O ferro fundido nodular austemperado (ADI), passou a ser empregado industrialmente a partir da década de 70[116]. O ADI surgiu como uma excelente opção como material de engenharia devido à combinação de elevada resistência mecânica, ductilidade, tenacidade, resistência à fadiga e resistência ao desgaste, associadas a um baixo custo, quando comparado com ferros fundidos convencionais e aços forjados[52, 117 e 118].
Para a composição química do ADI, é similar à de um ferro fundido nodular convencional, sendo que peças com espessuras maiores que 12 mm são fabricadas com a introdução de cobre, níquel, e molibdênio individualmente ou combinados. Esses elementos são adicionados somente para aumentar a temperabilidade da liga e não para aumentar a resistência ou a dureza[84].
A vantagem da presença da grafita esferoidal faz com que o ADI apresente capacidade de amortecimento. Além disto, outros benefícios adicionais como vida em fadiga e alta resistência ao desgaste aliado a boas condições de usinabilidade[65].
Entre as vantagens econômicas do ADI, a economia de energia na sua fabricação quando comparado com um aço forjado, recozido, temperado e revenido,
sendo que o processo de fundição permite a obtenção de produtos muito próximos das dimensões finais, e os custos dos modelos de fundição são reduzidos quando comparados com as matrizes de forjaria[31 e 52].As principais limitações ao uso do ADI são: a baixa usinabilidade no estado austemperado; o módulo de elasticidade que é aproximadamente 20% inferior aos aços forjados, fazendo com que componentes em ADI tenham maior deformação elástica que os aços nas mesmas condições. A baixa temperabilidade do ferro fundido também limita o tamanho das peças que podem ser obtidas em ADI[41].
O ADI é denominado de ferro FN ausferrítico, pois sua microestrutura recebe a denominação de ausferrita (austenita + ferrita). Muitas publicações ainda utilizam o termo bainita, porém esta microestrutura não é desejada com o tratamento de austêmpera, mas sim a microestrutura ausferrítica nos ferros fundidos, sendo comum nos aços austemperados que produzem a estrutura bainítica com concentrações de carbonetos de ferro [52,59].
Esta família de materiais com microestrutura ausferrítica, é formada por agulhas de ferrita e placas de austenita estável de alto teor de carbono, cuja microestrutura típica está mostrada na figura 11 [66].
Figura 11: Estrutura formada por agulhas de ferrita, placas de austenita e nódulos de grafita.
Fonte: [66]
A reação bainítica é indesejável para os ferros fundidos em função da presença de carbonetos de ferro na microestrutura, que tem por característica reduzir aductilidade e à resistência ao impacto. Desta forma, é primordial a combinação das fases que compõe o microconstituinte ferrita que fornece as condições para este aumento da resistência à tração sem perda significativa de ductilidade[86].
Com relação as ligas metálicas o ADI pode ter a composição básica de um FN com a adição de elementos de liga, como o cobre, molibdênio, niquele outros. A composição do ferro fundido é função da espessura da peça e da profundidade de camada austemperada desejada, ou seja, estas ligas auxiliam na homogeneidade da estrutura do material em todas as suas dimensões[86].
O silício pode ser considerado o mais importante dos elementos encontrados nos ADI, não só por seu efeito grafitizante na solidificação, como também por seu efeito no estado sólido durante o tratamento térmico de austêmpera. Neste caso, inicialmente o silício aumenta a atividade do carbono na austenita, acelerando a sua difusão e favorecendo a nucleação da ferrita acicular [121].
Figura 12: Influência do número de nódulos de grafita no alongamento do nodular austemperado.
Fonte: [32]
Na figura 12, o autor [32] demonstra de uma forma geral a influência a concentração de nódulos de grafita em nódulos por milímetros quadrados, em um ferro fundido nodular austemperado.
A menor a quantidade de nódulos e o maior tamanho médio de grafita levam a baixos valores de energia absorvida, pois existe menores distâncias relativas entre os nódulos, favorecendo o coalescimento dos alvéolos (unidades vazias) e diminuindo a resistência a propagação da trinca [120].
A baixa contagem de nódulos proporciona também heterogeneidade nas propriedades do ADI. A partir de vários experimentos, para se obter um ADI de qualidade, o número de nódulos/mm2 deve ser maior ou igual a 150[44].
Com relação as principais propriedades dos materiais austemperados, a partir da zona crítica, quando apresentam uma boa distribuição entre as fases ferrita pró- eutetóide e ausferrita, proporcionam propriedades de resistência a fadiga devido ao microconstituinte ausferrita, de reforçar o material em regiões que atuam como sítios para iniciação de microfissuras, poros e nódulos de grafita[48].
Além do teor de carbono presente no ADI, a estabilidade mecânica da austenita presente neste depende basicamente do teor de carbono e do nível de tensão ou deformação, pois é possível que a mesma possa transformar-se em martensita, quando sujeita a deformação elevada provocada por tratamentos superficiais ou usinagem [122 e 123].
Apresença de austenita retida ou metaestável no ADI o torna susceptível ao encruamento e a transformação de fase induzida por deformação. A transformação parcial da austenita em martensita produz, ainda, aumento local de volume, criando tensões compressivas no material transformado [84]. Estas tensões inibem a formação de trincas, o que leva a uma melhoria significativa na resistência à fadiga. Esta deformação pode ocorrer quando o material é usinado ou submetido a tratamentos de superfície.
A seguir, a figura 13 mostra a dimensão (d)da subunidade célula ferrítica, com a espessura das subunidades que compõem o feixe ou molho de ferrita, como ilustra a figura:
Figura 13: dimensão (d) da célula ferritica
A figura 13 demostra o formato e disposição das subunidades das células ferríticas (d), que apresentam aproximadamente o comprimento de 10 micrômetros por 0,2 micrômetros de espessura
Com a velocidade de propagação de trinca por fadiga, a trinca diminui para valores crescentes de tamanho (d) de célula ferrítica, o resultado é de que a velocidade da trinca dentro das discordâncias dentro da célula ausferrítica são um fator mais preponderante que o contorno de grão no controle da velocidade de propagação de trinca por fadiga e no limiar da tensão máxima [124].
As especificações do ADI baseiam-se nos ensaios de impacto, dureza e tração (limites de resistência, limite de escoamento e alongamento). O alongamento e a resistência a tração são as propriedades mais influenciadas pelo processo de fabricação da peça[30].
Tabela5: Especificação para o ADI segundo a norma ASTM 897M (1990)
Fonte: [85]
A tabela 5 mostra os valores para as especificações de cinco classes do ADI segundo a norma ASTM 897M (1990). As nomenclaturas e seus respectivos significados seguem abaixo:
LR – Limite de Resistência a tração;
LE – Limite de Escoamento convencional (0,2% de deformação); A - Alongamento percentual, base de medida igual a 50 mm;
I – Energia absorvida no ensaio de impacto Charpy, corpo de prova 10x10x50 mm sem entalhe;
As tabelas 6 e 7 foram retiradas de trabalhos onde se teve como finalidade demonstrar as propriedades mecânicas para a mesma composição de material, em tempos de tratamentos térmicos diferentes.
Tabela 6: Propriedades mecânicas dos materiais após tratamento térmico de austêmpera.
Fonte: [85]
Tabela 7: Tenacidade à fratura e fator cíclico limiar de intensidade de tensão dos materiais austemperados.
Fonte: [126]
Quando se utiliza elevadas temperaturas de austêmpera, obtêm-se materiais com tenacidade à fratura mais elevada devido [124 e 127]:
(i) a maior quantidade de austenita na matriz; (ii) ao maior teor de carbono da austenita; (iii) a maior ductilidade do material.
(iv) microestrutura mais grosseira.
Para diferentes tempos de austêmpera em uma temperatura de T= 405°C,
conforme o autor nas tabelas 8, 9 e 10 se obtém diferentes resultados de dureza
Vickers e Brinnell sobre regiões de maiores concentrações de austenita[86].
Tabela8: Resultados para análise de micro dureza Vickers na Austenita
Tabela9: Resultados para análise de Dureza Brinnell na Austenita.
Fonte: [86]
Tabela 10: Energia absorvida ao impacto para os diferentes tratamentos.
Fonte: [86]
A tabela 10 demonstra a energia em Joules para as três amostras de ADI, onde por pouca margem de diferença a amostra tratada pelo tempo T=60 minutos resiste mais a energia empregada sobre ele que os demais, porém pode se notar a resistência ao impacto não é consideravelmente alterada neste tipo de tratamento.
Tabela 11: Resistência a tração para os diferentes tratamentos.
Fonte: [86]
Resultados da tabela 11 mostram a inversa proporcionalidade a tração e escoamento ao alongamento, onde o mais Dúctil é o tratado a t=30minutos, a maior resistência a tração é o tratado a t=60 minutos assim como a de maior limite de escoamento. Os resultados variam muito com os parâmetros utilizados para o tratamento, assim como o tipo de material utilizado como matéria prima.