Ferro fundido vermicular

O ferro fundido vermicular (ou de grafita compacta - Figura 3) surgiu durante o desenvolvimento do ferro fundido nodular, quando quantidades insuficientes de magnésio ou cério eram adicionadas ao banho, e a grafita formada possuía

uma condição compacta, na forma de “vermes”.

Posteriormente, adicionou-se uma pequena quantidade de titânio, o qual aumentou a faixa de teor de magnésio que produz grafita vermicular, o que permitiu aumentar a reprodutibilidade do processo. Atualmente, a tecnologia de

produção é amplamente difundida (DAWSON e

SCHROEDER, 2004); (GOODRICH, 2003); (GUESSER, SCHROEDER e DAWSON, 2001).

A morfologia vermicular é, normalmente, considerada como intermediária entre a grafita lamelar e esferoidal. A grafita vermicular, por ter superfícies irregulares e bordas arredondas, promove forte adesão entre a grafita e a matriz. Por

isso, têm-se propriedades e características intermediárias entre os ferros fundidos cinzentos e nodulares, por exemplo: boa fundibilidade atrelada à elevada resistência e ductilidade (GUESSER, 2009); (DAWSON e SCHROEDER, 2004); (GOODRICH, 2003); (DAWSON e SCHROEDER, 2000); (SINTERCAST, 2000); (DAWSON, 1999).

Figura 3- Micrografia do ferro fundido vermicular, classe FV-450. (a) Morfologia da grafita, 100x. (b) Matriz metálica com ataque, 100x.

(a) (b) Fonte: Autoria Própria.

O fator mais importante na determinação das

propriedades mecânicos-físicas dos ferros fundidos

vermiculares é a presença de diferentes morfologias de grafita na microestrutura, onde dificilmente se produz um fundido contendo exclusivamente grafita compacta. Assim, sempre haverá grafita nodular e como isso, há um aumento de resistência e rigidez de acordo com o aumento da nodularização. No entanto, a presença de nódulos deve ser limitada a um máximo de 20% na maioria das seções críticas, pois a condutividade térmica, capacidade de amortecimento e usinabilidade ficam reduzidas. Além da influência do aumento nódulos, a presença de grafita lamelar reduz significativamente as propriedades do vermicular (DAWSON e SCHROEDER,

2004); (GOODRICH, 2003); (GUESSER, SCHROEDER e DAWSON, 2001); (DAWSON e SCHROEDER, 2000); (DAWSON, 1999).

O teor de carbono equivalente (CE), também exerce influencia sobre o vermicular, o qual altera o tamanho, a forma e o número de partículas de grafita, além disso, é um fator determinante para as propriedades mecânicas. A fim de otimizar a fluidez e a contração, é geralmente útil aumentar o teor de carbono equivalente para a composição eutética, embora isso promova a formação de nódulos, principalmente nas seções de resfriamento mais rápido. Deste modo, exige-se um maior controle de processo para garantir que as áreas críticas de peças complexas estejam dentro da faixa de 0-20%

nodularidade (DAWSON e SCHROEDER, 2004);

(GOODRICH, 2003); (GUESSER, SCHROEDER e

DAWSON, 2001).

A combinação dessas condições permite obter elevada resistência com certa ductilidade e boa condutividade térmica e tem tornado esse material atraente para um número de aplicações de engenharia, particularmente para peças que suportaram ciclos térmicos, tais como cabeçotes de motores, blocos de motor, e os componentes de frenagem (GUZIK, 2010); (GUESSER, 2009); (WESSÉN e SVENSSON, 2004); (GUESSER, SCHROEDER e DAWSON, 2001).

INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA 2.2

Elementos de liga normalmente são empregados para modificar ou melhorar as propriedades do ferro fundido ao influenciar a estrutura da matriz. No entanto, alguns destes elementos podem também afetar a solidificação. Um elemento passa a ser considerado como elemento de liga quando se encontra em quantidades superiores a 0,10%, com exceção para o nitrogênio e boro, que podem ser usados em quantidades de

cerca de 0,001%. Os principais elementos de ligas e suas funções são (GOODRICH, 2003):

 Silício: está presente em todos os ferros fundidos e seu principal efeito é promover a formação de grafita, evitando assim a presença de carbonetos na solidificação. Altos teores de Si podem ser empregados para promover uma matriz ferrítica, o que resulta em um aumento na temperatura de transição de impacto. Pode, ainda, ser usado para desenvolver excelentes propriedades de resistência à oxidação e corrosão.

 Níquel: é um elemento grafitizante, diminui assim a estabilidade do carboneto e ao mesmo tempo aumenta a estabilidade e o refino da perlita, o que provoca a elevação da resistência mecânica. Atua, também, um estabilizador de austenita.

 Cobre: é utilizado a fim de promover a formação de perlita, age como uma barreira para a difusão de carbono a partir da austenita para grafita. Outro elemento fortemente perlitizante é estanho, que seu efeito pode ser considerando 10 vezes maior do que do cobre.

 Cromo: promove a formação de carbonetos, tanto durante a solidificação quanto na reação eutetóide, o que aumenta a tendência de formação do ferro fundido branco. Essa condição melhora a resistência ao desgaste. Altos níveis de cromo, também retardam a oxidação e proporcionam melhor resistência à corrosão.

 O manganês e molibdénio são utilizados para melhorar as propriedades da matriz. O manganês também participa na formação de

carboneto, mas não como o cromo. Molibdênio retarda a formação de perlita, promovendo, assim, ferrita. Contudo, pode ser utilizado como um refinador da perlita e promove a formação de bainita.

MORFOLOGIA DA GRAFITA 2.3

As propriedades dos ferros fundidos são dependentes de sua microestrutura. Esta se forma a partir de duas etapas distintas; primeiramente, ocorre à formação da grafita durante a solidificação e o desenvolvimento da matriz ocorre na transformação no estado sólido. O formato adquirido pela estrutura da grafita é considerado o fator de maior importancia na determinação de propriedades, uma vez que a sua morfologia não pode ser alterada significativamente após o seu

desenvolvimento, (WESSÉN e SVENSSON, 2004);

(GOODRICH, 2003); (LOPER JR., 1985).

A melhor forma de compreender os ferros fundidos é estudar a grafita e como esta interage com a sua matriz para avaliar as propriedades e garantir, assim, a ótima relação entre essas. As várias formas da grafita nos ferros fundidos são classificadas em sete tipos segundo ASTM A 247, Figura 4 (a norma brasileira referente a classificação é a ABNT NBR 6593:2015) (GOODRICH, 2003). A grafita, devido à sua condição estrutural, possui resistência mecânica muito baixa (GOODRICH, 2003), e a forma com que se precipita influi diretamente nas propriedades, pois essa pode ser entendida como uma descontinuidade da matriz, a qual age como uma concentração de tensão. As formas esféricas, ou próximas, apresentam um menor efeito sobre esse fator, ao contrário da grafita lamelar que possui a forma próxima à de agulhas. Contudo, outras propriedades são influenciadas positivamente por essa forma agulhada, como a condutividade térmica, amortecimento de vibrações e a usinabilidade (GUESSER,

2009); (SJÖGREN, 2007); (LI, GRIFFIN e BATES, 2005); (WESSÉN e SVENSSON, 2004); (GOODRICH, 2003); (ELLIOTT, 1998); (CECH, 1990).

MATRIZ 2.4

A microestrutura apresentada pela matriz dos ferros fundidos, de modo geral, é muito semelhante à dos aços (ferrita, perlita, martensita, etc.), mas em adição possui a presença de partículas ou um esqueleto de grafita (GUESSER, 2009). Essa é fortemente influenciada pela composição química da liga, na qual alguns elementos propiciam a formação da matriz ferrítica enquanto outros a perlítica (GUESSER, 2009); (CALLISTER JR, 2007); (ELLIOTT, 1998); (STEFANESCU, 1988).

Figura 4- Sete tipos de grafita estabelecidos pela norma ASTM A 247. Tipo

I e II – grafita nodular, III – maleável, IV – vermicular, V- sem definição,

VI – grafita explodida e VII – grafita lamelar.

A estrutura da matriz se desenvolve como um resultado da transformação da austenita durante o resfriamento. A(s) estrutura(s) que se formam dependem da composição da austenita, a forma, tamanho, distribuição do excesso de carbono (grafita ou carboneto) e a taxa de resfriamento através da região de temperatura crítica (GOODRICH, 2003). Essa estrutura tem grande influência sobre as propriedades mecânicas, como tensão de escoamento limite de resistência e deformação (GUZIK, 2010); (GONZAGA, LANDA, et al.,

2009); (COLLINI, NICOLETTO e KONEˇCN´A, 2007). Um

número de processos térmicos tem sido desenvolvido para modificar a estrutura de matriz e assim, garantir melhores propriedades (GUESSER, 2009); (CHOU, HON e LEE, 1990); (ELLIOTT, 1998).

Ressalta-se a importância do conhecimento

aprofundado sobre as variáveis que atuam nesses mecanismos, pois permitem obter características específicas através de pequenas modificações na composição química, alterações na velocidade de resfriamento e na distribuição de grafita. Com isso, conseguem-se as mais variadas classes de materiais, alterando somente a formação da matriz metálica (GUESSER,

2009); (GOODRICH, 2003); (ELLIOTT, 1998);

(STEFANESCU, 1988).

PROPRIEDADES FÍSICAS 2.5

O desempenho e aplicação de todo material depende das propriedades a ele associadas. Estas são função de sua microestrutura, ou seja, são dependentes da composição química e do processamento, bem como de frações de volume, tamanhos e morfologias das várias fases que constituem uma seção macro e microscópica. As propriedades físicas são caracterizadas pelo estado do sistema, no qual as mudanças nessas podem ser usadas para descrever suas transformações ou

evoluções entre os seus estados momentâneos. Dentre essas propriedades se podem citar: densidade, expansão e condutividade térmica, calor específico, propriedades elétricas e magnéticas, e propriedades elásticas e acústicas (CALLISTER JR, 2007); (GUTHRIE e JONAS, 1990).

As propriedades físicas dos ferros fundidos, e também as propriedades mecânicas, são dependentes da forma com que o carbono se precipita e da estrutura da matriz. A precipitação do carbono durante a reação eutética, não é o fator de maior influência na resistência mecânica, mas é responsável por algumas propriedades específicas que não são encontradas nas demais ligas ferrosas (ELLIOTT, 1998). As propriedades mecânicas são fortemente influenciadas pela estrutura apresentada pela matriz, deste modo são frequentemente descritas em função dessas (GUESSER, 2009); (WESSÉN e SVENSSON, 2004); (ELLIOTT, 1998).

Diversos são os estudos para a avaliação dessas propriedades, (COOPER, ELLIOTT e YOUNG, 2004); (SJÖGREN e SVENSSON, 2004) e (CALCATERRA, CAMPANA e TOMESANI, 1999). Nessas abordagens os ferros fundidos passam a ser tratados como materiais compostos, a fim de melhor caracterizar e modelar suas propriedades. Contudo esse procedimento torna-se bastante complexo, principalmente quando se trata dos ferros fundidos cinzentos. Como a ampla faixa de propriedades existentes é decorrente da variedade morfológica da grafita e da maneira com que essa se precipita isso interfere diretamente nesse processamento matemático. A Tabela 1 traz alguns fatores que afetam as propriedades mecânicas nos ferros fundidos (WESSÉN e SVENSSON, 2004).

A influência da morfologia de grafita sobre as propriedades mecânicas e térmicas, bem como os melhores métodos de avaliação, têm sido amplamente estudados, principalmente referente a ferros fundidos. Os primeiros trabalhos são da década de 50, serão destacados os trabalhos

que buscam, não somente, compreender a interação entre a morfologia da grafita e matriz, mas também, analisá-los através de ensaios não destrutivos para o estudo das propriedades mecânicas, como: Carter (1965); Kovacts e Cole (1975); Emerson e Simmons (1976); Fuller (1977); Fuller (1980); Fuller, Emerson e Sergeant (1980); Sergeant e Fuller (1980). Após esse período, outras pesquisas tentaram mensurar as propriedades mecânicas através de ensaios não destrutivos, onde a maioria utilizou o método de ultrassom para a caracterização do módulo de elasticidade, entre as quais se pode citar: Cech (1990); Collins e Alcheikh (1995); Gür e Aydinmakina (2001); Li, Griffin e Bates (2005); Likhite, Peshwe e Pathak (2008); Belan (2010).

Tabela 1- Fatores que afetam as propriedades mecânicas.

Fator Efeitos

Forma da grafita

Formatos mais arredondados e tamanhos menores melhoram as propriedades. Este fator é controlado pelo teor de alguns elementos de liga (tais como Mg, Ce, S, O)

e a taxa de resfriamento. Elementos de

liga

Controlam o modo de solidificação (estável e metaestável), a quantidade de fases e taxa de

resfriamento. Taxa de

resfriamento

Quanto maior a taxa de resfriamento mais refinada é a fase (obtêm-se a perlita).

Defeitos

“A influência de defeitos, tais como filmes de óxidos, inclusões de escória e porosidades não pode ser

negligenciados nos ferros fundidos”. Fonte: Adaptação de Wessén e Svensson (2004).

Dentro do grupo de pesquisa da UDESC, o primeiro estudo que buscou compreender o comportamento elástico através da resposta acústica (frequência de ressonância) foi o trabalho de conclusão de curso de Caroline Moretto, em 2013 (MORETTO, 2013). Este avaliou três tipos de ferros fundidos, a fim de caracterizar os módulos de Young e verificar a

repetibilidade do equipamento quando comparado com o ensaio de tração. A partir desse foi desenvolvido o estudo atual. 2.5.1 Módulo de elasticidade

O módulo de elasticidade é uma propriedade intrínseca do material e está diretamente ligado à energia de separação dos átomos, e essa condição remete ao tipo de ligação química existente em cada material. Por isso, o módulo é a medida da rigidez, ou seja, a capacidade do material se deformar (elasticamente) sob aplicação de uma tensão (CALLISTER JR, 2007). Assim, torna-se um parâmetro fundamental de engenharia, processo e aplicação dos materiais, pois outras propriedades (mecânicas) podem ser descritas através deste (COSSOLINO e PEREIRA, 2012); (LORD e MORRELL, 2006). As propriedades elásticas mais usuais são o módulo de

Young (E), de cisalhamento (G) e o coeficiente de Poisson (µ),

que mede interação entre esses parâmetros, para um material homogêneo e isotrópico (CALLISTER JR, 2007).

O módulo de elasticidade por ser uma propriedade física é independente da estrutura e possui pouca variação para um mesmo tipo de material, como observado nos aços (LIKHITE, PESHWE e PATHAK, 2008). Isto é, as propriedades mecânicas, tais como a resistência à tração ou alongamento, alteram-se quando submetidos a algum tipo de tratamento, mas o comportamento elástico permanece inalterado. Entretanto, o mesmo fenômeno não é aplicável aos ferros fundidos. O módulo de elasticidade, tanto para os ferros fundidos cinzento ou nodular, é dependente tanto do volume de grafita quanto da morfologia. Esta afeta diretamente o comportamento elástico do material, pois nesse caso a curva de tensão-deformação não apresenta linearidade na região elástica, indicando que a deformação plástica ocorre simultaneamente (GUESSER, 2009); (LIKHITE, PESHWE e PATHAK, 2008);

(SJÖGREN e SVENSSON, 2004); (METZLOFF e LOPER JR, 2001); (METZLOFF e LOPER JR., 2000); (CECH, 1990).

A quantidade e a morfologia da grafita controlam em grande parte as propriedades resultantes do ferro fundido. O estudo do módulo de elasticidade permite observar sua dependência à morfologia da grafita, de modo a ter seu comportamento alterado de acordo com o arredondamento das partículas. Isso foi observado por Likhite, Peshwe e Pathak (2008) e Sjögren e Svensson (2004), que através de emissão acústica, quantificaram o aumento linear da deformação plástica com a diminuição do módulo de elasticidade, durante o regime elástico, devido à morfologia de grafita.

As propriedades elásticas do ferro fundido cinzento requerem atenção especial, porque são diferentes dos demais materiais. A grafita lamelar provoca concentrações críticas de tensão que têm um efeito mais adverso sobre as propriedades, para a qual reduz seu módulo de elasticidade para valores abaixo dos aços com matrizes similares (GUESSER, 2009). A relação entre tensão e deformação para os ferros fundidos cinzentos não é constante, devido à interrupção provocada pela grafita na matriz (LIKHITE, PESHWE e PATHAK, 2008). A histerese associada juntamente com o comportamento não linear, é causada em parte pela energia absorvida pela fricção entre as partículas de grafita e a matriz, assim como pela microplasticidade nas redondezas das partículas de grafita (GUESSER, 2009); (LIKHITE, PESHWE e PATHAK, 2008); (GOODRICH, 2003).

O módulo de elasticidade é afetado pela estrutura, composição e processamento do cinzento. Assim os aumentos do teor de carbono equivalente e do comprimento dos veios da

grafita reduzem o módulo. Esse “ainda decresce com o

aumento da seção da peça (devido ao aumento do tamanho das

partículas de grafita)” (GUESSER, 2009) e é suscetível aos

feitos dos elementos de liga, assim como o limite de resistência, tende a ser aumentado. As aplicações dos ferros

fundidos cinzentos são diretamente influenciadas pelos seus módulos de elasticidade. Quando estes são baixos, são normalmente aplicados em condições em que amortecimento de vibrações é importante e ainda estão sob solicitações de choque térmico severo (GUESSER, 2009); (LI, GRIFFIN e BATES, 2005); (LOPER JR., 1985). A norma ISO185 (2005) trata da classificação dos ferros fundidos cinzentos e traz as especificações de tensão para cada classe, os valores do módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson, estes são

ilustrados na Tabela 2.

Tabela 2- Propriedades mecânicas para amostras em ferro fundido cinzento, barras com 30 mm de diâmetro.

C ar ac te rí st ic as Sí m bo lo s SI ( un .) Designação do material ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ 150 200 225 250 275 300 350 Estrutura básica Ferrítica /Perlítica Perlítica Te ns ão d e esc o am ent o LE N /m m ² 150- 250 200- 300 225- 325 250- 350 275- 375 300- 400 350- 450 M ó du lo d e el as ti ci da de © E kN /m m ² 78-103 88-113 95-115 103- 118 105- 128 108- 137 123- 143 C o ef . P o iss o n µ 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26

© Dependente da qualidade e forma da grafita, bem como do carregamento.

Os ferros fundidos vermiculares apresentam o módulo de elasticidade na faixa entre 130 a 160 GPa, à temperatura ambiente segundo ISO16112 (2006). A curva de tensão- deformação, a exemplo dos ferros fundidos cinzentos, desvia- se da reta desde a origem, de modo que o módulo de elasticidade pode ser determinado pelo método da tangente na origem ou da secante. O efeito da porcentagem de grafita nodular na microestrutura provoca um aumento do módulo de elasticidade. Outros fatores que também afetam o módulo de elasticidade são a espessura da peça e a quantidade de perlita na matriz, assim como nos cinzentos (GUESSER, 2009).

Os nodulares, diferentemente dos ferros fundidos cinzentos e vermiculares, apresentam uma relação tensão- deformação aproximadamente linear, mas também sofrem os efeitos da microplasticidade (METZLOFF e LOPER JR, 2001); (METZLOFF e LOPER JR., 2000). Deste modo, comumente, aplica-se o método tradicional de avaliação do módulo de elasticidade, isto é, a inclinação da reta na região elástica (GUESSER, 2009). O módulo de elasticidade é influenciado, não somente, pela quantidade de grafita, mas também, pela perfeição dos nódulos. A nodularidade afeta diretamente os efeitos da microplasticidade, pois de acordo com a redução dessa há um aumento dos efeitos da microplasticidade mesmo com baixos níveis de tensão (GUESSER, 2009); (METZLOFF e LOPER JR, 2001). Os tratamentos térmicos, também, influenciam na interação da grafita com a matriz, o que provoca uma redução no módulo (GUESSER, 2009). A especificação de valores para o módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson pode ser encontrada na ISO1083 (2004), que trata da classificação dos ferros fundidos nodulares e esses valores são ilustrados na Tabela 3.

O módulo de elasticidade e o amortecimento, por estarem relacionados e por serem propriedades inerentes do material, possuem vários métodos de medição, que são bem difundidos. Contudo, esses métodos de ensaio não estão bem

estabelecidos para compreender o comportamento interno do material, a influência da temperatura e condições específicas de operação. Segundo Lord e Morrell (2006), um conhecimento exato do valor de engenharia de módulo de elasticidade é vital para projetos, cálculos de elementos finitos e modelamentos, a fim de aumentar a confiabilidade das equações constitutivas da curva tensão-deformação.

Tabela 3- Propriedades típicas para os ferros fundidos nodulares.

C ar ac te rí st ic as Sí m bo lo s SI ( un .) Designação do material ISO 1803/ JS/35 0-22 ISO 1803/ JS/40 0-18 ISO 1803/ JS/45 0-10 ISO 1803/ JS/50 0-7 ISO 1803/ JS/55 0-5 ISO 1803/ JS/60 0-3 ISO 1803/ JS/70 0-2 ISO 1803/ JS/80 0-2 ISO 1803/ JS/90 0-2 Estrutura básica Fe rr ít ic a Fe rr ít ic a/ Per líti ca Per líti ca P er lít ic a o u M ar te ns it a re ve ni da M ar ten si ta reven id a M ó du lo d e e las ti ci da de E kN /m m ² 169 169 169 169 172 174 176 176 176 C o ef . P o iss o n µ 0,275 0,275 0,275 0,275 0,275 0,275 0,275 0,275 0,275

Fonte: Adaptação de ISO1083 (2004).

Os ensaios destrutivos são uma importante ferramenta e é necessário compreender sobre estes e quando utilizá-los. O ensaio de tração permite obter os valores do módulo,

entretanto, torna-se sensível às condições de fabricação dos corpos de prova e o modo de ajuste da máquina de ensaios. Isso pode acarretar erros significativos na tensão, especialmente para materiais com altas taxas de deformação. A norma ASTM E111 (2010) é o único padrão atual que aborda algumas das questões relevantes para fazer medições precisas de módulo de elasticidade, segundo Lord e Morrell (2006). Ainda, é possível obter dados de boa qualidade do módulo a partir do ensaio de tração, mas isto requer geralmente um ensaio separado e dedicado à medição de alta qualidade, com o objetivo de avaliar apenas a parte inicial da curva de tensão- deformação (WOLFENDEN, HARMOUCHE, et al., 1989); (LORD e MORRELL, 2006).

Métodos dinâmicos (ultrassom e técnicas de ressonância não destrutiva), em geral, são simples, rápidos e envolvem pequenas deformações elásticas e elevadas taxas de deformação, assim os equipamentos comerciais disponíveis apresentam erros em relação às medições teóricas na ordem de ± 1% (COSSOLINO e PEREIRA, 2012); (LORD e MORRELL, 2006). Para melhor compreensão e seleção dos métodos, a Tabela 4 traz uma relação de vantagens e desvantagens apresentadas em Lord e Morrell (2006).