UNIVERSIDADE .....................................................
ÁREA DAS CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO MECÂNICA
RELATÓRIO DE ATIVIDADES PRÁTICAS
.................,
2011
RELATÓRIO DE ATIVIDADES PRÁTICAS
Relatório de atividades práticas de Materiais de Construção Mecânica I, do curso de Engenharia de Produção Mecânica, área das Ciências Exatas e da Terra, da Universidade..................... – Campus de ..............
Orientador: .................................
.........................,
2011
RESUMO
Quando no estado sólido, o material bruto pode ser um grão ou uma partícula fina. Sobre o material bruto se desenvolve um ou mais processos de fabricação para que finalmente tenhamos o componente desejado, na forma correta, dimensional, conforme tolerância exigida pelo projeto, acabamento superficial, além de várias propriedades intrínsecas ao material tais como: resistência mecânica, ductibilidade, tenacidade, propriedades térmicas e até mesmo eletromagnéticas.
A escolha do material a ser utilizado depende muito da aplicação requerida, mas também dos processos de transformação disponíveis para tal, além de uma análise custo-benefício onde se relaciona as propriedades desejadas e os meios de produção a serem utilizados.
Um técnico em mecânica deve conhecer os materiais, bem como suas características e propriedades para que saiba associar a especificação correta que garanta os requisitos do projeto e que sejam executáveis (usináveis moldáveis etc.).
Palavras chave– Tratamento térmico realizado - Ensaio de dureza - Ensaio de tração
- Análise metalográfica
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
LISTA DE SIGLAS
Kg - quilograma
mm - milímetro
s - segundos
HB – Dureza Brinell
HK – Dureza Knoop
HV – Dureza Vckers
In - Polegada
ASTM - Sociedade Americana para Testes e Materiais
XIX – Século dezenove
XX – Século Vinte
MET - Microscópio Eletrônico de Transmissão
MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
- INTRODUÇÃO
Desde os primórdios da evolução o ser humano utiliza-se de diversos tipos de materiais para a fabricação de utensílios, materiais os quais foram descobertos por acaso pelo homem. Através dos muitos anos o homem foi capaz de aperfeiçoar e estudar esses materiais dando sim uma aplicação muito mais ampla. Em ordem crescente de complexidade, pode-se citar alguns exemplos de materiais utilizados pelo homem:
Pedras, madeiras e fibras; Bronze, ferro e outros metais; Borrachas e polímeros; Compostos cerâmicos, novas ligas, materiais compósitos. A busca do material adequado para uma determinada aplicação pode trazer como resultado uma vasta lista de possibilidades. A escolha deve visar fatores tais como:
Propriedades (mecânicas, físicas, químicas, etc); Custo; Vida útil; Facilidade de obtenção e manipulação.
A ciência dos materiais busca a relação existente entre a estrutura dos materiais e suas propriedades. A estrutura de um material está relacionada ao arranjo interno de seus componentes, seja ao nível atômico, microscópico ou macroscópico. A estrutura de um material depende de seu processamento. Havendo alterações estruturais, haverão também modificações nas propriedades do material e, conseqüentemente, em sua performance .
A partir da segunda guerra mundial as indústrias perceberam a falta de materiais adequados para determinadas operações. Grande parte dos problemas vistos naquela época se dava ao mau emprego deles que consequentemente proporcionavam uma fratura do material antecipadamente.
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- FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
- AÇOS
Segundo Chaverini, aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variando entre 0,008 e 2,11%. Distingue-se do ferro fundido, que também é uma liga de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%. O carbono é um material muito usado nas ligas de ferro, porém varia com o uso de outros elementos como: magnésio, cromo, vanádio e tungstênio. O carbono e outros elementos químicos agem com o agente de resistência, prevenindo o deslocamento em que um átomo de ferro em uma estrutura cristalina para passa para outro. A diferença fundamental entre ambos é que o aço, pela sua ductibilidade, é facilmente deformável por forja, laminação e extrusão, enquanto que uma peça em ferro fundido é muito frágil.
- TRATAMENTOS TÉRMICOS
Segundo (http://www.ggdmetals.com.br/aco-construcao-mecanica/sae-8640/, 2013), podemos temos os seguintes conceitos dos tratamento térmicos a seguir;
Recozimento: O tratamento deve ser feito na temperatura próxima de 830ºC por no mínimo 1 hora para cada 25 mm. Resfriar lentamente no forno até 300ºC e a seguir em ar calmo.
Normalização: O tratamento deve ser feito na temperatura próxima de 860 – 880ºC por no mínimo 1 hora para cada 25 mm. Resfriar ao ar. Em casos especiais pode se utilizar ar forçado.
Têmpera: Austenitizar em temperatura entre 840 – 860ºC. Aquecer por 1 hora para cada 25 mm de espessura. Resfriar em óleo ou polímero de têmpera. O resfriamento em polímero conduz a menor variação dimensional e maior homogeneidade microestrutural.
Revenimento: Deve ser realizado imediatamente após a têmpera quando a temperatura atingir cerca de 70ºC. A temperatura de revenimento deve ser selecionada de acordo com a dureza especificada para o componente. Para isto utilizar a curva de revenimento orientativa abaixo. Manter na temperatura de revenimento por no mínimo 1 hora para cada 25 mm de espessura e utilizar no mínimo por duas horas. Não revenir no intervalo de temperatura entre 230-370ºC por causa da possibilidade de induzir à fragilidade ao revenido. Curva de TemperabilidadeAs informações contidas neste catálogo são orientativas, dependendo da característica da matéria prima e das condições de teste.
Nitretação: Este aço pode ser nitretado para elevar a resistência ao desgaste pelo endurecimento superficial. A dureza máxima depende da condição prévia de tratamento térmico. Componentes beneficiados antes da nitretação terão melhor característica de endurecimento atingindo dureza máxima próxima de 800 HV. Recomenda-se profundidade de endurecimento entre 0,30 e 0,60 mm.
Têmpera Superficial: Pode ser realizada por processo de chama ou indução para durezas superiores a 50 HRC.
- FALHAS
São diversas as causas das falhas, mas os fundamentos das mesmas são: fratura (dúctil e frágil), fluência e fadiga.
Segundo Callister (2008), fratura dúctil é um modo de fratura acompanhado por uma extensa deformação plástica macroscópica, e fratura frágil, é uma fratura que ocorre por meio de propagação rápida de uma trinca e sem uma deformação macroscópica apreciável.
Callister (2008) classifica fluência como uma deformação permanente dependente do tempo que ocorre sob tensão; e fadiga como falha em níveis de tensão relativamente baixos, de estruturas submetidas a tensões cíclicas e oscilantes.
- FRATURA FRÁGIL
Conforme Callister (2008) a fratura frágil ocorre sem qualquer deformação apreciável e pela rápida propagação de uma trinca. A direção do movimento da trinca é aproximadamente perpendicular á direção da tensão aplicada e produz uma superfície de fratura relativamente plana.
As superfícies de fratura dos materiais que falharam de uma maneira frágil irão possuir os seus próprios padrões de distinção e estarão ausentes quaisquer sinais de uma deformação plástica generalizada, cita Callister (2008).
Para a maioria dos materiais cristalinos frágeis, a propagação da trinca corresponde á ruptura sucessiva e repetida de ligações atômicas ao longo de planos cristalográficos específicos. Tal processo é denominado clivagem. Esse tipo de fratura é chamado de transgranular, uma vez que as trincas das fraturas passam através dos grãos (Callister, 2008).
De acordo com Callister (2008) em algumas ligas a propagação das trincas se dá ao longo dos contornos de grão essa fratura é denominada intergranular. Esses tipos de fraturas resultam normalmente após a ocorrência de processos que enfraquecem ou fragilizam as regiões dos contornos de grãos.
- FRATURA DÚCTIL
Segundo Callister (2008), as superfícies da fratura dúctil irão possuir as próprias características distintas tanto no nível macroscópico quanto no microscópico.
O processo de fratura ocorre normalmente em vários estágios. Em primeiro lugar, após o início do empescoçamento pequenas cavidades se formam no interior da seção transversal. Em seguida na medida em que a deformação prossegue esses microvasios aumentam se aproximam e coalescem para formar uma trinca elíptica a qual possui o seu maior eixo em uma direção perpendicular á da aplicação da tensão. A trinca continua a crescer em uma direção paralela ao seu eixo principal por esse processo de coalescimento de microvazios. Finalmente a fratura ocorre pela rápida propagação de uma trinca ao redor do perímetro externo do pescoço por meio de deformação cisalhante e num ângulo de aproximadamente 45 em relação ao eixo de tração esse é o ângulo no qual a tensão de cisalhamento é máxima, coforme Callister (2008).
- DUREZA
Callister (2008) cita dureza como a medida da resistência de um material à deformação de sua superfície de indentação ou por abrasão.
- Ensaios de dureza Rockwell
Conforme Callister (2008) os ensaios Rockwell constituem o método mais comumente utilizado para medir a dureza. Várias escalas diferentes podem ser utilizadas a partir de combinações possíveis de penetradores e diferentes cargas, o que permite o ensaio de virtualmente, todas as ligas metálicas.
Os penetradores incluem esferas de aço endurecidas, com diâmetros de 1/16 1/8 1/4 e 1/2 de polegada, e um penetrador cônico de diamante, usado para os materiais mais duros (Callister, 2008).
Com esse sistema, um número de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração resultante de aplicação de uma carga inicial menor seguida por uma carga principal maior, a utilização de uma carga menor aumenta a precisão de ensaio. Com base nas magnitudes de ambas as cargas, a menor e a principal, existem dois tipos de ensaio: rockwell e rockwell superficial. Os ensaios superficiais são realizados com frequência para corpos-de-prova mais finos.
- Ensaio de dureza Brinell
De acordo com Callister (2008) nos ensaios de Brinell, assim como nas medidas Rockwell, um penetrador esférico e duro é forçado contra a superfície do metal testado.
O diâmetro do penetrador de aço endurecido (ou de carbeto de tungstênio) é de 10,00 mm. As cargas padrões variam entre 500 e 3000 kg, em incrementos de 500 kg. Durante um ensaio, a carga é mantida constante por um tempo especificado (entre 10 e 30 s). Os materiais mais duros exigem a aplicação de cargas maiores (Callister,2008).
O numero de dureza Brinell, HB, é tanto da magnitude de carga quanto do diâmetro de impressão resultante. Esse diâmetro é medido com um microscópio especial de baixo aumento, utilizando uma escala que está gravada na sua ocular. Diâmetro medido é então convertido no número HB apropriado com o auxílio de uma tabela, com essa técnica, é empregada em uma única escala.
- Ensaios de microdureza Knoop e Vickers
Segundo Callister (2008) para cada ensaio, um penetrador de diamante muito pequeno e com geometria piramidal é forçado contra a superfície do corpo-de-prova. As cargas aplicadas são muito menores do que para os ensaios Rockwell e Brinell. A impressão resultante é observada e medida em um microscópio, essa medida é então convertida em um número de dureza.
Os números de dureza Knoop e Vickers são designados por HK e HV, respectivamente, e as escalas de dureza para ambas as técnicas são aproximadamente equivalentes. Ambos são bem adequados para a medida da dureza em regiões pequenas e selecionadas de um corpo-de-prova, além disso, o método Knoop é usado para o ensaio de frágeis tais como os cerâmicos (Callister,2008).
- ENSAIO DE TRAÇÃO
O ensaio de tração é um dos ensaios mecânicos de tensão – deformação mais empregado na analise de materiais. O processo consiste em uma amostra que se deformara ate a fratura pelo aumento gradativo da força de tração que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo. Habitualmente o corpo de prova é circular, com uma diferença de diâmetro no centro, em casos remotos é utilizado padrões retangulares. Segundo especificações o corpo de prova tem dimensões pré determinada (Callister,2008).
O diâmetro padrão é de aproximadamente 12.8mm (0,5in), enquanto o comprimento da seção reduzida deve ser de, pelo menos, quatro vezes esse diâmetro, sendo comum a utilização de um comprimento de 60mm (2,0 in). (Callister,2008).
Segundo Callister, 2008 o corpo de prova é fixado pelas extremidades nas garras da maquina a qual exerce uma força de modo a alongar o corpo de prova a uma taxa constante, ao mesmo tempo em que se mede a carga instantânea que esta sendo aplicada e também os alongamentos resultantes.
Desse modo então, os ensaio de tração são transcritos para um computador o qual apresenta um gráfico de tensão - deformação do corpo de prova. Importante ressaltar que a seção transversal da peça esta diretamente associada ao esforço que a máquina irá fazer para determinar o gráfico. Por exemplo, se for colocado um diâmetro com o dobro do primeiro ensaio a carga para realizar a mesma deformação terá que ser o dobro da primeira (Callister,2008).
- METALOGRAFIA
Segundo Colpaert (2008), é o estudo da morfologia e estrutura dos metais. A metalografia é uma área da materialografia que além do estudo dos materiais metálicos, compreende a plastografia (materiais plásticos ou políméricos) e a ceramografia (materiais cerâmicos).
De acordo com Colpaert (2008), para a realização da análise, o plano de interesse da amostra é cortado, lixado, polido e atacada com reagente químico, de modo a revelar as interfaces entre os diferentes constituintes que compõe o metal.
- Metalografia qualitativa
Segundo Colpaert (2008), a descrição qualitativa do sistema compreende uma lista das carcaterísticas existentes neste sistema assim como alguma qualificação destas características. As seções de grãos, interfaces e linhas aparecem, nas imagens bidimensionais, no microscópio como áreas, linhas e pontos.
Segundo DeHoff, a maior utilidade da avaliação do estado qualitativo da microestrutura é, possivelmente, detectar quais características estão ausentes da linha de caracterisitcas possíveis.
- Metalografia quantitativa
O objetivo da metalografia quantitativa é determinar o tamanho médio dos grãos, a porcentagem de cada fase constituinte do material, a forma e o tipo de inclusões não metálicas, a forma e o tipo da grafite, no caso de ferros fundidos e outros dados específicos de cada liga.
Como quase todas as propriedades mecânicas dos aços dependem do tamanho do grão, estimativas do tamanho de grão estão entre as medidas mais importantes da metalografia quantitativa. As medidas mais comuns para o tamanho de grão são a interseção linear média, e o tamanho de grão ASTM, dado por um número calculado a partir da intersecção linear (Colpaert, 2008).
Segundo Colpaert (2008), há diversos métodos para medir o número de grãos por unidade de área em uma seção de uma amostra metalográfica.
Os métodos planimétricos, propostos no final do século XIX por Sauveur e desenvolvidos no começo do século XX por Jeffries envolvem a contagem do número de grãos dentro de uma área conhecida, normalmente um círculo. Equipamentos automáticos de processamento de imagem podem empregar o método planimétrico (Colpaert, 2008).
De acordo com Colpaert (2008), alternativamente, o método de interseção, proposto por Heyn, emprega uma linha de comprimento conhecido e conta o número de vezes que esta linha intercepta um contorno de grão.
Segundo Colpaert (2008), para garantir a mesma probabilidade de interseção com contornos de grãos orientados em todas as direções, a linha empregada é, frequentemente, um círculo. O número de interseções pemite calcular a interseção linear média e a área média de contornos de grão por volume, assim como o número que representa o tamanho de grão ASTM.
Para que os resultados sejam significativos é necessário um tamanho mínimo de amostra (50 grãos, em alguns métodos). Resultados experimentais confirmam que amostras de tamanho inferior conduzem a estimativas incorretas do tamanho de grão (Colpaert, 2008)
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Colpaert (2008) cita que estas técnicas permitem calcular um valor de área média dos grãos interceptados pelo plano amostral. É importante notar que esta área não é a média da área máxima de seção transversal de cada grão, pois os planos amostrais não secionam os grãos em sua maior área.
Os métodos experimentais podem ser utilizados de forma manual e de forma automatizada, através de um sistema computadorizado de análise de imagens.
- Macrografia
Segundo Colpaert (2008), a macrografia consiste no exame do aspecto de uma peça ou amostra metálica, segundo uma seção plana devidamente polida, e em geral, atacada por um reativo apropriado. O aspecto, assim obtido, chama-se macroestrutura. O exame é feito à vista desarmada ou com auxílio de uma lupa.
A palavra macrografia é também empregada para designar os documentos que reproduzem a macroestrutura, em tamanho natural ou com ampliação máxima de 10 vezes.
- Preparo de corpos-de-prova para Macrografia
A técnica do preparo de um corpo-de-prova de macrografia abrange as seguintes fases:
- Escolha e localização da seção a ser estudada.
As principais seções realizadas em produtos semi-acabados e de geometria regular são as seções longitudinais e transversais. A análise de algumas características macroestruturais é em geral, realizada mais adqeuadamente em um tipo específico de seção. Algumas características microestruturais para quais os cortes em seção transversal é o preferido são, por exemplo, verificação da homogeneidade do material ao longo de sua seção, caracterização da forma e intensidade de segregação (Colpaert, 2008).
Segundo Colpaert (2008), o corte longitudinal é preferido quando se quer verificar, por exemplo, se uma peça é fundida, forjada ou laminada; avaliação de soldas por fricção, de topo.
- Preparação de uma superficie plana e polida no lugar escolhido.
A obtenção de uma superfície adequada para o exame macrográfico compreende duas etapas: corte ou desbaste e polimento.
Segundo Colpaert (2008), o corte é feito com serra ou com cortador de disco abrasivo ou serra abrasiva, e localiza a superfície a examinar. Quando esses meios não sãos viáveis, recorre-se ao desbaste por usinagem ou por esmeril comum, até atingir a região de interesse para o exame.
Já o polimento para o exame macrográfico é realizado com lixa. Lixas de carboneto de silício são as de emprego mais comum. Inicia-se o polimento em direção normal aos riscos de usinagem ou de lixa grossa já existentes, até o completo desaparecimento destes. Depois se passa para a lixa mais fina seguinte, mudando de 90º a direção de polimento e continuando-o igualmente até terem desaparecidos os riscos da lixa anterior, e assim por diante(Colpaert, 2008).
- Ataque dessa superficie por um reagente químico adequado.
Segundo Colpaert (2008), o contato do corpo-de-prova com o reativo pode ser realizado de três métodos:
Ataque por imersão: a superfície polida é mergulhada em uma cuba contendo certo volume de reagente.
Ataque por aplicação: uma camada de reativo é aplicada sobre a seção de estudo com auxílio de um pincel ou chumaço de algodão.
Impressão direta de Baumann: uma folha de papel fotográfico, convenientemente umedecido com um reagente apropriado, é aplicada sobre a superfície polida, e obtendo-se sobre ele um decalque da maneira como se encontram distribuídos os sulfetos, no aço.
De acordo com Colapert (2008), conforme sua duração e profundidade, os ataques classificam-se em lentos ou profundos e rápidos ou superficiais.
Os ataques lentos visam obter uma corrosão profunda no metal, com relevo acentuado. O ataque pode durar horas e até mesmo dias. Por meio do ataque rápido, com reativos fortes para esse fim, obtém-se o efeito desejado em poucos minutos. Embora a corrosão seja apenas superficial, produz, entretanto, imagens suficientemente visíveis.
- Micrografia
Consiste no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio, onde se pode observar as fases presentes e identificar a granulação do material (Tamanho de grão), o teor aproximado de carbono no aço, a natureza, a forma, a quantidade, e a distribuição dos diversos constituintes ou de certas inclusões.
Analise feita em um microscópio ótico. Este tipo de microscópio possui baixo campo focal, permitindo apenas a observação de superfícies perfeitamente planas e polidas. Em razão disto, a preparação metalográfica tem grande importância na qualidade de uma análise Estes microscópios, em geral, possuem sistemas de fotografia integrados, que permitem o registro das análises realizadas.
- Microscopia ótica
Segundo Colpaert (2008), emprega-se luz visível que incide sobre a amostra e é refletida até o observador, como mostra o Esquema da Figura 1.
Figura 1–Ilustração de modos de iluminação em microscópio ótico para metalografia.
Fonte: Colpaert (2008)
Diferentes técnicas de iluminação podem ser empregadas na microscopia ótica. A iluminação obliqua ou inclinada pode ser usada para ressaltar alguns aspectos da estrutura ou alterar a forma como o contraste é percebido. A iluminação mais comum é a iluminação paralela ao eixo do microscópio. De forma geral, estas formas de iluminação resultam em imagens claras da região plana ou não atacada da amostra em imagens escuras das partes não-planas como trincas, poros etc., ou regiões atacadas quimicamente (Colpaert, 2008).
Em alguns casos excepcionais, podem ser empregadas objetivas capazes de iluminar a superfície do corpo-de-prova obliquamente com um feixe cônico, a chamada iluminação de campo escuro. Os raios luminosos que incidem nas partes polidas não se refletem mais para dentro da objetiva. Portanto, estas áreas aparecem escuras. As partes atacadas, os bordos de poros, arestas de trincas ou áreas que não refletem a luz aparecem claras ou, às vezes, brilhantes (Colpaert, 2008).
- Preparação de amostras para Microscopia Ótica
A técnica de preparação de amostras para a realização de um ensaio micrográfico em microscópio ótico pode ser divida nas seguintes fases:
- Escolha e localização da seção a ser estudada.
Consiste num processo similar ao usado para macrografia, o qual já foi descrito anteriormente. Para a microscopia só é necessário levar em consideração o peso da amostra, devido ao peso máximo suportado pela porta-amostra do microscópio.
- Obtenção de uma superfície plana e polida no local escolhido para estudo.
Conforme Colpaert (2008), na preparação clássica, após o corte com serra, plaina, ou no torno, há duas opções principais: a amostra é embutida em plástico ou resina que permite maior firmeza e facilidade de manuseio, além de permitir medidas para a preservação das arestas durante o polimento ou a amostra é submetida diretamente a preparação. A preparação da superfície de interesse envolve o lixamento em lixadeiras motorizadas seguindo uma sequência de papeis de lixa de carboneto de silício, com resfriamento e lubrificação por água.
- Exame ao microscópio para a observação das ocorrências visíveis sem ataque.
Segundo Colpaert (2008), o exame ao microscópio antes de realizar qualquer ataque tem duas funções: a primeira permite avaliar a qualidade do polimento realizado. Diversos defeitos de polimento podem influenciar o resultado dos ataques químicos e confundir a avaliação metalográfica. É essencial que, antes de realizar um ataque, a qualidade do polimento seja satisfatória. A segunda função importante do exame microscópico sem ataque é avaliar características estruturais que são visíveis nesta condição, tais como inclusões não metálicas, grafita, trincas, porosidade etc. embora muitas vezes seja necessário observar estas características também após o ataque, a observação sem ataque é muito mais clara e objetiva e a ausência das informações produzidas pelo ataque evita confusões na análise.
- Ataque da superfície por reagente químico adequado.
Colpaert (2008) cita que, o primeiro passo para a realização do ataque químico é a escolha do reagente a empregar. A seguir, é necessário observar os cuidados de segurança do trabalho e cuidados ambientais relativo ao uso e ao descarte do reagente selecionado. Por fim, determinados reagentes somente são suficientemente ativos quando usados imediatamente após a preparação, enquanto outros podem ser estocados, desde que observadas determinadas condições de temperatura e exposição ao meio ambiente.
O ataque propriamente dito é feito, normalmente, agitando o corpo-de-prova com a superfície polida mergulhada no reativo. A duração do ataque depende da concentração do reativo e da natureza e estrutura do material a ser examinado. O tempo médio para aços comuns e ferros fundidos, empregando-se reativos usuais, é da ordem de 5 a 15 segundos.
- Exame ao microscópio para a observação da microestrutura.
- Registro do aspecto observado (fotografia).
- Microscopia eletrônica
Segundo Colpaert (2008), a microscopia eletrônica aproveita o grande numero de fenômenos de interação entre elétrons e metais, para extrais informações importantes de uma amostra. Em diversos fenômenos, elétrons têm comportamento que pode ser descrito como radiação.
De acordo com Colpaert (2008), quando a amostra é suficientemente fina e a energia e a corrente do feixe são suficientemente elevadas, é possível obter informações dos sinais que atravessam a amostra. Estes sinais são tipicamente os sinais analisados em microscópio eletrônico de transmissão. As imagens observadas são o resultado da interação de um grande número de elétrons com a amostra.
Os sinais que não atravessam a amostra podem ser empregados em microscópio eletrônico de varredura. Em função das interações que os elétrons tem com o material da amostra, uma região significativamente maior do que a área de impacto do feixe, é por ele excitada (Colpaert, 2008).
Todos os microscópios eletrônicos (tanto de transmissão como de varredura) têm, em comum, a necessidade de ter uma fonte capaz de gerar um feixe de elétrons com energia e intensidade compatível e um conjunto de lentes capazes de focalizar e orientar este feixe sobre a amostra (Colpaert, 2008).
Segundo Colpaert (2008), os microscópios eletrônicos de varredura têm um conjunto de lentes capazes de fazer o feixe varrer a amostra e os microscópios eletrônicos de transmissão tem um conjunto ótico que processa os feixes transmitidos e difratados de modo a obter a imagem desejada.
- O Microscópio Eletrônico de Varredura
Segundo Colpaert (2008), a principal característica do microscópio eletrônico de varredura é que embora a iluminação seja feita com um feixe de elétrons bastante focalizado, uma área relativamente grande da amostra pode ser observada, pois o feixe de elétrons varre a superfície da amostra. À medida que o feixe varre a amostra sinais são gerados e coletados por um dos detectores do microscópio e apresentados em uma tela com uma varredura sincronizada com a varredura do feixe sobre a amostra. A relação entre a dimensão varrida sobre a amostra, pelo feixe, e a dimensão varrida na tela, representa o aumento nesse microscópio. Como esquematizado na figura 2.
Figura 2 – Esquema da operação de um MEV
Fonte: Colpert (2008)
Há dois tipos de elétrons atuantes na microscopia eletrônica de varredura: elétrons secundários e elétrons retroespelhados.
De acordo com Colpaert (2008), a distinção energética entre elétrons secundários e retroespelhados é arbitrária. Elétrons secundários são os elétrons de baixa energia emitidos pela amostra. Por serem de baixa energia, somente escampam de uma região muito próxima à superfície da amostra. O detector de elétrons secundários é, normalmente, colocado em posição ao lado e acima da amostra e é polarizado de forma a selecionar os elétrons que o atingem por sua energia. As imagens obtidas com elétrons secundários são especialmente adequadas para a observação dos detalhes topográficos.
Alguns elétrons, ao interagirem com os átomos da amostra, têm sua trajetória alterada em praticamente 180º, sem perder energia, em um mecanismo similar a um “choque elétrico”. Estes elétrons retornam em direção à superfície da amostra e, quando conseguem escapar da amostra, podem ser captados em um detector que se situa em um plano praticamente normal ao feixe incidente. Como o fenômeno de retroespelhamento é fortemente dependente do numero atômico dos átomos que compõem a amostra, a intensidade do sinal depende desta grandeza e a imagem obtida, portanto, traz esta informação (Colpaert, 2008).
Como os elétrons retroespelhandos têm uma trajetória dentro do cristal que estão amostrando, no seu caminho de volta a superfície, sofrem, também, difração. Nas ultimas décadas o aproveitamento da informação da difração sofrida pelos elétrons retroespelhados se tornou uma das ferramentas mais importantes na analise da textura cristalográfica, orientação relativa entre cristais etc. (Colpaert, 2008).
- Microscopia Eletrônica de Transmissão
Segundo Colpaert (2008), o microscópio eletrônico de transmissão (MET) usa, para formação de imagem, os feixes eletrônicos que atravessam a amostra. Para tal, as amostras devem ser submetidas a um processo de preparação que envolve a produção de regiões de espessura muito pequena. Como em geral, opera-se, com aumentos bastante grandes, o volume do metal que é examinado no MET é muito pequeno. Assim, este microscópio é mais utilizado para avaliar características gerais da estrutura do que particularidades, uma vez que é muito difícil garantir que áreas de interesse particular sejam efetivamente analisadas.
Nas imagens obtidas no MET é possível obter difratogramas (figuras de difração) de partículas extremamente pequenas e presentes no material; identificar a orientação cristalográfica de cada grão e estudar as relações cristalográficas entre as fases; é possível também identificar as discordâncias e sua orientação no metal (Colpaert, 2008).
- ESPECTROMETRIA
A espectrometria é um método para identificar os diferentes átomos que compõe uma substância. Um espectrômetro bombardeia uma substância com elétrons para produzir íons, ou átomos eletricamente carregados. Os íons atravessam um campo magnético que curva suas trajetórias de modos diferentes, dependendo de suas massas. O campo separa os íons em um padrão chamado espectro de massa. A massa e a carga dos íons podem ser medidas por sua posição no espectro. Os cientistas identificam assim os elementos e isótopos presentes na amostra.
Existem vários tipos de espectrometria como a de emissão ótica, de raio X e de átomos. Mas trataremos especificamente da espectrometria de emissão ótica.
- Espectrometria de emissão ótica
Esta técnica engloba uma série de métodos que se baseiam na emissão de radiação características de elementos químicos em contato com fontes termicas ou elétricas, segundo (www.whitemartins.com.br, 2013).
Estas fontes excitam os átomos a níveis maiores de energia que a energia do estado fundamental. Quando do estado excitado retornam ao estado fundamental, emitem uma radiação características de comprimento de onda específica para cada elemento, ou seja, neste método, uma centelha é gerada entre a superfície metálica da amostra e o eletrodo, fazendo com que os elementos presentes no material evaporem e se excitem, emitindo sinais luminosos característicos de cada elemento, permitindo desta forma, uma análise simultânea.Para esse processo utilizamos o argônio que tem como função formar uma atmosfera inerte na na câmara onde ocorre a excitação dos elétrons da amostra. Dependendo do consumo, o fornecimento poderá ser realizado na forma liquefeita, em recipiente criogênico, segundo (www.whitemartins.com.br,2011).
Segundo (www.labmat.com.br, 2013) este tipo de espectrometria é utilizado no controle da qualidade de indústrias siderúrgicas, metalúrgicas e fundições, análise de metais poluentes, produção de catalisadores, etc. São analisados os seguintes elementos:
Bases de análise:
• Ferro
• Cobre
• Cobalto
• Alumínio
• Níquel
Elementos analisados: Carbono, Silício, Níquel, Molibdênio, Cobre, Alumínio,
Cobalto, Ferro, Zinco, Zircônio, Chumbo, Arsênio, Césio, Cádmio, Prata, Manganês, Fósforo, Enxofre, Cromo, Vanádio, Tungstênio, Nióbio, Titânio, Estanho, Cálcio, Magnésio, Antimônio.
Figura 3 – Espectrômetro de emissão ótica
Fonte: www.gnrbrasil.net
Características técnicas de um espectrômetro ótico:
Utiliza PC (software Met32) para controlar todas as suas funções, sendo o comando feito através de fibras ópticas via USB 2.0. O Solaris CCD Plus dispõe de detectores digitais eletrônicos com alta resolução de 3.648 elementos ativos, até 16 CCD, dependendo da aplicação, campo espectral de 140-800 nm, retículo holográfico plano com luminosidade de 2.700 linhas/mm e distância focal de 500 mm. Possui fonte de queima Spark-multifrequência e parâmetros de excitação por computador,segundo (www.gnrbrasil.net, 2011).
- ESFORÇOS ENVOLVIDOS ANÁLISE SEM CÁLCULOS
Esforços de flexão e torção.
Flexão: Segundo Beer (1995) ocorre quando há carregamento transversal entre os apoios. O esforço de flexão configura-se em uma peça, quando esta sofre ação de cargas cortantes, que venham a originar um momento fletor significativo.
Torção: De acordo com Beer (1995), se refere ao giro de uma barra retilínea quando carregada por momentos (ou torques) que tendem a produzir rotação sobre o eixo longitudinal da barra.
- FOTOGRAFIA DAS AMOSTRAS
Figura 4 - Amostra
Fonte: O autor
Fotografia da amostra antes de ser submetida ao processo de metalografia e então a anásile microestrutural.
Figura 5 – Amostra pronta para a análise microscópica.
Fonte: O autor
Amostra já submetida ao processo metalográfico, pronta para ser analisada microscópicamente.
- MATERIAL ENVOLVIDO
Foram realizados testes de dureza no interior do componente mecânico e na parte externa da peça. Realizaram-se três testes para cada seção da peça dos seguintes materiais:
- Amostra de aço SAE 1020
- Amostra de aço SAE 1045
- Amostra de aço SAE 8620
- Amostra de aço SAE 4340
- Amostra de ferro fundido cinzento
- Amostra de ferro fundido nodular
- Amostra de ferro fundido branco
Após estes ensaios realizou-se a metalografia do material. Inicio-se p polimento utilizando-se uma sequência crescente de lixas d’água (200, 320, 400 e 600), subsequentemente poliu-se a amostra. Para o polimento utilizou-se oxido de alumínio. Esses processos estão demonstrados nas figuras 6 e 7.
Figura 6 – Lixamento da superfície a ser analisada
Fonte: O autor
Figura 7 – Polimento com feltro da superfície a ser analisada
Fonte: O autor
Depois de realizar todos os procedimentos de preparação das amostras efetuou-se o ataque com Nital e analisou-se no microscópio.
Figura 8 - Secagem da amostra.
Fonte: O autor
Utilizou-se o secador de cabelo para acelerar o processo de secagem.
Figura 9 - Amostra sendo submitida ao ataque químico do Nital.
- RESULTADOS E DISCUSSÃO
Abaixo estão dispostos os dados dos ensaios de dureza.
Figura 10 - Amostra sendo submetida ao ensaio de dureza.
Aparelho de medição de dureza.
Marca DUROTWIN PLUS OT – 20
Modelo MITUTOYO
Serial/patrimônio 036471
Condição de Uso BOA
1º tipo de ensaio HRC Carga utilizada 150Kg
Penetrador PONTA DE DIAMANTE INDUSTRIAL
2º tipo de ensaio HRC SUPERFICIAL Carga utilizada 45Kg
Penetrador PONTA DE DIAMANTE INDUSTRIAL
3º tipo de ensaio BRINELL Carga utilizada 187,5 Kg
Penetrador ESFERA 2,5MM DE DIÂMETRO
Tabela 1 - Dureza do material a partir do centro do eixo
Centro do eixo (núcleo)
| |
Teste
|
Dureza (HRC)
|
Sem tratamento
|
12,5
|
Temperado resfriado á agua
|
49
|
Temperado resfriado á óleo
|
13,5
|
normalizado
|
HRC nula
|
Cementado resfriado á água
|
56
|
Cementado resfriado á óleo
|
44
|
|
1,5
|
FONTE: O autor
Tabela 2 - Dureza do material na parte externa do eixo
Parte Externa (superfície)
| |
Teste
|
Dureza
|
Sem tratamento
|
16
|
Temperado resfriado á agua
|
50,5
|
Temperado resfriado á óleo
|
18,5
|
normalizado
|
5
|
Cementado resfriado á água
|
60
|
Cementado resfriado á óleo
|
19
|
|
4
|
FONTE: O autor
No experimento de tratamento térmico usou-se o aço SAE 1045 e SAE 1020 tratado por têmpera/cementação resfriado ao ar, aguá e óleo em que se obteve os valores de dureza, mostrados na tabela acima.
Analisando este valor conclui-se que a forma de resfriamento vai interferir diretamente na dureza final do material tratado, quanto mais rápido ele for resfriado maior vai ser sua resistência a perfuração, e que nota-se nitidamente a diferença de dureza entre a suas superfícies e núcleo. E que enquanto na Têmpera e Cementação o material torna-se mais duro, na normalização ocorre o processo inverso, através do alívio de tensões o material fica mais “mole”.
A seguir as imagens da metalografia realizadacom microscópico:
Marca KONTROL
Modelo IM-713
Serial/Patrimônio 911839/035629
Condição de uso BOA
Aplicação MICROSCOPIA DOS MATERIAIS ANALIZADOS
Figura 11 - Metalografia da amostra SAE 8640.
Fonte: O autor
Obsvamos que este aço 8640 é um dos aços de médio carbono e baixa liga mais utilizados. É um aço para beneficiamento com temperabilidade média. É utilizado na fabricação de diferentes componentes mecânicos combinando elevada resistência mecânica combinada com resistência à fratura. Pode ser nitretado para elevar a resistência ao desgaste, temperado por apresentar a quantidade de carbono ideal.
Figura 12 – Metalografia da amostra SAE 8620
Fonte: O autor
Ainda verifica-se a presença de perlita e ferrita, tal qual, são alguns dos micro constituintes básico do aço.
Com essas análises percebeu-se que a peça é de aço liga, provavelmente SAE 8620, e percebeu-se também que a superfície do componente mecânico é martensita, portanto, reunindo essas informações juntamente com os dados do teste de dureza notou-se que o material tem tratamento térmico, tal qual é cementação.
Segundo Chiaverini (1996) o processo de cementação consiste na introdução de carbono na superfície do aço, de modo a que este, depois de convenientemente temperado, apresente uma superfície muito mais dura. É necessário que o aço, em contato com a substância capaz de fornecer carbono, seja aquecido a uma temperatura em que a solução de carbono no ferro seja fácil. Para isso a temperatura deve ser superior à da zona critica, onde o ferro se encontrará na forma alotrópica gama. A profundidade de penetração do carbono depende da temperatura e do tempo.
A cementação e posterior beneficiamento ligado ao níquel, cromo, e molibdênio o que lhe confere melhor temperabilidade, por conter baixa quantidade de carbono. A cementação é utilizada para aumentar a resistência ao desgaste em um núcleo de boa resistência mecânica e à fratura. Após cementação a dureza superficial pode atingir 62 HRC.
Figura 13 – Metalografia da amostra SAE 1045
Fonte: O autor
Verifica-se que o SAE 1045 é um aço para beneficiamento com temperabilidade baixa, ou seja, baixa penetração de dureza na seção transversal, não se recomendando seu uso para seções superiores a 60 mm. Nota-se que esta microestrutura é mais escura em relação ao aço SAE 1020, por ter maior concentração carbono ocorrendo a formação de Ferrita. Possui uma boa relação entre resistência mecânica e resistência à fratura. É utilizado em geral com durezas de 180 a 300 HB. Para grandes seções utilizar o tratamento térmico de normalização.
Figura 14 – Metalografia da amostra SAE 1020
Fonte: O autor
O SAE 1020 é um dos aços ao carbono mais comum utilizado como aço para cementação com excelente relação custo benefício comparado com aços mais ligados para o mesmo propósito. Nota-se a presença de Ferrita sendo identificada como as partes pretas e Perlita parte branca. Possui excelente plasticidade e soldabilidade. Após cementação é beneficiado, mas possui menor capacidade de endurecimento.
Figura 15 – Metalografia da amostra de Ferro Fundido Nodular
Fonte: O autor
Observa-se que a composição do ferro fundido vermicular é muito similar à do cinzento. A grande diferença está na presença de magnésio. No tradicional, o cinzento, não há magnésio, ou há quantidade muito pequena. No vermicular, o elemento químico tem de ser mantido em uma faixa bastante estreita, entre 0,010% e 0,012%.
Pode- se enumerar algumas características típicas que apontam para o emprego de ferro fundido nodular:
• excelente ductilidade (de até 20% em componentes recozidos);
• tenacidade superior aos dos ferros fundidos brancos e cinzentos;
• limite de escoamento mais alto que os demais ferros fundidos e aços comuns;
• melhor resistência ao impacto e a fadiga que os ferros fundidos cinzentos;
• baixa capacidade de absorver vibrações e
• sua usinabilidade e a resistência ao desgaste, que dependem, basicamente, da microestrutura da matriz.
Figura 16 - Ferro Fundido Cinzento.
Fonte: O autor
Para os ferros fundidos cinzentos os teores de carbono variam entre 2,5 e 4,0%p, e os teores de silício variam entre 1,0 e 3,0%p. Um ferro fundido com um alto teor de silício (
2%p Si) sofre grafitização tão imediatamente que a cementita (
) nunca se forma. Durante a solidificação surgem lamelas ou flocos de grafita no metal.
2%p Si) sofre grafitização tão imediatamente que a cementita () nunca se forma. Durante a solidificação surgem lamelas ou flocos de grafita no metal.
O ferro fundido cinzento é comparativamente fraco e frágil, com ductilidade quase desprezível, quando submetido à tração, pois as extremidades das lamelas ou flocos de grafita são afiadas e pontiagudas, e podem servir como pontos de concentração de tensões quando uma tensão de tração externa é aplicada. Mas os ferros cinzentos são eficientes no amortecimento de energia vibracional, sendo indicados para aplicações expostas a vibrações, tais como as estruturas de base para máquinas e equipamentos pesados.
Figura 17 - Ferro Fundido Branco.
Fonte: O autor
Apresentam a maioria do carbono (C) na forma de cementita (
) em lugar de grafita. A superfície fraturada dessa liga é de coloração esbranquiçada. O ferro fundido branco é extremamente duro, com fratura frágil e resistente à abrasão.
) em lugar de grafita. A superfície fraturada dessa liga é de coloração esbranquiçada. O ferro fundido branco é extremamente duro, com fratura frágil e resistente à abrasão.- CONCLUSÃO
Com o desenvolvimento deste relatório, pode-se concluir que é muito importante conhecer os materiais e principalmente os tratamentos térmicos que podem ser empregados nos aços. Verificou-se que esses fatores fazem parte das principais características que um componente mecânico pode apresentar para prolongar a vida útil, conforme sua aplicação. Sendo assim, devemos conhecer a composição química e estrutural do componente em questão e a partir disso realizar os tratamentos térmicos necessários que podem ser aplicados ao aço, visando aprimorar suas propriedades mecânicas.
O aço em questão foi submetido ao tratamento termoquímico de Cementação. Graças a isso, apresentou forte dureza em sua superfície para resistência ao desgaste e núcleo tenaz para resistência a esforços de torção e flexão. Utilizando testes laboratoriais, como esforços físicos os quais o material foi submetido, admite-se que a flexão possa ter sido a principal causadora do problema mecânico.
Ao final deste material podemos citar as possíveis causas do problema. Utilizando a metodologia adotada para os testes laboratoriais, bem como a análise de esforços físicos os quais o material é submetido, pressupõem-se algumas causas.
- BIBLIOGRAFIA
BEER, F.P. e JOHNSTON, JR., E.R. Resistência dos Materiais, Makron Books, 3ª Ed., São Paulo, 1995.
CALLISTER Jr, WILLIAN D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. LTC. 8a ed. Rio de Janeiro. 2002.
CHIAVERINI. Vicente -AÇOS E FERROS FUNDIDOS- SETIMA EDIÇÃO-1996 -ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE METALURGIA E MATERIAIS- ABM
CHOLLET H. M. Curso prático para mecânicos: O motor e seus acessórios. Hemus livraria editora. 1ª Ed. São Paulo. 1981.
COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. Edgard Blücher. São Paulo. 2008.
SCHADEK. Manual do motor – uma introdução aos motores automotivos. Catálogo técnico.
http://www.eticalaboratorio.com.br/laboratorio-metalurgico/analise quimica/espectrometria-otica/ acesso dia 06/05/2012
www.gnrbrasil.net acesso dia 03/06/2012
http://www.labmat.com.br acesso dia 02/05/2012
http://www.professores.uff.br/salete/res1/aula13.pdf acesso dia 05/06/12
http://www.urisan.tche.br/~lemm/metalografia.pdf acesso dia 10/05/2012
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