MICROESTRUTURAS DE MATERIAIS METÁLICOS

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MICROESTRUTURAS DE MATERIAIS METÁLICOS
TEORIA
            METALOGRAFIA é o ramo da ciência que relaciona a composição e a estrutura e sua relação com as propriedades de metais e ligas. O precursor da metalografia moderna foi Henry Clifton Sorby (1826 – 1908), que em 1863 observou pela primeira vez uma estrutura com o auxilio de um microscópio ótico.
            A microestrutura de um material compreende as características físicas do material que podem ser observadas ao microscópio
            O exame metalográfico de uma amostra envolve três estágios fundamentais de preparação do corpo de prova: preparação da superfície, para obtenção de uma superfície plana e polida; o ataque químico adequado para evidenciar a microestrutura, e finalmente a observação ao microscópio.
            Ao longo do tempo foram desenvolvidos muitos métodos de preparação de amostras, mas sem dúvida a etapa mais importante é a observação ao microscópio, pois é nesta etapa que será possível conhecer as propriedades do material analisado.
            O exame metalográfico pode ser feito à vista desarmada ou até no máximo 10x (exame macrográfico ou macrografia) ou com auxilio de um microscópio (exame micrográfico ou micrografia).
            Pela macrografia obtêm-se informações de caráter geral, como a homogeneidade do material da peça, a distribuição, natureza e quantidade de certas impurezas, processos de fabricação, etc.
            Pela micrografia pode-se observar a granulação do material, a natureza, quantidade, distribuição e forma dos diversos constituintes, certas inclusões, etc., que em seu conjunto conduzem a uma série de conclusões interessantes e de utilidade prática. Assim, os ensaios mecânicos constatam os valores da resistência, dureza, etc., do material, a análise química mostra os elementos que constituem o material e o exame metalográfico fornece informações sobre a estrutura do material.
 
Caracterização metalográfica
            A observação metalográfica é um meio bastante poderoso para prever ou explicar as propriedades e o comportamento de uma peça metálica, já que permite conhecer a estrutura do material, isto é, os seus microconstituintes, bem como a morfologia e distribuição destes.
            O estudo da microestrutura de um material tem como objetivo entender o seu comportamento sob diversas condições (aplicações) e assim relacionar as observações realizadas com algumas de suas propriedades. Relacionar observações com propriedades significa correlacionar a estrutura a partir de micrografias ou macrografias com as propriedades dos materiais (resistência mecânica, resistência à corrosão, condutividade elétrica, etc.).
            A microestrutura dos materiais depende fundamentalmente da composição química e dos tratamentos térmicos e mecânicos aos quais o metal foi submetido. A composição química é o único fator que pode ser determinado de forma precisa.
            Existe uma relação que entre a microestrutura, as propriedades e o processamento: por meio de um processamento almeja-se uma dada microestrutura que, por sua vez, fornece as propriedades desejadas ao material.
            Do ponto de vista experimental a obtenção de imagens da microestrutura de um sólido apenas faz sentido quando esta apresentar algum tipo de contraste, sejam diferenças morfológicas, topográficas ou composicionais.
            Uma caracterização metalográfica completa inclui, portanto, estes dois aspectos: análise qualitativa e quantitativa.
 
 
Microestruturas e fases
            A microestrutura de um material compreende as diferentes fases e o modo como elas estão arranjadas.
            A microestrutura dos materiais cristalinos é constituída de fases e de defeitos cristalinos tais como interfaces, contornos de grãos, contornos de macla, defeitos de empilhamento, discordâncias e defeitos puntiformes. Os materiais metálicos são predominantemente cristalinos e na caracterização da microestrutura interessa determinar fases presentes, contornos de grãos e defeitos cristalinos.
 
Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono
            O diagrama de equilíbrio ferro – carbono mostra todas as transformações que podem ocorrer para as ligas ferro – carbono no equilíbrio. As microestruturas presentes no diagrama são formadas através do resfriamento lento das amostras.
            Observando o diagrama é possível diferenciar duas regiões, a região entre 0,08% e 2,0% de carbono representa os aços carbono, a região acima de 2,0% de carbono representa os ferros fundidos.
            Os aços podem ser subdivididos em aços hipoeutetóides (abaixo de 0,77% de carbono), aços eutetóides (0,77% de carbono) e aços hipereutetóides (entre 0,77 e 2,0% de carbono).
            Abaixo de 727 ºC há a presença de ferrita (ferro a) e perlita (ferrita + cementita). Entre 727 e 1492 ºC há a presença da austenita (ferro g) e acima de 1492 ºC até a fusão há a presença de ferro d.
 
EQUIPAMENTOS E MATERIAIS
Preparação da amostra
            A retirada da amostra é feita mediante corte, geralmente realizado por cortadeira de disco abrasivo, que possui um sistema de circulação de líquido para refrigerar o processo.
            Dependendo do tamanho ou da forma da amostra, torna-se necessário montá-la em resina plástica para viabilizar o lixamento e polimento posteriores. O embutimento da amostra metalográfica é feito geralmente em uma prensa hidráulica, que funciona com sistema de aquecimento para a cura da resina termofixa.
O lixamento da superfície pode ser feito em lixadeira manual de bancada ou pode ser feito em lixadeiras motorizadas (rotativas). No trabalho de lixamento são utilizados papéis de lixa de número 100, 220, 320 e 600.
            Como o calor e esforços aplicados nas operações de corte e lixamento deformam/alteram regiões da superfície da amostra, torna-se necessário remover a zona afetada (encruada) por meio do polimento, para que a observação não seja comprometida. O polimento das amostras de aço e ferro fundido pode ser realizado em politrizes para polimento com solução de alumina ou com pasta de diamante.
            As amostras preparadas sofrem um processo de ataque químico, como um reagente específico para cada tipo e metal ou liga, por poucos segundos. O reagente atacará preferencialmente as regiões de contorno de grão, que aparecerão como linhas escuras no microscópio óptico. As demais partes, polidas e não atacadas, aparecem claras na imagem.
 
Microscópio óptico
            A microscopia óptica permite a análise de grandes áreas em curto espaço de tempo, além de ser de utilização simples, rápida e pouco dispendiosa. Sua resolução produz um aumento de até 3000 vezes.
            O microscópio ótico consiste basicamente de um tubo ótico (caminho de luz) ligado por um conjunto de lentes a ocular e objetiva (esta próxima do objeto a ser observado), como mostrado na figura abaixo.
 
Aços resfriados lentamente
            Os aços resfriados lentamente podem apresentar as seguintes microestruturas em função da concentração de carbono.
 
a. Aços hipoeutetóides – presença, principalmente, de ferrita com pequena quantidade de perlita, que aumenta com o aumento do teor de carbono.
            A ferrita se apresenta como áreas claras, enquanto que a perlita se apresenta como áreas escuras
 
b. Aços eutetóides – presença de perlita
            A perlita é constituída por camadas sobrepostas de ferrita e cementita.
 
c. Aços hipereutetóides – presença de perlita com veios de cementita