em um corpo-deprova. A deformação linear obtida pela medida da distância entre as placas que
comprimem o corpo versus a carga de compressão consiste na resposta desse tipo de
ensaio, basicamente utilizado nas indústrias de construção civil e de materiais cerâmicos.
Além disso, fornece resultados de análise estatística, permitindo quantificar o
comportamento mecânico do concreto, da madeira, dos compósitos e de materiais de
baixa ductilidade (frágeis). Os resultados numéricos obtidos no ensaio de compressão
são similares aos obtidos no ensaio de tração.
Figura 17. Ensaio de Compressão
Ensaio de Torção – Consiste na aplicação de carga rotativa em um corpo-de-prova
geralmente de geometria cilíndrica. Mede-se o ângulo de deformação (θ) como função do
momento torsor aplicado (Mt). Esse ensaio é amplamente utilizado na indústria de
componentes mecânicos, como motores de arranque, turbinas, motores de máquinas
pesadas e outros, principalmente por ter a vantagem de fornecer dados quantitativos das
características mecânicas dos materiais que compõem o eixo, particularmente as tensões
de cisalhamento. Entre os principais resultados do ensaio, destacam-se: limite de
escoamento à torção, módulo de ruptura à torção e módulo de elasticidade transversal
(G).
28
Figura 18. Eixo de transmissão de caminhões e esquema do ensaio de torção.
Ensaio de Impacto – O comportamento dúctil-frágil dos materiais pode ser mais
amplamente caracterizado por estes ensaios. A carga é aplicada na forma de esforços
por choque (dinâmicos), sendo o impacto obtido por meio da queda de um martelete ou
pêndulo, de uma altura determinada, sobre a peça a examinar. As massas utilizadas no
ensaio são intercambiáveis, possuem diferentes pesos e podem cair de alturas variáveis.
Os ensaios mais conhecidos são denominados Charpy e Izod, dependendo da
configuração geométrica do entalhe e do modo de fixação do corpo-de-prova na
máquina. Como resultado do ensaio, obtém-se a energia absorvida pelo material até a
fratura. A principal aplicação desse ensaio refere-se à caracterização do comportamento
dos materiais, na transição da propriedade dúctil para a frágil como função da
temperatura, possibilitando a determinação da faixa de temperaturas na qual um material
muda de dúctil para frágil. O ensaio de impacto é largamente utilizado nas indústrias
naval e bélico, e em particular, nas construções que deverão suportar baixas
temperaturas.
Figura 19. Equipamento para ensaio de impacto.
Garcia, Amauri; Spim, J. A. e Santos, C. A. dos. Ensaios dos Materiais, Editora LTC.
2000, Telecurso, Ensaio de Impacto.
29
SIDERURGIA
Para poder fabricar o aço e o ferro fundido, precisa-se do ferro gusa. É um material duro
e quebradiço, formado por uma liga de ferro e carbono, com alto teor, ou seja, uma
grande quantidade de carbono e um pouco de silício (Si), manganês (Mn), fósforo (P) e
enxofre (S).
O grande problema tecnológico que envolve a fabricação do gusa é a obtenção das altas
temperaturas que favoreçam a absorção do carbono.A história da metalurgia nos conta
que os fornos primitivos eram:
Tipo poço fechado
- Tipo de forja catalã, sendo que ambos usavam carvão vegetal como
combustível.
Figura 20 – Fornos primitivos usados na redução do minério de ferro, pelo emprego de
carvão vegetal como combustível.
Estes dois tipos de fornos usavam o processo de redução direta (ferro não era obtido
no estado líquido):
C + O2 → CO2
CO2 + C → CO
CO + FeXOY → Fe + CO2
Obs.: O ferro era obtido no estado pastoso (líquido de alta viscosidade), misturado
com as impurezas do minério.
O ferro assim obtido apresentava-se em geral relativamente dúctil, mole, maleável e
podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevadas. Após ser
retirado do forno (uma bola de ferro), o ferro era martelado para a remoção das
impurezas. O resultado final era uma barra ou “lupa”, posteriormente reaquecida e
trabalhada por martelamento (ferro pudlado).
30
Nos fornos primitivos tinha-se a possibilidade de absorção de certa quantidade de
carbono (até 1%), o que por rápido resfriamento poderia elevar drasticamente a dureza
do material (têmpera).
Na Europa, no começo do século XIV, os fornos usados tinham se tornado tão altos e as
condições de insuflação de oxigênio tão aperfeiçoadas, que a temperatura de combustão
aumentou muito. Isso permitiu que o ferro absorvesse carbono e, finalmente, saísse
líquido do forno. Esse produto, embora duro e quebradiço, podia ser novamente derretido
com mais facilidade e ser vazado em moldes. Surgiram o alto forno e a fundição.
Na Inglaterra, no século XVIII, descobriu-se que o coque, um produto sólido da destilação
do carvão mineral, servia como combustível para produzir o ferro-gusa.
Fornos chaminé:
Carga → introduzida pelo topo
Ar → soprado pela parte inferior
1500 → Inglaterra → Alto forno mais próximo aos modernos
1619 → Inglaterra → Introdução do coque
1800 → Inglaterra → Aquecimento do ar
Hoje, um alto forno pode ter até 35 metros de altura. Fica dentro de um complexo
industrial chamado usina siderúrgica e é o principal equipamento usado na metalurgia do
ferro.
As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes:
- Minério de ferro
-
Carvão
-
Calcáreo
Minério de Ferro
O minério de ferro é a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai
o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos,
carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os
óxidos, sendo eles:
- Magnetita (óxido ferroso-férrico) → Fe3O4 (72,4% Fe).
-
Hematita (óxido férrico) → Fe2O3 (69,9% Fe).
-
Limonita (óxido hidratado de ferro) → 2FeO3.3H2O (48,3% Fe).
Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto
teor de ferro).
O minério de ferro é composto por três partes a saber:
-
Útil → parte que contém o ferro
-
Ganga → impurezas sem valor direto
-
Estéril → rocha onde o minério é encontrado.
O minério de ferro pode ser classificado como Rico (60 a 70% de Fe), Médio (5060% de Fe) e Pobre (<50%)
Beneficiamento do minério de ferro
O termo genérico “beneficiamento” compreende uma série de operações que têm
como objetivo tornar o minério mais adequado para a utilização nos altos-fornos. Estas
31
operações são britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação
e aglomeração (principal). A aglomeração visa melhorar a permeabilidade da carga do
alto-forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Os processos
mais importantes de aglomeração são a sinterização e a pelotização.
A sinterização consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa mistura com
aproximadamente 5% de um carvão finamente dividido ou coque. A carga é aquecida por
intermédio de queimadores e com o auxílio de fluxo de ar. A temperatura que se
desenvolve durante o processo atinge 1.300 a 1500oC, suficiente para promover a ligação
das partículas finas do minério, resultando num produto uniforme e poroso chamado
sínter.
A pelotização é o mais novo processo de aglomeração e talvez o de maior êxito.
Neste processo, produzem-se inicialmente “bolas” ou “pelotas” cruas de finos de minério
de alto teor ou de minério concentrado. Adiciona-se cerca de 10% de água e, geralmente,
um aglomerante de natureza inorgânica. Uma vez obtidas as pelotas cruas, estas são
secas, pré-aquecidas e então queimadas.
Carvão
O combustível utilizado no alto-forno é o carvão, coque ou de madeira, cuja ação se
faz sentir em três sentidos:
fornecedor de calor para a combustão;
fornecedor do carbono para a redução de óxido de ferro;
- indiretamente, fornecedor de carbono como principal elemento de liga do ferro
gusa.
O coque é obtido pelo processo de “coqueificação”, que consiste, em princípio, no
aquecimento a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente (exceto para saída de
gases) fechadas, do carvão mineral. No aquecimento às temperaturas de coqueificação e
na ausência de ar, as moléculas orgânicas complexas que constituem o carvão mineral
se dividem, produzindo gases e compostos orgânicos sólidos e líquidos de baixo peso
molecular e um resíduo carbonáceo relativamente não volátil. Este resíduo resultante é o
“coque”, que se apresenta como uma substância porosa, celular, heterogênea, sob os
pontos de vista químico e físico. A qualidade do coque depende muito do carvão mineral
do qual se origina, principalmente do seu teor de impurezas.
O carvão vegetal ou de “madeira” é fabricado mediante pirólise da madeira, isto é,
quebra das moléculas complexas que constituem a madeira, em moléculas mais simples,
mediante calor. O aquecimento para a carbonização da madeira é feito em fornos de
certo modo rudimentares e pouco eficientes, sobretudo no Brasil, pois os subprodutos
gasosos e líquidos são perdidos durante o processo. O calor é aplicado à madeira, com
ausência de oxigênio, resultando em gases (CO2, CO, H2, etc.), líquidos (alcatrões, ácido
acético, álcool metílico) e o resíduo sólido que é o carvão vegetal.
Fundente
A função do fundente é combinar-se com as impurezas (ganga) do minério e com as
cinzas do carvão, formando as chamadas “escórias”. O principal fundente é o calcário, de
fórmula CaCo3.
Outras matérias-primas da indústria siderúrgica
Entre elas, a mais importante é o minério de manganês. Outras matérias-primas
incluem as “ferro-ligas” de silício, cromo, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio,
etc. Finalmente, deve-se ainda mencionar como importante matéria-prima a sucata de
aço, ou seja, subprodutos da fabricação de aço e itens ou componentes de aço
desgastados, quebrados ou descartados.
32
Alto Forno
O alto forno é construído de tijolos e envolvido por uma carcaça protetora de aço. Todas
as suas partes internas, sujeitas a altas temperaturas, são revestidas com tijolos
chamados refratários porque suportam altas temperaturas sem derreter. Três zonas
fundamentais caracterizam o alto-forno: o fundo chamado de cadinho, a segunda
chamada de rampa e a seção superior chamada de cuba.
O cadinho é o lugar onde o gusa líquido é depositado. A escória flutua sobre o ferro, que
é mais pesado. No cadinho há dois furos: o furo de corrida, aberto de tempos em tempos
para que o ferro líquido escoe, e o furo para escoamento da escória. Como a escória
flutua, o furo para seu escoamento fica acima do furo decorrida. Assim, sobra espaço
para que uma quantidade razoável de ferro seja acumulada entre as corridas.
Na rampa acontecem a combustão e a fusão. Para facilitar esses processos, entre o
cadinho e a rampa ficam as ventaneiras, que são furos distribuídos uniformemente por
onde o ar pré-aquecido é soprado sob pressão.
A cuba ocupa mais ou menos dois terços da altura total do alto-forno. É nela que é
colocada, alternadamente e em camadas sucessivas, a carga, composta de minério de
ferro, carvão e os fundentes (cal, calcáreo).
O que acontece dentro do alto-forno?
Quando o minério de ferro. O coque e os fundentes são introduzidos na parte superior da
rampa, algumas coisas acontecem:
- os óxidos de ferro sofrem redução, ou seja, o oxigênio é eliminado do minério de ferro;
Reações químicas de redução do minério de ferro:
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
ou
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
- a ganga se funde, ou seja, as impurezas do minério se derretem;
- o gusa se funde, quer dizer, o carbono é incorporado ao ferro líquido;
- certos elementos da ganga são parcialmente reduzidos, ou seja, algumas impurezas
são incorporadas ao gusa.
Ao sair do alto-forno, o gusa, com teor de carbono entre 3,0 e 4,5%, pode seguir um,entre
dois caminhos: pode ir para a fundição, para ser usado na fabricação de peças de ferro
fundido, ou pode ir para aciaria, onde pode ser misturado com sucata de aço ou,
eventualmente, com outros metais, para se transformar em aço, ou seja uma liga ferrosa
com um teor de carbono de menos de 2%.
O principal produto do alto-forno é o ferro gusa. O ferro gusa é uma liga ferrocarbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e
enxofre. De um modo geral, a maioria dos ferro gusas possíveis de serem obtidos em
alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composições:
Carbono - 3 a 4,4%
Silício
- 0,5 a 4,0%
Manganês - 0,5 a 2,5%
Fósforo - 0,05 a 2,0%
Enxofre - 0,20% máx.
33
Figura 21. Esquema do alto forno
34
FABRICAÇÃO DO AÇO
A produção do aço líquido se dá através da oxidação controlada das impurezas
presentes no gusa líquido e na sucata.
Este processo é denominado refino do aço e é realizado em uma instalação conhecida
como aciaria.
O refino do aço normalmente é realizado em batelada pelos seguintes processos:
- Aciaria a oxigênio – Conversor LD (carga predominantemente líquida).
- Aciaria elétrica – Forno elétrico a arco – FEA (carga predominantemente sólida).
O conversor LD (Linz-Donawitz) usa o princípio de injeção de oxigênio, neste caso ele é
soprado sob pressão na superfície do gusa líquido. Essa injeção é feita pela parte de
cima do conversor.
Este tipo de forno é constituído de uma carcaça cilíndrica de aço resistente ao calor,
revestido internamente por materiais refratários de dolomita ou magnesita. A injeção de
oxigênio é feita por meio de uma lança metálica composta de vários tubos de aço. O jato
de oxigênio é dirigido para a superfície do gusa líquido e essa região de contato é
chamada de zona de impacto.
Na zona de impacto, a reação de oxidação é muito intensa e a temperatura chega a
atingir entre 2500 e 3000ºC. Isso provoca uma grande agitação do banho, o que acelera
as reações de oxidação no gusa líquido. Nesse conversor, a contaminação do aço por
nitrogênio é muito pequena porque se usa oxigênio puro. Isso é um fator importante para
os aços que passarão por processo de soldagem, por exemplo, pois esse tipo de
contaminação causa defeitos na solda.
Figura 22. Fabricação do aço pelo processo Conversor LD.
34
É nos fornos elétricos que se transforma sucata em aço. Por esse processo, transformase energia elétrica em energia térmica, por meio da qual ocorre a fusão do gusa e da
sucata, sob condições controladas de temperatura e de oxidação do metal líquido. É um
processo que permite, também, a adição de elementos de liga que melhoram as
propriedades do aço e lhe dão características excepcionais. Por causa disso, esse é o
melhor processo para a produção de aços de qualidade.
Os fornos elétricos são basicamente de dois tipos: a arco elétrico e de indução. O forno a
arco elétrico é constituído de uma carcaça de aço feita de chapas grossas soldadas ou
rebitadas, de modo a formar um recipiente cilíndrico com fundo abaulado. Essa carcaça é
revestida na parte inferior (chamada soleira) por materiais refratários, de natureza básica
(dolomita ou magnesita) ou ácida (sílica), dependendo da carga que o forno vai
processar. O restante do forno é revestido com tijolos refratários silicosos. Os eletrodos
responsáveis, juntamente com a carga metálica, pela formação do arco elétrico estão
colocados na abóbada (parte superior) do forno.
A carga de um forno a arco é constituída, basicamente, de sucata e fundente (cal). Nos
fornos de revestimento ácido, a carga deve ter mínimas quantidades de fósforo e enxofre.
Nos fornos de revestimento básico, a carga deve ter quantidades bem pequenas de
silício.
Durante o processo, algumas reações químicas acontecem: a oxidação, na qual se
oxidam as impurezas e o carbono, a desoxidação, ou retirada dos óxidos com a ajuda de
agentes desoxidantes, e a dessulfuração, quando o enxofre é retirado. É um processo
que permite o controle preciso das quantidades de carbono presentes no aço.
Figura 23. Forno elétrico a arco de produção de aço.
Outro forno que usa a energia elétrica para a produção de aço é o forno de indução, que
também processa sucata. O conjunto que compõe esse forno é formado de um gerador
com motor de acionamento, uma bateria de condensadores e uma câmara de
aquecimento. Essa câmara é basculante e tem, na parte externa, a bobina de indução. O
cadinho é feito de massa refratária socada dentro dessa câmara, onde a sucata se funde
por meio de calor produzido dentro da própria carga.
35
Para a produção do aço, liga-se o forno, e os pedaços de sucata que devem ser de boa
qualidade vão sendo colocadas dentro do forno, à medida que a carga vai sendo fundida.
Depois que a fusão se completa e que a temperatura desejada é atingida, adiciona-se
cálcio, silício ou alumínio, que são elementos desoxidantes e têm a função de retirar os
óxidos do metal.
Figura 24. Forno de indução de produção de aço.
Curiosidade: Porque o nome dado ao processo de fabricação de metais ferrosos é
chamado de Siderurgia?
36
METALOGRAFIA
Introdução
O controle de qualidade dos metais e ligas metálicas pode ser desenvolvido por
três métodos diferentes que são:
¾ Ensaios físicos e mecânicos
¾ Análise química
¾ Exame metalográfico
Os ensaios físicos e mecânicos visam determinar valores numéricos que
caracterizam as propriedades físicas e mecânicas do material.
A análise química determina quais são os elementos e em que proporção estão
presentes no material em análise.
O exame metalográfico enfoca o metal ou liga metálica do ponto de vista de sua
estrutura procurando relacioná-la às propriedades físicas à composição, ao processo de
fabricação etc., de modo a poder prever-se o seu comportamento num determinado
emprego.
METALOGRAFIA
Como vimos, a metalografia enfoca o metal ou liga do ponto de vista de sua
estrutura e textura. Para isso esse exame é desenvolvido em secções do material,
polidas e normalmente atacadas com um reativo químico apropriado.
A metalografia é subdividida em dois campos:
a) Macrografia
b) Micrografia
Faz-se o exame metalográfico à vista desarmada (olho nu) ou utilizando-se em
aumento de até dez vezes (10X) lançando-se mão de uma lupa, este exame é dito
MACROGRÁFICO. Tem-se, assim, a MACROGRAFIA.
37
Esses são feitos em uma secção do material devidamente plana e polida e, em
regra, atacada por um reativo químico apropriado.
Por meio do exame macrográfico obtém-se informações sobre a homogeneidade
do material da peça, determinação da natureza e da qualidade de certas impurezas os
processos de fabricação da peça etc.
Através do exame micrográfico pode-se observar o tamanho do grão do material,
a distribuição e forma dos constituintes da estrutura do material, tipos de constituintes etc.
Em resumo, podemos dizer que o exame metalográfico fornece dados sobre como
o material ou a peça foram obtidos e também sobre sua homogeneidade.
MACROGRAFIA
Consiste no exame do aspecto de uma superfície plana secionada de uma peça
ou amostra metálica, devidamente polida e atacada por um reagente adequado.
Os exames macrográficos visam:
a) Verificar o processo de obtenção (fundido, forjado ou laminado)
b) Constatar a existência de porosidades e segregações
c) Existência de solda
d) Zonas de solda, característica da solda
PREPARAÇÃO DO CORPO DE PROVA - CDP
¾ Verificar qual a finalidade do exame, isto é, qual o tipo de estrutura procurada,
descontinuidade esperada, etc.
¾ Proceder ao exame visual da peça antes do corte, procurando identificar por
aquecimento, mossas, trincas, porosidades etc.
¾ Região da peça onde deve se localizar o corte e qual a posição de corte.
¾ Fotografar ou desenhar a peça antes do corte.
38
Os cuidados expostos acima têm como objetivo garantir que:
¾ Foram obtidas todas as informações sobre o material a ser ensaiado.
¾ Foram verificadas as condições de acabamento antes de se determinar a retirada
dos corpos de prova.
¾ Se tenha em documento (fotografia ou desenho), da peça original, para nele
assinalar os pontos que se tenha de fazer referência mais tarde.
¾ Se facilite a correta interpretação dos resultados.
MATERIAIS E MÉTODOS DE PREPARAÇÃO
A técnica de preparo de um corpo de prova de macrografia abrange as seguintes
fases:
a) Escolher a localização da secção a ser estudada
b) Lixamento
c) Ataque da superfície por um reagente químico adequado
A) Escolha e a localização a ser estudada:
É feita baseando-se em critérios para se determinar certos tipos de estrutura do
material. Aí intervém o critério do operador, que será guiado em sua escolha pela forma
da peça, pelos dados que ele quer colher e por outras considerações.
O corte do material pode ser feito segundo uma secção transversal ou seção
longitudinal.
O corte transversal é feito se o objetivo é verificar:
¾ Se a secção é inteiramente homogênea ou não
¾ A natureza do material (aço, ferro fundido, etc.)
¾ A existência de vazio
¾ A profundidade de têmpera ou cementação
¾ Determinação de um tubo é com ou sem costura
¾ A posição, forma e dimensões das bolhas
Um corte longitudinal será preferível quando se quer verificar, por exemplo:
¾ O método de fabricação de uma peça (fundida, laminada ou forjada)
¾ Se a peça foi estampada ou torneada
¾ A solda de barras
¾ A extensão de tratamentos térmicos superficiais
39
O Corte é feito com uma serra ou um cortador de disco abrasivo. Esta operação deve ser
feita com cautela para evitar não só o encruamento em locais excessivos, como o
aquecimento.
LIXAMENTO
O lixamento é executado para meio de uma série de lixas de graduação
decrescente, com indicações que variam com os fabricantes sendo comum as seguintes:
80 – 100 – 120 – 150 – 180 – 220 – 320 – 400 – 600
O lixamento pode ser realizado mecanicamente ou manualmente.
MANUALMENTE
Apóia-se a lixa grossa numa superfície plana e atrita-se com leve pressão o CDP
sobre a lixa. Quando o sentido dos riscos estiver uniforme muda-se para a lixa seguinte
no sentido contrário aos riscos deixados pela lixa anterior até que os mesmos
desapareçam completamente e a cada mudança de lixa, limpa-se a superfície com um
pano ou algodão. Deve evitar o acabamento espelhado que dificultará o ataque e a
fotografia.
MECANICAMENTE
O CDP é aplicado por dispositivo apropriado contra a lixa, fixada em discos
giratórios e conservados numa posição mais ou menos fixas, passando-se manualmente
para a lixa seguinte quando os riscos deixados pela anterior tiverem desaparecidos.
Normalmente, não se exige para a macrografia polimento muito elevado o que
facilita sobre maneira a execução deste ensaio.
40
ATAQUE DA SUPERFÍCIE POR UM REAGENTE QUÍMICO ADEQUADO
O contato do CDP com o reativo pode ser obtido:
Imersão: Mergulhando a superfície no reativo colocado num recipiente. Deve-se
agitar o reagente para homogeneizar o reativo e, principalmente, para destruir as bolhas
arrastadas mecanicamente ou formada pelas reações químicas, por estas impedirem o
ataque.
Aplicação: Aplicando-se uma camada de reativo sobre a superfície com um
chumaço de algodão fixado num bastão de vidro.
Conforme sua duração e profundidade, os ataques são classificados em lentos ou
profundos e rápidos ou superfícies. Estes últimos são os mais empregados.
Os ataques lentos visam obter uma corrosão profunda do metal, com relevo
acentuado. Empregam-se em alguns casos em que o reativo rápido não dá contraste
suficiente como em certas estruturas fibrosas.
O ataque, de acordo com o tempo de duração, é dito rápido, conforme sua
duração seja de segundos ou poucos minutos e lento, quando durar minutos, horas ou
dias.
Normalmente, durante o ataque à superfície é observada constantemente até
obter-se uma textura nítida e com detalhes para o exato resultado do ensaio.
O tempo de ataque, estando subordinado a temperatura e a composição do
material e do reativo, deve ser encarado com muito cuidado, pois tempo insuficiente
proporcionará textura fraca, pouco visível e sem detalhes e em excesso, dará textura
ofuscada e até deturpada.
Deve-se utilizar a capela quando os vapores emanados dos reativos forem
corrosivos ou tóxicos.
41
Lavagem:
Interrompe-se o ataque por meio de um jato de água sobre a superfície, tendo-se
o cuidado de remover qualquer depósito formado durante o ataque.
Secagem:
Consiste em aplicar álcool ou algodão embebido em álcool sobre a superfície e
em seguida jato de ar, de preferência quente.
REATIVOS OU SOLUÇÕES DE ATAQUE
São geralmente, soluções ácidas, alcalinas, ou substâncias complexas dissolvidas
num solvente adequado, principalmente álcool e água.
O reativo para revelar uma nítida textura deve ser escolhido de acordo com a
natureza do material e dos detalhes que se quer verificar. Deve possuir determinadas
características como simplicidade de composição, estabilidade, não ser tóxico e nem
venenoso.
Numerosos são os reativos aplicados nos ensaios macrográficos, sendo que os
mais aplicados a aços carbono e aços de baixa liga.
Os reativos mais concorrentes são:
REATIVO DE ÁCIDO CLORÍDRICO
Aplicação: O CDP deve ser imerso na solução por um período de tempo suficiente para
revelar a macroestrutura.
¾ Composição:
Ácido clorídrico (conc.) – 50ml
Água
- 50ml
¾ Revelação:
Identificar trincas, porosidades, depósito de soldas, segregação, profundidade de
têmpera etc.
REATIVO DE IODO
Aplicação:
A solução deve ser utilizada à temperatura ambiental imergindo ou aplicando com
uma mecha de algodão a solução na superfície a ser atacada, até que se tenha uma
42
clara definição dos contornos da macro-estrutura. O corpo de prova deve ser imerso na
solução por um período de tempo suficiente para revelar a macroestrutura.
¾ Composição química:
Iodo sublimado
10g
Iodeto de potássio
20g
Água
100g
¾ Revelação:
a) Imagens que só aparecem com um simples ataque da superfície, e que
desaparecem quase por complemento com um leve repolimento
subseqüente: alterações locais ou parciais de origem térmica como
têmperas, zonas alteradas pelo calor da solda, partes cementadas etc.
b) Imagens que só revelam ou só aparecem após um leve repolimento da
superfície atacada com as imagens adquirindo maior contraste se o
repolimento for seguido de um ataque de muita curta duração:
segregação, bolhas, textura fibrosa etc.
NORMALIZAÇÃO DO MÉTODO
Os métodos para a determinação da macroestrutura de aços e de materiais
diferentes estão normalizados pelo método ASTM que também fornece os reativos mais
adequados para os vários tipos de metais.
A avaliação do resultado do ensaio depende da finalidade a que o mesmo destina,
ou seja, se o ensaio foi aplicado com a intenção de pesquisa ou de avaliar o aspecto da
macro-estrutura segundo uma norma ou especificação.
O registro dos resultados dos ensaios macrográficos pode ser feito:
43
¾ Proteção da face ensaiada do corpo de prova com uma camada de verniz
transparente.
¾ Fotografia em tamanho natural dos resultados do ensaio, seguido de laudo ou
relatório.
44
TÉCNICA MICROGRÁFICA
¾ Escolha de localização da secção a ser estudada
¾ Realização de uma superfície plana e polida
¾ Ataque
¾ Observação através do microscópio
Escolha e localização da secção a ser estudada:
A localização do corpo ou dos corpos de prova para a micrografia em peças
grandes é, freqüentemente, feita após o exame macrográfico, porque se o aspecto for
homogêneo, a localização do corpo de prova e em geral indiferente; se, porém, não for e
revelar anomalias ou heterogeneidades, o observador poderá localizar corpos de prova
em vários pontos, caso julgue de interesse em exame mais detalhado dessas regiões.
Quando se trata de uma peça pequena é ela diretamente secionada.
O corte da amostra deve ser efetuado de tal maneira que não complique as precauções.
Os discos de corte são os mais utilizados na micrografia. Durante a operação de corte,
deve-se tomar o máximo de cuidado para não danificar a estrutura do material.
CORTADEIRA DE AMOSTRAS METALOGRÁFICAS MESOTOM: Cortadeira de amostras para
laboratórios metalográficos e petrográficos. De construção sólida, isenta de vibrações mecânicas,
permite o corte a úmido por imersão completa com discos abrasivos. Durante o corte a amostra e
o disco abrasivo são devidamente refrigerados para evitar qualquer deformação da estrutura
interna do material através de dois bicos atomizadores ajustáveis os quais são alimentados por um
sistema de circulação de água, circuito fechado.
45
PRENSA HIDRÁULICA SEMI-AUTOMÁTICA PARA EMBUTIMENTO DE AMOSTRAS
METALOGRÁFICAS
Processo moderno de fixação de pequenas peças
EMBUTIMENTO:
A montagem da amostra para o ensaio metalográfico é de grande importância,
pois facilita o manuseio de peças pequenas. A montagem é feita com resinas
termoplásticas, através de prensa hidráulica.
46
REALIZAÇÃO DE UMA SUPERFÍCIE PLANA E POLIDA NO LUGAR ESCOLHIDO
Tudo que foi dito na técnica e preparação do CDP para a macrografia aplica-se
também a da micrografia, acrescido evidentemente de alguns cuidados especiais, pois
neste caso a superfície se destina a ser examinada ao microscópio.
A técnica de lixamento consiste em se lixar a amostra sucessivamente com lixas
granulometria cada vez menor, mudando a direção (90º) em cada lixa subseqüente até
desaparecerem os traços da lixa anterior.
A prática indica que a seqüência mais adequada para o trabalho metalográfico é
220, 320, 400 e 600, sendo o tempo de lixamento o dobro para cada estágio até que
todos os riscos desapareçam. Podendo usar lixadeiras manuais e elétricas.
MANUAL
Lixadeira manual por via úmida de amostras metalográficas cerâmicas ou petrográficos.
Fornecida com área de lixamento em forma de 4 pistas de 245x45 mm, permitindo a
rápida intercambialidade das lixas nas granas 220, 320, 400 e 600. Sistema de aspersão
de água corrente, dreno e molas de fixação das lixas.
MOTORIZADO
Lixadeira-politriz motorizada: pode ser transformada em lixadeira com a adaptação do
disco de lixamento propriamente dito e o anel de proteção do rebordo da lixa.
47
Este sistema emprega o famoso princípio de lixamento a úmido Knuth desenvolvido pela
Struers, o qual usa a própria centrifugação da água para a correta fixação da lixa ao
disco, eliminando a necessidade de qualquer outro método de fixação e facilitando a sua
intercambialidade na sucessão das granas 220,320,200 e 600.
Polimento:
Consiste na obtenção de uma superfície isenta de riscos, de modo a se obter uma
imagem clara e perfeita ao microscópio, da estrutura em observação.
O polimento é feito em politrizes sobre um disco giratório de feltro sobre o qual se
aplica um agente polidor (alumina ou diamante).
Para verificar se o polimento já está suficientemente bom, examina-se a superfície
ao microscópio, depois de lavá-la em água e secá-la imediatamente passando-se na
superfície um pouco de algodão com álcool. Esta última fase de secagem pode ser
substituída por um jato de ar, de preferência quente, o que sem dúvida é melhor, porque
evita manchas às vezes provocadas pelo álcool.
Quando a superfície tiver um aspecto especular e praticamente sem riscos
perceptíveis com aumento de umas 100 ou 200 vezes, estará em condições de ser
examinada ao microscópio para a observação das inclusões, escórias, trincas ou outras
ocorrências visíveis sem ataque. Mas é somente depois do ataque que se pode ter
certeza de que o polimento foi bem conduzido.
A alumina para o polimento metalográfico, é conhecida como um agente polidor
convencional, fornecida em forma de pasta ou suspensão.
48
Agentes polidores: pasta de diamante e alumina
Reativos mais usuais:
NITAL
Solução de ácido nítrico a 1% em álcool etílico.
Aplicação:
Pode ser empregada para todos os produtos siderúrgicos comuns. Não ataca a
ferrita nem a cementita, mas delineia os seus contornos e colore de escuro a perlita.
PICRAL
Solução de ácido pícrico a 4% em álcool etílico.
Mesmas indicações anteriores.
ATAQUE
O ataque é feito agitando o corpo de prova com a superfície polida mergulhada no
reativo ou aplicando o reativo com um chumaço de algodão.
A duração do ataque depende de concentração do reativo e da natureza e textura
do material examinado.
49
Terminando o ataque, lava-se imediatamente a superfície com álcool. Em
seguida, procede-se a secagem, passando um pequeno chumaço de algodão umedecido
com álcool e submetendo o corpo de prova a um jato de ar quente.
Um operador experimentado, observando de vez em quando a superfície polida
enquanto está atacando pode acompanhar a ação do reativo e reconhecer quando deve
interromper o ataque.
Estrutura:
Maneira característica em que se apresenta um metal ou uma fase de um liga
metálica com referência ao reticulado cristalino. Por extensão é empregado para designar
os agregados de uma liga metálica.
Exemplo: estrutura ferrítica, estrutura perlítica, etc.
Textura:
Termo usado para exprimir o aspecto em que se apresenta em seção plana uma
liga metálica, seja quanto a sua disposição de seus constituintes, quanto à forma que
assumem seus constituintes, quanto ao estágio do processo de fabricação.
Exemplo: Textura alinhada, textura bruta de fusão, textura acicular, etc.
50