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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 ERIKA ALBAN GUSTAVO LUÍZ WALCHAKI MICROGRAFIA DE MATERIAIS METÁLICOS PONTA GROSSA ABRIL/2014 ANA LUÍSA TERESAWA SENRA AUGUSTO ARAUJO VUITIK ERIKA ALBAN GUSTAVO LUÍZ WALCHAKI MICROGRAFIA 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 ABRIL/2014 SUMÁRIO 1 OBJETIVOS ..................................................................................................... 3 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 3 2.1 MICROGRAFIA ................................................................................................ 3 2.2 PREPARO DO CORPO DE PROVA ................................................................ 3 3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................ 5 3.1 MATERIAIS ...................................................................................................... 5 3.2 PROCEDIMENTOS .......................................................................................... 5 3.2.1 Lixamento ......................................................................................................... 5 3.2.2 Polimento .......................................................................................................... 5 3.2.3 Ataque químico ................................................................................................. 5 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................... 6 4.1 AÇO 1006 ......................................................................................................... 6 4.2 AÇO 1020 ......................................................................................................... 7 4.3 AÇO 1045 ......................................................................................................... 8 4.4 AÇO MICROLIGADO........................................................................................ 9 4.5 AÇO MOLA ..................................................................................................... 10 4.6 FERRO FUNDIDO NODULAR ....................................................................... 11 4.7 FERRO FUNDIDO NODULAR COM BAINITA ............................................... 12 4.8 FERRO FUNDIDO CINZENTO ....................................................................... 13 5 CONCLUSÃO ................................................................................................. 15 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 16 3 1 OBJETIVOS Análise micrográfica de amostras metálicas de aços e ferros fundidos. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Metalografia 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 poliméricos) e a ceramografia (materiais cerâmicos). 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. 2.1 MICROGRAFIA A micrografia é feita em um microscópio com aumentos que normalmente são 50X, 100X, 200X, 500X, 1000X e 5000X. Este tipo de análise é realizada em microscópios específicos, conhecidos como "microscópios metalográficos" ou "microscópios metalúrgicos". 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. 2.2 PREPARO DO CORPO DE PROVA Para realizar a análise, é necessária a obtenção de um pequena amostra da peça. Escolhe-se a área em que será realizada o corte pela geometria da peça, e pelos dados que se deseja obter. Como a amostra é muito pequena, isso dificulta a preparação da superfície – lixamento e polimento –é necessário que ela seja envolta por um material que facilite seu manuseio. 4 Normalmente é usado um polímero termofixo – baquelite – para o embutimento. Nesse processo, coloca-se a superfície a ser estudada em contato com o êmbolo da prensa, deposita-se a baquelite sobre a amostra, e aplica-se a pressão juntamente com o fornecimento de calor. Durante o lixamento, procura-se eliminar as marcas deixadas pela ferramenta de corte na amostra, melhorando assim, o acabamento superficial da amostra. Utiliza-se lixas d'água de granulometria decrescente, sendo que cada troca de lixa ocasiona na rotação de 90º da amostra, com o intuito de que cada nova lixa deve retirar as marcas deixadas pela lixa anterior. O polimento tem como finalidade a retirada de todas as marcas ainda existentes na amostra, melhorando assim o seu acabamento superficial. O polimento pode ser realizado com uma politriz, sendo a amostra trabalhada manualmente no disco de polimento com auxílio de alguma suspensão cerâmica abrasiva. As mais utilizadas são a pasta de diamante e a alumina, o critério utilizado na escolha do abrasivo utilizado depende das propriedades do material estudado, tendo cada material seu abrasivo especifico. Após ser realizado o polimento é feito o ataque químico na amostra, que pode ser realizado utilizando-se de vários reagentes. Para os ações e ferros fundidos é utilizada uma solução alcoólica ácida, o Nital. Com a realização do ataque pode-se verificar a presença de fases distintas existentes na amostra, sendo o reconhecimento dessas fases fundamentais para o entendimento das propriedades mecânicas do material A análise micrográfica propriamente dita é feita com um microscópico, que tem como finalidade tornar mais fácil e nítida a observação da microestrutura. Durante a análise deve-se tomar alguns cuidados, como o correto posicionamento das amostras, iluminação apropriada e técnicas fotográficas adequadas, com o objetivo de melhorar a qualidade das imagens em estudo, ocasionando em um melhor reconhecimento das propriedades micrográficas da amostra. 5 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 MATERIAIS Aço 1006; Aço 1020; Aço 1045; Aço microligado API X60 Aço mola recozido; Aço eutetoide Ferro fundido nodular Ferro fundido cinzento Lixadeira d'água Lixas de diferentes granulometrias: 150, 240, 320, 400, 600, 1200 e 1500 Mesh. Algodão Solução de (2ml ; 2ml e 96ml álcool) Pinça Álcool Compressor de ar Suspensões de Alumina ( ) 1 e 0,3 micra 3.2 PROCEDIMENTOS 3.2.1 Lixamento 3.2.2 Polimento 3.2.3 Ataque químico Para as amostras de ferro fundido e aços o reagente mais comum utilizado é o nital. O nital consiste em uma solução com 2mL de HNO3 e 96mL de álcool.A solução é colocada sobre a superfície lixada com o auxilio da pinça 6 com algodão, é feito o ataque até o ponto em que a macrografia desejada fosse alcançada, então lavou-se as amostras e secou-as. 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 1006 O ferro gusa, primeira etapa de fabricação do aço, é o mesmo para todos os produtos. Na fase seguinte, quando os elementos de liga são adicionados ou suprimidos no ferro gusa, é que são determinadas as grandes famílias de aço, dos mais rígidos aos mais estampáveis. O Carbono é o principal elemento endurecedor em relação ao ferro. Outros elementos, como o manganês, o silício e o fósforo, participam igualmente do ajuste do nível de resistência do aço. A quantidade de Carbono define sua classificação: o baixo carbono possui no máximo 0,30% do elemento; o médio carbono apresenta de 0,30 a 0,60% e o alto carbono possui de 0,60 a 1,00%. Baixo carbono: possui baixa resistência e dureza e alta tenacidade e ductilidade. É usinável e soldável, além de apresentar baixo custo de produção. Geralmente, este tipo de aço não é tratado termicamente. Aplicações: chapas automobilísticas, perfis estruturais, placas para produção de tubos, construção civil, pontes e latas de folhas de flandres. A composição química do aço 1006 pode variar, no máximo, entre: 8% de Carbono; 25 – 40% de Manganês; 40% de Fósforo e 5% de Enxofre. O aço 1006 destaca-se entre os aços com baixo teor de carbono em sua composição. Ele apresenta boa usinabilidade e é também chamado de extra- doce. Este tipo de aço não adquire têmpera, mas é de grande maleabilidade e fácil de soldar-se. Suas principais aplicações são: parafusos e usos destinados a usinagem. 7 4.2 AÇO 1020 O aço 1020 é um tipo especial de aço carbono utilizado para propósitos gerais. Barras de aço 1020 são caracterizadas pela combinação de força e alta ductilidade, que é a habilidade do material em ser dobrado ou moldado. 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. Possui excelente plasticidade e soldabilidade. Esse tipo de aço é também conhecido pela sua empregabilidade em maquinarias. As barras de aço 1020 podem ser usadas para uma variedade de aplicações em engenharia e construções, incluindo eixos e peças automobilísticas. É utilizado em componentes mecânicos de uso como engrenagens, eixos, virabrequins, eixos-comando, pinos guia, anéis de engrenagem, colunas, catracas, capas. O aço 1020 é composto principalmente de manganês e carbono. As porcentagens de manganês variam de 30% a 90%. As porcentagens de carbono variam de 15% a 25%. O silício pode compreender de 0% a 35%. 8 Quantidades menores de fósforo e enxofre podem representar até 5% da composição do aço. Nos aços SAE 1020, podemos observar as fases (Ferrita e Perlita), presentes neste material, bem como os contornos de grãos. A fase ferrita é representada pelos grãos mais claros e a perlita pelos grãos mais escuros. 4.3 AÇO 1045 9 4.4 AÇO MICROLIGADO O aço microligado APIX60 possui baixa concentração de carbono, inferior a 0,26% em peso de carbono, isso faz deste um aço hipoeutetóide. É usado no transporte de gás natural e petróleo, submetido a tratamentos térmicos de austenitização e resfriamento sob diferentes taxas. Assim como nas amostras 1006, 1020 e 1045 há a formação de ferrita proeutetóide no aço microligado APIX60. A figura a seguir mostra a micrografia deste material. Na Figura observa-se a microestrutura da liga onde há uma região clara, que é a ferritaproeutetóide, e uma região mais escura, que é a perlita. É possível notar que a perlita não está bem distribuída como nas ligas anteriores. Isso ocorre devido a diferença de composição desta para aquelas ligas. 10 4.5 AÇO MOLA 11 4.6 FERRO FUNDIDO NODULAR O ferro fundido é uma liga de ferro em mistura eutética com elementos à base de carbono e silício. Forma uma liga metálica de ferro, carbono (a partir de 2,11%), silício (entre 1 e 3%), podendo conter outros elementos químicos. Sua diferença para o aço é que este também é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, mas com percentagens entre 0,008 e 2,11%. Um ferro possui um teor de carbono muito maior que o dos aços. A solubilidade de carbono se modifica com a temperatura, e normalmente ele se organiza na forma de veios de grafita no material. A adição de uma pequena quantidade de magnésio (Mg) e/ou cério (Ce), antes da fundição, aos ferros fundidos facilmente grafitizados, pode produzir uma nova microestrutura, juntamente com um conjunto de propriedades mecânicas diferentes. Nódulos ou esferóides, em lugar de veios, de grafita, são nucleados pela adição de Ce ou Mg ao ferro fundido e esses afetam de forma positiva a ductilidade do ferro fundido. 12 A liga resultante é denominada ferro nodular ou ferro dúctil. Dependendo da velocidade de resfriamento, a matriz que circunda as partículas ou nódulos pode consistir de perlita ou de ferrita. O ferro fundido nodular pode ser tratado para ser ferrítico, perlítico ou para conter martensita revenida, e possui características mecânicas que se aproximam daquelas do aço. 4.7 FERRO FUNDIDO NODULAR COM BAINITA Resfriando a austenita até a faixa de temperaturas entre 200 e 540°C, a cementita crescerá na forma de agulhas extremamente finas, ao invés de camadas. A estrutura em forma de agulhas é chamada bainita. A fase ferrita na bainita é, em geral, altamente deformada. A deformação advém das alterações volumétricas provocadas pela transformação e no excesso de carbono preso nos interstícios atômicos, devido ao rápido resfriamento até baixas temperaturas. Para temperaturas entre aproximadamente 300 e 540°C, a bainita se forma como uma série de tiras paralelas ou agulhas de ferrita, separadas por partículas alongadas da fase cementita. Entre 200 e 300°C, a fase ferrita forma placas finas com partículas delgadas de cementita, formando-se no interior dessas placas de ferrita. Essa estrutura é chamada de bainita inferior. Como existem agentes noduladores na amostra estudada, a cementita não se organiza na forma alongada, mas sim em nódulos de grafita circundados por bainita, numa matriz de austenita. 13 As transformações perlítica e bainítica são concorrentes, ou seja, se uma fração da liga se transformar em perlita ou bainita, a transformação no outro microconstituinte (perlita ou bainita) só é possível se for feito um reaquecimento na faixa da temperatura austenítica 4.8 FERRO FUNDIDO CINZENTO O ferro fundido é uma liga de ferro em mistura eutética com elementos à base de carbono e silício. Forma uma liga metálica de ferro, carbono (a partir de 2,11%), silício (entre 1 e 3%), podendo conter outros elementos químicos. Sua diferença para o aço é que este também é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, mas com percentagens entre 0,008 e 2,11%. Entre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às suas características como baixo custo (em geral é fabricado a partir de sucata); elevada usinabilidade, devida à presença de grafita livre em sua microestrutura; Alta fluidez na fundição, permitindo a fundição de peçascom paredes finas e 14 complexas; e facilidade de fabricação, já que não exige equipamentos complexos para controle de fusão e solidificação. Este tipo de material é utilizado em larga escala pela indústria de máquinas e equipamentos, indústria automobilística, ferroviária, naval e outras. Durante a solidificação surgem lamelas ou flocos de grafita no metal. Para a maioria dos ferros fundidos, a grafita existe na forma de flocos, que são normalmente circundados por uma matriz de ferrita ou de perlita. Durante a fratura, a trinca se propaga de uma lamela para outra, devido à pouca resistência da grafita; o nome ferro fundido cinzento advém da aparência acinzentada da superfície de fratura. Na temperatura eutetóide, a austenita se transformará em perlita e a estrutura resultante, com veios de grafita em uma matriz perlítica, será denominada ferro fundido cinzento perlítico. Se a velocidade de resfriamento for extremamente lenta ao passar pela temperatura eutetóide, a austenita se transformará em grafita e ferrita, e a estrutura, com veios de grafita em uma matriz ferrítica, será denominada ferro fundido cinzento ferrítico. No entanto, usualmente prevalecem as velocidades de resfriamento intermediárias, das quais resultam as microestruturas híbridas. Um exemplo disso ocorre nos ferros fundidos cinzentos, resfriados a uma 15 velocidade entre “moderada” e “baixa”. A perlita se decompõe apenas parcialmente e a estrutura resultante é uma matriz perlítica, com veios de grafita envolvidos por ferrita. 5 CONCLUSÃO A micrografia é uma técnica muito utilizada para se monitorar o crescimento e a disposição das fases e dos microconstituintes em um metal. Seguindo procedimentos básicos é possível determinar as concentrações dos elementos de liga e a textura do material. Essas são duas características importantes e que justificam a maioria das propriedades de um metal. Entretanto, é preciso sempre observar se as técnicas utilizadas estão adequadas para a amostra de estudo. Além disso, é sempre válido repetir as observações, comparando-as com modelos confiáveis para a elaboração de um bom laudo técnico. 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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