Ferro fundido cinzento 1 Caracterização metalográfica

MICROESTRUTURAS DAS SEÇÕES DE PAREDE FINA PARA OS BLOCOS DE MOTOR

6.2.1 Ferro fundido cinzento 6.2.1.1 Caracterização metalográfica

A avaliação metalográfica para as amostras da região do mancal e das seções finas estão na Tabela 24. Para analisar e relacionar as condições microestruturais das amostras é importante determinar a variação de espessura entre elas. A amostra base/referência que foi extraída da região do mancal representa uma seção com espessura superior a 15mm, as amostras finas têm em média espessura próxima a 4,5mm, com exceção das amostras 4 e 5 que apresentam espessura em torno de 10,5mm.

A amostra do mancal (Figura 71 a) apresenta predominantemente grafita lamelar tipo A, com grafitas tipo D e E em menores quantidades e distribuídas ao longo de toda a superfície da amostra e ainda quantidades mínimas de grafita tipo C próximas ao núcleo. O tamanho dos veios da grafita tipo A foram de 0,06 a 0,25mm de comprimento. A área da grafita foi de 12% para uma matriz 100% perlítica e observou-se, também, a presença de sulfetos de manganês (Figura 71 b). Outra condição analisada foi o número de células eutéticas (318).

Para melhor avaliar a microestrutura apresentada pelo mancal, essa pode ser comparada com a amostra 61J (Tabela 14). Observando as duas estruturas (Figura 71 e 52), pode-se perceber similaridade entre as mesmas, devido às condições de resfriamento serem próximas. Contudo, há variações no tipo de grafita e na contagem de células eutéticas. O fator que irá afetar diretamente as propriedades mecânicas é a presença de grafita tipo C (amostra do mancal), pois a constituição mais grosseira

e o comprimento maior dos veios implicarão em maior facilidade de propagação de trincas. A diferença entre os outros parâmetros não apresentam consequências severas.

Tabela 24- Análise metalográfica para as amostras do bloco de motor em FC-250.

Amostra

485

Mancal 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Forma I I I I I I I I I I Tipo A-(D)-(E) E-D D-E A-E A-(B) A-E E-D E-D E-D E-D Tamanho (4)-(5) - - (7)-(6) (4)-(5) (4)-(5) - - - - Área da grafita (%) 12 8 10 10 11 11 8 8 7 8 Perlita (%) 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Número de células eutéticas/ cm² 318 4547 3436 2432 852 671 3401 4000 3278 3313

Figura 71- Micrografias da amostra extraída da região do encosto do mancal – sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento (a) 100x e (b) 500x.

(a)

(b) Fonte: Autoria própria.

As seções finas, com espessuras de parede entre 3e 4 mm (amostras 1, 6, 7, 8, e 9 - Figura 72 e Figuras 77 a 80), possuem a grafita tipo E em maior quantidade, com grafita tipo D dispersa em algumas regiões. Isso pode ocorrer tanto pelo super-resfriamento (espessura das paredes) quanto pela formação de grande quantidade de dendritas de austenita proeutética (PIESKE, FILHO e REIMER, 1980). Ainda nessas seções, a área da grafita foi inferior às demais (8%), devido às mesmas condições anteriores e destaca-se que as análises foram realizadas para aumentos de 500x.

Figura 72- Micrografias da amostra extraída da seção 1 – sem e com ataque

químico, nital 3%. Aumento 100x.

Fonte: Autoria própria.

Para a amostra 2 (espessura próxima a 5 mm, Figura 73), a grafita predominante é a tipo D com grafita tipo E para regiões afastadas do núcleo e o super-resfriamento dessa, ainda promoveu a formação de carbonetos. A amostra 3 (Figura 74) apresenta uma condição diferente das demais seções. Através da Figura 24, pode-se observar que seções finas correspondem a regiões de transição de seção, localizadas próximas a pontos quentes. Deste modo, apesar da amostra 3 ter espessura em

torno de 4 mm suas características microestruturais mostram-se melhores que as demais, devido as condições de transferência de calor. Assim, a grafita tipo A e E encontram-se distribuídas aleatoriamente pela seção com tamanho 7 para as grafitas tipo A. Do mesmo modo que para a amostra 2, a área da grafita é de 10%.

Figura 73- Micrografias da amostra extraída da seção 2 – sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x.

Fonte: Autoria própria.

As amostras 4 e 5 (Figuras 75 e 76) apresentam grafita tipo A em maior quantidade, com grafita tipo B em quantidades menores para a amostra 4, e grafita tipo E homogeneamente distribuída para a amostra 5. A área da grafita e o tamanho das mesmas são próximos ao padrão do mancal. Todas as amostras de parede fina apresentaram matriz perlítica (100%), presença de sulfetos de manganês e número de células eutéticas extremamente superior quando comparadas com a região do mancal, mesmo para as amostras 4 e 5. Isso está inteiramente ligado com a condição de super-resfriamento sofrido nessas seções.

Figura 74- Micrografias da amostra extraída da seção 3 – sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x.

Fonte: Autoria própria.

Figura 75- Micrografias da amostra extraída da seção 4 – sem e com ataque

químico, nital 3%. Aumento 100x.

Figura 76- Micrografias da amostra extraída da seção 5 – sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x.

Fonte: Autoria própria.

Figura 77- Micrografias da amostra extraída da seção 6 – sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x.

Figura 78- Micrografias da amostra extraída da seção 7 – sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x.

Fonte: Autoria própria.

Figura 79- Micrografias da amostra extraída da seção 8 – sem e com ataque

químico, nital 3%. Aumento 100x.

Figura 80- Micrografias da amostra extraída da seção 9 – sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x.

Fonte: Autoria própria.

6.2.1.2 Avaliação das propriedades elásticas

Os resultados dos ensaios de tração, ultrassom e frequência de ressonância para o mancal estão dispostos nas Tabelas 25 a 27 e na Figura 81, essas ainda trazem os valores obtidos para a amostra 61J que corresponde ao mesmo material (FC-250) para o estudo anterior. A partir da Tabela 25, pode-se observar que os valores obtidos para a amostra do mancal são próximos aos encontrados para amostra 61J e estão de acordo com a norma ISO185 (2005). A exceção dessas análises são os valores para o módulo de elasticidade, como visto anteriormente, o ensaio de tração e o método da secante não conseguem expressar o valor real do módulo devido à presença de grafita, que atua como um concentrador de tensão reduzindo a rigidez da matriz.

Tabela 25- Resultados do ensaio de tração para amostras: do mancal e a 61J. Amostras Mancal 61J LR (MPa) 263 254 E (GPa)* 49 67 HB 197 246 * Método da Secante

Fonte: Autoria própria.

Os ensaios não destrutivos (Tabelas 26 e 27) apresentam melhores resultados para o módulo de elasticidade, onde seus valores estão dentro do especificado pela ISO185 (2005). O ensaio de ultrassom mostra-se pouco sensível às alterações de quantidade e tipo de grafita, pois nem a velocidade longitudinal ou o módulo de elasticidade apresentaram grandes variações, o que dificulta estabelecer alguma correlação com a microestrutura. A frequência de ressonância mostra o mesmo comportamento que o ultrassom, mas com valores um pouco mais elevados, os quais não podem ser comparados diretamente, uma vez que a técnica utilizada não é correspondente. Outro fato a ser observado pela frequência de ressonância é o corpo de prova. Para a amostra do mancal, o corpo de prova teve seu tamanho reduzido quando comparado com a amostra 61J, de modo que a condição microestrutural pode não representar adequadamente a estrutura, apesar de seus valores serem próximos.

Tabela 26- Resultados do ultrassom para amostras: do mancal e a 61J.

Amostras

Comp. (mm) V (m/s) E (GPa) χ s χ s χ s Mancal 15,9 - 4500 10 119 0,7

61J 120,12 0,02 4457 10 117 0,8

Tabela 27- Resultados da frequência de ressonância para amostras: do mancal e a 61J. Amostra E- FF (GPa) µ χ s χ s Mancal 126,1 1,4 0,26 0,05 61J 124,9 0,8 0,26 0,05

Fonte: Autoria própria.

Figura 81- Comparação entre as técnicas de ensaio para avaliação do módulo de elasticidade.

Fonte: Autoria própria.

As análises das propriedades físicas das seções finas foram realizadas somente pelo ensaio de ultrassom. As nove seções selecionadas (Figuras 23 a 26), devido às suas respectivas geometrias, não permitiram realizar o ensaio de frequência de ressonância, além disso, houve dificuldade na realização do ensaio de ultrassom. Isso ocorreu, pois muitas das geometrias eram curvas, o que aumenta a dispersão do pulso ultrassônico; ou não se tinha acesso às seções finas devido à forma da mesma. As Figuras 82 a 85 evidenciam as dificuldades encontradas para a realização do ensaio de ultrassom realizado diretamente no bloco e a Tabela 28 apresenta os resultados obtidos para essa análise, o qual não pôde ser executado para as regiões:

0 20 40 60 80 100 120 140 Mancal 61J M ó d u lo d e E lasti ci d ad e (GPa) Amostras Ultrassom Freq. Ressonância Ensaio de Tração

 4 – não há contato entre o transdutor e a superfície da amostra;

 5 – não se tem acesso para a medição da

espessura da parede;

 6, 7, 8, 9 – não apresentam acesso à espessura e

as superfícies de testes.

Além das dificuldades encontradas, os valores obtidos durante esse ensaio não serão comparados com os demais, por não se tratar do mesmo lote do bloco de motor que foram extraídas as seções, uma vez que esse ensaio foi realizado após o corte das seções.

Figura 82- Localização da seção 2 no bloco de motor.

Fonte: Autoria própria.

Figura 83- Localização da seção 3 no bloco de motor.

Figura 84- Localização da seção 4 no bloco de motor.

Fonte: Autoria própria.

Figura 85- Localização das seções 7 a 9 no bloco de motor.

Tabela 28- Resultados do ultrassom para a análise realizada no bloco de motor

Amostras Comp. (mm) V (m/s) E (GPa) χ s χ s χ s Mancal 25,36 - 4768 10 133,8 0,7

1 9,95 - 4832 10 137,4 0,8 2 14,55 - 4778 10 134,3 0,7 3 4,66 - 4788 10 134,9 0,7

Fonte: Autoria própria.

A Tabela 29 e a Figura 86 mostram os resultados obtidos para o ultrassom realizado nas nove seções já extraídas do bloco e suas respectivas espessuras. Como pode ser observado, os valores de velocidade de ultrassom e módulo de elasticidade são relativamente superiores quando comparados com a amostra do mancal, mesmo para as seções mais espessas. Esse fato pode ser explicado pelo refinamento da microestrutura e pelas condições de ensaio (medida local).

Tabela 29- Resultados do ultrassom para as 9 seções extraídas do bloco de motor. Amostras Comp. (mm) V (m/s) E (GPa) χ s χ s χ s Mancal 15,93 - 4500 10 119 0,7 1 3,13 - 4760 10 133 0,7 2 15,22 - 4737 10 132 0,7 3 4,26 - 4772 10 134 0,7 4 9,17 - 4860 10 139 0,8 5 3,90 - 4723 10 131 0,7 6 3,77 - 4752 10 133 0,7 7 3,07 - 4711 10 131 0,7 8 3,31 - 4662 10 128 0,7 9 6,08 - 4776 10 134 0,7

Figura 86- Relação entre módulo de elasticidade e as espessuras das amostras extraídas do bloco de motor.

Fonte: Autoria própria.

Na busca de se conseguir melhores relações entre o módulo de elasticidade, espessura de parede e microestrutura, as nove seções do bloco de motor foram novamente seccionadas (Figuras 27 a 29), de modo se obter amostras mais regulares e planas. Essas ainda deveriam ter área superficial para atender o ensaio de ultrassom e suas dimensões teriam de satisfazer as razões de aspecto para o ensaio frequência de ressonância (ATCP, 2014). Entretanto, as regiões planas disponíveis não atenderam os critérios de frequência de ressonância e mesmo após a planificação/ lixamento, as frequências mínimas das amostras excederam a capacidade de 40 kHz do equipamento. Assim, novamente, o ultrassom foi o método de ensaio que se destacou na realização do ensaio.

Os resultados para o ensaio de ultrassom estão presentes na Tabela 30 que traz as medições para a espessura de parede, velocidade longitudinal e módulo de elasticidade. A Figura 87

7 1 8 6 5 3 9 4 2 Mancal 105 110 115 120 125 130 135 140 145 3,07 3,13 3,31 3,77 3,90 4,26 6,08 9,17 15,22 15,93 M ó d u lo d e E lasti ci d ad e (GPa)

ilustra as relações anteriores, em que se pode observar uma relação entre o módulo e espessura das amostras é afetada pela microestrutura Pode-se verificar que o aumento da espessura condiz para módulos de elasticidade menores, devido à presença da grafita, onde seus veios tornam-se maiores para tempos prolongados de solidificação (mancal). Os elevados valores para o módulo de elasticidade e suas variações podem ser explicados pela técnica de ultrassom e pelas geometrias das amostras, como também pela ação conjunta de espessura de parede e fonte extratora de calor.

Tabela 30- Resultados do ultrassom para as 9 seções “planificadas”.

Comp. (mm) V (m/s) E (GPa) Amostras χ s χ s χ s Mancal 15,93 - 4500 10 119 0,7 1 3,06 - 4990 10 147 0,8 2 4,73 - 4941 10 144 0,8 3 4,21 - 4837 10 138 0,8 4 9,62 - 4850 10 138 0,8 5 12,15 - 4820 10 137 0,8 6 3,66 - 4920 10 142 0,8 7 3,11 - 4808 10 136 0,8 8 3,29 - 4850 10 138 0,7 9 3,25 - 4830 10 137 0,8

Figura 87- Relação entre módulo de elasticidade e a variação de espessura entre as amostras das seções planas.

Fonte: Autoria própria.

Outros estudos realizados em relação ao módulo de elasticidade estão presentes nas Figuras 88 e 89, referentes à influência da área da grafita e o número de células eutéticas, respectivamente. Essas mostram que existe uma tendência do módulo elasticidade se reduzir com o aumento da área da grafita, o que decorre de um maior volume e uma estrutura grosseira para a grafita; enquanto há a diminuição do número de células eutéticas, devido à taxa de solidificação (GUESSER, 2009). As condições observadas são impulsionadas pelos resultados da amostra do mancal, uma vez que as demais amostras apresentam uma estrutura refinada, na qual sua microestrutura é determinada pelas taxas de solidificação impostas pela espessura e também, o número de células eutéticas. 1 7 9 8 6 3 2 4 5 Mancal 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 3,06 3,11 3,25 3,29 3,66 4,21 4,73 9,62 12,15 15,93 M ó d u lo d e e lasti ci d ad e ( GPa)

Figura 88- Relação entre o módulo de elasticidade e a área da grafita (%) para as seções planas.

Fonte: Autoria própria.

Figura 89- Relação entre o módulo de elasticidade e o módulo de células eutéticas para as amostras planas.

Fonte: Autoria própria. 115 120 125 130 135 140 145 150 6 8 10 12 14 M ó d u lo d e E lasti ci d ad e (GPa) Área da grafita (%) Mancal 5 4 3 8 9 6 2 7 1 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 318 671 852 2432 3278 3313 3401 3436 4000 4547 M ó d u lo d e e lasti ci d ad e ( GPa) N° de células eutéticas/cm²

A partir das Figuras 90, 91 e 92, que relacionam a área da grafita (%), o número de células eutéticas e as espessuras das amostras, pode-se verificar que a relação entre área da grafita e número de células eutéticas é inversamente proporcional e dependente da espessura das amostras (Figura 90). A Figura 91 mostra que para as seções com menor espessura há redução da área da grafita, relacionado ao efeito da taxa de solidificação, na qual a diminuição na precipitação da grafita, formação de uma grafita refinada e/ou a tendência de formar carbonetos. A Figura 92 apresenta a relação contrária, em que o aumento no número de células eutéticas ocorre devido à redução da espessura das amostras, por causa das condições de solidificação de cada seção.

Figura 90- Relação entre a área da grafita e o número de células eutéticas para as seções planas.

Fonte: Autoria própria.

Mancal 5 4 3 8 9 6 2 7 1 y = -0,4061x + 11,533 R² = 0,5212 0 2 4 6 8 10 12 14 Á re a d a gr afi ta (% ) N° de células eutéticas

Figura 91- Relação entre área da grafita e a variação de espessura das seções planas.

Fonte: Autoria própria.

Figura 92- Relação entre o número de células eutéticas e a variação de espessura entre as amostras cortadas (seções planas)

Fonte: Autoria própria.

1 7 9 8 6 3 2 4 5 Mancal y = 0,503x + 6,5333 R² = 0,7998 0 2 4 6 8 10 12 14 Á re a d a gr afi ta (% )

Espessura das amostras (mm)

1 7 9 8 6 3 2 4 5 Mancal y = -449,43x + 5096,8 R² = 0,8306 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 N ° d e c é lu las e u té ticas/ c m ²

6.2.1.3 Análise do amortecimento de vibrações

O resultado para a capacidade de amortecimento, ψ,

encontra-se na Tabela 31. O valor obtido para a região do mancal mostra-se superior ao encontrado pela amostra 61J(classe material) e na literatura (GUESSER, 2009). O aumento pode ser explicado pela presença de grafitas grosseiras (tipo C), que além de elevar o valor do amortecimento, também reduziu as propriedades mecânico- físicas, como visto anteriormente. Assim, pode-se verificar que ferros fundidos com grafita grosseira e de baixa resistência, possuem alta capacidade de amortecimento de vibrações.

Tabela 31- Resultados do amortecimento para as amostras do mancal e 61J.

Amostras

F (Hz) ζ (E-6) δ (E-4) ψ(E-4)

χ s χ s χ s χ s

Mancal 7223,0 1,4 775,5 7,8 0,5 0,005 1,0 0,010 61J 5829,6 0,1 452,6 1,9 0,3 0,001 0,6 0,002 ζ - Amortecimento -> δ = 2 π ζ δ - decremento logarítmico ψ - Capacidade de amortecimento -> ψ = 2 δ = 4 π ζ

6.2.2 Ferro fundido vermicular