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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA SETOR DE CIENCIAS AGRÁRIAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS ANA LUÍSA TERESAWA SENRA AUGUSTO ARAUJO VUITIK KAROLINA MAIA MATHEUS WEHMUTH MACROGRAFIA DE MATERIAIS METÁLICOS PONTA GROSSA MARÇO/2014 ANA LUÍSA TERESAWA SENRA AUGUSTO ARAUJO VUITIK KAROLINA MAIA MATHEUS WEHMUTH MACROGRAFIA DE MATERIAIS METÁLICOS Relatório apresentado à disciplina de Ensaios e Caracterização de Materiais do Curso de Engenharia de Materiais, 3ª série, da Universidade Estadual de Ponta Grossa – UEPG. Prof. Dr. André Luís Moreira de Carvalho PONTA GROSSA MARÇO/2014 SUMÁRIO 1 OBJETIVOS ..................................................................................................... 3 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 3 2.1 APLICAÇÕES DA MACROGRAFIA ................................................................. 3 2.2 PREPARO DE UM CORPO DE PROVA .......................................................... 3 2.2.1 Lixamento ......................................................................................................... 4 2.2.2 Ataque químico ................................................................................................. 4 3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................ 5 3.1 MATERIAIS ...................................................................................................... 5 3.2 PROCEDIMENTOS .......................................................................................... 6 3.2.1 Lixamento ......................................................................................................... 6 3.2.2 Limpeza e secagem .......................................................................................... 6 3.2.3 Ataque químico ................................................................................................. 7 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................... 8 4.1 AÇO CEMENTADO .......................................................................................... 8 4.2 AÇO SOLDADO ............................................................................................... 9 4.3 FERRO FUNDIDO .......................................................................................... 10 4.4 ALUMÍNIO FUNDIDO ..................................................................................... 12 4.5 PISTÃO DE ALUMÍNIO .................................................................................. 13 4.6 IMPRESSÃO DE BAUMANN .......................................................................... 14 5 CONCLUSÃO ................................................................................................. 15 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 16 3 1 OBJETIVOS Análise macrográfica de superfícies planas metálicas através da preparação da superfície das amostras por procedimento de lixamento, e em seguida de ataque químico (reagentes) de modo a revelar informações detalhadas da origem do processo de fabricação tais como linhas de fluxo, dendritas, inclusões, segregações, solda, entre outras. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Como o próprio nome sugere, a macrografia consiste numa análise mais qualitativa dos aspectos gerais da amostra. O exame é realizado à olho nu ou com a ajuda de uma lupa. A estrutura observada é denominada macroestrutura. 2.1 APLICAÇÕES DA MACROGRAFIA A macrografia possibilita a observação da heterogeneidade química existente resultante da estrutura de solidificação assim como as alterações sofridas por esta em tratamentos posteriores. Utilizando esse método é possível observar as linhas de fluxo, estrutura colunar e equiaxial ou mesmo dendritas. Pode evidenciar a distribuição das impurezas metálicas, não metálicas e gasosas contidas na estrutura. Com a macrografia podem ser apontados defeitos no material, tais como: inclusões, poros e trincas. Para peças soldadas, zona termicamente afetada e profundidade do cordão de solda. 2.2 PREPARO DE UM CORPO DE PROVA Para que a estrutura de um material possa ser analisada de forma coerente, é preciso retirar a amostra de um local favorável da peça em estudo. Esse local é determinado de acordo com o defeito que se deseja especificar, relacionando o aspecto visual da peça com as técnicas de processamento utilizadas [1]. 4 2.2.1 Lixamento A superfície da amostra deve estar lisa para facilitar a visualização das suas características a olho nu. Cada material possui um método próprio para tratamento da sua superfície, utilizando diversos tipos de lixamentos e polimentos que não devem alteram as características originais da amostra. Para o lixamento é normalmente utilizada uma sequência gradual de lixas, partindo da mais grossa para a mais fina [1]. A lubrificação pode ser feita utilizando uma corrente de água. 2.2.2 Ataque químico Um ataque químico ácido ou alcalino é utilizado para evidenciar as imperfeições na estrutura do material. Isso porque regiões como contornos de grão, trincas, poros e interfaces possuem uma energia associada, o que as torna muito mais suscetíveis a um ataque químico. O reagente utilizado atua majoritariamente nessas regiões, tornando-as nítidas. Novamente, cada material possui um reagente próprio para seu ataque químico. Também podem variar a forma e o tempo aplicação, assim como a temperatura da superfície e do reagente envolvido [1]. A amostra pode ser inteiramente mergulhada em reagente, ou tê-lo aplicado apenas em sua superfície. A amostra pode ainda ser exposta a um papel fotográfico de brometo de prata com uma solução de – impressão de Baumann. Na impressão de Baumann, o ácido se decompõe em nas inclusões da peça, e reage com o brometo de prata do papel, formando um negativo da imagem ( ). O papel é mergulhado em hipoclorito de sódio para fixar a imagem. Sobre os reagentes usados em laboratório, o mais utilizado é o Nital, que é uma solução de acido nítrico em álcool etílico, não ataca a ferrita nem a cementita, porém delineia os seus contornos e colore com uma cor escura a perlita. A perlita escurece, pois o reativo ataca a linha de contato entre a ferrita 5 e as lamelas de cementita e, como essas linhas estão bem próximas, a área perlítica se apresenta como uma hachurada. E o Poulton que é uma solução de ácido clorídrico, ácido nítrico, água e uma pequena quantidade de cloreto de ferro, usada geralmente para metais não ferrosos [2]. 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 MATERIAIS Pistão de liga de alumínio Ferro fundido cinzento Aços soldados Fuso de aço cementado Lixadeira d'água Lixas de diferentes granulometrias: 150, 240, 320, 400 e 600 Mesh. Algodão Solução de nital Solução de Poulton Pinça Álcool Compressor de ar Papel fotográfico de brometo de prata Solução aquosa de ácido sulfúrico Hipossulfito de sódio 6 3.2 PROCEDIMENTOS 3.2.1 Lixamento O material abrasivo destinado a desbastar partes irregulares da peça, tomando sua superfície mais homogênea, é a lixa. Lixas possuem as maisvariadas granulações, que representam a dimensão dos seus grãos, quanto maior este número, menos é a sua granulação, assim, quanto maio o número, melhor o acabamento superficial. Foram utilizadas uma série de lixas, de granulometria 150 Mesh, 240 Mesh, 320 Mesh, 400 Mesh e 600 Mesh, iniciando com a 150 Mesh e terminando com a 600 Mesh, uma vez que a de 150 Mesh tem a granulação mais grossa e conforme aumenta o numero a granulação da lixa é mais fina. Em cada uma das fases de lixamento, deve-se tirar o excesso de material na superfície com água e ar comprimido, em seguida, começar o lixamento novamente, com a nova lixa, com a peça virada 90° e lixada até sumirem as marcas da peça da lixa anterior. A técnica utilizada para o lixamento foi manual e refrigerada a água corrente, com tal técnica podem ser observadas deformações plásticas e riscos não esperados na superfície devido a calor, velocidade de lixamento errada e ou pressão diferente em diferentes lugares do material. 3.2.2 Limpeza e secagem Materiais metálicos sofrem ataque químico, reagem e formam óxidos, logo, a limpeza e secagem são necessárias para evitar a reação. Contudo, é de extrema importância lavar a amostra em água corrente, retirando todos os resíduos, e ir rapidamente para a mangueira de ar comprimido para secar a amostra. 7 3.2.3 Ataque químico Impressão de Baumann Consiste em mergulhar um papel fotográfico em uma solução de H2SO4 por cinco minutos, e então, colocar a amostra em cima do papel e deixá-la por 5 minutos. Nesse período o ácido sulfúrico decompõe as inclusões, com desprendimento do ácido sulfídrico, marcando o papel fotográfico. Depois de retirada a amostra, o papel é colocado em um fixador por 10 minutos, revelando a impressão. Ataque por Poulton A solução consiste em 12mL de ácido clorídrico, 6mL de ácido nítrico, 1mL de água e 1mL de HF. Colocamos em baixo da capela as ligas de alumínio e com algodão e uma pinça colocou-se a solução na amostra até que a macroestrutura desejada fosse revelada. Depois disso a amostra foi lavada e seca com ar comprimido. Ataque por Nital Para as amostras de ferro fundido e aços soldados o reagente mais comum utilizado é o nital. O nital consiste em uma solução com 2mL de HNO3 e 96mL de álcool. Usa-se a mesma técnica do ataque por Poulton, a solução é colocada sobre a superfície lixada com o auxilio da pinça com algodão, é feito o ataque até o ponto em que a macrografia desejada fosse alcançada, então lavou-se as amostras e secou-as. 8 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Realizados os acabamentos superficiais e os ataques nas diferentes amostras, o resultado foi registrado em fotografias. Cada uma delas revela detalhes interessantes sobre as amostras. 4.1 AÇO CEMENTADO A cementação é um processo simples para endurecimento superficial, pois utiliza o conceito de difusão no estado sólido. Nessa situação, uma peça de aço é exposta por certo tempo numa dada temperatura a uma atmosfera rica em carbono até que ele se difunda pelo metal, formando uma faixa de cementita na superfície. Por ser um processo termicamente ativado, é importante monitorar tempo, temperatura e concentração de carbono envolvidas. Uma das formas de observar o progresso de uma cementação é com uma macrografia. Na Figura 1 temos o detalhe de um aço cementado. A faixa mais escura na superfície teve um acréscimo de carbono para seu endurecimento, e é notável uma falta de uniformidade nesta faixa. A diferença de espessura na cementação denota que não houve controle adequado da concentração de carbono, da temperatura ou do tempo [5]. Figura 1: Fuso de aço cementado. 9 4.2 AÇO SOLDADO Os processos de soldagem envolvem temperaturas muito elevadas. Por conta da proximidade dos componentes, essa temperatura se traduz não só na fusão do cordão de solda, Erro! Fonte de referência não encontrada., como ambém no surgimento de vários defeitos indesejados. Um desses defeitos é a zona termicamente afetada [3]. Figura 2: Corte em chapas de aço unidas por soldagem, onde fica evidente o cordão de solda. Na Figura 3 é possível observar que os cordões de solda estão circundados por uma região mais clara que o metal base. Esta região sofreu grande influência do calor e provavelmente teve sua microestrutura alterada. Figura 3: Detalhe para a zona termicamente afetada em duas peças de aço soldadas. 10 4.3 FERRO FUNDIDO O processo de solidificação nos metais acompanha o fluxo de calor. Diferentes estruturas podem ser formadas no interior do material de acordo com a forma de resfriamento do molde. De fato, cada grão se forma primeiramente pelo resfriamento de algumas camadas, sendo que o líquido remanescente entre elas se solidifica mais tarde. Estas camadas externas do grão formam estruturas em formas de microscópicos pinheiros chamadas de dendritas [4]. Figura 4: Ferro fundido apresentando dendritas. 11 Alguns aglomerados dessas estruturas podem ser observados na Figura 4. A formação de dendritas está relacionada com uma microporosidade no material, pois há diferença na temperatura e na solidificação no líquido entre as dendritas. Essa microporosidade pode ser reduzida reaquecendo o material para uniformizar a estrutura do material [4]. 12 4.4 ALUMÍNIO FUNDIDO Ainda no que diz respeito ao processo de solidificação de metais, outro fenômeno possível de ser visualizado em macrografia é a formação de grãos colunares, como na Figura 5. Figura 5: Diferentes regiões de solidificação em uma amostra de alumínio. Nesse caso, é possível observar que a solidificação do alumínio começou na superfície, onde a temperatura era menor, e prosseguiu em direção ao centro, de maior temperatura. Essa situação ocasiona grão colunares. Na região central, por outro lado, há a formação de grãos equiaxiais, cujo crescimento é limitado por grãos vizinhos semelhantes, que foram nucleados praticamente ao mesmo tempo [5]. 13 4.5 PISTÃO DE ALUMÍNIO Analisando a superfície do pistão atacada durante a macrografia, também é possível observar uma direção preferencial orientada pelo fluxo de calor na solidificação. Entretanto, isso não fica tão evidente devido à granulometria fina do material, e também à geometria complexa da peça, que ocasiona uma transferência de calor desigual. Figura 6: Grãos finos de um pistão de alumínio. 14 4.6 IMPRESSÃO DE BAUMANN A técnica da Impressão de Baumann é uma das técnicas mais antigas de macrografia, permitindo diferenciar regiões de uma peça de acordo com as concentrações de enxofre em cada uma. Figura 7: Impressão de Balman realizada em uma engrenagem Na Figura 7 é possível observar que a engrenagem analisada possuía um alto teor de enxofre, mas também que sua superfície havia sofrido algum tipo de tratamento – provavelmente uma cementação – devido à diferença de coloração apresentada nessa região. 15 5 CONCLUSÃO Com a realização da prática percebeu-se a real importância dos diversos tipos de análises macroscópicas. Verificou-se também que, dependendo do material a ser estudado e dos fatores que devem ser postos em observação, pode-se escolher entre diversas técnicas de ataques ou diferentes análises. Concluiu-se que questões importantes na hora de avaliar o uso ou não de um material para determinada aplicação podem seridentificadas através de uma macrografia. Podemos citar: presença de solda e conseqüente zona termicamente afetada, estruturas dendríticas, presença de elementos como enxofre e carbono, presença de trincas, poros, etc. Com os ensaios percebeu-se a importância da preparação das amostras (lixamento) antes do ataque nas amostras. O lixamento gera superfícies mais planas e homogêneas, retira camadas indesejáveis de material, entre outros, o que auxilia na hora da observação dos corpos de prova antes e depois do ataque. Porém, a macrografia só deve ser utilizada para se estabelecer uma visão grosseira do material, caso seja necessário um resultado mais minucioso e com maiores detalhes, a técnica que deve ser utilizada é a micrografia. 16 REFERÊNCIAS 1. BORGES, J. N. Preparação de Amostras para Análise Microestrutural. Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis. 2. COLPAERT, H. Metalografia de Produtos Siderúrgicos Comuns. 2ª. ed. São Paulo: [s.n.], 1965. 3. FORTES, C. Metalurgia da Soldagem. ESAB, São Paulo, 2004. 4. SOARES, M. Ferros e Aços I-20. São Paulo. 2009. 5. MILAN, M. T. et al. Metais - Uma visão Objetiva. São Carlos: Escola de Engenharia de São Carlos.
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