Debora-Chaves

Prévia do material em texto

1
Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Gama - FGA
Engenharia Automotiva
CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES
MECÂNICAS DO FERRO FUNDIDO
NODULAR GGG-40 PARA MODELAGEM
COMPUTACIONAL EM COMPONENTES
AUTOMOTIVOS
Autor: Débora Ferreira Chaves
Orientador: Carla Tatiana Mota Anflor, UnB/FGA
Brasília, DF
2016
Débora Ferreira Chaves
CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES
MECÂNICAS DO FERRO FUNDIDO NODULAR
GGG-40 PARA MODELAGEM COMPUTACIONAL EM
COMPONENTES AUTOMOTIVOS
Monografia submetida ao curso de graduação
em (Engenharia Automotiva) da Universi-
dade de Brasília, como requisito parcial para
obtenção do Título de Bacharel em (Enge-
nharia Automotiva).
Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Gama - FGA
Orientador: Carla Tatiana Mota Anflor, UnB/FGA
Brasília, DF
2016
Débora Ferreira Chaves
CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO FERRO
FUNDIDO NODULAR GGG-40 PARA MODELAGEM COMPUTACIONAL EM
COMPONENTES AUTOMOTIVOS/ Débora Ferreira Chaves. – Brasília, DF,
2016-
45 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.
Orientador: Carla Tatiana Mota Anflor, UnB/FGA
Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Gama - FGA , 2016.
1. Ferro Fundido. 2. Ensaios Mecânicos. I. Carla Tatiana Mota Anflor,
UnB/FGA. II. Universidade de Brasília. III. Faculdade UnB Gama. IV.
CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO FERRO
FUNDIDO NODULAR GGG-40 PARA MODELAGEM COMPUTACIONAL
EM COMPONENTES AUTOMOTIVOS
CDU 02:141:005.6
Débora Ferreira Chaves
CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES
MECÂNICAS DO FERRO FUNDIDO NODULAR
GGG-40 PARA MODELAGEM COMPUTACIONAL EM
COMPONENTES AUTOMOTIVOS
Monografia submetida ao curso de graduação
em (Engenharia Automotiva) da Universi-
dade de Brasília, como requisito parcial para
obtenção do Título de Bacharel em (Enge-
nharia Automotiva).
Trabalho aprovado. Brasília, DF, 06 de julho de 2016:
Carla Tatiana Mota Anflor,
UnB/FGA
Orientador
Maura Angélica Milfont Shzu,
UnB/FGA
Convidado 1
Rodrigo Arbey Muñoz Menezes,
UnB/FGA
Convidado 2
Brasília, DF
2016
Agradecimentos
Agradeço a Deus, pela vida, por me permitir ingressar na Universidade e a vencer
cada desafio.
Aos meus pais e irmãos, pelo amor, apoio, carinho e paciência durante a graduação
e por construírem em mim valores que formaram quem sou hoje.
Aos professores Carla Tatiana Mota Anflor, Edison Gustavo Cueva Galárrara,
Ricardo Ramos Fragelli, Rodrigo Arbey Muñoz Meneses e demais membros do corpo
docente pelas orientações e ensinamentos durante todo o período de graduação.
Aos meus amigos de graduação, pelo tempo que passamos juntos e pela assistência
nos momentos difíceis.
Ao Instituto de Biologia da UnB, pelo uso do microscópio eletrônico de varredura.
Resumo
Nos projetos de engenharia, é essencial conhecer as propriedades mecânicas dos materiais
de pesquisa. Dentre as quais, tem-se: módulo de elasticidade, coeficiente de Poisson, ten-
são de escoamento, tensão última, tensão de ruptura, ductilidade, resiliência, tenacidade,
energia absorvida em um impacto, dureza. Essas características são testadas e valida-
das por ensaios experimentais. Assim, o presente trabalho apresenta uma caracterização
do ferro fundido nodular GGG-40, material de uso crescente na indústria automotiva,
a partir do microscópio eletrônico de varredura e dos ensaios mecânicos destrutivos de
tração, dureza e impacto. A qual foi confirmada por fontes teóricas.Outros mecanismos
de auxílio na realização de projetos são os simuladores computacionais, que reproduzem
as características de um ambiente real, permitindo assim, conhecer melhor o objeto de
estudo. Nesse contexto, na segunda etapa deste trabalho, uma aplicação para o ferro
fundido nodular GGG-40 será proposta e fundamentada por análises computacionais na
plataforma ANSYS com os resultados obtidos nos ensaios mecânicos em laboratório.
Palavras-chaves: Ferro fundido. Ensaios mecânicos. Propriedades mecânicas.
Abstract
In engineering projects, it is essential to know the mechanical properties of the materials
of study. Some of them are: modulus of elasticity, Poisson’s ratio, yield strength, ulti-
mate strength, rupture stress, ductility, resilience, tenacity, absorbed energy in a impact,
hardness. These characteristics are tested and validated by experimental tests. Thus,
this work presents a characterization of the nodular cast iron GGG-40, which usage is in-
creasing in the automotive industry, by the scanning electron microscope and destructive
mechanical tests of tensile, hardness and impact. Another devices that help in projects
are the computer simulators, that reproduce the features of a real environment, allowing
a better understand of the object of study. In this context, the second stage of this work
is to propose an application for nodular cast iron GGG-40 and support it with computer
analysis in the ANSYS platform using the results obtained in the mechanical tests.
Key-words: Cast iron. Mechanical tests. Mechanical properties.
Lista de ilustrações
Figura 1 – Corpo de prova padrão para ensaio de tração . . . . . . . . . . . . . . 15
Figura 2 – Ensaio de ruptura por tração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Figura 3 – Curva tensão-deformação de engenharia. . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Figura 4 – Dimensões no ensaio de impacto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Figura 5 – Curva da energia de impacto em função da temperatura. . . . . . . . . 19
Figura 6 – Corpos de prova para ensaio de impacto do tipo Charpy. . . . . . . . . 19
Figura 7 – Corpos de prova para ensaio de impacto do tipo Izod. . . . . . . . . . . 20
Figura 8 – Representação de um penetrador de ensaio de dureza Vickers e entalhe. 21
Figura 9 – Entalhe obtido pelo ensaio de dureza Vickers em uma amostra do ferro
fundido nodular GGG-40. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 10 – Diagrama de fases ferro-carbono em condições de reações eutética e
eutetóide estáveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 11 – Efeito de diversos tratamentos térmicos no comportamento de resistên-
cia ao choque de ferro nodular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Figura 12 – a) Politriz lixadeira Polipan 2D da Pantec; b) Veludo flocado. . . . . . 28
Figura 13 – Tecido de poliéster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 14 – Durômetro Mitutoyo Durotwin – D Plus. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 15 – Corpos de prova de impacto do tipo Charpy. . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 16 – Recipiente de isopor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 17 – Equipamento que realiza ensaio de impacto dos tipos Charpy e Izod. . 31
Figura 18 – Corpos de prova de tração. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura 19 – Máquina para ensaio de tração: INSTRON 8801. . . . . . . . . . . . . 32
Figura 20 – Análise micrográfica ferro fundido nodular GGG-40 com ataque quí-
mico nital 3%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figura 21 – Microscopia da amostra de GGG-40 e pontos 1, 2, 3 e 4 marcados para
análise da composição química. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figura 22 – Composição química. a) ponto 1; b) ponto 2; c) ponto 3; d) ponto 4. . 34
Figura 23 – Influência da temperatura na energia absorvida no impacto. . . . . . . 36
Figura 24 – Influência da temperatura na energia absorvida no impacto. . . . . . . 38
Figura 25 – Seção transversal da fratura de cada corpo de prova. . . . . . . . . . . 38
Figura 26 – Curva tensão-deformação do ferro fundido nodular GGG-40: a) corpo
de prova 1, b) corpo de prova 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Lista de tabelas
Tabela 1 – Propriedades obtidas pelos ensaios destrutivos de tração, impacto e
dureza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Tabela 2 – Propriedades mecânicas do ferro fundido nodular GGG-40. . . . . . . . 27
Tabela 3 – Composição química do ferro fundido nodular GGG-40. . . . . . . . . 27Tabela 4 – Porcentagem dos componentes no ponto 4. . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Tabela 5 – Dados obtidos no ensaio de dureza Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . 35
Tabela 6 – Valores de dureza Brinell para algumas ligas. . . . . . . . . . . . . . . 36
Tabela 7 – Valores de temperatura e energia absorvida do ferro fundido nodular
GGG-40 no ensaio de impacto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Tabela 8 – Valores das propriedades obtidas pelo ensaio de tração do ferro fundido
nodular GGG-40 e pela teoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Tabela 9 – Propriedades médias ferro fundido nodular GGG-40 e de outros materiais. 40
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Divisão do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Ensaios Mecânicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Ensaio de tração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 Ensaio de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 Ensaio de dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.3.1 Dureza Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.3.2 Dureza Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.3.3 Dureza Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Ferro Fundido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Ferro Fundido Cinzento: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Ferro Fundido Branco: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3 Ferro Fundido Maleável: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.4 Ferro Fundido Nodular: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.5 Ferro Fundido com grafita compacta: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Ferro Fundido Nodular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.1 Ferro Fundido Nodular GGG-40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1 Análise estrutural da superfície . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Ensaio de dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Ensaio de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Ensaio de tração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 Análise estrutural da superfície . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Ensaio de dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 Ensaio de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.4 Ensaio de tração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . 41
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
ANEXO A – DIMENSÕES DOS CORPOS DE PROVA . . . . . . . 44
ANEXO B – CONVERSÃO DE VALORES DE DUREZA . . . . . . 45
11
1 Introdução
Segundo Askeland e Phulé (2008), a ciência dos materiais é a base de todos os
avanços tecnológicos. Assim, conhecer as propriedades mecânicas dos materiais de pes-
quisa e compreender seus fundamentos e aplicações podem auxiliar os desenvolvedores
nos projetos de engenharia.
Analisar somente a composição química de determinado material para selecioná-
lo para determinada aplicação não é apropriado. A estrutura interna também deve ser
investigada, pois dela dependem as propriedades mecânicas do material. E essas que
expressam ao projetista como o material se comportará em determinada situação.
Uma maneira de obter as propriedades mecânicas de um material é realizar ensaios
mecânicos em laboratório. Que consistem basicamente em submeter a uma amostra do
material um carregamento conhecido e analisar a resposta e o comportamento do elemento
nessa situação.
Outro modo de verificar o comportamento de um material em determinada si-
tuação e auxiliar na realização de projetos é utilizar simuladores computacionais. Que
segundo Lobão e Porto (1999), são boas ferramentas para estudos de sistemas, pois repro-
duzem as características de um ambiente real. Permitem assim, conhecer melhor o objeto
de pesquisa, de modo a explorar suas potencialidades, realizar comparações com outros
sistemas e identificar pontos a serem modificados.
Nos projetos de engenharia, busca-se trabalhar com o melhor material para a
aplicação desejada, no entanto o valor relativo ao processamento também deve ser con-
siderado. Tendo isso em vista, constata-se que em determinadas situações é preferível
utilizar um material com propriedades similares às do elemento ideal, mas com um custo
menor. Por exemplo, o ferro fundido nodular que pode substituir outros tipos de ferro
fundido e aço, em razão de possuir boas propriedades, tais como resistência à fratura,
ductilidade e usinabilidade e menor custo de processamento.
1.1 Objetivo Geral
O presente trabalho tem por objetivo caracterizar o ferro fundido nodular GGG-40.
1.2 Objetivos Específicos
1. Determinar as características da superfície do GGG-40 pelo microscópio eletrônico
de varredura;
Capítulo 1. Introdução 12
2. Determinar as propriedades do GGG-40 pelo ensaio de dureza;
3. Determinar as propriedades do GGG-40 pelo ensaio de impacto;
4. Determinar as propriedades do GGG-40 pelo ensaio de tração.
1.3 Metodologia
Etapa 1 – Estudo e compreensão dos ensaio mecânicos.
Etapa 2 – Estudo e definição das propriedades obtidas pelos ensaios mecânicos de
tração, dureza e impacto.
Etapa 3 – Estudo do funcionamento e metodologia dos ensaio mecânicos a serem
realizados.
Etapa 5 – Estudo sobre ferro fundido.
Etapa 6 – Realização dos ensaios mecânicos de tração, dureza e impacto em corpos
de prova do ferro fundido nodular GGG-40 e analisar os resultados.
1.4 Divisão do Trabalho
Este trabalho encontra dividido da seguinte forma:
Capítulo 1 – Capítulo destinado a introduzir o conteúdo presente no trabalho assim
como os objetivos e metodologia.
Capítulo 2 – Parte destinada a inserir o conteúdo teórico necessário para entendi-
mento e realização deste trabalho.
Capítulo 3 – Este capítulo destina-se a descrição dos ensaios realizados e materiais
utilizados.
Capítulo 4 – Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos nos ensaios
feitos e comentários relacionados a eles.
Capítulo 6 – Capítulo destinado à apresentação das conclusões do trabalho e su-
gestões para prosseguimento da pesquisa
13
2 Fundamentos Teóricos
2.1 Ensaios Mecânicos
Medir as características e o comportamento de materiais, tais como metais, cerâ-
micas, plásticos, sob condições diversas, descreve-os ensaios de materiais (ENCICLOPE-
DIA. . . , 2016). Esses são classificados em duas categorias, que se diferenciam ao promover
ou não a inutilização da amostra ensaiada: os ensaios destrutivos e os não-destrutivos.
Alguns tipos de ensaios destrutivos, também chamados de mecânicos, em razão de esta-
rem sujeitos a esforços mecânicos, são os ensaios de tração, dobramento, flexão, torção,
fadiga, impacto, compressão, fluência, dureza. Nos não-destrutivos, tem-se os ensaios de
raio-x, ultrassom, elétricos, por líquido penetrante e outros (SOUZA, 1982).
Os dados obtidos nos ensaios mecânicos são utilizados no auxílio de projetos,
uma vez que fornecem informações significativas do material em situações que podem ser
semelhantes aos carregamentos reais. Em vista disso, verifica-se que o conhecimento das
características mecânicasdo material é de suma importância para especificar corretamente
a aplicação de um material.
Ao realizar ensaios mecânicos é importante seguir as normas preestabelecidas para
a situação tratada. Isso garante a padronização do teste e a facilidade de comparações
com outras fontes. As normas seguidas para realização dos ensaios de laboratório desse
trabalho foram as publicadas pela Sociedade Americana de Testes e Materiais (ASTM) que
determinam os métodos de ensaio a serem utilizados. Os quais descrevem o procedimento
a ser realizado, os requisitos exigidos para o equipamento que será usado, a forma e as
dimensões dos corpos de prova a serem ensaiados e demais informações referentes à analise
(SOUZA, 1982).
A característica mecânica que se pretende obter em uma análise de laboratório
de algum material determina o tipo ensaio adequado a ser realizado. Tendo em vista
que algumas das propriedades na Tab. (1) ((CALLISTER, 2002); (HIBBELER, 2010);
(SHACKELFORD, 2008)) desejam ser encontradas para o ferro fundido nodular GGG-
40, os ensaios mecânicos a serem abordados nesse projeto serão os destrutivos de dureza,
impacto e tração.
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 14
Tabela 1: Propriedades obtidas pelos ensaios destrutivos de tração, impacto e dureza.
Propriedade Definição Ensaio
Módulo de elastici-
dade
Medida de rigidez de um componente.
Corresponde à inclinação da curva
tensão-deformação na região elástica.
Tração
Coeficiente de
Poisson
Relaciona a deformação elástica lon-
gitudinal com a transversal produzida
por uma tensão de tração ou compres-
são.
Tração
Limite de escoa-
mento
Tensão na qual a deformação plástica
tem início.
Tração
Limite de resistên-
cia à tração
Tensão máxima da curva tensão-
deformação de engenharia. Nos mate-
riais dúcteis, a partir desse ponto, a de-
formação não é mais uniforme, inicia-se
a estricção.
Tração
Tensão última Tensão de ruptura. Tração
Resiliência Capacidade de um material absor-
ver energia quando deformado elastica-
mente e retornar a sua condição inicial.
Tração
Ductilidade Representa a deformação plástica que
um material pode suportar sem rom-
per. Uma estimativa seria obter o alon-
gamento percentual, medindo a distân-
cia entre as marcas de referência do
corpo de prova antes e depois do ensaio
de tração.
Tração
Tenacidade Energia absorvida por um material an-
tes de fraturar. Área sob a curva
tensão-deformação.
Tração
Temperatura de
transição dúctil-
frágil
Temperatura em que o material muda
de fratura dúctil para frágil.
Impacto
Dureza Medida da resistência de um material a
uma deformação plástica localizada.
Dureza
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 15
2.1.1 Ensaio de tração
Ensaio de tração é o mais importante dos testes convencionais, uma vez que for-
nece várias propriedades mecânicas do material e é considerado de fácil execução. Para
realização desse teste experimental, o corpo de prova padrão Fig. (1) é colocado na má-
quina específica para esse tipo de ensaio, representação dessa na Fig. (2), e é tracionado a
uma velocidade constante na direção axial até sua fratura (ASKELAND; PHULÉ, 2008).
Figura 1: Corpo de prova padrão para ensaio de tração
Fonte: (ASTM, 2015a)
Figura 2: Ensaio de ruptura por tração
Fonte: (SHACKELFORD, 2008)
Esse teste experimental é primariamente usado para determinar a relação entre a
tensão normal média e a deformação normal média (HIBBELER, 2010). Fornece também
a resistência e a ductilidade do material sob tensões de tração uniaxial, que são dados
úteis para comparação de materiais, desenvolvimentos de ligas, controle de qualidade e
projeto em circunstâncias específicas (HANDBOOK, 1990).
No ensaio de tração, registram-se os dados da carga F aplicada na direção axial do
corpo de prova em função da variação de comprimento Δl. Esses valores são convertidos
em tensão e deformação e se obtém a curva tensão-deformação de materiais (Fig. 3). Essa
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 16
conversão é obtida pelas Eqs. (2.1) e (2.2), nas quais 𝐴0 é a seção transversal inicial do
corpo de prova antes do ensaio, 𝑙0 é a distância inicial entre as marcas de referência e Δl
é a variação do comprimento sob a força F (ASKELAND; PHULÉ, 2008).
𝜎 = 𝐹
𝐴0
(2.1)
𝜖 = Δ𝑙
𝑙0
(2.2)
Na Figura(3), os detalhes circulares representam a geometria do corpo de prova
de metal dúctil em pontos diferentes ao longo da curva tensão-deformação. No primeiro,
ainda no regime elástico, a amostra ensaiada retornaria a sua seção inicial com a remoção
da carga. Já no regime plástico, segundo círculo e demais, o corpo de prova sofre uma
deformação permanente. Após o limite de resistência à tração, LRT, a deformação não é
mais uniforme, a área da seção transversal começa a diminuir em uma região localizada
e não em todo seu comprimento, processo chamado de estricção ou empescoçamento,
representado no terceiro detalhe. Nessa região ocorrerá a fratura (CALLISTER, 2002).
Figura 3: Curva tensão-deformação de engenharia.
Adaptado de Callister (2002)
A curva tensão-deformação mostrada na Fig. (3) é considerada convencional. Em
razão do comportamento do gráfico após a estricção não ser verdadeiro, uma vez que
depois desse ponto a seção do corpo de prova não deforma homogeneamente e a área
utilizada para cálculo da tensão é a inicial, não a instantânea (Eq. 2.1). Assim, no início
do empescoçamento a tensão real é maior do que a tensão convencional representada. Em
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 17
aplicações industriais não é necessário utilizar os valores de tensão e deformação reais,
pois se trabalha no regime elástico do material, dado que é considerado que a falha dos
componentes ocorre após do limite de escoamento (ASKELAND; PHULÉ, 2008).
Dentre as propriedades obtidas no ensaio de tração tem-se o módulo de elastici-
dade, que é um valor constante específico de cada material, o qual pode ser obtido pela
Eq. (2.3) ou pela inclinação da curva tensão-deformação na região elástica. Quanto maior
essa constante, menor a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão e mais
rígido será o material (SOUZA, 1982).
𝐸 = 𝜎
𝜖
(2.3)
O limite de resistência à tração e a tensão última do material podem ser encontra-
dos facilmente na curva tensão-deformação. Sendo o primeiro, o valor de tensão máximo
nessa curva e o segundo, a tensão na fratura. Já o limite de escoamento é difícil de ser
encontrado precisamente. Devido a isso, ele é definido convencionalmente como a inter-
secção da curva tensão-deformação com uma reta paralela à parte elástica em 0,2% da
deformação ((HIBBELER, 2010);(SHACKELFORD, 2008)).
Outras características do material que podem ser obtidas pelo ensaio de tração
são a tenacidade e a resiliência do material. O primeiro indica a densidade de energia
absorvida antes da fratura e é obtido pela área sob a curva tensão-deformação. O segundo
representa a capacidade do corpo ensaiado em absorver energia sem sofrer uma deformação
permanente e é avaliado pela área elástica sob o curva tensão-deformação, Eq. (4), em
que 𝑈𝑟 é o módulo de resiliência, 𝜎𝑒 é o limite de escoamento e 𝜖 é a deformação no limite
de escoamento (ASKELAND; PHULÉ, 2008).
𝑈𝑟 =
𝜎𝑒𝜖𝑒
2 (2.4)
A ductilidade representa a medida de deformação plástica que um material pode
suportar até a fratura. Essa propriedade pode ser descrita pelo alongamento percentual
do corpo de prova, descrito pela Eq. (2.5), na qual 𝑙0 é a distância de referência antes do
ensaio e Δl é a diferença das medidas de referência antes e depois do ensaio (ASKELAND;
PHULÉ, 2008).
𝐴𝑙𝑜𝑛𝑔𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = Δ𝑙
𝑙0
100 (2.5)
Comparando as dimensões do corpo de prova antes e depois do ensaio de tração,
verifica-se que a área da seção transversal diminui, enquanto que seu comprimento lon-
gitudinal aumenta. A partir da relação entre essas deformações, Eq. (2.6), obtêm-se o
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 18
coeficiente de Poisson, 𝜈, que representa a rigidez do material na direção perpendicular à
aplicação da carga uniaxial (HIBBELER,2010).
𝜈 = − 𝜖𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙
𝜖𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙
(2.6)
2.1.2 Ensaio de impacto
Ensaio que avalia a fragilidade de um material sob condições de alta taxa de de-
formação. Refere-se especificamente ao comportamento dos metais quando submetidos a
uma força que resulta em tensões multiaxiais associado com um entalhe, simultaneamente
com altas taxas de carregamento e, em determinados casos, com altas ou baixas tempe-
raturas. Utilizando esse ensaio, para alguns materiais e temperaturas é possível prever a
probabilidade de fratura frágil com precisão (ASTM, 2012b).
O ensaio de impacto é realizado utilizando um pêndulo de comprimento S que
parte de uma altura ℎ𝑜 e ângulo 𝛽, golpeia e fratura o corpo de prova padrão e atinge
uma altura final ℎ𝑓 e ângulo 𝛼 (Fig. 4). A diferença das elevações inicial e final do
pêndulo fornece a diferença de energia potencial, que corresponde a energia absorvida
pela amostra durante o impacto (ASKELAND; PHULÉ, 2008).
Figura 4: Dimensões no ensaio de impacto.
Fonte: (ASTM, 2012b)
A ruptura de um corpo de prova no ensaio de impacto pode ser do tipo frágil ou
dúctil. O primeiro ocorre sem qualquer deformação significativa, sendo assim a superfície
de falha é relativamente plana de aspecto cristalino e ao comparar com o dúctil, menor
energia é absorvida na fratura. A ruptura dúctil apresenta uma seção com aspecto fibroso
e irregular, o que indica deformação plástica.
Para alguns materiais, ao relacionar graficamente a energia absorvida no impacto
de diversos corpos de prova e as diferentes temperaturas de ensaio, obtêm-se a chamada
região de transição dúctil-frágil (Fig. 5), que é um dos objetivos do teste de impacto. Esse
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 19
gráfico é importante, uma vez que fornece a faixa de transição de temperatura em que um
material possui fratura frágil ou dúctil, isto é, com o decaimento de temperatura a energia
de impacto cai repentinamente ao longo de um intervalo de temperaturas relativamente
estreito, passando de uma fratura dúctil para frágil (CALLISTER, 2002), conhecimento
significativo para decisão de materiais em projetos de engenharia.
Figura 5: Curva da energia de impacto em função da temperatura.
Existem dois tipos de ensaio de impacto: Charpy e Izod. As principais diferenças
entre eles são as medições dos corpos de prova (Figs. 6 e 7) e a posição desses na máquina
de ensaio de impacto. No ensaio do tipo Charpy, o corpo de prova está apoiado nas duas
extremidades e o golpe do martelo é disferido no lado oposto ao entalhe, enquanto no
Izod, o golpe é disferido no mesmo lado do entalhe e o corpo de prova é apoiado em uma
extremidade (SHIGLEY; MISCHKE, 2005).
Figura 6: Corpos de prova para ensaio de impacto do tipo Charpy.
Fonte: (ASTM, 2012a)
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 20
Figura 7: Corpos de prova para ensaio de impacto do tipo Izod.
Fonte: (ASTM, 2012a)
2.1.3 Ensaio de dureza
Ensaio que mede a resistência da superfície de um material à penetração por
um objeto rígido. Alguns dos ensaios de dureza realizados em metais são os do tipo
Rockwell, Brinell e Vickers. Os quais se diferenciam, também, pelos tipos de penetradores
usados (ASKELAND; PHULÉ, 2008). Neste trabalho, o ensaio de dureza Rockwell será
realizado, entretanto a título de comparação teórica, os ensaio de dureza Vickers e Brinell
são abordados nesta revisão bibliográfica.
2.1.3.1 Dureza Brinell
Nesse ensaio, uma esfera de aço com elevada dureza e diâmetro D é forçada contra
a superfície a ser analisada com uma carga F a ser aplicada por um tempo t, de 10 ou
15 segundos. Após obter o diâmetro da impressão marcado pelo penetrador, calcula-se o
número de dureza Brinell (HB), pela Eq. (2.7), na qual F corresponde a carga aplicada
em quilograma-força, D ao diâmetro do penetrador em milímetros, Di ao diâmetro da
impressão em milímetros (ASTM, 2012a).
𝐻𝐵 = 2𝐹
𝜋𝐷(𝐷 −
√︁
𝐷2 − 𝐷𝑖2)
(2.7)
A dureza Brinnel é definida em N/𝑚𝑚2 ou kgf/𝑚𝑚2, no entanto a unidade é
geralmente omitida, uma vez que a dureza Brinnel não é um conceito físico satisfatório,
por não considerar o valor médio da pressão sobre toda a superfície de impressão (SOUZA,
1982).
Não há uma forma ou tamanho padrão para a amostra a ser analisada por um
ensaio de dureza Brinell, há porém alguns requerimentos a serem seguidos: a espessura
do material deve ser tal que nenhuma marcação apareça no lado oposto ao ensaiado; se
necessário, a peça deve passar por um processo de acabamento (usinagem, polimento)
para que as bordas do entalhe fiquem nitidamente marcadas de modo a permitir uma boa
precisão na medição (ASTM, 2012a).
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 21
2.1.3.2 Dureza Vickers
Teste de dureza no qual uma pirâmide de base quadrada com ângulos de face
específicos de diamante é forçada sob a amostra (Fig. 8). Após a remoção da carga, os
comprimentos das duas diagonais da área marcada, observados nas Figs. (8) e (9), são
medidos. A partir deles se obtém o número de dureza Vickers (HV), definido pela Eq.
(2.8),em que F é a carga sob a amostra em quilograma-força e 𝑑𝑣, a média do comprimento
das diagonais em milímetros. Assim como o número de dureza Brinnel, HV é dado em
N/𝑚𝑚2 ou kgf/𝑚𝑚2 (ASTM, 2016).
𝐻𝑉 = 1, 85544 𝐹
𝑑𝑣
2 (2.8)
Figura 8: Representação de um penetrador de ensaio de dureza Vickers e entalhe.
Fonte: (ASTM, 2016)
Figura 9: Entalhe obtido pelo ensaio de dureza Vickers em uma amostra do ferro fundido
nodular GGG-40.
Ao realizar esse tipo de ensaio, verifica-se que o número de dureza Vickers é es-
sencialmente o mesmo para cargas de 1 a 120 kgf (ASTM, 2016). O que não ocorre ao
utilizar carregamentos menores que 1 kgf, nesse caso o ensaio é de microdureza e cuidados
maiores devem ser tomados, como por exemplo com a calibração da máquina e preparação
do corpo de prova (SOUZA, 1982).
Para o ensaio de dureza Vickers, o formato e tamanho do corpo de prova não é
determinado por uma norma padrão, no entanto o corpo deve passar por um polimento
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 22
cuidadoso, para eliminar defeitos que possam afetar o processo de entalhe ou a medição
das diagonais geradas (ASTM, 2016).
Algumas das vantagens desse ensaio: as impressões são extremamente pequenas
que não inutilizam a peça; grande precisão de medida; deformação nula do penetrador;
aplicação em qualquer espessura de material, medindo assim também durezas superficiais.
Apesar desses benefícios, o ensaio de dureza Vickers não é tão largamente utilizado como o
Brinnel e Rockwell, uma vez que é um ensaio demorado e exige preparação mais cuidadosa
da amostra (SOUZA, 1982).
2.1.3.3 Dureza Rockwell
Dois tipos de penetradores podem ser utilizados no ensaio de dureza Rockwell,
uma pequena esfera de aço temperado para materiais macios e um cone de diamante
para os mais duros. Nesse tipo de ensaio de dureza, a profundidade medida pelo pe-
netrador é automaticamente obtida pela máquina de análise e convertida no número de
dureza Rockwell (HR) (ASTM, 2012a). Nesse teste, o carregamento é aplicado em etapas,
primeiro uma pré-carga e depois uma carga maior, para aumentar a precisão do ensaio
(CALLISTER, 2002).
O ensaio de dureza Rockwell foi o escolhido para ser realizado nesse trabalho por
eliminar o tempo de medição de um operador, sendo assim é mais rápido que o teste de
dureza Brinell e Vickers e propaga menos erros pessoais. Por ter essas vantagens e por
geralmente não prejudicar a peça analisada, é um teste conveniente para uso em linhas
de produção, para verificação de tratamentos térmicos ou superficiais e de laboratório
(SOUZA, 1982).
Existem duas categorias para esse tipo de ensaio: dureza Rockwell comum e dureza
Rockwell superficial. As quais se diferenciam principalmente pela carga empregue no
teste. A fórmula para obtenção do número de dureza Rockwell varia dependendo do tipo
de dureza e penetrador utilizado, Eqs. (2.9), (2.10), (2.11) e (2.12), nas quais h é a
diferença da profundidade, em milímetros, atingida pela carga inicial, depois e antes da
carga total ser aplicada(ASTM, 2015b):
• Penetrador de diamante :
𝐻𝑅𝑐𝑜𝑚𝑢𝑚 = 100 −
ℎ
0, 002 (2.9)
𝐻𝑅𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 100 −
ℎ
0, 001 (2.10)
• Penetrador esférico:
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 23
𝐻𝑅𝑐𝑜𝑚𝑢𝑚 = 130 −
ℎ
0, 002 (2.11)
𝐻𝑅𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 100 −
ℎ
0, 001 (2.12)
Ao contrário do número de dureza Brinnel, o número de dureza Rockwell é adi-
mensional (SOUZA, 1982).
Para melhores resultados, a norma ASTM (2015a) para ensaio de dureza Rockwell
em materiais metálicos diz que a superfície a ser analisada e o lado oposto à ela devem
ser lisos, uniformes e sem camadas de óxido, substâncias estranhas e lubrificantes. A
espessura da amostra, no caso de dureza Rockwell comum, é de dez vezes a profundidade
da impressão (SOUZA, 1982).
2.2 Ferro Fundido
Ferros fundidos são ligas de ferro-carbono-silício que contêm de dois a quatro por
cento de carbono e de meio a três por cento de silício, que passam pela reação eutética
(transformação em que um líquido forma simultaneamente duas fases sólidas) durante
a solidificação. Dependendo do nível de estabilidade dessa transformação, ela poderá
ser uma reação eutética meta estável, na qual a liga Fe-C em sua forma líquida (L) é
resfriada e forma os sólidos austenita (𝛾) e cementita (𝐹𝑒3𝐶), Eq. (2.13), ou estável, a
fase líquida da liga ferro-carbono se decompõe em austenita e grafita com o decrescimento
da temperatura, Eq. (2.14) (ASKELAND; PHULÉ, 2008). A Fig. (10) mostra o diagrama
de fases ferro-carbono em condições de equilíbrio estável.
𝐿 → 𝛾 + 𝐹3𝐶 (2.13)
𝐿 → 𝛾 + 𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡𝑎 (2.14)
Um dos fatores que controlam o grau de estabilidade da reação eutética é a taxa de
resfriamento do ferro fundido. Posto que, quanto maior a velocidade que a temperatura
decai, menor o tempo que a grafita terá para nuclear e crescer. Outro responsável que
influencia o tipo de reação eutética, é a quantidade de silício presente. Uma vez que esse
elemento favorece a formação de grafita (HANDBOOK, 1990).
A categoria da reação eutética determina o tipo de ferro fundido a ser gerado. Se for
meta estável, há formação de ferro fundido branco, dado que este possui microestrutura
composta por 𝐹𝑒3C e perlita (ferrita mais 𝐹𝑒3C), se for estável, produz ferro fundido
cinzento, nodular ou de grafita compacta (ASKELAND; PHULÉ, 2008).
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 24
Figura 10: Diagrama de fases ferro-carbono em condições de reações eutética e eutetóide
estáveis.
Fonte: (CALLISTER, 2002)
O modo como a austenita se transforma durante a reação eutetóide (uma fase
sólida se transforma em duas outras, também sólidas) determina a microestrutura da
matriz e as propriedades de cada tipo de ferro fundido. A austenita transforma-se em
perlita, Eq. (2.15), no entanto a presença de silício induz a reação eutetóide estável, Eq.
(2.16), mostrado na Fig. (10).
𝛾 → 𝛼 + 𝐹3𝐶 (2.15)
𝛾 → 𝛾 + 𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡𝑎 (2.16)
A estrutura de um ferro fundido é composta por partículas de grafita dispersas
em sua matriz metálica. Assim, as propriedades mecânicas desse tipo de composto, tais
como a resistência à fratura e ductilidade, são afetadas diretamente pela configuração
dos fragmentos de grafita presentes. Partículas com forma nodulares melhoram essas
propriedades, enquanto as alongadas ou com contornos irregulares as agravam, por efeito
dos pontos concentradores de tensão. Deste modo, a classificação do ferro fundido se
baseia no formato da composição de grafita que o compõe (GOMES; PACIORNIK, 2005),
e estão listados a seguir.
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 25
2.2.1 Ferro Fundido Cinzento
No ferro fundido cinzento, a grafita está presente na forma veios, normalmente
envolvidos por ferrita ou perlita, o que resulta em baixas resistência e ductilidade. Essa
configuração da grafita confere a aparência cinza à superfície fraturada.
Apesar de ter sua resistência e ductilidade afetadas pelo formato das partículas de
grafita, o ferro fundido cinzento possui boas características, dentre elas: resistência à com-
pressão, usinabilidade, resistência ao desgaste por deslizamento, condutividade térmica e
amortecimento de vibrações (ASKELAND; PHULÉ, 2008).
2.2.2 Ferro Fundido Branco
Esse tipo de ferro fundido contém baixo teor de silício o que não favorece a formação
de grafita, assim a maior parte do carbono está na forma de cementita, por consequência
dispõe de alta dureza, resistência ao desgaste abrasivo e fragilidade. A superfície de fratura
desse tipo de ferro fundido possui coloração branca (ASKELAND; PHULÉ, 2008).
2.2.3 Ferro Fundido Maleável
O ferro fundido maleável é obtido por tratamento térmico do ferro fundido branco,
assim apresenta maior ductilidade e usinabilidade que os ferros fundidos brancos e cinzen-
tos. Com o tratamento, a cementita formada na solidificação se decompõe, produzindo
nódulos de grafita, que podem estar envolvidos por uma matriz de ferrita ou perlita,
que depende da taxa de resfriamento. O formato arredondado das partículas de grafita
concede a esse tipo de ferro fundido uma boa combinação de resistência e ductilidade
(HANDBOOK, 1990).
2.2.4 Ferro Fundido Nodular
O ferro fundido nodular é produzido pelo processamento do metal líquido com
4,3% de carbono e 0,03% de magnésio na forma de liga metálica do tipo MgFeSi. O
magnésio atua como um inibidor de curta duração, que desacelera a formação inicial da
grafita. Ao cessar o efeito do magnésio, a cementita formada se decompõem produzindo
grafita em forma esférica (CHIAVERINI, 1986). Esses nódulos promovem à esse tipo
de ferro fundido melhor resistência à fratura e ductilidade que nos ferros fundidos com
grafita em formatos de veios, dentre esses, o do tipo cinzento e o com grafita compactada
(HANDBOOK, 1990).
Em razão de conter maior teor de silício – 2,4% Si – do que o ferro fundido maleável
– 1,5% Si –, o ferro fundido nodular é mais resistente, entretanto não tão tenaz quanto o
maleável (ASKELAND; PHULÉ, 2008).
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 26
2.2.5 Ferro Fundido com grafita compacta
Formato da grafita é intermediário entre veios e nódulos, em razão dos nódulos
arredondados estarem interconectados com os veios. Essa forma da grafita proporciona
resistência e ductilidade superiores a do ferro fundido cinzento, mas mantendo boa con-
dutividade térmica e capacidade de amortecimento de vibrações (O’CONNOR, 1992).
2.3 Ferro Fundido Nodular
Como exposto na seção anterior, a grafita se encontra no ferro fundido nodular
em formato esférico, o que faz com que apresente boas propriedades mecânicas. Dentre
essas, destacam-se sua boa ductilidade, alto módulo de elasticidade e resistência mecânica
combinadas com fácil fundição e usinabilidade. Ao verificar essas características e em
adicional o baixo custo de fabricação em produtos de formas complexas, o ferro fundido
nodular é amplamente utilizado na indústria automotiva ((HANDBOOK, 1990); (DONG;
PRIOUL; FRANÇOIS, 1997); (FERRO; LAZZARIN; BERTO, 2012); (FEISTE et al.,
2002); (FRANCKLIN, 2008); (HUG et al., 2009)).
Segundo Chiaverini (1990), o gráfico de energia absorvida em função da tempe-
ratura em um ensaio de impacto do tipo Charpy para um ferro fundido nodular com
diferentes tratamentos térmicos está representado na Fig. (11). O comportamento desse
gráfico também é validado pela Handbook (1990).
2.3.1 Ferro Fundido Nodular GGG-40
O material GGG-40 pelanorma DIN, FE42012 pela ABNT, D-4512 pela SAE e
65.45.12 pela ASTM, é um tipo ferro fundido nodular que possui limite de resistência à tra-
ção de 420 MPa e 12% de alongamento. Na Tabela (2) constam outras propriedades desse
material e na Tab (3) sua composição química ((CHIAVERINI, 1986); (CHIAVERINI,
1990); (ZHANG; BAI; FRANCOIS, 1999)). Sendo um ferro fundido nodular, dispõe de
grafita em forma de esferas em sua matriz de ferrita, fazendo com que os componentes
feitos desse material apresentem boa resistência a cargas de choque e fadiga, boa ductili-
dade e usinabilidade. Com base no exposto, afirma-se que o ferro fundido nodular é uma
boa escolha para as seguintes aplicações:virabrequins, engrenagens, rolamento, discos de
freio, calibres de freio a disco, válvulas, articulações de direção, entre outros.
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos 27
Figura 11: Efeito de diversos tratamentos térmicos no comportamento de resistência ao
choque de ferro nodular.
Fonte: (CHIAVERINI, 1990)
Tabela 2: Propriedades mecânicas do ferro fundido nodular GGG-40.
Propriedade
Módulo de elasticidade [GPa] 210
Coeficiente de Poisson 0,3
Limite de escoamento [MPa] 295
Limite de resistência à tração [MPa] 420
Alongamento Percentual 12
Temperatura de transição dúctil – frá-
gil e variação da energia nessa faixa
(Fig. 11)
Fig. (11)
Dureza HB 150-200
Tabela 3: Composição química do ferro fundido nodular GGG-40.
C Si Mn S P Mg Cu Ni Cr Fe
3,35 2,25 0,3 0,006 0,025 0,039 0,06 0,04 0,02 93,9
28
3 Materiais e Métodos
Os métodos realizados nesse trabalho buscam caracterizar as propriedades mecâ-
nicas do ferro fundido nodular GGG-40 a partir dos ensaios mecânicos de dureza, impacto
e tração. Para verificar a composição química do GGG-40 foi realizada uma análise da
superfície de uma amostra. O material GGG-40 utilizado neste trabalho foi adquirido de
uma fundição na forma de blocos de aproximadamente 100 mm de lado. Neste sentido
foram realizados processos de usinagem para manufatura dos corpos de prova seguindo as
dimensões recomendadas pelas normas ASTM (2011) e ASTM (2015b).
3.1 Análise estrutural da superfície
Para realizar a análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV), uma amos-
tra de comprimento, largura e espessura iguais a 13 mm, 10 mm e 6 mm, respectivamente
foi lixada na politriz (Fig. 12.a) seguindo a ordem de granulometria das lixas d’água 100,
220, 320, 400, 600 e 1200. Para acabamento final, o veludo flocado (Fig. 12.b) com pasta
de diamante de 6 micrômetros foi utilizado. Em seguida, o nital 3% foi aplicado na amos-
tra por aproximadamente 45 segundos para que a microestrutura revelasse nitidamente
seus microconstituintes. Essa substância é composta por 97% de álcool etílico e 3% de
ácido nítrico concentrado e é usada como reativo para micrografia de metais.
A amostra preparada foi analisada via MEV para assim obter uma avaliação da
superfície.
Figura 12: a) Politriz lixadeira Polipan 2D da Pantec; b) Veludo flocado.
Capítulo 3. Materiais e Métodos 29
3.2 Ensaio de dureza
O primeiro passo para a execução do ensaio de dureza Rockwell foi o preparo
da amostra de comprimento e largura igual a 29 mm e espessura de 8 mm de ferro
fundido nodular GGG-40, que deveria ser polida cuidadosamente para eliminar defeitos
que pudessem afetar o processo de medição da dureza da superfície do material. Para isso,
em um primeiro momento, lixou-se o corpo de prova seguindo a ordem de granulometria
das lixas d’água 100, 220, 400, 600 e 1200, para remover defeitos mais profundos. Após,
o tecido de poliéster (Fig. 13) com pasta de diamante foi utilizado para polimento final.
Esses procedimentos foram realizados na politriz.
Para realizar o ensaio é importante garantir a calibração do equipamento (Fig.
14). A qual é feita realizando a análise de um corpo padrão com dureza Rockwell co-
nhecida, que faz parte do conjunto da máquina. Duas medidas foram executadas e os
resultados condisseram com o valor tabelado, demonstrando assim que o equipamento
estava devidamente calibrado.
A esfera de aço temperado de 1,5875 mm foi escolhida como penetrador, dado que
endentador esférico é a melhor opção para materiais com dureza não elevada e a carga de
100 kgf foi selecionada (Rockwell B - HRB). Após, com a máquina ligada, as opções de
penetrador esférico e dureza Rockwell normal foram inseridas na máquina.
Para obter o número de dureza Rockwell, o equipamento aplica uma pré-carga na
peça antes da carga total. A máquina calcula a diferença de profundidade de endentação
entre esses carregamentos e fornece o valor de dureza Rockwell. Cinco medidas foram
realizadas no ferro fundido nodular GGG-40.
Figura 13: Tecido de poliéster.
Capítulo 3. Materiais e Métodos 30
Figura 14: Durômetro Mitutoyo Durotwin – D Plus.
3.3 Ensaio de impacto
Para realização do ensaio 9 corpos de prova foram colocados no forno até atingirem
a temperatura aproximada de 260 graus Celsius, outros 9 foram mergulhados em um
recipiente com nitrogênio líquido por aproximadamente três minutos antes do primeiro
ser ensaiado para completa homogeneização da temperatura nas amostras e 2 corpos de
prova não sofreram processos de mudança de temperatura. Corpos de prova mostrados
na Fig. (16) e dimensões definidas pela norma ASTM (2011) e apresentadas no Anexo I.
O recipiente para acomodação dos corpos de prova de prova com nitrogênio líquido
deveria isolá-los até homogeneização da temperatura em cada amostra, assim, a escolha
mais acessível para essa finalidade foi utilizar o fundo de uma garrafa PET de 1,5 litro
em um reservatório de isopor (Fig. 17).
Antes de iniciar o ensaio, o equipamento (Fig. 18) foi calibrado, ajustando a folga
do ponteiro até que ao liberar o pêndulo da sua posição travada sem nenhum corpo de
prova, o valor mostrado na escala no equipamento fosse zero joule.
Para início do ensaio, o martelo é colocado na posição travada e o indicador de
energia no ponto de máxima leitura na escala. A seguir, o corpo de prova é posicionado no
equipamento com as duas extremidades apoiadas e com entalhe oposto onde será atingido
(ensaio do tipo Charpy). A temperatura do corpo de prova é obtida com a câmera térmica
Fluke Ti125, a alça de segurança é removida e o martelo liberado. Depois da fratura, a
energia absorvida no impacto é mostrada pelo indicador. Método realizado para todos os
corpos de prova.
Capítulo 3. Materiais e Métodos 31
Figura 15: Corpos de prova de impacto do tipo Charpy.
Figura 16: Recipiente de isopor.
Figura 17: Equipamento que realiza ensaio de impacto dos tipos Charpy e Izod.
Capítulo 3. Materiais e Métodos 32
3.4 Ensaio de tração
Os corpos de prova de tração (Fig. 19) com dimensões retiradas da norma ASTM
(2015b) (Anexo II) tiveram que passar por procedimentos de lixamento na politriz se-
guindo a ordem de granulometria das lixas d’água 100, 220, 320 e 400, pois suas faces
estavam severamente marcadas pelos processos de fabricação feito pra obtê-los, o que
poderia induzir a concentradores de tensão e provocar trincas fora da região de referência
marcada de 25 mm.
Para dar início ao ensaio, as garras foram colocadas na máquina (Fig. 20) e o
corpo de prova foi acoplado à elas. A seguir, o extensômetro foi instalado na seção útil da
amostra, delimitada pela região de referência. Após, a máquina de ensaio de tração foi
ligada para ser aquecida a temperatura normal de operação de aproximadamente 37∘C e
minimizar assim erros de regime transiente. Os dados de largura e espessura do corpo de
prova foram digitados no computador ligado à máquina, assim como a velocidade de 2
mm/min. O ensaio foi iniciado.
Figura 18: Corpos de prova de tração.
Figura 19: Máquina para ensaio de tração: INSTRON 8801.
33
4 Resultados e discussões
4.1 Análise estrutural da superfície
O princípio de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura (MEV) con-
siste em utilizar um feixe de elétrons para explorar a superfície da amostra. Esse feixe
interage com a amostra, produz elétrons e fótons que podem ser coletados pelos detectores
do MEV e convertidos em sinal de vídeo. O feixe de elétrons pode ionizar camadas mais
profundas dos átomos e emitir raios-x. Essa emissão é específica de cada número atômico,
a qual pode ser usada para identificar o elemento (DEDAVID; GOMES; MACHADO,
2007).
A Figura (20) mostra a análise micrográfica do ferro fundido nodular GGG-40 com
ataque químico - nital 3% - utilizando o MEV. É possível verificar os nódulos de grafita
na matriz ferrítica.
Figura 20: Análise micrográfica ferro fundido nodular GGG-40 com ataque químico nital
3%.
A Figura (21) indica os pontos determinados na amostra para investigação no
MEV.
Figura 21: Microscopia da amostra de GGG-40 e pontos 1, 2,3 e 4 marcados para análise
da composição química.
Capítulo 4. Resultados e Discussões 34
A Figura (22) mostra os histogramas de energia para cada ponto selecionado, sendo
o eixo horizontal a energia dos fótons e o eixo vertical o número de fótons recebidos.
Figura 22: Composição química. a) ponto 1; b) ponto 2; c) ponto 3; d) ponto 4.
A Tabela (4), a seguir, apresenta a porcentagem de cada elemento no ponto 4
analisado, marcado em laranja na Fig. (21).
Capítulo 4. Resultados e Discussões 35
Tabela 4: Porcentagem dos componentes no ponto 4.
C O Si Fe
2,38 5,18 2,99 89,45
A análise do ponto 3, Fig. (22.c), mostrou a presença predominante do carbono
em sua composição. Isso era esperado, uma vez que esse ponto é um nódulo de grafita,
que é uma forma alotrópica do carbono. Como observado na teoria, os elementos Fe, C e
Si estão presentes. Nos pontos 1, 2 e 4 verifica-se a mesma composição, afirmando assim
que a matriz é uniforme.
A composição química do material obtida pelos fornecedores do material mostra,
também, a presença dos elementos Mg, Mn, P, S, Cu, Cr e Ni, os quais não foram
determinados na análise, uma vez que os elementos em quantidade inferior a 0,2% em
massa não são detectados pelo MEV (DEDAVID; GOMES; MACHADO, 2007).
4.2 Ensaio de dureza
O ensaio de dureza realizado foi o do tipo Rockwell com penetrador esférico de
1,5875 mm e carga de 100 kgf. Foram realizadas cinco medidas com desvio padrão calcu-
lado igual de 0,5, conforme apresentado na Tab. (5):
Tabela 5: Dados obtidos no ensaio de dureza Rockwell
1 2 3 4 5
HRB 90,9 ±0,5 91,1 ±0,5 90,5 ±0,5 90,7 ±0,5 91,8 ±0,5
A média dos valores da Tab. (5) foi convertida para dureza Brinell por meio da
tabela de conversão disponibilizada pela norma ASTM (2013), no Anexo III.
91𝐻𝑅𝐵 → 190𝐻𝐵
Na Tabela (6) constam alguns valores de dureza Brinell para outras ligas ((CHI-
AVERINI, 1990); (SHACKELFORD, 2008)). Comparando com a Tab. (6), verifica-se
que o GGG-40 é menos resistente superficialmente à penetração por um objeto rígido do
que as ligas da tabela. Por possuir menor dureza que esses materiais, conclui-se que o
GGG-40 possui melhor usinabilidade. E como o valor de dureza dele não está tão longe
dos demais correspondentes aos aços, 24% menor do que o de superfície mais resistente
listada, conclui-se que ele pode substituir esses materiais dependendo da aplicação.
Capítulo 4. Resultados e Discussões 36
Tabela 6: Valores de dureza Brinell para algumas ligas.
Liga HB
Ferro fundido branco 450 - 600
Tipo A
Ferro fundido maleável 269 - 302
Classe M8501
Ferro fundido Cinzento 248 - 290
ASTM Classe 60
Aço carbono 1040 235
Aço inoxidável 410 250
4.3 Ensaio de impacto
A Tabela (7) mostra a temperatura e energia absorvida para cada corpo de prova
no impacto. O erro de medição do equipamento de ensaio de impacto é de 5% no valor
mostrado pelo indicador e o da máquina térmica é de 2∘C.
As Figuras (23) e (24) representam os gráficos dos valores mostrados na Tab. (7).
Na Figura (23) é possível observar a transição dúctil-frágil do material ensaiado com início
em 25∘C e término em 92∘C aproximadamente. É verificado que mesmo possuindo uma
leve mudança de transição dúctil-frágil, Fig. (23), o GGG-40 possui comportamento frágil
independente da temperatura de ensaio comparado com os aços carbono 0,2% C e 0,6%
C (Fig. 24), dados do aço carbonos 0,2% C e 0,60% C segundo Shackelford (2008).
Figura 23: Influência da temperatura na energia absorvida no impacto.
Capítulo 4. Resultados e Discussões 37
Tabela 7: Valores de temperatura e energia absorvida do ferro fundido nodular GGG-40
no ensaio de impacto.
Número Temperatura [ºC] Energia de Impacto [J]
do ensaio
1 -29,6 ± 2,0 3±0,15
2 -24,6± 2,0 3±0,15
3 -20,3± 2,0 3±0,15
4 -18,5± 2,0 3±0,15
5 -11,7± 2,0 3±0,15
6 -4,3± 2,0 4±0,20
7 -0,7± 2,0 4±0,20
8 4,6± 2,0 3±0,15
9 10,7± 2,0 4±0,20
10 24,1± 2,0 4±0,20
11 25,1± 2,0 3±0,15
12 60,8± 2,0 7±0,35
13 63,2± 2,0 8±0,40
14 91,3± 2,0 13±0,65
15 96,2± 2,0 13±0,65
16 99,5± 2,0 12±0,60
17 194± 2,0 15±0,75
18 200± 2,0 14±0,70
19 205,4 ± 2,0 13±0,65
20 252± 2,0 13±0,65
Capítulo 4. Resultados e Discussões 38
Figura 24: Influência da temperatura na energia absorvida no impacto.
O comportamento frágil do material ensaiado a alta taxa de deformação também
foi observado na seção fraturada do corpo de prova e consta na Fig. (25), na qual ‘n’
corresponde ao número do ensaio, ‘T’ à temperatura de ensaio e ‘E’ a energia absorvida
no impacto.
Figura 25: Seção transversal da fratura de cada corpo de prova.
Capítulo 4. Resultados e Discussões 39
Ao comparar as seções fraturadas é possível verificar nos corpos de prova ensaiados
em altas temperaturas uma contração lateral com uma superfície mais rugosa. Mostrando
assim, o comportamento dúctil comparado aos corpos de prova ensaiados em temperaturas
mais baixas.
4.4 Ensaio de tração
A Tabela (8) apresenta a média dos valores das propriedades obtidas nos dois
ensaios de tração realizados e as medidas teóricas.
Tabela 8: Valores das propriedades obtidas pelo ensaio de tração do ferro fundido nodular
GGG-40 e pela teoria
Propriedade Mecânica Valor experi-
mental
Valor teórico
Limite de resistência à tração [MPa] 444 420
Limite de escoamento [MPa] 310 295
Módulo de elasticidade [GPa] 253 210
Alongamento percentual 12 12
Coeficiente de Poisson 0,28 0,3
A Figura (26) mostra a curva tensão-deformação para os dois corpos de prova
ensaiados, assim como os valores dos limites de resistência à tração e escoamento.
Figura 26: Curva tensão-deformação do ferro fundido nodular GGG-40: a) corpo de prova
1, b) corpo de prova 2.
Um recurso que pode ser utilizado para auxiliar na escolha de um material para
determinada aplicação é a comparação das propriedades. Tendo isso como base, a Tab.
(9) apresenta algumas propriedades mecânicas de outros materiais e as obtidas para o
GGG-40 (SHIGLEY; MISCHKE, 2005).
Capítulo 4. Resultados e Discussões 40
Tabela 9: Propriedades médias ferro fundido nodular GGG-40 e de outros materiais.
Liga Limite
de resis-
tência à
tração
[MPa]
Limite
de esco-
amento
[MPa]
Módulo
de elas-
ticidade
[GPa]
Alongamento
Percentual
Coeficiente
de Poisson
Ferro fundido
nodular GGG-40
444 305 253 12 0,28
Ferro fundido
maleávelASTM
A-197
276 - 172 5 0,28
Ferro fundido
CinzentoASTM
2
179 - 67 0,6 0,28
Aço estrutural
A36
400 250 200 30 0,32
Aço inoxidável
304
517 207 193 40 0,27
Como visto nos fundamentos teóricos deste trabalho, o ferro fundido nodular é
mais resistente e dúctil que os ferros fundidos cinzentos e maleáveis, confirmados pe-
los dados de limite de resistência e alongamento percentual da Tab. (9). Por possuir
propriedades próximas aos aços mostrados na Tab. (9), conclui-se que o GGG-40 pode
ser um substituto para eles, uma vez que além das características similares, exceto para
alongamento percentual, o ferro fundido nodular possui um custo de produção inferior.
41
5 Conclusão e trabalhos futuros
Nos projetos de engenharia é essencial conhecer o comportamento dos elementos
sob as determinadas condições. Isso é possível com os valores das propriedades mecânicas
obtidos por ensaios experimentais de corpos de prova do material. Com essas caracte-
rísticas é possível comparar as especificidades dos materiais e verificar a melhor escolha
para uso desejado.
O objetivo do trabalho realizado foi caracterizar o ferro fundido nodular GGG-
40 por meio do microscópio eletrônico de varredura e dos ensaios de tração, impacto
e dureza. Assim, foi verificado que o material analisado apresenta bom equilíbrio entre
usinabilidade, resistência e ductilidade comparado a outros ferros fundidos e aços, podendo
assim substituí-los. Além disso, o ferro fundido nodular possui baixo custo de fabricação
em produtos de formas complexas, e por isso seu uso é crescente na indústria automotiva.
Na segunda etapa deste trabalho, uma aplicação para o ferro fundido nodular
GGG-40 será proposta e fundamentada por análises computacionais com os valores das
propriedadesmecânicas obtidas experimentalmente.
42
Referências
ASKELAND, D. R.; PHULÉ, P. P. Ciência e engenharia dos materiais. [S.l.]: Cengage
Learning, 2008. Citado 8 vezes nas páginas 11, 15, 16, 17, 18, 20, 23 e 25.
ASTM. A327/a327m-11: Standard test methods for impact testing of cast irons. Annual
Book of ASTM Standards, ASTM, West Conshohocken, PA, 2011. Citado 3 vezes nas
páginas 28, 30 e 44.
ASTM. E10; standard test method for brinell hardness of metallic materials. Annual
Book of ASTM Standards, ASTM, West Conshohocken, PA, 2012. Citado 3 vezes nas
páginas 19, 20 e 22.
ASTM. E23-12c: Standard test method for notched bar impact testing of metallic
materials. Annual Book of ASTM Standards, ASTM, West Conshohocken, PA, 2012.
Citado na página 18.
ASTM. E140-12b: Standard hardness conversion tables for metals relationship among
brinell hardness, vickers hardness, rockwell hardness, rockwell superficial hardness,
knoop hardness, and scleroscope hardness. Annual Book of ASTM Standards, ASTM,
West Conshohocken, PA, 2013. Citado 2 vezes nas páginas 35 e 45.
ASTM. E18-15, standard testmethods for rockwell hardness of metallic materials. ASTM
International, West Conshohocken, PA, 2015. Citado 2 vezes nas páginas 15 e 23.
ASTM. E8/e8m09: Standard test methods for tension testing of metallic materials.
Annual Book of ASTM Standards, ASTM, West Conshohocken, PA, p. 127, 2015.
Citado 4 vezes nas páginas 22, 28, 32 e 44.
ASTM. E92-16: Standard test methods for vickers hardness and knoop of metallic
materials. Annual Book of ASTM Standards, ASTM, West Conshohocken, PA, 2016.
Citado 2 vezes nas páginas 21 e 22.
CALLISTER, W. Ciência E Engenharia de Materiais: Uma Introdução . [S.l.]: Grupo
Gen-LTC, 2002. Citado 5 vezes nas páginas 13, 16, 19, 22 e 24.
CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica - Processos de fabricacção e tratamento. [S.l.]:
McGraw Hill, 1986. Citado 2 vezes nas páginas 25 e 26.
CHIAVERINI, V. Aço e Ferros Fundidos. [S.l.: s.n.], 1990. Citado 3 vezes nas páginas
26, 27 e 35.
DEDAVID, B. A.; GOMES, C. I.; MACHADO, G. Microscopia eletrônica de varredura:
aplicações e preparação de amostras: materiais poliméricos, metálicos e semicondutores.
[S.l.]: EdiPUCRS, 2007. Citado 2 vezes nas páginas 33 e 35.
DONG, M.; PRIOUL, C.; FRANÇOIS, D. Damage effect on the fracture toughness
of nodular castiron: part i. damage characterization and plastic flow stress modeling.
Metallurgical and Materials Transactions A, Springer, v. 28, n. 11, p. 2245–2254, 1997.
Citado na página 26.
Referências 43
ENCICLOPEDIA Britannica. Materials Testing. 2016. Http://academic-eb-
britannica.ez54.periodicos.capes.gov.br/EBchecked/topic/369090/materials-testing.
Accessed: 2016-04-7. Citado na página 13.
FEISTE, K. et al. Caracterização das propriedades mecânicas de ferro fundido nodular
por análise harmônica dos sinais das correntes parasitas. In: 6ª Conferência sobre
Tecnologia de Equipamentos. [S.l.: s.n.], 2002. Citado na página 26.
FERRO, P.; LAZZARIN, P.; BERTO, F. Fatigue properties of ductile cast iron
containing chunky graphite. Materials Science and Engineering: A, Elsevier, v. 554, p.
122–128, 2012. Citado na página 26.
FRANCKLIN, A. R. Um breve estudo sobre ferro fundido nodular. Centro universitário
Estadual da Zona Oeste. RJ, 2008. Citado na página 26.
GOMES, O.; PACIORNIK, S. Automatic classification of graphite in cast iron.
Microscopy and Microanalysis, v. 11, n. 04, p. 363–371, 2005. Citado na página 24.
HANDBOOK, A. Properties and selection: irons, steels, and high performance alloys.
[S.l.: s.n.], 1990. v. 1. Citado 4 vezes nas páginas 15, 23, 25 e 26.
HIBBELER, R. C. Resistência dos materiais. [S.l.]: Pearson Prentice Hall, 2010. Citado
4 vezes nas páginas 13, 15, 17 e 18.
HUG, E. et al. Application of the monkman–grant law to the creep fracture of nodular
cast iron swith various matrix compositions and structures. Materials Science and
Engineering: A, Elsevier, v. 518, n. 1, p. 65–75, 2009. Citado na página 26.
LOBÃO, E. d. C.; PORTO, A. J. V. Evolução das técnicas de simulação. Production,
SciELO Brasil, v. 9, n. 1, p. 13–21, 1999. Citado na página 11.
O’CONNOR, L. Cgi casting: a new iron in thefire. Mechanical Engineering, American
Society of Mechanical Engineers, v. 114, n. 11, p. 42, 1992. Citado na página 26.
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. [S.l.]: Pearson Prentice Hall, 2008.
Citado 5 vezes nas páginas 13, 15, 17, 35 e 36.
SHIGLEY, J. E.; MISCHKE, C. R. Projeto de engenharia mecânica. [S.l.]: Bookman,
2005. Citado 2 vezes nas páginas 19 e 39.
SOUZA, S. A. D. Ensaios mecânicos de materiais metálicos: Fundamentos teóricos e
práticos. [S.l.]: E. Blucher, 1982. Citado 6 vezes nas páginas 13, 17, 20, 21, 22 e 23.
ZHANG, K.; BAI, J.; FRANCOIS, D. Ductile fracture of materials with high void
volume fraction. International Journal of Solids and Structures, Elsevier, v. 36, n. 23, p.
3407–3425, 1999. Citado na página 26.
44
ANEXO A – Dimensões dos corpos de prova
Anexo I: Corpo de prova padrão para ensaio de impacto tipo Charpy com entalhe
em V.
Fonte: (ASTM, 2011)
Anexo II: Corpo de prova padrão para ensaio de tração.
Adaptada de ASTM (2015b)
45
ANEXO B – Conversão de valores de dureza
Anexo III: Parte da tabela de conversão de valores de dureza.
Fonte: (ASTM, 2013)
	Folha de rosto
	Folha de aprovação
	Agradecimentos
	Resumo
	Abstract
	Lista de ilustrações
	Lista de tabelas
	Sumário
	Introdução
	Objetivo Geral
	Objetivos Específicos
	Metodologia
	Divisão do Trabalho
	Fundamentos Teóricos
	Ensaios Mecânicos
	Ensaio de tração
	Ensaio de impacto
	Ensaio de dureza
	Dureza Brinell
	Dureza Vickers
	Dureza Rockwell
	Ferro Fundido
	Ferro Fundido Cinzento
	Ferro Fundido Branco
	Ferro Fundido Maleável
	Ferro Fundido Nodular
	Ferro Fundido com grafita compacta
	Ferro Fundido Nodular
	Ferro Fundido Nodular GGG-40
	Materiais e Métodos
	Análise estrutural da superfície
	Ensaio de dureza
	Ensaio de impacto
	Ensaio de tração
	Resultados e Discussões
	Análise estrutural da superfície
	Ensaio de dureza
	Ensaio de impacto
	Ensaio de tração
	Conclusão e trabalhos futuros
	Referências
	Dimensões dos corpos de prova
	Conversão de valores de dureza