3.3 MÉTODOS EXPERIMENTAIS PARA A DETERMINAÇÃO DO ATRITO
3.3.1 Ensaio do Anel
O ensaio do anel consiste na deformação de corpos de prova em formas de anéis com superfícies planas e medidas padronizadas. Esse método submete o corpo de prova a uma carga que reduz a altura do anel, variando os diâmetros interno ou externo. A variação do diâmetro é dependente do atrito entre o corpo de prova com a superfície as quais exercem as forças de compressão. Sua vantagem é a não há necessidade de conhecer-se a força para deformação do anel (Male), nem a tensão de escoamento do material do corpo de prova, para determinação do coeficiente de atrito (Male).
Quando uma amostra de anel plano é plasticamente comprimida entre duas matrizes, aumentando o atrito com fluxo no sentido para dentro do material, enquanto diminui
simultaneamente o atrito para fora do material, mostrado na Figura 14.
Para uma dada porcentagem de redução de altura durante o teste de compressão, a correspondente medida do diâmetro interno da amostra testada fornece um conhecimento quantitativo da magnitude do coeficiente de atrito que prevalece na interface matriz/peça. Se o
diâmetro interno aumenta durante a deformação, significa que o atrito é baixo. De modo análogo, se o diâmetro interno da amostra diminui durante a deformação, o atrito é alto.
As curvas de calibração de atrito foram geradas pelo Homem e Cockcroft relativa à percentagem de redução do diâmetro interno da amostra de teste para a sua redução da altura para diferentes graus do coeficiente de atrito, como se mostra na Figura 15.
Figura 14 – Efeito da magnitude do atrito no fluxo do metal durante o ensaio do anel
Figura 15 – Curva de calibração em função de µ
Fonte: (Male, 20--).
O princípio do modelo do ensaio do anel consiste na evolução geométrica de dois anéis idênticos que tem o tamanho reduzido pela mesma quantia, mostrado na Figura 16. Um dos anéis é perfeitamente lubrificado e é pressionado a uma baixa velocidade de deformação enquanto o outro anel é ensaiado sem lubrificação e com alta velocidade de deformação. Os comportamentos característicos dos dois anéis são completamente diferentes. No caso do ensaio a baixa deformação, o raio interno do anel (Ri) aumenta, enquanto no caso da alta taxa de deformação, há tanto uma pequena expansão no raio interno ou uma diminuição no tamanho, dependendo na magnitude se a taxa de deformação é suficientemente alta, conforme Figura 16(c). Para os dois casos do anel, o raio externo expande. No caso do anel ensaiado a alta taxa de deformação, todos os pontos de raio R maior que o raio Rn move no sentido para fora do anel, enquanto os pontos de raio R menor que o raio Rn move no sentido para dentro.
Os pontos em que o valor de R é igual a R são estacionário e, portanto, o raio é chamado de raio neutro.
O valor do raio neutro é diretamente ligado ao coeficiente de atrito. Para altos valores de atito, o raio neutro é localizado dentro do raio neutro e então, o raio R é maior que o raio interno. Já para baixos valores de atrito, o raio neutro é menor que o raio interno. A Figura 16 exemplifica o fenômeno.
Figura 16 - Comportamento típico do anel durante o ensaio. (a) Anel simples; (b) Anel com baixo atrito; e (c) Anel com alto valor de atrito.
4. MATERIAIS E MÉTODOS
Os ensaios do anel foram realizados nas dependências do Laboratório Mecânico do Departamento de Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia de Materiais (FEG).
A preparação das amostras para análise macroscópica e de contorno de grãos foram preparados no Laboratório Metalúrgico do Departamento de Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia de Materiais (FEG).
Os equipamentos utilizados para o ensaio foram:
Máquina de Ensaio Universal:utilizada para realizar o ensaio do anel. Figura 17 – Máquina de ensaio universal.
Fonte: (O autor, 2013).
Lixadeira rotativa: utilizada na preparação da amostra para o polimento das amostras.
Figura 18 – Lixadeira rotativa.
Fonte: (O autor, 2013).
Politriz Arotec: utilizada para a preparação do material para os ataques químicos.
Figura 19 - Politriz automática.
Fonte: (O autor, 2013).
Estereoscópio Stemi: utilizado para verificação da superfície polida: Figura 20 - Estereoscópio Stemi.
Fonte: (O autor, 2013).
Estereoscópio Nikon 40: utilizado para fotografar as amostras em ampliações inferiores a 50 vezes.
Figura 21 - Exemplo de estereoscópio utilizado realizar fotos.
Fonte: (Econolab, 2013).
Microscópio Nikon Epiphot 200: utilizado para fotografar as amostras em ampliações superiores a 50 vezes.
Figura 22 - Microscópio Nikon Epiphot 200.
4.1. MATERIAIS
Os materiais utilizados para a análise do ensaio do anel foram, conforme Figura 23:
(a) Aço 1020;
(b) Liga de cobre e zinco;
Figura 23 - Amostras utilizadas no experimento.
(a) (b)
Fonte: (O autor, 2013). 4.2. MÉTODO
4.2.1. Ensaio do Anel
No teste de compressão o corpo de prova é testado pela aplicação de uma carga axial compressiva em uma amostra padronizada. Durante o ensaio podem ser anotados os alongamentos sofridos pela amostra, correspondente às forças aplicadas. São usualmente testados em compressão os seguintes materiais: concreto, cerâmicas, metais, plásticos e compostos.
A máquina do ensaio de compressão pode ser a mesma utilizada para o ensaio de tração, apenas alterando as condições de fixação do corpo de prova na máquina e de ensaios (velocidade de deformação e condições de lubrificação).
Existem dois comportamentos esperados para o ensaio, dependendo se o material apresenta características dúcteis ou frágeis. Enquanto os metais frágeis rompem praticamente
sem fase elástica, os metais dúcteis sofrem grande deformação na fase plástica, às vezes sem atingir a ruptura.
Para as amostras, as condições do ensaio foram de baixa velocidade de deformação e as amostras estarem lubrificadas com nylon. As amostras estavam com as dimensões padronizadas, seguindo a proporção descrita na literatura: 6:3:1, seguindo a ordem: diâmetro externo: diâmetro interno: altura.
4.2.2. Metalografia
Na metalografia, existem vários modos de ser preparar a amostra, sendo o propósito da verificação e o tipo de ataque químico para ser usado determina a preparação correta da superfície de ataque. A maioria das análises macroscópicas revelam alguns detalhes da macroestrutura em uma superfície áspera, mas seria necessário um ataque excessivo pela falta de homogeneidade e “superfície lisa” da superfície podem facilmente esconder detalhes significativos.
Geralmente, uma superfície polida requer menos ataque químico para revelar a mesma quantidade de detalhe bruto e diminui a chance de perder algum detalhe mais fino.
Superfícies usinadas são aceitáveis para ataques macroscópicos e examinação. Entretanto, a usinagem com ferramentas inadequadas podem modificar a superfície e distorcer a estrutura do grão ou gerar alguma porosidade.
No presente estudo, foi realizada a preparação do material da seguinte forma: primeiramente as amostras foram todas lixadas nas granas de 200, 300, 420, 600 e 1200. O polimento foi realizado com alumina de 1µm.
4.2.3. Ataque químico
O ataque químico é a técnica mais antiga e comum aplicada para a produção do contraste microestrutural. Nesta técnica, o ataque químico reage com a amostra sem o uso de corrente externa. O ataque prossegue com a dissolução de acordo com as características químicas dos constituintes microestruturais. As variedades dos ataques são disponíveis, incluindo ataques com ácidos, bases, soluções neutras e sais.
Grande parte das fórmulas utilizadas nos ataques foi composta empiricamente. Devido à composição e ao modo de aplicação são facilmente variados e modificados. A taxa de ataque
(permanência que o reagente permanece em contato com o material) é determinada basicamente pelo grau de dissociação do ataque e da condutividade elétrica.
O tempo de ataque pode variar de alguns segundos para algumas horas. Quando não há instrução dada, o progresso é julgado pela aparência da superfície atacada. A superfície ficará usualmente menos brilhante e reflexiva a medida que o ataque prossegue.
No presente estudo foi utilizado o mesmo método de ataque químico, com dois reagentes químicos diferentes. Para o aço 1020 foi utilizado o Nital 10% e para o liga de cobre e zinco foi utilizado o ácido nítrico.
A amostra deve ser atacada logo após o polimento final. Ataque químico é usado para revelar a microestrutura do carbono e ligas de aço são listadas na tabela, junto com as características primárias. Nital e picral são os reagentes mais utilizados para o ataque em aços e ligas de aço. A composição do nital é geralmente usada na concentração de 1 a 3 % de HNO3 em solução de etanol ou metanol. Para soluções com concentrações superiores é
recomendado o uso de metanol para soluções.
Os contornos de grão da ferrita podem ser revelados utilizando o reagente Nital na maioria dos aços carbono, apesar de que o reagente Marshall (reagente 8 da tabela 1) parece aparentemente ser melhor para aços carbonos com baixa porcentagem de carbono e aço descarbonizado.
Para o estudo, foram utilizados os reagentes: • Aço = Nital 10 %
• Liga de cobre e zinco = Ácido Nítrico
Ressalta-se a dificuldade dos ataques nos materiais utilizados na pesquisa. Para todos os materiais houve uma grande dificuldade no polimento deles e inúmeras tentativas de ataques químicos, apesar de utilizar-se da literatura.
5. RESULTADOS OBTIDOS
Os resultados obtidos no presente estudo podem ser divididos nos resultados do ensaio de compressão dos materiais, na microscopia analisada da superfície e no estudo da dureza dos materiais.
5.1. ENSAIO DO ANEL
Os valores obtidos do ensaio do anel estão expostos na tabela 01. A Figura 24 mostra um rascunho de um anel e suas dimensões para facilitar o entendimento dos valores. O Ensaio do anel consiste basicamente em aplicar uma força no material, deformando no sentido da carga aplicada.
Figura 24 - Exemplo de um anel utilizado no ensaio.
Fonte: (O autor, 2013).
Tabela 1 - Valores obtidos no ensaio de anel.
Material H
inicial final H D inicial externo D inicial interno externo D final interno D final
Aço 2,2 1,02 11,9 6,0 15,9 3,3
Liga de cobre e zinco
5.2. COMPORTAMENTO DO ANEL
A Figura 25 mostra o comportamento esperado em um ensaio de compressão. Entretanto, após ensaiadas os anéis apresentaram um perfil semelhante nos dois materiais, conforme Figura 26; o diâmetro externo sempre aumenta e o diâmetro interno aumenta ou diminui, segundo as condições de atrito.
No ensaio a tensão devida ao atrito é mínima no diâmetro externo do anel e aumenta ao se aproximar do diâmetro interno. Na Figura 26, a seta indica o sentido da restrição à deformação devido ao atrito.
O ensaio é realizado deformando o material entre duas placas planas maciças. A deformação do material ocorre com a diminuição da altura e o aumento de seu diâmetro externo. O perfil do anel é explicado devido à restrição à deformação plástica após a conformação do material que ocorre na região externa do material e em menor magnitude na região interna do material.
Figura 25 - Exemplo do perfil do comportamento esperado do anel no ensaio.
Fonte: (O autor, 2013).
Figura 26 - Exemplo do comportamento do anel no ensaio.
Fonte: (O autor, 2013).
Indicação do sentido da restrição da deformação pelo
A Figura 27 mostra a pressão necessária para a compressão de um disco. Nota-se que o atrito disco/matriz e a pressão são tanto maiores quanto mais interno o raio considerado. De forma análoga, na compressão de um disco, quanto mais interno o raio considerado maior a tensão de atrito que se opõe ao escoamento do material na direção radial e voltado para o diâmetro externo. Assim, durante o ensaio de compressão de um anel, o diâmetro externo é submetido a menor tensão de atrito e escoa mais livremente “para fora”. No outro extremo, o diâmetro interno está submetido ao maior valor de tensão de atrito e não consegue escoar, deformando-se muito mais na direção da espessura.
Figura 27 - Comportamento do atrito gerado em uma parte do anel.
Fonte: (O autor, 2013).
A Figura 28 mostra o esquema de meio anel e ilustra aproximadamente o escoamento durante a compressão. Na região próxima central o fluxo na direção radial é limitado e na região próxima ao diâmetro interno e externo, sujeita a tensão de atrito menos intensa, o fluxo na direção radial sofre menor restrição.
Figura 28 - Exemplificação das linhas de deslocamento geradas no ensaio do anel.
5.3. MICROSCOPIA
As Figuras de 29 a 36 mostram os resultados obtidos com a amostra de liga de cobre e zinco. A Figura 29 mostra o comportamento das linhas de deformação na região próxima ao diâmetro externo. Como na região próxima ao diâmetro externo houve fluxo considerável do material na direção radial, as linhas reveladas pela metalografia, além de mostrarem o fluxo mostram também que ele é mais acentuado internamente, já que mesmo nesta região existe atrito se opondo ao escoamento na interface disco/matriz. O mesmo fenômeno é observado na Figura 30, onde é mostrado o comportamento próximo ao raio externo.
Figura 29 - Comportamento próximo ao raio interno. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X.
Figura 30 - Comportamento próximo ao raio interno. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X.
Fonte: (O autor, 2013).
As Figuras 31 e 32 mostram o comportamento das linhas de deformação na porção central do disco. Nota-se claramente que o comportamento é diferente daquele observado na extremidade externa do disco. Como houve fluxo no sentido externo no maior diâmetro e fluxo no sentido interno no menor diâmetro, a porção central está na zona de transição, em que a deformação se dá basicamente na direção da compressão. Cabe aqui citar o fato de que as linhas de fluxo vistas nas fotos são uma segunda fase existente na liga.
Figura 31 - Comportamento próximo ao meio da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X.
Figura 32 - Comportamento próximo ao meio da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X.
Fonte: (O autor, 2013).
A Figura 33 mostra a segunda fase, que se comporta de maneira dúctil e se deformou exatamente na direção transversal, na direção perpendicular em relação à superfície do disco. Figura 33 - Comportamento da segunda fase encontrada na amostra. Material: Liga de cobre e
zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 200x.
As Figuras 34 a 36 mostram como a segunda fase presente no liga de cobre e zinco foi comprimida e os grãos foram “achatados”, já que não houve fluxo lateral de material como um todo. É necessário frisar aqui o fato de que o comportamento observado foi generalizado para ambas às fases nessa região do disco e pode ser observado pelos grãos da segunda fase. Na Figura 36 a estrutura é vista com maior ampliação e pode-se observar pequenos grãos da fase mais clara também achatados, o que revela que eles também foram comprimidos.
Figura 34 - Comportamento da segunda fase encontrada no meio da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 200x.
Figura 35 - Comportamento da segunda fase encontrada no meio da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 200x.
Fonte: (O autor, 2013).
Figura 36 - Comportamento da segunda fase encontrada na extremidade da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 500x.
As Figuras 37 a 42 mostram o comportamento da amostra de aço diante do ensaio do anel.
A amostra de aço, as imagens obtidas foram no estereoscópio e sem ataque químico, dadas a dificuldade em se obter a superfície atacada.
As Figuras 37 e 38 mostram a alteração do comportamento das linhas de deformação que ocorrem na amostra devido à influência do atrito no escoamento do material no ensaio de deformação. A Figura 37 foi retirada próxima ao raio interno do disco, enquanto a Figura 36 está situada entre o meio do material e o diâmetro externo.
Figura 37 - Comportamento próximo ao raio externo. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 50x.
Fonte: (O autor, 2013).
Figura 38 - Comportamento próximo ao raio externo. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 50x.
A Figura 39 mostra o comportamento das linhas de deformação na porção central do disco. Nota-se que houve fluxo no sentido externo no maior diâmetro e fluxo no sentido interno no menor diâmetro, a porção central está na zona de transição, em que a deformação se dá basicamente na direção da compressão. Vale ressaltar que o comportamento do disco de aço foi semelhante ao do liga de cobre e zinco.
Figura 39 - Comportamento das linhas de deformação na porção central da amostra. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 50x.
Fonte: (O autor, 2013).
As Figuras 40 a 42 mostram os detalhes dos carbonetos (cementita) quebrados durante a deformação e que foram arrancados durante o polimento.
As Figuras 40 e 41 mostram o comportamento dos carbonetos próximos à região dos raios interno e externo, respectivamente. Não são observadas colônias perlíticas lamelares, mas pequenos fragmentos separados.
Figura 40 - Comportamento dos carbonetos encontrados na extremidade da amostra. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 200x.
Fonte: (O autor, 2013).
Figura 41 - Comportamento dos carbonetos encontrados na extremidade da amostra. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 200x.
Fonte: (O autor, 2013).
A Figura 41 foi obtida na zona de transição, onde não foi observado fluxo lateral. Nota- se que uma pequena colônia de perlita lamelar foi preservada, na mesma região onde são observados fragmentos de cementita.
Figura 42 - Comportamento dos carbonetos encontrados na extremidade da amostra. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 200x.
6. CONCLUSÃO
Duas amostras utilizadas no ensaio de anel de atrito de materiais diferentes, liga de cobre e zinco e aço baixo carbono, foram analisadas por meio de metalografia convencional e pode-se chegar às seguintes conclusões:
- Os anéis ensaiados, que inicialmente apresentavam seção transversal regular mostraram comportamento assimétrico, apresentando seção transversal de dimensões variáveis após ensaio;
- Analisando as linhas de fluxo da deformação, nota-se que o comportamento dos corpos de prova foi idêntico para os dois materiais, o que mostra que independe do material utilizado; - Como esperado, as linhas de fluxo reveladas pela análise metalográfica, mostraram que a deformação plástica foi mais intensa no diâmetro externo do anel em virtude da menor restrição do atrito;
- A deformação plástica ocorre na direção radial, no sentido externo, na região externa do anel - A deformação apresenta uma zona de transição, onde se vê que não houve fluxo lateral e a microestrutura mostra grãos achatados pela ação da tensão compressiva;
- Na região interna do anel as linhas de fluxo mostram que houve deformação na direção radial no sentido do centro do anel;
- Na amostra de liga de cobre e zinco as linhas de fluxo foram evidenciadas pela presença de uma segunda fase e na amostra de aço as linhas de fluxo foram evidenciadas pelo comportamento dos carbonetos que se fraturaram e se soltaram durante o polimento da amostra.
BIBLIOGRAFIA
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Universidade Estadual do Rio Grande do Sul, 2007.
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Auras, A. P.; Processos de fabricação: conformação mecânica II – extrusão, trefilação e
conformação de chapas. Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina.
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Melo, S. Ensaio de compressão. Disponível em <http://www.sidneymelo.com.br/Discipl/Material/Compressao.pdf>. Acesso em 18 de dez. 2013
ANEXO – Tabelas dos possíveis reagentes químicos
Seguem as tabelas retiradas do ASM Handbook volume 9 sobre os reagentes que poderiam ser utilizados nas amostras.
Tabela 1: Reagentes metalográficos para ferro e aço.
Composição Composição Lembrete Uso
1 Nital 2 mL HNO3 e 98 ml etanol ou metanol (95% ou puro, só álcool)
Não é tão bom como o picral para trabalho de alta resolução com estruturadas tratadas com aquecimento. Excelente para visualização
dos contornos de grãos da ferrita. Tempo de Ataque: Poucos segundos – 1 minuto
Para aço-carbono: deixar o máximo contraste entre a perlita e a ferrita ou cementita. Revela contornos de grão da ferrita. Diferencia ferrita da martensita 2 Picral 4 g de ácido pícrico, 100 mL etanol ou metanol (95 % ou puro álcool quando o ácido contém 10% ou mais de hidração), e 4 ou 5 gotas 17% cloreto de Zephiran
Não é tão eficiente como o nital para revelar contorno de grão da ferrita; permite uma maior resolução da
perlita, martensita, martensita temperada, e estruturas bainíticas; detecta
carbonetos. Tempo de Ataque P4oucos segundos –
1 minuto ou mais
Para todas as categorias de aço carbono: recozido, normalizado,
temperado, revenido, esferoidizado, austemperado