Frequência de ressonância

O ensaio de frequência de ressonância foi realizado por meio do método de excitação por impulso. A técnica utiliza o equipamento Sonelastic ® (ATCP, 2011). Este consiste em um analisador de vibrações transitórias, da qual extraí as frequências para o cálculo dos módulos de elasticidade e as respectivas taxas de atenuação para a realização do cálculo do amortecimento (ATCP, 2011). Este equipamento está de acordo com as normas ASTM E1876 (2001) e ASTM E2001 (2013), além disso, permite medir as frequências: de flexo- torção, de flexão e longitudinal (Figura 16), as quais avaliam um ou mais módulos e o amortecimento durante o mesmo ensaio, sem a necessidade de cálculos posteriores.

Figura 16- Variações para a análise do ensaio de frequência de ressonância, (a) Flexo-torção; (b) flexão simples; (c) flexão longitudinal.

(a) (b) (c) Fonte: (ATCP, 2011).

O equipamento utilizado para esse ensaio é composto por três componentes: o suporte para as amostras (Figuras 17 e

18), os componentes eletrônicos para captação da resposta

acústica e o software para análise dos dados, ilustrados na Figura 19. Os suportes foram projetados para aplicar as corretas condições de contorno necessárias para permitir que o corpo de prova vibre livremente, de acordo com o primeiro modo de vibração. O software indicada a posição para apoio dos corpos de prova, distância de 0,224 do comprimento para amostras grandes (comprimento das amostras entre 50 e 400 mm, com

peso máximo de 30 kg) e os pontos para realização do impacto,

esse são dependentes do tipo de vibração que se deseja alcançar

(Figura 16).

Figura 17- Suporte para amostras de pequeno porte e captador acústico.

Figura 18- Ilustração do ensaio flexional para amostras de pequeno porte.

Fonte: (ATCP, 2014).

Neste estudo utilizaram-se somente as frequências de flexão e longitudinal para a determinação do módulo de Young e a caracterização do amortecimento, onde a frequência de flexão avalia as condições externas das amostras grandes e a longitudinal as internas do corpo de prova. Somente, essas duas frequências foram empregada porque as condições de livre apoio não foram completamente satisfeitas, de modo que a frequência torcional era inferior e muito próxima ao segundo modo de vibração dos corpos de prova. Para as amostras de pequeno porte (comprimento de 20 a 120 mm) realizou-se somente o ensaio flexional (Figura 18), devido à geometria e dimensão da amostra. Assim, fez-se necessária a utilização de valores tabelados para o coeficiente de Poisson, que seguem as normas ISO945-1 (2008), ISO1083 (2004) e ISO16112 (2006).

Figura 19- Sonelastic ® – software e componentes.

Fonte: (MORETTO, 2013).

Para realização do ensaio, o equipamento quer medidas confiáveis para as dimensões e massa do material, devido à baixa dispersão de medidas associadas. Assim, todos os materiais foram pesados e medidos, e para os instrumentos utilizados calculou-se o erro máximo (ALBERTAZZI e SOUSA, 2008). Posteriormente, esses dados foram inseridos ao software, bem com a seleção de duração de sinal e amortecimento para cada um dos materiais. Estes valores servem como guia para o reconhecimento das frequências naturais do material estudado. Deste modo, como já mencionado, os corpos de prova foram devidamente apoiados e realizou-se o ensaio, com dez medições para cada amostra por causa da sensibilidade do amortecimento. Com base nas normas (ASTM E1876, 2001) e (ASTM E2001, 2013), obtém-se o valor para o módulo de elasticidade, amortecimento e pode-se avaliar a presença de defeitos.

MATERIAIS 5.2

5.2.1 Estudo das propriedades físicas através da variação da morfologia da grafita

Para a avaliação da influência da morfologia da grafita nas propriedades físicas (módulo de Young e amortecimento), realizaram-se três estudos independentes. O primeiro, para o ferro fundido nodular, caracterizou-se as condições microestruturais com as propriedades mecânico-físicas. O segundo, para o ferro fundido cinzento, objetivou-se relacionar essas propriedades com o refino da grafita e da matriz metálica. Por fim, buscou-se analisar a microestrutura do ferro fundido vermicular e suas propriedades físicas na, possível, presença de defeitos. Ressalta-se que os materiais em análise foram fundidos em forno de indução a cadinho.

Os corpos de prova em ferro fundido nodular foram fornecidos na forma de blocos Y (Figura 20 a) (ISO1083, 2004), os quais se dividiram em dois grupos, de acordo com suas matrizes: predominantemente ferrítica ou perlítica. Ambos apresentam composição química como consta na Tabela 6 e as matrizes foram obtidas brutas de fundição. Para cada grupo, retiraram-se dois blocos para a confecção dos corpos de prova de tração e também, para as amostras metalográficas.

Para avaliar a influência da variação da matriz sobre as propriedades mecânico-físicas, foram separados seis blocos, três de cada matriz. Esses tiveram suas seções úteis usinadas em barras de seção circular de 25 mm de diâmetro por 120 mm

de comprimento (Figura 20 b). Dentre as “sobras” (regiões

respectivas ao massalote) desses blocos Y, foram separados dois blocos para cada material e essas sobras foram também usinadas com a mesma geometria e dimensões dos demais corpos de prova. Isso, pois se deseja obter variação no grau de nodularização entre as amostras. Observa-se que geometria e

dimensões satisfazem as exigências para o ensaio de frequência de ressonância, segundo norma ASTM E1876 (2001).

Para o ensaio de ultrassom utilizaram-se os mesmos corpos de prova que o ensaio de frequência de ressonância. Isso dificultou a avaliação preliminar de detecção de defeitos, uma vez que a superfície é circular, o ponto de contato para o ensaio torna-se limitado. A realização do ensaio ao longo do comprimento das amostras necessita de “ganhos” (intensidade do pulso) muito elevados, o que ocasiona uma perda de sensibilidade, promovendo um aumento no nível de ruídos.

Figura 20- (a) “Bloco Y” e (b) corpos de prova em ferro fundido nodular.

(a) (b) Fonte: Autoria própria.

Tabela 6- Composição química do ferro fundido nodular.

Matriz CE% Mn% P% S% Nb% Ti% Cu% Mo%

Ferrítica 4,30 0,18 0,038 0,007 0,002 0,011 0,055 0,004

Perlítica 4,35 0,17 0,027 0,014 0,004 0,009 0,56 0,018

Fonte: Dados fornecidos pela Tupy Fundições ®.

Para o ferro fundido cinzento, fundiram-se pinos correspondentes às classes FC-250 e FC-300 com 30 mm de diâmetro por 240 mm de comprimento (Figura 21 a). Para os

materiais da classe FC-300, foram adicionados elementos de liga e alguns receberam tratamentos de inoculação especiais para promover o refino da microestrutura. A Tabela 7 traz essas especificações que estão indicadas de 1 a 6 para a classe FC-300 e o FC-250 foi denominado de 61J. A partir disso, separou-se um pino de cada composição para realizar o ensaio de tração e metalografia.

Após, selecionaram-se sete outros pinos, um para cada composição, que se destinaram a confecção dos corpos de prova para o ensaio de ressonância. Esses apresentam dimensões de 25 mm de diâmetro por 120 mm de comprimento (Figura 21b) e estão em acordo com as normas ASTM E1876 (2001) e ASTM E2001 (2013). Do mesmo modo que para o ferro fundido nodular, os corpos de prova em cinzento, também, apresentaram dificuldades na realização do ultrassom para análise prévia de defeitos, devido à geometria e dimensões escolhidas. Além disso, a forma da grafita também afeta a medição, pois essa tende a dispersar os pulsos, o que implica em um aumento no nível de ruídos.

Figura 21- (a) Pinos e (b) corpos de prova em ferro fundido cinzento.

(a) (b) Fonte: Autoria própria.

Tabela 7- Composição química do ferro fundido cinzento.

Am. CE% Mn% P% S% Cueq% Cr% Ni% Mo% 1 4,0-4,1 0,41-0,51 0,03 0,08-0,10 1,20 0,18 - 0,24 2 4,0-4,1 0,41-0,51 0,03 0,08-0,10 1,80 0,30 - - 3* 4,0-4,1 0,41-0,51 0,03 0,08-0,10 1,20 0,24 - - 4* 4,0-4,1 0,41-0,51 0,03 0,08-0,10 1,80 0,05 - 0,31 5 4,0-4,1 0,41-0,51 0,03 0,08-0,10 1,30 0,20 1,50 - 6 4,0-4,1 0,41-0,51 0,03 0,08-0,10 1,10 0,20 - 0,27 61J 4,0-4,1 0,41-0,51 0,03 0,08-0,10 1,58 0,27 - -

*Inoculação especial para refino da grafita

Cueq = (Cu+10*Sn) (%)

Fonte: Dados fornecidos pela Tupy Fundições ®.

Para o ferro fundido vermicular, fundiram-se duas ligas com composição química indicada na Tabela 8. A produção do vermicular com 0,3% Mo foi determinada, pois esse tem a tendência de aumentar à formação de microporosidades de solidificação, assim pretende-se examinar o potencial de detecção de feitos de cada técnica experimental. Os blocos Y de 1 pol (25,4 mm) (ISO16112, 2006) (Figura 22 a) foram vazados em molde de areia ligada com resina. Este corpo de prova permite a obtenção de amostras isentas de porosidades de solidificação, em sua parte inferior. As amostras foram desmoldadas a frio, a fim de homogeneizar a estruturar e evitar a presença de microporosidades na seção útil. Os blocos foram seccionados em duas regiões, sendo a identificação “inferior” para a seção útil do bloco, isenta de defeitos e a “superior” para uma região correspondente ao massalote, a qual pode apresentar microporosidades. Posteriormente, foram usinados com a geometria de uma barra de secção quadrada de 20 mm de lado por 120 mm de comprimento, Figura 22 b. As dimensões e geometria selecionadas seguem as normas ASTM E1876 (2001) e ASTM E2001 (2013), além disso, permitem realizar, facilmente, o ensaio de ultrassom para a detecção de defeitos.

Tabela 8- Composição química das amostras em ferro fundido vermicular.

Amostras CE % Mn % S % Ti % Cueq. % Mo % 11 4,37 0,375 0,007 0,005 1,847 0,003 XII 4,50 0,360 0,005 0,007 0,976 0,324

Cueq.=(Cu+10*Sn) (%)

Fonte: Dados fornecidos pela Tupy.

Figura 22- (a) Blocos Y e (b) corpos de prova para a caracterização das propriedades físicas e estudos dos defeitos em ferro fundido vermicular

(a) (b)

Fonte: Autoria própria.

5.2.2 Avaliação das propriedades e microestruturas das