UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA ANDERSON WAGNER ALVES DE MENEZES

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ANDERSON WAGNER ALVES DE MENEZES

ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO DE UM PARAFUSO DE PÁ EÓLICA AVARIADO

MOSSORÓ 2018

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Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semiárido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Manoel Quirino da Silva Júnior, Prof. Dr.

MOSSORÓ 2018

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©Todos os direitos estão reservados à Universidade Federal Rural do Semi-Árido. O conteúdo desta obra é de inteira responsabilidade do (a) autor (a), sendo o mesmo, passível de sanções administrativas ou penais, caso sejam infringidas as leis que regulamentam a Propriedade Intelectual, respectivamente, Patentes: Lei nº 9.279/1996, e Direitos Autorais:

Lei nº 9.610/1998. O conteúdo desta obra tornar-se-á de domínio público após a data de defesa e homologação da sua respectiva ata, exceto as pesquisas que estejam vinculas ao processo de patenteamento. Esta investigação será base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) seja devidamente citado e mencionado os seus créditos bibliográficos.

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Biblioteca Central Orlando Teixeira (BCOT)

Setor de Informação e Referência (SIR)

Setor de Informação e Referência

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Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semiárido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Defendida em: 19 / 04 / 2018.

BANCA EXAMINADORA

________________ ______________

Manoel Quirino da Silva Júnior, Prof. Dr. (UFERSA) Presidente

_____________ ___________

Francisco Edson Nogueira Fraga, Prof. Dr. (UFERSA)

_____________ ____________

Ramsés Otto Cunha Lima, Prof. Dr. (UFERSA)

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AGRADECIMENTOS

Acima de tudo agradeço a Deus, porque em sua imensa bondade, é sempre auxílio para mim, nos momentos de alegria e até quando eu mesmo não acredito em mim.

Agradeço a Comunidade Católica Shalom por me propiciar a continua experiência com Deus e a minha consequente formação humana, me fazendo crescer como pessoa e como profissional.

Agradeço a minha família e a minha namorada Vanessa Cristina, que sempre são exemplos e suporte para mim.

Agradeço a todos os amigos de curso, por todos os momentos que vivenciamos juntos, os quais foram importantes para vencer todas as dificuldades que encontrávamos, em especial a Prince Azsembergh, Maxwell Cavalcante, Italo Oliveira e Lucas de Sousa.

Agradeço ao meu orientador, Prof. Dr. Manoel Quirino da Silva Júnior, por todo auxílio na confecção desse trabalho e por ser para mim exemplo de professor e de profissional.

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“Esse novo deve brilhar em todos os aspectos do nosso ser, do nosso viver, do nosso trabalho, no nosso trabalho, nos nossos relacionamentos, no nosso vestir, no nosso comer, no nosso falar, nas nossas posturas, no nosso silêncio, na nossa alegria, na nossa educação, no nosso estado de vida, nos nossos relacionamentos afetivos, no caminho para eles, nas nossas posses, na Obra, em tudo deve brilhar o novo de Deus.”

Escritos Comunidade Shalom, Obra Nova, 16.

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RESUMO

Um dos componentes importante do gerador, as pás, são fixadas ao rotor por parafusos, desse modo o parafuso cumpre papel importante para garantir tanto o correto funcionamento do gerador, como evitar grandes acidentes e perdas econômicas. Assim, dispondo de um parafuso concedido a universidade, este com pouco conhecimento técnico sobre ele, apresentando deformação plástica em parte da rosca e sendo motivo recorrente de troca nos aerogeradores, visto o desconhecimento do seu material constituinte, buscou-se de maneira prioritária compreendê-lo, para assim, idealizar um estado mecânico através de tratamento térmico que aprimorasse suas características. As análises de caracterização do parafuso se deram na realização de ensaios de dureza, micro dureza, microscopia óptica e espectrometria de emissão óptica, sempre na observância das normas técnicas. Ao fim das análises foi possível tanto a apresentação dos seus resultados, bem como a partir deles o possível material constituinte do parafuso, foi apontado como aço SAE 4150 e com estado ideal temperado e revenido a 425° C, estado este diferente do inicial, como observado pelo nível de dureza obtido.

Palavras-Chave: Energia eólica. Parafuso. Ensaios. Caracterização.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Aerogerador de eixo horizontal e seus componentes... 14

Figura 2 - Partes da pá de um aerogerador ... 16

Figura 3 - Cubo de aerogerador ... 16

Figura 4 - Raiz de inserção e fixadores de pá eólica ... 17

Figura 5 Exemplo de micrografia de aço 4140 temperado ... 19

Figura 6 Exemplo de micrografia de aço 4140 temperado e revenido ... 19

Figura 7 Extremidade roscada de parafuso danificado ... 22

Figura 8 Parafuso sem dano ... 22

Figura 9 Microscopia da haste temperada (água) - aumento de 1000 X ... 26

Figura 10 Microscopia da extremidade roscada temperada (água) - aumento de 1000 X ... 27

Figura 11 Microscopia da extremidade roscada temperada (óleo) - aumento de 1000 X ... 27

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Resultados do OES para a extremidade roscada... 25

Tabela 2 Resultados do OES para a haste ... 25

Tabela 3 - Valores teóricos de composição química para aço 4150 ... 26

Tabela 4 Análise estatística para a dureza da extremidade roscada sem tratamento ... 28

Tabela 5 Análise estatística para a dureza da haste sem tratamento ... 28

Tabela 6 Análise estatística para a dureza da extremidade roscada temperada em água ... 28

Tabela 7 Análise estatística para a dureza da haste temperada em água ... 29

Tabela 8 Análise estatística para a dureza da extremidade roscada temperada em óleo ... 29

Tabela 9 Análise estatística para a dureza da extremidade roscada temperada em óleo e revenida (425°C) ... 29

Tabela 10 Análise estatística para micro dureza em fase escura da extremidade roscada após têmpera em água ... 30

Tabela 11 Análise estatística para micro dureza em fase clara da extremidade roscada após têmpera em água ... 30

Tabela 12 Análise estatística para micro dureza em fase escura da haste após têmpera em água ... 31

Tabela 13 Análise estatística para micro dureza em fase clara da haste após têmpera em água ... 31

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 12

2. OBJETIVOS ... 13

2.1 OBJETIVO GERAL ... 13

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13

3. REVISÃO DE LITERATURA ... 14

3.1 GERADORES DE ENERGIA EÓLICA ... 14

3.1.1 Principais componentes de um aerogerador de eixo horizontal ... 15

3.1.1.1 Rotor ... 15

3.2 MICROSCOPIA ÓPTICA, DUREZA E MICRODUREZA, COMPOSIÇÃO QUÍMICA ... 17

4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 22

4.1 MATERIAL UTILIZADO PARA AS ANÁLISES ... 22

4.2 ANÁLISE DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA POR ESPECTROMETRIA DE EMISSÃO ÓPTICA (OES) ... 23

4.3 ANÁLISE DA MICROESTRUTURA POR MICROSCOPIA ÓPTICA ... 23

4.4 ANÁLISE DE DUREZA ... 24

4.5 ANÁLISE DE MICRO DUREZA ... 24

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 25

5.1 ESPECTROMETRIA DE EMISSÃO ÓPTICA (OES) ... 25

5.2 MICROSCOPIA ÓPTICA ... 26

5.3 DUREZA ... 28

5.4 MICRO DUREZA ... 30

6. CONCLUSÕES ... 32

7. REFERÊNCIAS ... 33

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1. INTRODUÇÃO

Cada vez mais em evidência, as fontes de energia renovável ganham mais espaço na matriz energética mundial, e isso se dá pela efervescência do conceito de sustentabilidade, onde se almeja o crescimento econômico sem o prejuízo ao meio ambiente. Fator esse, que por muitos anos foi esquecido no meio industrial, onde as fontes de energia mineral ou fóssil eram dominantes pelo baixo custo e grande disponibilidade.

Desse modo, o estudo de cada componente de um aerogerador e seu avanço tecnológico, é que vai representar o avanço do sistema como um todo. Sendo assim, de posse de um exemplar de parafuso de fixação da pá eólica e que constantemente apresentava determinada deformação e se fazendo necessária a parada da unidade geradora de energia para a sua troca, acarretando despesas a empresa e riscos de acidentes, o presente trabalho tem a intenção de, buscando conhecer o material constituinte do parafuso e determinadas características suas, iniciar o processo de entendimento da sua deformação e assim propor melhorias.

Assim, partindo do total desconhecimento do parafuso, como por exemplo o seu material, como a possibilidade de ser composto de materiais diferentes, visto a deformação somente na região roscada, bem como as suas propriedades mecânicas no estado em que era utilizado e após a utilização de tratamentos térmicos para endurecimento, a exemplo que aqui será estudado a dureza, decidiu-se sempre analisar as regiões da haste e da extremidade roscada do parafuso em cada ensaio ou análise realizada.

Partindo desse problemática, buscou-se através da análise de espectrometria de emissão óptica resultados para os elementos presentes no parafuso, pela microscopia óptica e pela micro dureza entender o comportamento da microestrutura, a sua divisão e distribuição em fase e a variação de suas características de dureza de acordo com a região do parafuso, por fim através da dureza, encontrar o melhor nível de dureza sem afetar o uso do parafuso e evitar a sua deformação.

Buscando também promover uma solução para o dado problema e de posse dos resultados obtidos pelas análises, apontou-se uma possível causa geradora da deformação e também a sua correção. Ao fim notou-se que ações simples poderiam contornar a problemática, reduzindo possibilidades de prejuízos financeiros e até humanos a empresa que utiliza o parafuso aqui estudado.

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2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

• Realizar a caracterização dos parafusos de fixação de pás eólicas utilizados na região nordeste do Brasil.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Realizar no parafuso análise de Espectrometria de Emissão Óptica - OES;

• Realizar tratamentos térmicos para incremento de dureza;

• Analisar as fases presentes e a microestrutura do parafuso por Microscopia Óptica;

• Analisar dureza e micro dureza do parafuso;

• Especificar o material a partir dos resultados obtidos.

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3. REVISÃO DE LITERATURA

3.1 GERADORES DE ENERGIA EÓLICA

Antes de qualquer coisa é importante entendermos que existem, de forma simples, dois grandes tipos construtivos de aerogeradores ou rotores, os de eixo vertical e os de eixo horizontal, sendo o último o que vai ser discutido durante o trabalho por se tratar do mais utilizado em grande escala de produção a nível mundial, de modo que o primeiro geralmente se limita a pequenas produções.

Os rotores de eixo horizontal, como ilustra a Figura 1, são os mais comuns, e grande parte da experiência mundial está voltada para a sua utilização. São movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação (“lift”) e forças de arrasto (“drag”). Um corpo que obstrui o movimento do vento sofre a ação de forças que atuam perpendicularmente ao escoamento (forças de sustentação) e de forças que atuam na direção do escoamento (forças de arrasto). Ambas são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do vento.

Adicionalmente, as forças de sustentação dependem da geometria do corpo e do ângulo de ataque (formado entre a velocidade relativa do vento e o eixo do corpo). Os rotores que giram predominantemente sob o efeito de forças de sustentação permitem liberar muito mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de arrasto, para uma mesma velocidade de vento. (CRESEB, 2008).

Figura 1 - Aerogerador de eixo horizontal e seus componentes

Fonte: CRESEB, 2008

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3.1.1 Principais componentes de um aerogerador de eixo horizontal

A subdivisão dos componentes de um aerogerador varia de autor para autor, podendo ser dividido em: torre, pás, cubo do rotor, eixo, nacele, gerador e, dependendo da tecnologia, caixa de engrenagem, conforme visto em ABDI (2014).

3.1.1.1 Rotor

O rotor é basicamente constituído pelas pás – três por aerogerador (tipo comercial de grande porte mais comum) – e o cubo onde são fixadas as pás. As pás são perfis aerodinâmicos responsáveis pela interação entre o aerogerador e o vento, convertendo parte da energia cinética do vento em trabalho mecânico. Inicialmente fabricadas em alumínio, atualmente são fabricadas em fibras de vidro e/ou de carbono com resina epóxi ou poliéster.

Segundo ABDI 2014, as pás possuem de 30 a 70 metros de comprimento (instalações Onshore) e representam cerca de 22% do custo do aerogerador e 7% de sua massa (6 a 10 toneladas cada uma).

Em termos estruturais a pá consiste em um casco externo, formado por duas conchas unidas de material compósito, suportado por uma viga principal ou estrutura central (mastro ou alma). Os materiais compósitos podem ser de dois tipos: laminados – várias camadas de materiais compósitos unidas – e sanduíche – camadas externas finas de laminado com um núcleo central de baixa densidade constituído por materiais como madeira balsa, espuma de PVC, PU ou PET. A fabricação do casco e viga central é feita geralmente por processos de infusão, utilizando-se moldes especiais, mas também pode ser por pré-impregnação – processo “Prepreg”. Essas estruturas são posteriormente coladas com adesivos à base de epóxi. (ABDI 2014). A Figura 2 detalha os elementos da pá de um aerogerador.

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Figura 2 - Partes da pá de um aerogerador

Fonte: http://offlinehbpl.hbpl.co.uk/NewsAttachments/MPW/blade-.gif. Acesso em 31/05/2017

As pás são fixadas através de flanges em uma estrutura metálica a frente do aerogerador denominada cubo. Esta estrutura é construída em aço ou liga de alta resistência.

Para os aerogeradores que utilizem o controle de velocidade por passo, o cubo, além de apresentar os rolamentos para fixação das pás, também acomoda os mecanismos e motores para o ajuste do ângulo de ataque de todas as pás. É importante citar que por se tratar de uma peça mecânica de alta resistência, o cubo é montado de tal forma que, ao sair da fábrica, este apresenta-se como peça única e compacta viabilizando que, mesmo para os aerogeradores de grande porte, seu transporte seja feito sem a necessidade de montagens no local da instalação.

(CRESEB 2008). O cubo é visto na Figura 3.

Figura 3 - Cubo de aerogerador

Fonte: CRESSEB 2008

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Segundo ABDI (2014) sua massa varia de 7 a 20 toneladas e seu custo é de aproximadamente 1,4% do custo do aerogerador e o sistema pás e cubo responde então por 10 a 14% do peso do aerogerador e por 20 a 30% do custo da máquina.

Um componente importante para o bom acoplamento entre cubo e pás é a raiz de inserção. Trata-se de um item crítico, fabricado separadamente e somente depois é ligado à pá, e posteriormente é unido ao cubo do rotor de turbina utilizando-se fixadores de metal (T- bolt) colados ou fixados mecanicamente na raiz, conforme ilustra a Figura 4.

Figura 4 - Raiz de inserção e fixadores de pá eólica

Fonte: ABDI 2014.

3.2 MICROSCOPIA ÓPTICA, DUREZA E MICRODUREZA, COMPOSIÇÃO QUÍMICA

Como princípio básico do processo, ao usarmos um microscópio, forma-se em nossa retina uma imagem ampliada do objeto, pois as lentes apresentam distâncias focais menores que as distâncias do olho humano. Em outras palavras, aproximamos a lente do objeto até determinada distância, que varia de lente para lente e, como consequência, os raios refletidos ou refratados pelo objeto são acomodados de forma a estarem em foco. (LEAL, 2000)

Conforme Mannheimer (2002), dentre as diversas técnicas de observação da microestrutura dos aços e ferros fundidos, a mais comum é a microscopia óptica. A resolução que pode ser obtida em uma imagem depende do comprimento de onda da radiação empregada. Para a luz visível de cor verde, isto resulta em uma resolução de 220 a 250 nm, que corresponde a um aumento máximo da ordem de 1.400 vezes. Embora existam microscópios ópticos capazes de fornecer aumentos superiores a este valor, tais aumentos são

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chamados magnificação inútil, ou “vazios”, por não fornecerem informação adicional àquela obtida com o aumento máximo de cerca de 1400X. (apud MACEDO et al, 2015, p. 49)

Segundo Martins et al (2008), muitos materiais precisam ser atacados para revelar suas respectivas microestruturas. O ataque é um processo de corrosão controlado, ocorrendo a dissolução seletiva da estrutura, produzindo uma superfície topográfica que reflete diferencialmente a luz e formando assim a imagem. (apud MACEDO et al, 2015, p. 51)

Através do uso da microscopia óptica é possível investigar as variações micro estruturais dos materiais, a exemplo dos aços, onde, de acordo com sua composição química, possuem a possibilidade de após tratamentos térmicos, alterarem a sua micro estrutura, variando assim as suas características mecânicas. O mais conhecido tratamento térmico é a têmpera, que através de um aquecimento seguido de resfriamento em temperaturas específicas para cada aço. De posse do conhecimento do aço e do tratamento realizado é possível se esperar a formação de uma microestrutura já conhecida, exemplo da martensita, bainita, perlita, ferrita, entre outras.

Na microscopia se é possível analisar o invisível ao olho nu, mas que produz efeitos no material como a têmpera, que produzindo martensita, leva, em geral à obtenção de resistência mecânica/dureza bem mais alta, mas as tensões associadas à transformação martensítica podem causar trincas e distorções no aço temperado e assim, logo após a têmpera o aço pode ser revenido, pois embora a resistência mecânica/dureza caia um pouco, devido à difusão dos átomos de carbono para fora da martensita, assim um pouco empobrecida, as tensões são eliminadas, resultando em considerável ganho de tenacidade, além de evitar trincas e distorções.

Conforme ASM Handbook (1993, p 316), duas morfologias de microestruturas martensíticas se formam em ligas e aços ferro-carbono. Em ligas de carbono baixo e médio, as formas de martensita em lâminas. A martensita laminada é caracterizada por placas paralelas ou cristais em forma de lâminas. As lâminas têm uma estrutura interna que consiste em deslocamentos emaranhados, e a microestrutura contém pequenas quantidades de austenita retida entre as lâminas. Em aços de alto carbono, formas de martensita de placa. Os cristais martensíticos têm a forma de placas e as unidades adjacentes tendem a ser não paralelas. A estrutura fina associada às placas geralmente consiste de gêmeos de transformação fina, e grandes quantidades de austenita retida estão presentes devido às baixas temperaturas Ms.

A percepção da variação da microestrutura através do microscópio óptico pode ser observada com exemplificará as Figura 5 e Figura 6. Onde a AM nº 02 foi somente temperada a 870ºC (resfriada em óleo) e a nº 03 foi temperada a 870ºC (resfriada em óleo) e revenida a 300ºC por duas horas.

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Figura 5 Exemplo de micrografia de aço 4140 temperado

Fonte: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAf4WEAD/ensaio-aco-sae-4140?part=2>.

Acesso em 24/abril/2018

Figura 6 Exemplo de micrografia de aço 4140 temperado e revenido

Fonte: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAf4WEAD/ensaio-aco-sae-4140?part=2>.

Acesso em 24/abril/2018

As propriedades mecânicas dos aços são afetadas diretamente pelas mudanças microestruturais que ocorrem durante os tratamentos térmicos. Esta variação ocorre em função do tempo e da temperatura da têmpera e do revenido, por exemplo.

Segundo Mader (1984, apud Rasma 2015 p. 37) “Quanto maior a temperatura e o tempo de revenido, menores dureza e resistência dos aços, com maior ductibilidade e tenacidade.”

As condições de dureza estão diretamente ligadas a velocidade de resfriamento e a temperatura máxima de austenitização. A obtenção de melhores propriedades mecânicas após a têmpera, o aquecimento até a temperatura de austenitização deve levar em conta a

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granulação fina da austenita. Consequentemente, deve-se considerar a temperatura da têmpera um pouco acima da temperatura de transformação da austenita (Ribeiro, 2006 apud Rasma 2015 p. 38).

Desse modo o ensaio de dureza se apresenta como fornecedor de parâmetro que auxilia no processo de caraterização de um aço pois, possibilita a comparação com valores pré-existentes e com valores indicados para determinadas atividades a serem desempenhadas.

O ensaio Rockwell constitui o método mais comumente utilizado para medir a dureza, pois ele é muito simples de executar e não exige qualquer habilidade especial. Diversas escalas diferentes podem ser utilizadas a partir de combinações possíveis de vários penetradores e diferentes cargas, as quais permitem o ensaio de virtualmente todos os metais e ligas, desde os mais duros até os mais macios. Neste sistema, a dureza é obtida através da diferença entre a profundidade de penetração resultante da aplicação de uma pequena carga, seguida por outra de maior intensidade (Callister, 2002, apud MACEDO et al, 2015, p. 51).

A análise de composição química tem particular importância na análise de um material, pois através dos resultados dispostos por ela, é que se pode nortear acerca de qual material se trata em um processo de caracterização, pois com seus resultados podemos conhecer os percentuais de elementos presente e através de catálogos com concentrações médias de amostras já estudadas, pode-se comparar com o material em análise. Como somente uma pequena parte da superfície da amostra é danificada, esse método é considerado não destrutivo, pois não há a destruição ou comprometimento grave da estrutura da amostra na realização do procedimento.

Laffolie (1997, apud BREHM, 1999, p. 10) cita que uma amostra metálica consiste de um elemento base B e de elementos de liga A1, A2, A3. Numa amostra de aço, o ferro é o elemento base e os elementos de liga são carbono, silício, manganês, cromo e outros. As concentrações dos elementos são CB, CA1, CA2, CA3. A análise qualitativa é realizada através da identificação do comprimento de onda (λ) característico emitido por cada elemento ao cessar a excitação da amostra. Para a análise quantitativa, é necessário um tratamento matemático dos dados lidos pelos fotomultiplicadores. Para tanto, a relação da concentração do elemento de liga e a concentração do elemento base são funções da intensidade da linha emitida por ambos.

Para a Preparação da amostra, Ohlweiler (1981) cita que uma das maiores vantagens da espectrometria de emissão óptica é a rapidez analítica do método. O preparo de amostras metálicas é simples, podendo ser repetido várias vezes, durante uma mesma corrida, até que a composição química final desejada seja obtida. Neste método, uma superfície preparada da

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amostra serve como eletrodo; o segundo eletrodo é um bastão metálico ou de grafite. A área atingida pela centelha varia de alguns milímetros a cerca de um centímetro de diâmetro e, normalmente, a análise é repetida sobre outra porção da superfície. No caso dos aços, esta deve ser plana, livre de inclusões, lixada e livre de óxidos ou sujidade causada pelo manuseio.

(apud BREHM, 1999, p. 11)

A quantidade de material vaporizada é pequena. A técnica é aplicada a amostras retiradas do metal em fusão. Quando o molde em que a amostra é recebida assegura uma rápida solidificação, obtém-se uma peça homogênea com granulação fina. Então, a pequena superfície atingida pela centelha pode ser considerada como tendo composição química representativa da amostra. Quando isso não ocorre, é necessário analisar a amostra em diferentes pontos. Quando o material não é homogêneo, uma composição aproximada é obtida, tomando-se a média dos resultados obtidos em vários pontos selecionados. De qualquer forma, essa técnica não é recomendada para materiais não homogêneos. (BREHM 1999, p. 21)

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4. MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 MATERIAL UTILIZADO PARA AS ANÁLISES

O material base para as análises que se seguem foi o parafuso disponibilizado a universidade, onde o mesmo já esteve em uso, apresentava deformação e não possuía informações técnicas disponibilizadas pelos doadores do parafuso a universidade. A imagem do parafuso utilizado é vista na Figura 7.

Figura 7 Extremidade roscada de parafuso danificado

Fonte: Autoria própria

Partindo do desconhecimento acerca do material e das condições metalúrgicas do parafuso, decidiu-se analisar a estrutura do corpo/haste e da extremidade roscada do parafuso, visto que o mesmo não possui cabeça e sim rosca nas duas extremidades por ser um parafuso tipo prisioneiro, como visto na Figura 8, e realizar tratamentos térmicos para analisar o estado inicial do parafuso, bem como a sua possibilidade de incremento das propriedades mecânicas.

Figura 8 Parafuso sem dano

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Devido as suas dimensões, 55 cm de comprimento, 36 cm de diâmetro na extremidade roscada e 28 cm na haste, o parafuso foi inicialmente cortado na serra fita horizontal Starrett 1101 em tamanho hábil para ser cortado na cortadora metalográfica Arotec Arcor 60. Assim obteve-se amostras numa contagem de três da haste e cinco da extremidade roscada.

4.2 ANÁLISE DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA POR ESPECTROMETRIA DE EMISSÃO ÓPTICA (OES)

Para a análise de Espectrometria de emissão óptica (OES) foram escolhidas duas amostras, uma da haste e outra da extremidade roscada do parafuso, sem a aplicação de tratamento térmico, assim permanecendo no estado que foi recebido. Nas dadas amostras foi realizado o processo de lixamento até a lixa 1200. Foram realizadas três análises de composição em cada amostra.

O equipamento utilizado foi o Espectrômetro de Emissão Ótica Shimadzu PDA7000, do Laboratório de Caracterização de Materiais – LACAM, da Universidade Federal do Ceará.

O parâmetro de uso foi o padrão para aço baixa liga.

4.3 ANÁLISE DA MICROESTRUTURA POR MICROSCOPIA ÓPTICA

Para analisar a microestrutura do parafuso e sua possível variação ao longo do seu corpo, foram ensaiadas uma amostra da haste e duas da extremidade roscada do parafuso, onde uma da haste e uma da extremidade roscada passaram pelo tratamento térmico de têmpera em água, com água a temperatura ambiente e austenitização por 15 minutos a 870° C.

Nas outras duas amostra da extremidade roscada foi realizada uma têmpera em óleo, com óleo tipo QUENCHTEX C a temperatura ambiente e austenitização a 870° C por 15 minutos.

As amostras para análise de microscopia necessitam de uma superfície polida e atacada com agentes químicos que auxiliem na identificação das fases do matérias, assim, se fez necessário, para um melhor manuseio e devido a fragilização das amostras temperadas em água, o embutimento com resina de poliéster.

Por fim, foi realizado o processo de lixamento até a lixa 1200, seguido de polimento com auxílio do pano de polimento e alumina, e por último, foi feito o ataque químico com Nital 5% por 5 segundos.

Com as amostras preparadas, procedeu-se a microscopia do tipo óptica no microscópio Olympus GX 51, com os aumentos de 50, 100, 200, 500 e 1000 vezes, para cada amostra,

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adquirindo as imagens em melhores condições e posteriormente analisando os formatos e distribuição dos grãos presentes.

4.4 ANÁLISE DE DUREZA

As amostras para a análise de dureza, foram uma da haste e uma da extremidade roscada sem tratamento térmico, uma da haste e uma da extremidade roscada temperada em água, a temperatura ambiente e com austenitização a 870° C por 15 minutos, uma da extremidade roscada temperada em óleo QUENCHTEX C a temperatura ambiente e austenitização a 870° C por 15 minutos, e uma amostra da extremidade roscada temperada em óleo QUENCHTEX C a temperatura ambiente e austenitização a 870° C por 15 minutos, seguida de revenimento por duas horas a 425° C.

Após preparadas as amostras, foi realizado o processo de lixamento até a lixa 600 e foram ensaiadas as amostras da haste e da extremidade roscada do parafuso com os estados de sem tratamento térmico, temperada em água, temperada em óleo e temperada em óleo com revenimento. Utilizando o durômetro Mitutoyo HR-300 com o identador de diamante e pré carga de 150 N, foram realizadas 35 medições de dureza na escala Rockwell C para cada amostra. Por fim os dados foram postos em planilha Excel e feitas as análises estatísticas de máximo, mínimo, média, desvio padrão e variância.

4.5 ANÁLISE DE MICRO DUREZA

Visando a observação da possibilidade de diferença considerável entre as duas fazes vistas na microscopia e teoricamente existentes nas amostras, foi realizado a análise da dureza superficial das amostras, verificando os valores na região mais clara e na região mais escura das amostras, uma da haste e uma da extremidade roscada.

As amostras ensaiadas passaram por tempera em água, com austenitização a 870° C e água a temperatura ambiente, por fim foi realizado o processo de lixamento até a lixa 1200.

Utilizando o micro durômetro Shimadzu HMV-2E, com o identador de diamante e carga de 0,05HV - 490mN, realizou-se 20 medições de micro dureza na escala Rockwell C para cada fase de cada amostra. Por fim os dados foram postos em planilha Excel e feitas as análises estatísticas de máximo, mínimo, média, desvio padrão e variância.

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5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 ESPECTROMETRIA DE EMISSÃO ÓPTICA (OES)

As Tabela 1 e Tabela 2 apresentam os valores obtidos na OES.

Tabela 1 Resultados do OES para a extremidade roscada

Elemento analisado Concentração média (%)

C 0,48725

Si 0,23778

Mn 0,80573

P 0,00737

S 0,00398

Ni 0,26266

Cr 1,0005

Mo 0,22241

Cu 0,11727

Nb 0,00000

Al 0,02212

Pb 0,00000

V 0,00224

Ti 0,00399

Fe 96,827

Tabela 2 Resultados do OES para a haste

C 0,47646

Si 0,24928

Mn 0,81497

P 0,00878

S 0,00424

Ni 0,26457

Cr 1,0202

Mo 0,22672

Cu 0,11996

Nb 0,00000

Al 0,01949

Pb 0,00000

V 0,00277

Ti 0,00388

Fe 96,789

(25)

26

Conforme visto nas tabelas, percebeu-se que se tratava de um mesmo material tanto na haste como na extremidade roscada, devido as mesmas concentrações médias para todo os elementos químicos. Também foi possível se ter uma ideia de qual material seria o parafuso, baseado no ASM Handbook, (1993), como será visto na Tabela 3 , bem como as propriedades a se esperar nos ensaios seguintes. Assim, levantou-se a possibilidade de o parafuso ser constituído por aço SAE 4150, fato esse a ser atestado com os dados obtidos nas próximas análises.

Tabela 3 - Valores teóricos de composição química para aço 4150

C 0,46-0,54

Si 0,15-0,40

Mn 0,50-0,80

P 0,035 (máx)

S 0,035 (máx)

Cr 0,90-1,20

Mo 0,15-0,30

Fonte: ASM Handbook, (1993, p. 460) 5.2 MICROSCOPIA ÓPTICA

A seguir exibe-se a Figura 9, onde observa-se a microscopia óptica da haste temperada em água com o aumento de 1000 vezes, já na Figura 10, a microscopia da extremidade roscada temperada em água, e na Figura 11, a microscopia da extremidade roscada.

Figura 9 Microscopia da haste temperada (água) - aumento de 1000 X

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27

Figura 10 Microscopia da extremidade roscada temperada (água) - aumento de 1000 X

Figura 11 Microscopia da extremidade roscada temperada (óleo) - aumento de 1000 X

De modo geral, em todas as amostras verificou-se a distribuição da amostra em fase clara e escura de forma homogênea, onde a escura apresenta uma formação de agulhas, fator característico da formação de martensita para o dado tipo de aço. Assim, pode-se supor uma completa transformação da austenita em martensita, de modo que somente foi variada a forma da extração do calor da amostra, fator esse que levou as amostras temperadas em água a trinca, o que não ocorreu nas temperadas em óleo.

(27)

28

5.3 DUREZA

As Tabela 4, Tabela 5, Tabela 6, Tabela 7, Tabela 8 e Tabela 9, vistas a seguir, demonstram os resultados de dureza obtida para cada tratamento térmico realizado.

Tabela 4 Análise estatística para a dureza da extremidade roscada sem tratamento

Análise Valor Unidade

Máximo 36,6 HRC

Mínimo 32,6 HRC

Média 35,1 HRC

N°

identações 35

-

Variância 0,86069 HRC

Desvio

padrão 0,92773

HRC Fonte: Autoria própria

Tabela 5 Análise estatística para a dureza da haste sem tratamento

Máximo 36,7 HRC

Mínimo 33,3 HRC

Média 35,2 HRC

N° identações 35 -

Desvio padrão 0,77904 HRC Fonte: Autoria própria

Tabela 6 Análise estatística para a dureza da extremidade roscada temperada em água

Máximo 63,7 HRC

Mínimo 60,8 HRC

Média 62,4 HRC

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Tabela 7 Análise estatística para a dureza da haste temperada em água

Máximo 63,5 HRC

Mínimo 61,0 HRC

Média 62,5 HRC

Tabela 8 Análise estatística para a dureza da extremidade roscada temperada em óleo

Máximo 59,8 HRC

Mínimo 57,7 HRC

Média 59,2 HRC

Tabela 9 Análise estatística para a dureza da extremidade roscada temperada em óleo e revenida (425°C)

Máximo 45,1 HRC

Mínimo 44,4 HRC

Média 44,7 HRC

O ensaio de dureza corroborou o que também foi visto pelo OES, que tanto a haste quanto a extremidade roscada possuem as mesmas caraterísticas, visto obtiveram a mesma dureza média, independente do tratamento térmico realizado.

Com os valores de dureza foi perceptível que a peça original não estava temperada, estado que era esperado, bem como que após a têmpera em água a amostra se fragilizou devido à alta dureza obtida, chegando a trincar, já na realização da têmpera em óleo, que ofertou valores

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30

próximos de dureza ao temperado em água, porém sem a fragilização da amostra e próximo ao valor teórico para o aço 4150, que segundo ASM Handbook (2003) é de 55 HRC. Por fim, o revenimento após a têmpera em óleo, propiciou ganho de dureza, porém em um estado mais ideal para a utilização do parafuso, apresentando valores intermediário entre os estados e também o esperado para o aço 4150, que segundo Gerdau, (2003) o valor esperado é de 45 HRC.

5.4 MICRO DUREZA

As Tabela 10, Tabela 11, Tabela 12 e Tabela 13, vistas a seguir apresentam os valores obtidos a partir da micro dureza realizada no parafuso.

Tabela 10 Análise estatística para micro dureza em fase escura da extremidade roscada após têmpera em água

Máximo 68,0 HRC

Mínimo 64,4 HRC

Média 66,6 HRC

Tabela 11 Análise estatística para micro dureza em fase clara da extremidade roscada após têmpera em água

Máximo 68,0 HRC

Mínimo 65,0 HRC

Média 66,5 HRC

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31

Tabela 12 Análise estatística para micro dureza em fase escura da haste após têmpera em água

Máximo 67,9 HRC

Mínimo 64,7 HRC

Média 66,5 HRC

Tabela 13 Análise estatística para micro dureza em fase clara da haste após têmpera em água

Máximo 67,9 HRC

Mínimo 65,2 HRC

Média 66,6 HRC

Variância 0,45818 HRC Desvio padrão 0,67689 HRC

A partir das tabelas vistas, notou-se que as amostras temperadas possuem uniformidade nas suas características de dureza, não havendo grande diferença entre as micro durezas encontradas na haste ou na extremidade roscada, ou na fase clara ou escura, assim como visto pelo baixo valor de desvio padrão de cada amostra, assim uma baixa dispersão de valores.

Assim, observa-se que para o tratamento de têmpera, o material forma uma estrutura uniforme, não obtendo fazes mais duras do que outras, fato ligado a formação de martensita em todo o material.

(31)

32

6. CONCLUSÕES

O estudo possibilitou assim a caracterização do parafuso a partir dos ensaios realizados e comparação com valores teóricos, e a partir deles, realizou-se a idealização de uma melhoria a ser proposta para evitar a deformação no parafuso, geradora de problemas construtivos e financeiros para a empresa eólica.

Desse modo, ao parafuso atribui-se as características do aço SAE 4150, onde apresentava baixa dureza inicial, o que pode ter levado a sua deformação plástica devido aos esforços a que era exposto. Como forma de evitar ou atenuar essa deformação indicou-se a realização de têmpera em óleo, com austenitização a 870° C seguido de revenimento a 425°

C, que dentre os tratamentos vistos, foram os que possibilitaram um acréscimo de dureza considerável, visando a não deformação, e sem uma fragilização prejudicial ao parafuso, o deixando em boas condições de uso.

Em estudos posteriores se tem a possibilidade de outras análises com o mesmo material, sem a necessidade de ser o parafuso em si e evitar o gasto com novos parafusos, para se analisar suas outras características mecânicas e metalúrgicas na condição de uso, como resistência a tração, flexão, tenacidade, módulo de Young, dentre outros, que possibilitariam um novo processo de dimensionamento, visto o seu novo estado tratado.

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33

7. REFERÊNCIAS

ABDI - AGÊNCIA BRASILEIRA DE DESENVOLVIMENTO INDÚSTRIA, 2014. Mapeamento da cadeia produtiva da indústria eólica no Brasil. 2014. Disponível em: < http://investimentos.mdic.gov.br/public/arquivo/arq1410360044.pdf. Acesso em: 16/

fev/ 17

ASM HANDBOOK. Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys – volume 1. 10 ed, 2521 p, 1993.

ATLAS DO POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO, 2001. Disponível em: <

http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/atlas_eolico/Atlas%20do%20Potencial%2 0Eolico%20Brasileiro.pdf>. Acesso em: 16/ fev/ 17.

BRAZIL Wind power. Jornal oficial produzido pela Recharge. Edição 1, p. 14. 4 de setembro de 2013

BREHM, Feliciane Andrade. Produção de padrões para análise espectrométrica por emissão óptica de uma liga de aço AISI/SAE 1020. 1999. 53 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia – Metalurgia da Transformação) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 1999.

CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção. Mecânica Noções Básicas de Elementos de Máquinas. 1 ed. Espírito Santo 137p, 1996.

CRESEB, 2008. Tipos de aerogeradores para geração de energia elétrica. Disponível em:

<http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&cid=231>. Acesso em: 30/ mai/ 17

CUSTÓDIO R. Energia Eólica. 2ª ed. Rio de Janeiro: Synergia, 2013

ESSEL. Parafusos II. Disponível em <http://essel.com.br/cursos/material/01/Elementos Maquinas/07elem.pdf>. Acesso em: 24/ abr/ 2018.

FAPESP, 2016. Potencial eólico em terra do Brasil pode ser seis vezes maior do que o estimado. Disponível em: <http://agencia.fapesp.br/potencial_eolico_em_terra_do_brasil_po de_ser_seis_vezes_maior_do_que_o_estimado/24053/>. Acesso em: 29/ mai/17

GERDAU. Manual dos aços. 2003. 106 p

GLOBAL WIND REPORT. Annual market update 2015. Global wind energy council.

Brussels, Belgium. 2015. Disponível em: <http://www.gwec.net/wp- content/uploads/vip/GWEC-Global-Wind-2015-Report_April-2016_22_04.pdf>

JENKINS, R.; GOULD; R.W.; GEDCKE, D. Quantitative X-ray Spectrometry. 2. ed. New York: Marcel Dekker, 1995.

LEAL, Luiz Henrique Monteiro. Fundamentos de microscopia. Rio de Janeiro: EdUERJ, 2000. 128 p.

(33)

34

MACEDO M; GOMES I.; SOUZA L. Caracterização de amostras por microscopia óptica e por microdureza de materiais metálicos ferrosos e não ferrosos. Revista de Educação, Ciência e Tecnologia do IFRS-Campus Porto Alegre, Porto Alegre, v.2, n.3, p. 48-61, jul/dez.

2015.

OLIVEIRA, Sérgio Filipe Pereira Saraiva de. Análise do comportamento dos aerogeradores em situação de anomalia

.

2013. 122 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Eletrotécnica - Sistemas Elétricos de Energia) – Instituto Superior de engenharia do Porto, 2013.

PORTAL BRASIL. Brasil é o quarto país em que energia eólica mais cresce no mundo.

Disponível em: <http://www.brasil.gov.br/infraestrutura/2016/01/brasil-e-um-dos-principais- geradores-de-energia-eolica-do-mundo>. Acesso em: 16/ fev/17.

PORTAL ENERGIA, 2017. Principais avarias eléctricas e mecânicas em Aerogeradores.

Disponível em: <https://www.portal-energia.com/principais-avarias-electricas-mecanicas- aerogeradores/>. Acesso em: 31/ mai/ 17

RASMA, Eline Tourinho. Caracterização estrutural e mecânica do aço AISI/SAE 4140 tratado sob diferentes tratamentos térmicos. 2015. 128f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais) - Universidade Estadual Do Norte Fluminense Darcy Ribeiro – UENF, 2015.

SEQUEIRA, Cláudia Dias. A análise de vibrações como ferramenta para a melhoria da manutenção em aerogeradores. 2012. 183 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Ciências e tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, 2012

TOLMASQUIM, Mauricio Tiomno. Energia Renovável: Hidráulica, Biomassa, Eólica, Solar, Oceânica. 2016. 452 f. Empresa de Pesquisa Energética (EPE). Rio de Janeiro, 2016