Avaliação das propriedades elásticas

O objetivo é determinar, entre as técnicas de ensaio, qual a melhor para caracterizar as correlações existentes entre a microestrutura (grau de nodularização, porcentagem de perlita e nódulos/mm²) com o módulo de elasticidade e o amortecimento. Além disso, busca-se verificar as relações entre as propriedades mecânicas (limite de resistência e escoamento) e esses parâmetros físicos.

Os métodos tradicionais, como os ensaios de tração e dureza, costumam caracterizar as propriedades dos fundidos em condições normais, mas não expressam a tensão real exercida sobre o componente e nem as relações constitutivas (COLLINS e ALCHEIKH, 1995); (CECH, 1990); (FULLER, 1977) e (EMERSON e SIMMONS, 1976). Isso se torna evidente com a avaliação das Tabelas 10, 11 e 12, as quais avaliam o mesmo lote de amostras, com variação de matriz.

Em um ensaio de tração objetiva-se avaliar a resposta às cargas impostas, tensão de escoamento, limite de resistência e alongamento. Deste modo a análise do módulo de elasticidade por esse método pode não expressar adequadamente o comportamento elástico do material, como observado na Tabela 10. Esta traz os resultados do ensaio tração e os valores de dureza. Os resultados obtidos de resistência e alongamento são superiores aos previstos por norma ISO1083 (2004), para os materiais em análise (FE45012 e FE70002). Os valores de módulo de elasticidade provavelmente estão incorretos, uma vez que as amostras de matriz ferrítica apresentaram valores superiores a 210 GPa, enquanto as amostras perlíticas tiveram em média 155 GPa de módulo de elasticidade. O esperado era que o módulo para ambas as matrizes fossem iguais ou próximos. Esses desvios observados, possivelmente, estão relacionados com as condições de ensaio, desde a usinagem dos corpos de prova até a execução do mesmo, em que pode ocorrer escorregamento entre a garra e o corpo de prova

(LORD e MORRELL, 2006). Esta é uma característica do ensaio de tração, e como se vai mostrar no presente trabalho, pode ser superada com o uso dos ensaios de ultrassom e frequência de ressonância.

Tabela 10- Resultados do ensaio de tração para as amostras de ferro fundido nodular. Amostra Ferríticas Perlíticas 1* 62 63 2* 59 60 LR (MPa) 484 483 460 800 804 823 LE-0,2%(MPa) 327 323 330 476 479 485 A (%) 18,2 22,9 21,0 6,7 5,9 6,1 E (GPa)* - - 180 153 148 163 HB 170 156 156 269 255 269

Amostras 1* e 2* correspondem a seção útil do bloco y

Amostras 59,60, 62 e 63 correspondem as seções do "massalote" do bloco y

*Valores do módulo de elasticidade para as amostras ferríticas são superiores ao especificado, possivelmente, devido à erros

experimentais.

Fonte: Autoria própria.

Os resultados do ensaio de ultrassom são mostrados na Tabela 11. Esta contém além das medidas da velocidade longitudinal ultrassônica para todas as amostras, os valores para o módulo de elasticidade calculados pela Equação (2), sendo esses próximos aos encontrados na literatura para os mesmos graus de nodularização e são superiores ao especificado por norma ISO185 (2005), (GÜR e AYDINMAKINA, 2001); (COLLINS e ALCHEIKH, 1995); (FULLER, EMERSON e SERGEANT, 1980); (KOVACTS e COLE, 1975).

Tabela 11- Resultados da velocidade ultrassônica e determinação do módulo de Young para as amostras de ferro fundido nodular.

Amostras V (m/s) E (GPa) χ s χ s F1 5625 10 179 1,0 F2 5623 10 179 1,0 F3 5620 10 179 1,0 62 5583 10 176 1,0 63 5580 10 176 1,0 P1 5620 10 180 1,0 P2 5610 10 180 1,0 P3 5615 10 180 1,0 59 5610 10 180 1,0 60 5610 10 180 1,0

Obs: Os valores 1* e 2* correspondem às médias das amostras F1, F2 e F3 e P1, P2 e P3 respectivamente.

Fonte: Autoria própria.

A Tabela 12 destaca os valores do módulo de elasticidade obtidos através do ensaio de frequência de ressonância pelo método de excitação por impulso. Esses se mostram de acordo com o especificado pela norma ISO1083 (2004) e próximos aos descritos na literatura, (KOVACTS e COLE, 1975); (EMERSON e SIMMONS, 1976); (FULLER, 1977); (FULLER, EMERSON e SERGEANT, 1980), para as amostras ferríticas e perlíticas. O módulo ainda apresenta pequeno aumento no valor em relação à variação da matriz.

A comparação entre os métodos de ensaio para a avaliação para o módulo de elasticidade é ilustrada pela Figura 39. A partir destes resultados, observa-se que a influência da variação de matriz no módulo de Young é baixa, com seus valores médios muito próximos, para os ensaios não destrutivos e que a imperfeição dos nódulos não afetou a propriedade.

Tabela 12- Resultados dos módulos de elasticidade pelo ensaio de frequência de ressonância para as amostras de ferro fundido nodular.

Amostras E - FL (GPa) E - FF (GPa) µ χ s χ s χ s F1 173,93 1,02 175,24 1,07 0,27 0,05 F2 173,55 1,01 174,81 1,06 0,27 0,05 F3 173,43 1,01 174,39 1,06 0,27 0,05 62 172,10 1,01 169,55 1,04 0,27 0,05 63 170,03 1,03 163,50 1,14 0,27 0,05 P1 175,58 1,03 176,28 1,09 0,27 0,05 P2 175,44 1,06 175,95 1,21 0,27 0,05 P3 175,56 1,01 176,42 1,02 0,27 0,05 59 176,55 1,03 176,46 1,09 0,27 0,05 60 175,11 1,06 175,54 1,21 0,27 0,05

Obs: Os valores 1* e 2* correspondem às médias das amostras F1, F2 e F3 e P1, P2 e P3 respectivamente.

Fonte: Autoria própria.

Figura 39- Comparação entre os métodos de ensaios para a avaliação do módulo de elasticidade.

Obs: Os valores 1* e 2* correspondem às médias das amostras F1, F2 e F3 e P1, P2 e P3 respectivamente.

Fonte: Autoria própria. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 1* 62 63 2* 59 60 M ó d u lo d e E lasti ci d ad e (GPa) Amostras Ultrassom Freq. Ressonância Ensaio de Tração

A Figura 40 busca evidenciar a repetibilidade entre os métodos não destrutivos e pode-se ter a impressão que o ensaio de ultrassom apresenta melhores condições para caracterização do módulo de elasticidade. Isso também foi observado por Cech (1990), que afirma que a medição pela frequência de ressonância não cobria inteiramente todo o volume do material. Contudo, isso não está em acordo com a técnica, uma vez que essa análise é influenciada pela interação entre o material e sua geometria (COSSOLINO e PEREIRA, 2012); (LORD e MORRELL, 2006); (KOVACTS e COLE, 1975). Essa elevação nos valores do módulo de elasticidade para o ensaio de ultrassom está ligada com a própria técnica é que uma avaliação local. Deste modo, um possível, aumento local no grau de nodularização ou até mesmo uma maior pressão no contato entre o cristal e amostra, poderia provocar essa alteração nos valores de velocidade ultrassônica e no módulo de elasticidade.

Figura 40- Comparação entre os métodos de ensaios não destrutivos para a avaliação do módulo de elasticidade.

Obs: Os valores 1* e 2* correspondem às médias das amostras F1, F2 e F3 e P1, P2 e P3 respectivamente.

Fonte: Autoria própria. 165 170 175 180 185 F1 F2 F3 62 63 P1 P2 P3 59 60 M ó d u lo d e E lasti ci d ad e (GPa) Amostras Ultrassom Freq. Ressonância

Analisa-se, ainda pela Figura 40, a influência da matriz, uma vez que se consegue visualizar as faixas de valores para cada grupo de material. Assim, por ambos os ensaios não destrutivos, pode-se observar que o incremento no módulo é mínimo e também, torna-se difícil à avaliação dessa variação de matriz, pois há pequenas variações no grau de nodularização entre as amostras e sabe-se que esse exerce maior influência sobre as propriedades mecânico-físicas. Deste modo, como na

literatura (GUESSER, 2009); (GOODRICH, 2003);

(DAWSON, 1999), verifica-se que a variação da matriz é mais significativa para as propriedades mecânicas (limite de resistência, escoamento e alongamento) do que para o módulo de elasticidade.

Outra condição esperada era que as amostra da região do massalote apresentassem redução no grau de nodularização, o que não foi observado para ambos os materiais. Contudo, há a redução do valor do módulo de elasticidade para as amostras da região do massalote para o grupo de matriz ferrítica (amostras 62 e 63). Essa diminuição de valores, tanto para a frequência longitudinal quanto flexional (Tabela 12), é devido à presença de microrrechupes próximos a superfície do material (Figura 41). Esses defeitos, além de provocarem redução no módulo, devido à quantidade e distribuição, também, foram detectados através do espectro de frequências do ensaio de frequência de ressonância (Figuras 42 e 43). Estas figuras permitem visualizar a resposta da frequência em relação à presença de defeitos, nas quais comparam três casos; uma amostra isenta de defeitos e as amostras 62 e 63, que possuem variação no volume das microporosidades. A Figura 43 corresponde a análise da frequência flexional, esta avalia as características externas do material e observa-se a formação de um segundo pico ressonante e a frequência principal encontra- se defasada, ainda pode-se notar que o espaçamento entre as frequências é proporcional ao aumento no volume de defeitos.

Figura 41- Presença de microrrechupes nas amostras de matriz ferrítica, 62 e 63 respectivamente.

Fonte: Autoria própria.

Figura 42- Espectro da frequência longitudinal.

Figura 43- Espectro da frequência flexional.

Fonte: Autoria própria.

Os parâmetros comuns para a avaliação do comportamento elástico do material são o grau de nodularização e quantidade de nódulos/mm² em relação ao método de ensaio. A baixa variação dessas condições e principalmente, aos defeitos presentes não permitiram a correta análise, pois os defeitos podem ter afetado o comportamento elástico dos materiais.