Issuu Ferros+Fundidos Isbn9788521205012

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Proprie

Propriedades Mecâ

dades Mecâ

nicas dos

Ferros Fundidos

Wilson Luiz Guesser

ISBN: 9788521205012

Páginas: 344

Formato: 21x27,5 cm

Peso: 0,800 kg

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CONTEÚDO

1.

1. Introdução Introdução ...11 2.

2. Tipos de Tipos de ferros fundidos ferros fundidos ...33 3.

3. Fundamentos Fundamentos ...99 3.1

3.1 Metalurgia dos Metalurgia dos ferros fundidos ferros fundidos ...99 3.2

3.2 Tratamentos Tratamentos térmicos de térmicos de ferrosferros fundidos

fundidos ...1414 4.

4. O processo O processo de fratura dos de fratura dos ferrosferros fundidos

fundidos ...2727 4.1

4.1 Ferros fundidos Ferros fundidos nodulares e nodulares e maleáveismaleáveis pretos – modos de fratura e mecanismos pretos – modos de fratura e mecanismos

de propagação de trincas

de propagação de trincas ...2727 4.2

4.2 Fratura dútil Fratura dútil em ferros em ferros fundidosfundidos nodulares e maleáveis pretos

nodulares e maleáveis pretos ...2727 4.3

4.3 Fratura por clivagem Fratura por clivagem em ferrosem ferros fundidos nodulares

fundidos nodulares ...3333 4.4

4.4 Fratura intergranular Fratura intergranular em ferros em ferros fundidosfundidos nodulares e maleáveis pretos

nodulares e maleáveis pretos ...3636 4.5

4.5 Fratura por fadiga Fratura por fadiga em ferros em ferros fundidosfundidos nodulares

nodulares ...3636 4.6

4.6 Ferros fundidos cinzentos Ferros fundidos cinzentos – modos – modos dede fratura e propagação de trincas

fratura e propagação de trincas ...3737 4.7

4.7 Fratura por fadiga Fratura por fadiga em ferros em ferros fundidosfundidos cinzentos

cinzentos ...3939 4.8

4.8 Ferros fundidos Ferros fundidos cinzentos ecinzentos e

nodulares – efeito da matriz e do tipo nodulares – efeito da matriz e do tipo de solicitação

de solicitação ...3939 4.9

4.9 Ferros fundidos Ferros fundidos vermiculares – vermiculares – modosmodos de fratura e mecanismos de propagação de fratura e mecanismos de propagação de trincas

de trincas ...4141 4.10

4.10 Fratura por fadiga Fratura por fadiga em ferros em ferros fundidosfundidos vermiculares

vermiculares ...4242 5.

5. Normas Normas técnicas técnicas ...4545 5.1

5.1 Ferros Ferros fundidos fundidos cinzentos cinzentos ...4545 5.2

5.2 Ferros fundidos Ferros fundidos nodulares nodulares ...5151 5.3

5.3 Ferros Ferros nodulares nodulares austemperados austemperados ...5858 5.4

5.4 Ferros fundidos Ferros fundidos nodulares simo nodulares simo ...6060 5.5

5.5 Ferros Ferros fundidos fundidos nodularesnodulares austeníticos

austeníticos ...6161

5.6

5.6 Ferros Ferros fundidos fundidos vermiculares vermiculares ...6161 5.7

5.7 Ferros fundidos Ferros fundidos para aplicaçõespara aplicações especiais

especiais ...6565 6

6 Propriedades estáticas Propriedades estáticas ...6767 6.1

6.1 O ensaio O ensaio de tração em de tração em ferrosferros fundidos

6.2 Módulo de Módulo de elasticidade de elasticidade de ferrosferros fundidos

6.3 Propriedades estáticas Propriedades estáticas de ferrosde ferros fundidos cinzentos

fundidos cinzentos ...7777 6.4

6.4 Propriedades estáticas Propriedades estáticas dos ferrosdos ferros fundidos nodulares

6.5 Propriedades estáticas Propriedades estáticas dos ferrosdos ferros fundidos vermiculares

fundidos vermiculares ...9898 7.

7. Resistência à fadiga Resistência à fadiga dos ferros fundidos dos ferros fundidos ...107107 7.1

7.1 Conceitos Conceitos iniciais iniciais ...107107 7.2

7.2 Resistência à Resistência à fadiga dos fadiga dos ferrosferros fundidos nodulares

7.3 Resistência à Resistência à fadiga de fadiga de ferrosferros fundidos cinzentos

fundidos cinzentos ...131131 7.4

7.4 Resistência à Resistência à fadiga dos fadiga dos ferrosferros fundidos vermiculares

fundidos vermiculares ...139139 8.

8. Propriedades físicas Propriedades físicas dos ferrosdos ferros fundidos

fundidos ...149149 8.1

8.1 Densidade Densidade ...149149 8.2

8.2 Expansão Expansão térmica térmica ...152152 8.3

8.3 Condutividade Condutividade térmica térmica ...154154 8.4

8.4 Calor específico Calor específico ...157157 8.5

8.5 Propriedades Propriedades elétricas elétricas e magnétie magnéticas cas ...157157 8.6

8.6 Propriedades Propriedades acústicas acústicas ...159159 8.7

8.7 Amortecimento de vibrações Amortecimento de vibrações ...160160 9.

9. Propriedades dos Propriedades dos ferros fundidos ferros fundidos a altasa altas temperaturas temperaturas ...167167 9.1 9.1 Introdução Introdução ...167167 9.2 9.2 Oxidação Oxidação ...168168 9.3

9.3 Estabilidade Estabilidade dimensional dimensional ee estabilidade da

estabilidade da microestrutura ...microestrutura ...170170 9.4

(5)

vIII

vIII PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS FERROS FUNDIDOSPROPRIEDADES MECÂNICAS DOS FERROS FUNDIDOS

9.5

9.5 Fluência Fluência ...176176 9.6

9.6 Fadiga Fadiga térmica térmica ...179179 9.7

9.7 Fadiga Fadiga termomecânica termomecânica ...184184 9.8

9.8 Desgaste Desgaste a a quente quente ...185185 9.9

9.9 Ferros fundidos Ferros fundidos nodulares ligados nodulares ligados aoao silício e molibdênio

silício e molibdênio ...186186 9.10

9.10 Ferros Ferros fundidos fundidos nodularesnodulares austeníticos

austeníticos ...189189 10.

10. Propriedades estáticas Propriedades estáticas a baixasa baixas temperaturas

temperaturas ...195195 10.1

10.1 Aplicações Aplicações a baixas a baixas temperaturas temperaturas ...195195 10.2

10.3 Ferros Ferros fundidos fundidos cinzentos cinzentos ...196196 11.

11. Resistência ao Resistência ao impacto dos impacto dos ferrosferros fundidos

fundidos ...199199 11.1

11.1 A A transição dútil-frágil transição dútil-frágil ...199199 11.2

12. Tenacidade Tenacidade à fratura de à fratura de ferros fundidos ferros fundidos ...209209 12.1

12.1 Introdução Introdução ...209209 12.2

13. Desgaste em Desgaste em componentes de componentes de ferrosferros fundidos

fundidos ...223223 13.1

13.2 Componentes Componentes com com lubrificação lubrificação ...227227 13.3

13.3 Desgaste Desgaste sem sem lubrificação lubrificação ...233233 14.

14. Ferros nodulares Ferros nodulares austemperados austemperados ...237237 14.1

14.1 Propriedades mecânicas Propriedades mecânicas estáticas estáticas ...237237 14.2

14.2 Propriedades mecânicas Propriedades mecânicas das diversasdas diversas classes

classes ...240240 14.3

14.3 Resistência Resistência à à fadiga fadiga ...241241 14.4

14.4 Propriedades Propriedades a baixaa baixas temperas temperaturas turas ...245245 14.5

14.5 Resistência ao Resistência ao impacto e tenacidade impacto e tenacidade àà fratura

fratura ...246246 14.6

14.6 Propriedades mecânicas Propriedades mecânicas em peçasem peças espessas

espessas ...250250 14.7

14.7 Resistência ao Resistência ao desgaste desgaste ...251251 14.8

14.8 Propriedades físicas Propriedades físicas ...254254 14.9

14.9 Ferros nodulares Ferros nodulares austemperados –austemperados – austenitização na zona

austenitização na zona crítica ...crítica ...254254 15.

15. Usinabilidade dos Usinabilidade dos ferros fundidos ferros fundidos ...259259 15.1

15.2 O processo de O processo de formação do cavaco formação do cavaco ...260260 15.3

15.3 Mecanismos de Mecanismos de desgaste desgaste dada

ferramenta

ferramenta ...263263 15.4

15.4 Zona afetada pela Zona afetada pela usinagem e usinagem e aa formação do cavaco em ferros formação do cavaco em ferros fundidos

fundidos ...265265 15.5

15.5 Usinabilidade dos Usinabilidade dos ferros fundidos ferros fundidos –– efeitos da microestrutura

efeitos da microestrutura ...267267 15.6

15.6 Usinabilidade dos Usinabilidade dos ferros fundidosferros fundidos cinzentos

cinzentos ...267267 15.7

15.7 Usinabilidade dos Usinabilidade dos ferros fundidosferros fundidos nodulares

nodulares ...273273 15.8

15.8 Usinabilidade de Usinabilidade de ferros nodularesferros nodulares austemperados

austemperados ...276276 15.9

15.9 Usinabilidade de Usinabilidade de ferros fundidosferros fundidos vermiculares

vermiculares ...277277 15.10

15.10 A usinagem A usinagem da superfície de da superfície de peçaspeças fundidas

fundidas ...279279 16.

16. Mecanismos de Mecanismos de fragilização e defeitos fragilização e defeitos dede microestrutura dos ferros fundidos

microestrutura dos ferros fundidos ...283283 16.1

16.1 Morfologias degeneradas Morfologias degeneradas de grafita de grafita emem ferros fundidos nodulares

ferros fundidos nodulares ...283283 16.2

16.2 Morfologias degeneradas Morfologias degeneradas de grafita de grafita emem ferros fundidos

ferros fundidos cinzentos cinzentos ...288288 16.3

16.3 Distribuição inadequada Distribuição inadequada de grafita de grafita emem ferros fundidos

ferros fundidos ...289289 16.4

16.4 Presença de fases indesejáveis Presença de fases indesejáveis ...290290 16.5

16.5 Decoesão em contorno de Decoesão em contorno de grão grão ...292292 16.6

16.6 Fragilização por Fragilização por hidrogênio hidrogênio ...297297 16.7

16.7 Fragilização por Fragilização por líquidos líquidos ...300300 17.

17. Discussão sobre Discussão sobre seleção de seleção de material ematerial e desenvolvimento de produtos para alguns desenvolvimento de produtos para alguns componentes automobilísticos

componentes automobilísticos ...305305 17.1

17.1 Tendências Tendências no uso de materiais no uso de materiais nana indústria automobilística

indústria automobilística ...305305 17.2

17.2 Bloco de Bloco de motor motor ...305305 17.3

17.3 Cabeçote de Cabeçote de motor motor ...310310 17.4

17.4 Pistão Pistão ...312312 17.5

17.5 Eixo comando Eixo comando de válvula de válvula ...313313 17.6

17.6 Coletor de Coletor de exaustão exaustão ...316316 17.7

17.7 Disco e Disco e tambor de freio tambor de freio ...317317 17.8

17.8 Girabrequim Girabrequim ...318318 17.9

17.9 Biela Biela ...320320 17.10

17.10 Cubo Cubo de de roda roda ...321321 17.11

17.11 Manga de ponta de Manga de ponta de eixo e braço deeixo e braço de suspensão

suspensão ...322322 17.12

17.12 Exemplos adicionais Exemplos adicionais de reprojeto de reprojeto dada peça

peça ...326326 Índice remissivo

(6)

D

entro do universo dos conhecimentosentro do universo dos conhecimentos necessários ao desenvolvimento de necessários ao desenvolvimento de produtos fundidos, o tema produtos fundidos, o tema Proprieda-des Mecânicas dos Ferros Fundidos des Mecânicas dos Ferros Fundidos assume importância crescente para as assume importância crescente para as fundições brasileiras. O seu aprendizado e domínio fundições brasileiras. O seu aprendizado e domínio permitem às fundições a ocupação de um espaço permitem às fundições a ocupação de um espaço importante no projeto de componentes fundidos, importante no projeto de componentes fundidos, anteriormente plenamente ocupado pelas anteriormente plenamente ocupado pelas empre-sas montadoras de veículos e de subconjuntos. sas montadoras de veículos e de subconjuntos. Esta passagem da etapa de projeto da montadora Esta passagem da etapa de projeto da montadora para a fundição ocorre numa sequência de passos, para a fundição ocorre numa sequência de passos, de complexidade crescente. Inicia-se com a de complexidade crescente. Inicia-se com a simples revisão do projeto do componente, d

ples revisão do projeto do componente, de modo ae modo a adequá-lo ao processo de fund

adequá-lo ao processo de fundição, segue-se a par-ição, segue-se a par-ticipação da fundição na equipe de projeto, e pode ticipação da fundição na equipe de projeto, e pode culminar no projeto completo da peça e das suas culminar no projeto completo da peça e das suas etapas de fabricação por parte da fundição. Quantos etapas de fabricação por parte da fundição. Quantos destes passos serão realizados pela fundição? destes passos serão realizados pela fundição? De- pende essencialmente de sua capacidade de ocupar, pende essencialmente de sua capacidade de ocupar,

com competência, o espaço disponível, e

com competência, o espaço disponível, e isto passaisto passa necessariamente pela capacitação de sua equipe necessariamente pela capacitação de sua equipe técnica em projeto de componentes mecânicos, a técnica em projeto de componentes mecânicos, a serem produzidos pelo processo de

serem produzidos pelo processo de fundição. Nestefundição. Neste universo o tema Propriedades Mecânicas é um dos universo o tema Propriedades Mecânicas é um dos itens importantes, e esta tem sido a motivação do itens importantes, e esta tem sido a motivação do curso que leciono na UDESC.

curso que leciono na UDESC.

O presente livro tem como público-alvo O presente livro tem como público-alvo prin-cipal o estudante de engenharia, de graduaçã

cipal o estudante de engenharia, de graduação ou deo ou de pós-graduação. Como lecionei na UDESC por mais pós-graduação. Como lecionei na UDESC por mais

de 30 anos e quase sempre

de 30 anos e quase sempre para cursos de engenha-para cursos de engenha-ria mecânica, o livro traz este viés, com algumas ria mecânica, o livro traz este viés, com algumas explicações talvez desnecessárias para engenheiros explicações talvez desnecessárias para engenheiros metalurgistas e de materiais; sugiro que você metalurgistas e de materiais; sugiro que você aproveite para relembrar certos conceitos. Como este veite para relembrar certos conceitos. Como este livro também se destina para cursos de graduação, livro também se destina para cursos de graduação, as referências bibliográficas em português foram as referências bibliográficas em português foram privilegiadas, mesmo que algumas delas apresentem privilegiadas, mesmo que algumas delas apresentem

problemas de tradução. A intenção é que o aluno, problemas de tradução. A intenção é que o aluno, quando for aprofundar o estudo de algum assunto, quando for aprofundar o estudo de algum assunto, aproveite estas bibliografias em português, e, além aproveite estas bibliografias em português, e, além disso, tome conhecimento dos diversos grupos disso, tome conhecimento dos diversos grupos bra-sileiros engajados em desenvolvimento dos ferros sileiros engajados em desenvolvimento dos ferros fundidos e de suas aplicações.

fundidos e de suas aplicações. Deste modo, a estrutura do

Deste modo, a estrutura do livro supõe leituralivro supõe leitura sequencial dos capítulos, utilizando-se num dado sequencial dos capítulos, utilizando-se num dado capítulo dos conceitos vistos em capítulos capítulo dos conceitos vistos em capítulos anterio-res. Para quem consultar o

res. Para quem consultar o livro apenas para buscarlivro apenas para buscar uma informação, alerto para este ponto.

uma informação, alerto para este ponto.

O livro inicia com uma visão geral sobre os O livro inicia com uma visão geral sobre os tipos de ferros fundidos e sua utilização. Segue-se tipos de ferros fundidos e sua utilização. Segue-se uma rápida revisão sobre a metalurgia dos ferros uma rápida revisão sobre a metalurgia dos ferros fundidos, enfocando-se principalmente o fundidos, enfocando-se principalmente o desenvolvimento da microestrutura, que vai condicionar as vimento da microestrutura, que vai condicionar as propriedades mecânicas do componente.

propriedades mecânicas do componente. TambémTambém dentro desta visão apresenta-se um pequeno dentro desta visão apresenta-se um pequeno capí-tulo sobre tratamentos térmicos de

tulo sobre tratamentos térmicos de ferros fundidos,ferros fundidos, importante ferramenta de modificação de importante ferramenta de modificação de proprie-dades mecânicas.

dades mecânicas.

Na discussão das propriedades mecânicas, Na discussão das propriedades mecânicas, sempre que possível procurou-se apresentar os sempre que possível procurou-se apresentar os diversos ferros fundidos dentro de um mesmo versos ferros fundidos dentro de um mesmo capí-tulo, como por exemplo, no Capítulo sobre Módulo tulo, como por exemplo, no Capítulo sobre Módulo de Elasticidade. Entretanto, às vezes isto tornava a de Elasticidade. Entretanto, às vezes isto tornava a apresentação confusa, de modo que em alguns apresentação confusa, de modo que em alguns as-suntos as apresentações foram separadas por tipo suntos as apresentações foram separadas por tipo de ferro fundido (p. ex., Propriedades Estáticas). de ferro fundido (p. ex., Propriedades Estáticas).

Decidiu-se incluir um capítulo sobre

Decidiu-se incluir um capítulo sobre Normas,Normas, para familiarizar o estudante com esta importante para familiarizar o estudante com esta importante ferramenta de relacionamento fornecedor-cliente. ferramenta de relacionamento fornecedor-cliente. Este capítulo não substitui a consulta à norma Este capítulo não substitui a consulta à norma es- pecífica, que apresenta detalhes que não é possível pecífica, que apresenta detalhes que não é possível

incluir neste livro. incluir neste livro.

Em muitos capítulos apresentaram-se Em muitos capítulos apresentaram-se discus-sões sobre temas nos quais ainda não se tem uma sões sobre temas nos quais ainda não se tem uma visão clara. A intenção foi mostrar ao estudante que visão clara. A intenção foi mostrar ao estudante que

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

(7)

FIGURA 2.1

FIGURA 2.1 – A presença da grafita traduz-se em – A presença da grafita traduz-se em efeito de concentração de tensões na matriz próxima à grafita. efeito de concentração de tensões na matriz próxima à grafita. A intensidade da concen-A intensidade da concen-tração de tensões depende da forma da grafita.

tração de tensões depende da forma da grafita. Ferro fundido nodular (a – 400 X) e Ferro fundido nodular (a – 400 X) e ferro fundido cinzento (b – 200 X). ferro fundido cinzento (b – 200 X). Sem ataque.Sem ataque.

O

s ferros fundidos são ligas Fe-C-Si,s ferros fundidos são ligas Fe-C-Si, contendo ainda Mn, S e P, podendo contendo ainda Mn, S e P, podendo adicionalmente apresentar adicionalmente apresentar elemen-tos de liga diversos. São ligas que tos de liga diversos. São ligas que apresentam na solidificação apresentam na solidificação geral-mente uma fase pró-eutética (austenita, grafita) e mente uma fase pró-eutética (austenita, grafita) e que se completa com uma solidificação eutética que se completa com uma solidificação eutética (austenita + grafita ou austenita + carbonetos). (austenita + grafita ou austenita + carbonetos). Os ferros fundidos contendo grafita serão o objeto Os ferros fundidos contendo grafita serão o objeto principal deste livro.

principal deste livro.

Nos ferros fundidos com grafita, a Nos ferros fundidos com grafita, a microes-trutura apresenta-se como uma matriz similar aos trutura apresenta-se como uma matriz similar aos aços (ferrita, perlita, martensita, etc.) e partículas aços (ferrita, perlita, martensita, etc.) e partículas ou um esqueleto de grafita. A grafita possui ou um esqueleto de grafita. A grafita possui resis-tência mecânica muito baixa (Goodrich, 2003), de tência mecânica muito baixa (Goodrich, 2003), de modo que, sob o enfoque de propriedades modo que, sob o enfoque de propriedades mecâni-cas, a sua presença pode ser entendida como uma cas, a sua presença pode ser entendida como uma descontinuidade da matriz, exercendo um efeito descontinuidade da matriz, exercendo um efeito de concentração de tensões (Figura 2.1). A forma de concentração de tensões (Figura 2.1). A forma desta descontinuidade, isto é, a forma da grafita, desta descontinuidade, isto é, a forma da grafita,

tem então profundo efeito sobre as propriedades tem então profundo efeito sobre as propriedades mecânicas; a forma esférica traduz-se em menor mecânicas; a forma esférica traduz-se em menor efeito de concentração de tensões (

efeito de concentração de tensões (σσmaxmax/σ/σmédiomédio= 1,7= 1,7),),

enquanto formas agudas (grafita em veios) resultam enquanto formas agudas (grafita em veios) resultam em alta concentração de tensões (

em alta concentração de tensões (σσmaxmax/σ/σmédiomédio= 5,4= 5,4))

(Kohout, 2001). Por outro lado, outras propriedades (Kohout, 2001). Por outro lado, outras propriedades podem ser influenciadas favoravelmente pela forma podem ser influenciadas favoravelmente pela forma da grafita em veios, como a condutividade térmica, da grafita em veios, como a condutividade térmica, o amortecimento de vibrações e a usinabilidade. o amortecimento de vibrações e a usinabilidade.

A matriz metálica pode ser, por exemplo, A matriz metálica pode ser, por exemplo, constituída de ferrita; este microconstituinte constituída de ferrita; este microconstituinte re-sulta em baixos valores de resistência associados sulta em baixos valores de resistência associados a altos valores de dutilidade e tenacidade. Outra a altos valores de dutilidade e tenacidade. Outra alternativa é que a matriz seja de perlita, o que alternativa é que a matriz seja de perlita, o que implica em bons valores de resistência mecânica, implica em bons valores de resistência mecânica, associados a valores relativamente baixos de associados a valores relativamente baixos de duti-lidade (Figura 2.2). Produzindo-se então misturas lidade (Figura 2.2). Produzindo-se então misturas de ferrita e perlita obtém-se as diferentes classes de ferrita e perlita obtém-se as diferentes classes de ferros fundidos, com diferentes combinações de de ferros fundidos, com diferentes combinações de propriedades, cada qual adequada para uma propriedades, cada qual adequada para uma

apli-CAPÍTULO 2

CAPÍTULO 2

TIPOS DE FERROS FUNDIDOS

a

(8)

6

6 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS FERROS FUNDIDOSPROPRIEDADES MECÂNICAS DOS FERROS FUNDIDOS

FIGURA 2.7

FIGURA 2.7– Exemplos de peças em – Exemplos de peças em ferro fundido nodularferro fundido nodular. Manga. Manga de ponta de eixo, suporte de

de ponta de eixo, suporte de freio, placa de apoio ferroiária, cubofreio, placa de apoio ferroiária, cubo de roda. Cortesia

de roda. Cortesia Tupy Fundições.Tupy Fundições. FIGURA 2.6

FIGURA 2.6– Microestruturas de ferro fundido nodular, sem ataque (a) e com ataque (– Microestruturas de ferro fundido nodular, sem ataque (a) e com ataque (matriz perlítico/ferrítica). 400 matriz perlítico/ferrítica). 400 x.x.

FIGURA 2.8

FIGURA 2.8– Microestrutura de ferro fundido nodular austempe-– Microestrutura de ferro fundido nodular austempe-rado. Nódulos de grafita, matriz de ausferrita. 1.000 x.

rado. Nódulos de grafita, matriz de ausferrita. 1.000 x.

combinação de propriedades, a família dos ferros combinação de propriedades, a família dos ferros fundidos nodulares tem ocupado aplicação fundidos nodulares tem ocupado aplicação cres-cente na engenharia, substituindo componentes cente na engenharia, substituindo componentes de ferro fundido cinzento, ferro fundido maleável, de ferro fundido cinzento, ferro fundido maleável, aço fundido e forjado, e estruturas soldadas aço fundido e forjado, e estruturas soldadas (War-da et al., 1998, Hachenberg et al., 1988). A Tabela da et al., 1998, Hachenberg et al., 1988). A Tabela 2.2 mostra as diversas classes de ferro fundido 2.2 mostra as diversas classes de ferro fundido no-dular e suas variações de propriedades. A classe dular e suas variações de propriedades. A classe que apresenta o menor custo de fabricação é a FE que apresenta o menor custo de fabricação é a FE 50007, por não necessitar de tratamento térmico, 50007, por não necessitar de tratamento térmico, nem de uso de elementos de liga especiais. nem de uso de elementos de liga especiais. Aplica-ções típicas de ferros fundidos nodulares incluem ções típicas de ferros fundidos nodulares incluem girabrequins, eixos comando de válvulas, carcaças, girabrequins, eixos comando de válvulas, carcaças, componentes hidráulicos, cálipers e suportes de componentes hidráulicos, cálipers e suportes de freio, engrenagens, coletores de exaustão, freio, engrenagens, coletores de exaustão, carca-ças de turbocompressores, pecarca-ças de suspensão de ças de turbocompressores, peças de suspensão de veículos (Figura 2.7).

veículos (Figura 2.7).

Uma família especial dos ferros fundidos Uma família especial dos ferros fundidos no-dulares é a dos austemperados. Estes nono-dulares dulares é a dos austemperados. Estes nodulares apresentam uma matriz de ausferrita, obtida com apresentam uma matriz de ausferrita, obtida com tratamento térmico de austêmpera (Figura 2.8). tratamento térmico de austêmpera (Figura 2.8). Este tipo de matriz proporciona altos valores de Este tipo de matriz proporciona altos valores de re- re-sistência mecânica (LR de 850 a 1300 MPa), sistência mecânica (LR de 850 a 1300 MPa),

associa-TABELA 2.3

TABELA 2.3– Propriedades de ferros – Propriedades de ferros fundidos nodulares austemperados.fundidos nodulares austemperados. F

FE E 8855001100 FE FE 110000000055 FFE E 112200000022 FFE E 11330000 Limite de Resistência, Limite de Escoamento

Limite de Resistência, Limite de Escoamentoªª ©

©AlongamentoAlongamento

Dureza Durezaªª ©

©Resistência ao impactoResistência ao impacto

Resistência ao desgaste Resistência ao desgasteªª © ©UsinabilidadeUsinabilidade a a bb

(9)

rejeita carbono para o líquido. Com a diminuição rejeita carbono para o líquido. Com a diminuição da temperatura aumenta a quantidade de austenita da temperatura aumenta a quantidade de austenita formada, cuja composição altera-se em direção a formada, cuja composição altera-se em direção a E’, enquanto a composição do líquido E’, enquanto a composição do líquido movimenta-se em direção a C´.

se em direção a C´.

Quando se atinge a temperatura de 1.153 ºC, a Quando se atinge a temperatura de 1.153 ºC, a austenita tem composição correspondente a 2,0% C austenita tem composição correspondente a 2,0% C e o líquido está com 4,3% C. Pela r

e o líquido está com 4,3% C. Pela regra das alavancasegra das alavancas verifica-se que as percentagens de fase são:

verifica-se que as percentagens de fase são: % austenita = (3,4 – 2,0) /(4,3 – 2,0) = 63% % austenita = (3,4 – 2,0) /(4,3 – 2,0) = 63% % líquido = (4,3 – 3,4) /(4,3 – 2,0) = 37% % líquido = (4,3 – 3,4) /(4,3 – 2,0) = 37%

Esta é a temperatura eutética, abaixo da Esta é a temperatura eutética, abaixo da qual o líquido se transforma em dois sólidos, qual o líquido se transforma em dois sólidos, simultaneamente.

simultaneamente. L

L__austenita + grafitaaustenita + grafita

Esta transformação (eutética) prossegue até Esta transformação (eutética) prossegue até que todo o líquido seja consumido, encerrando-se que todo o líquido seja consumido, encerrando-se a solidificação.

a solidificação.

FIGURA 3.1

FIGURA 3.1– Diagrama de equilíbrio Ferro-Carbono. (Pieske et– Diagrama de equilíbrio Ferro-Carbono. (Pieske et al., 1976).

al., 1976).

P

ara o entendimento das propriedades me-ara o entendimento das propriedades me-cânicas dos ferros fundidos, é

cânicas dos ferros fundidos, é necessárionecessário que se compreenda a formação da que se compreenda a formação da micro-estrutura nestes materiais, e de como as estrutura nestes materiais, e de como as variáveis de processo e de composição variáveis de processo e de composição química afetam a microestrutura. Este química afetam a microestrutura. Este conhecimen-to normalmente cabe ao fabricante da peça, porém to normalmente cabe ao fabricante da peça, porém a discussão de alguns fundamentos auxilia o a discussão de alguns fundamentos auxilia o proje-tista na percepção do que é possível obter com os tista na percepção do que é possível obter com os ferros fundidos, suas possibilidades e limitações. ferros fundidos, suas possibilidades e limitações.

3.1

3.1 MET

MET

ALURGIA

ALURGIA DOS

DOS

FERROS FUNDIDOS

O estudo da metalurgia dos ferros fundidos O estudo da metalurgia dos ferros fundidos inicia-se com a solidificação, primeiramente em inicia-se com a solidificação, primeiramente em condições de equilíbrio. Para tanto, utiliza-se uma condições de equilíbrio. Para tanto, utiliza-se uma importante ferramenta, o diagrama de equilíbrio importante ferramenta, o diagrama de equilíbrio Ferro-Carbono (Figura 3.1). Um diagrama de Ferro-Carbono (Figura 3.1). Um diagrama de equi-líbrio é um mapa temperatura-composição, no qual líbrio é um mapa temperatura-composição, no qual se localizam as fases de equilíbrio e as tran

se localizam as fases de equilíbrio e as transforma- sforma-ções de fase. Um exercício importante é resfriar-se ções de fase. Um exercício importante é resfriar-se uma liga desde o campo líquido até a temperatura uma liga desde o campo líquido até a temperatura ambiente, detalhando-se as transformações de fase ambiente, detalhando-se as transformações de fase que ocorrem neste intervalo. Isto

que ocorrem neste intervalo. Isto permite visualizarpermite visualizar o que pode ocorrer numa peça fundida, deste o seu o que pode ocorrer numa peça fundida, deste o seu vazamento no molde até o resfriamento à vazamento no molde até o resfriamento à

tempera-tura ambiente. tura ambiente.

Seja por exemplo um ferro fundido Seja por exemplo um ferro fundido cinzen-to com 3,4% C, à temperatura de 1.400 ºC. Este to com 3,4% C, à temperatura de 1.400 ºC. Este par de informações (3,4% C e 1.400 ºC) mostra no par de informações (3,4% C e 1.400 ºC) mostra no diagrama que a fase de equilíbrio é o líquido. diagrama que a fase de equilíbrio é o líquido. Res-friando-se lentamente este líquido, a solidificação friando-se lentamente este líquido, a solidificação inicia-se a cerca de 1.260 ºC, com a formação das inicia-se a cerca de 1.260 ºC, com a formação das primeiras dendritas de austenita (Figura 3.2). Estas primeiras dendritas de austenita (Figura 3.2). Estas dendritas apresentam teor de carbono de dendritas apresentam teor de carbono de aproxi-madamente 1,5%, de modo que o seu crescimento madamente 1,5%, de modo que o seu crescimento

CAPÍTULO 3

FUNDAMENTOS

(10)

FUNDAMENTOS

FUNDAMENTOS 1111

e forte dessulfurante, removendo assim oxigênio e forte dessulfurante, removendo assim oxigênio e enxofre de solução. Isto altera as energias e enxofre de solução. Isto altera as energias inter- inter-faciais, favorecendo novamente o crescimento da faciais, favorecendo novamente o crescimento da grafita segundo o plano basal. A nodulização com grafita segundo o plano basal. A nodulização com magnésio é então uma das etapas importantes na magnésio é então uma das etapas importantes na produção de ferros fundidos nodulares (Labrecque produção de ferros fundidos nodulares (Labrecque

& Gagné, 1998). & Gagné, 1998).

GRAFITA OU CARBONETOS? INOCULAÇÃO! GRAFITA OU CARBONETOS? INOCULAÇÃO!

A solidificação, como qualquer transformação A solidificação, como qualquer transformação de fases, exige um certo afastamento da condição de fases, exige um certo afastamento da condição de equilíbrio para que a transformação tenha início. de equilíbrio para que a transformação tenha início. Isto se deve aos gastos com energias de superfície Isto se deve aos gastos com energias de superfície que o processo de nucleação exige, gastos estes que o processo de nucleação exige, gastos estes que devem ser compensados com a energia química que devem ser compensados com a energia química da transformação (que cresce com o afastamento da transformação (que cresce com o afastamento da condição de equilíbrio). Também na natureza, é da condição de equilíbrio). Também na natureza, é preciso ter crédito para poder gastar.

preciso ter crédito para poder gastar.

Nos ferros fundidos, existe uma complicação Nos ferros fundidos, existe uma complicação adicional na solidificação: em vez de se formar adicional na solidificação: em vez de se formar gra-fita, existe a possibilidade de se formar cementita fita, existe a possibilidade de se formar cementita (Fe

(Fe₃₃C), fase de alta dureza e que tem profundo efC), fase de alta dureza e que tem profundo efeitoeito

FIGURA 3.5

FIGURA 3.5– Esquema do crescimento da grafita em eios e em– Esquema do crescimento da grafita em eios e em nódulos (McSwain & Bates, 1974).

nódulos (McSwain & Bates, 1974). FIGURA 3.4

FIGURA 3.4– Estrutura hexagonal da grafita. O crescimento pre-– Estrutura hexagonal da grafita. O crescimento pre-ferencial na direção C (plano basal) resulta em grafita nodular, ferencial na direção C (plano basal) resulta em grafita nodular, enquanto crescimento na direção A (planos prismáticos) produz enquanto crescimento na direção A (planos prismáticos) produz grafita lamelar (Gruzleski, 2000).

grafita lamelar (Gruzleski, 2000).

FERROS FUNDIDOS – LIGAS COMPLEXAS FERROS FUNDIDOS – LIGAS COMPLEXAS

Na realidade, os ferros fundidos são ligas Na realidade, os ferros fundidos são ligas complexas, contendo além do ferro e do carbono complexas, contendo além do ferro e do carbono vários elementos de liga e impurezas. Para levar em vários elementos de liga e impurezas. Para levar em

conta o efeito destes elementos sobre a

conta o efeito destes elementos sobre a posição dasposição das curvas no diagrama de equilíbrio, curvas no diagrama de equilíbrio, desenvolveram-se os conceitos de Carbono Equivalente (CE) e de se os conceitos de Carbono Equivalente (CE) e de Grau de Saturação (Sc). O Carbono Equivalente Grau de Saturação (Sc). O Carbono Equivalente considera os efeitos dos elementos químicos sobre considera os efeitos dos elementos químicos sobre o deslocamento dos pontos importantes do o deslocamento dos pontos importantes do diagra-ma de equilíbrio Fe-C, e é expresso por:

ma de equilíbrio Fe-C, e é expresso por: CE

CE = = C C + + (Si (Si + + P)/3 P)/3 (3.1)(3.1) O Grau de Saturação avalia o quanto a O Grau de Saturação avalia o quanto a com- posição química se afasta da composição eutética, posição química se afasta da composição eutética, considerando então os vários elementos químicos considerando então os vários elementos químicos (Pieske et al., 1976).

(Pieske et al., 1976). Sc

Sc = = %C %C /(4,3 /(4,3 – – %Si/3 %Si/3 – – %P/3) %P/3) (3.2)(3.2) Conceitualmente ambas as abordagens são Conceitualmente ambas as abordagens são iguais e podem ser empregadas para analisar os iguais e podem ser empregadas para analisar os efeitos dos elementos químicos sobre o diagrama efeitos dos elementos químicos sobre o diagrama de equilíbrio (Figura 3.1). No Brasil é mais comum de equilíbrio (Figura 3.1). No Brasil é mais comum o uso do Carbono Equivalente. Emprega-se então o o uso do Carbono Equivalente. Emprega-se então o diagrama Fe-C, substituindo-se o teor de Carbono diagrama Fe-C, substituindo-se o teor de Carbono pelo teor de Carbono Equivalente.

pelo teor de Carbono Equivalente.

GRAFITA LAMELAR OU GRAFITA NODULAR GRAFITA LAMELAR OU GRAFITA NODULAR

A grafita tem estrutura hexagonal, e, na A grafita tem estrutura hexagonal, e, na solidi-ficação, dependendo da velocidade de crescimento ficação, dependendo da velocidade de crescimento na direção dos planos basal e prismático (Figura na direção dos planos basal e prismático (Figura 3.4), assume as formas nodular ou lamelar, 3.4), assume as formas nodular ou lamelar, respecti- vamente. Em ligas Fe-C puras a direção preferida vamente. Em ligas Fe-C puras a direção preferida para crescer é a do plano basal, porque este plano para crescer é a do plano basal, porque este plano tem baixa energia interfacial com o líquido. O tem baixa energia interfacial com o líquido. O cres-cimento no plano basal resulta em grafita nodular. cimento no plano basal resulta em grafita nodular. Entretanto, elementos tensoativos (S, O) tendem a Entretanto, elementos tensoativos (S, O) tendem a ser adsorvidos no plano prismático, reduzi

ser adsorvidos no plano prismático, reduzindo a suando a sua energia interfacial, que atinge valores menores que energia interfacial, que atinge valores menores que o plano basal. Resulta então grafita lamelar. o plano basal. Resulta então grafita lamelar. Enxo- Enxo-fre e oxigênio são elementos sempre presentes nos fre e oxigênio são elementos sempre presentes nos ferros fundidos comerciais, de modo que a estrutura ferros fundidos comerciais, de modo que a estrutura de grafita lamelar é a mais usual nos ferros fundidos de grafita lamelar é a mais usual nos ferros fundidos comuns (Labrecque & Gagné, 1998).

comuns (Labrecque & Gagné, 1998).

Para se alterar a forma da grafita Para se alterar a forma da grafita introduz-se um importante elemento no ferro fundido, o se um importante elemento no ferro fundido, o magnésio. Este elemento é um forte desoxidante magnésio. Este elemento é um forte desoxidante

(11)

to). O nódulo de grafita normalmente está to). O nódulo de grafita normalmente está destaca-do da matriz, resultadestaca-do da deformação plástica na do da matriz, resultado da deformação plástica na matriz que envolve o nódulo (Figura 4.2). Regiões matriz que envolve o nódulo (Figura 4.2). Regiões de perlita também apresentam fratura dútil e que de perlita também apresentam fratura dútil e que revela as características deste microconstituinte revela as características deste microconstituinte (Figura 4.3).

(Figura 4.3).

A fratura dútil em ferros fundidos nodulares A fratura dútil em ferros fundidos nodulares e maleáveis pretos ocorre segundo a seguinte e maleáveis pretos ocorre segundo a seguinte se- se-quência de eventos:

quência de eventos:

Fratura na interface grafita/matriz ou na grafita. Fratura na interface grafita/matriz ou na grafita.

• •

Deformação plástica na matriz. Deformação plástica na matriz.

• •

Formação de microtrincas junto à grafita. Formação de microtrincas junto à grafita.

• •

Propagação da trinca principal. Propagação da trinca principal.

• •

Na Tabela 4.1 são apresentados resultados Na Tabela 4.1 são apresentados resultados que caracterizam a deformação necessária para que caracterizam a deformação necessária para ocorrer cada uma destas etapas. Estes resultados ocorrer cada uma destas etapas. Estes resultados serão comentados nas discussões de cada evento, serão comentados nas discussões de cada evento, como se segue.

como se segue.

Fratura na interface grafita/matriz ou na Fratura na interface grafita/matriz ou na própria grafita:

própria grafita:ocorre no início do processo deocorre no início do processo de

deformação, devido à concentração de tensões deformação, devido à concentração de tensões junto à partícula de grafita, e absorve pouquíssima junto à partícula de grafita, e absorve pouquíssima energia de fratura (Eldory & Voigt, 1986, Voigt & energia de fratura (Eldory & Voigt, 1986, Voigt & Eldory, 1986, V

Eldory, 1986, Voigt et al., oigt et al., 1986, Pourladian & 1986, Pourladian & Voigt,Voigt, 1987, Voigt, 1989). Não é considerado evento de 1987, Voigt, 1989). Não é considerado evento de início de fratura, mas de “pré-fratur

início de fratura, mas de “pré-fratura” (Voigt, 1990).a” (Voigt, 1990). A Figura 4.4 ilustra este evento, em ferro fundido A Figura 4.4 ilustra este evento, em ferro fundido nodular. Observa-se a fratura dentro do nódulo de nodular. Observa-se a fratura dentro do nódulo de grafita, bem como na interface grafita/matriz. Em grafita, bem como na interface grafita/matriz. Em nodulares ferríticos tratados termicamente a nodulares ferríticos tratados termicamente a fra-tura se concentra dentro da grafita, enquanto que tura se concentra dentro da grafita, enquanto que em nodulares ferríticos brutos de fundição a em nodulares ferríticos brutos de fundição a trin-ca se inicia na interface grafita/matriz (Dierickx et ca se inicia na interface grafita/matriz (Dierickx et al., 2001).

al., 2001).

Deformação plástica da matriz:

Deformação plástica da matriz:localiza-selocaliza-se

junto às partículas de grafita, sendo devido ao junto às partículas de grafita, sendo devido ao efei-to de concentração de tensões causado pela to de concentração de tensões causado pela grafi-ta (Mogford et al., 1967). Ocorre em deformações ta (Mogford et al., 1967). Ocorre em deformações

E

nquanto nos ferros fundidos cinzentos anquanto nos ferros fundidos cinzentos a fratura tem geralmente um caráter frágil, fratura tem geralmente um caráter frágil, devido ao efeito preponderante da forma devido ao efeito preponderante da forma da grafita (em veios, contínua na célula da grafita (em veios, contínua na célula eutética), nos ferros fundidos

eutética), nos ferros fundidos vermicularvermicular,, nodular e maleável preto a fratura pode ser dútil nodular e maleável preto a fratura pode ser dútil ou frágil, dependendo das condições em que ela se ou frágil, dependendo das condições em que ela se processa. Deste modo, este capítulo é iniciado pela processa. Deste modo, este capítulo é iniciado pela apresentação dos mecanismos de fratura nos apresentação dos mecanismos de fratura nos fer-ros fundidos nodulares, seguindo-se o cinzento e o ros fundidos nodulares, seguindo-se o cinzento e o vermicular. A maioria das fractografias vermicular. A maioria das fractografias apresenta-das refere-se a ensaios de tração; em alguns casos das refere-se a ensaios de tração; em alguns casos são apresentadas fraturas de ensaios de impacto e são apresentadas fraturas de ensaios de impacto e de fadiga.

de fadiga.

4.1

4.1 FERROS

FERROS FUNDIDOS

FUNDIDOS NODULARES

NODULARES

E MALEÁVEIS PRETOS – MODOS

DE FRATURA E MECANISMOS

DE PROPAGAÇÃO DE TRINCAS

Nos ferros fundidos nodulares, bem como nos Nos ferros fundidos nodulares, bem como nos maleáveis pretos, a fratura dútil ocorre por maleáveis pretos, a fratura dútil ocorre por nucle-ação e crescimento de microcavidades (alvéolos), ação e crescimento de microcavidades (alvéolos), enquanto a fratura frágil pode ser

enquanto a fratura frágil pode ser por clivagem, oupor clivagem, ou em algumas circunstâncias particulares, de modo em algumas circunstâncias particulares, de modo intergranular (Figura 4.1). Discute-se a seguir cada intergranular (Figura 4.1). Discute-se a seguir cada um destes modos de fratura.

um destes modos de fratura.

4.2

4.2 FRA

FRA

TURA

TURA DÚTIL

DÚTIL EM

EM FERROS

FERROS

FUNDIDOS NODULARES E

MALEÁVEIS PRETOS

A fratura dútil nos ferros fundidos nodulares A fratura dútil nos ferros fundidos nodulares e maleáveis pretos ocorre por formação e e maleáveis pretos ocorre por formação e cresci- cresci-mento de microcavidades (alvéolos). A superfície mento de microcavidades (alvéolos). A superfície de fratura apresenta aspecto rugoso e revela os de fratura apresenta aspecto rugoso e revela os al- véolos, geralmente associados a nódulos de grafita véolos, geralmente associados a nódulos de grafita ou inclusões de MnS (no caso do ferro maleável ou inclusões de MnS (no caso do ferro maleável

pre-CAPÍTULO 4

CAPÍTULO 4

O PROCESSO DE FRATURA

DOS FERROS FUNDIDOS

(12)

30

30 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS FERROS FUNDIDOSPROPRIEDADES MECÂNICAS DOS FERROS FUNDIDOS

ximo nódulo de grafita (Adewara & Loper, 1976), ximo nódulo de grafita (Adewara & Loper, 1976), quando encontram uma região com perlita (Figura quando encontram uma região com perlita (Figura 4.8), ou ainda podem ser bloqueadas por um 4.8), ou ainda podem ser bloqueadas por um con-torno de grão ferrítico (Figura 4.9). Nesta Figura 4.9 torno de grão ferrítico (Figura 4.9). Nesta Figura 4.9 pode-se ainda verificar o efeito do teor de silício, pode-se ainda verificar o efeito do teor de silício, sendo o alvéolo de tamanho um pouco maior para sendo o alvéolo de tamanho um pouco maior para o nodular com menor teor de Si (Guesser, 1993). o nodular com menor teor de Si (Guesser, 1993).

A formação de trincas na matriz junto aos A formação de trincas na matriz junto aos nódulos de grafita foi observada por uma série de nódulos de grafita foi observada por uma série de autores, em diferentes condições. Em ensaios de autores, em diferentes condições. Em ensaios de fadiga com nodulares ferríticos e fadiga com nodulares ferríticos e ferrítico/perlíti-cos verificou-se que as trincas iniciavam-se junto cos verificou-se que as trincas iniciavam-se junto às partículas de grafita (Kühl, 1983, Shiota, 1990). às partículas de grafita (Kühl, 1983, Shiota, 1990). Mesmo em microestruturas com orla de martensita Mesmo em microestruturas com orla de martensita

FIGURA 4.9

FIGURA 4.9– Formação de aléolos em nodulares ferríti– Formação de aléolos em nodulares ferríticos com diferentes teores de Si cos com diferentes teores de Si (Guesser, 1993).(Guesser, 1993). FIGURA 4.8

FIGURA 4.8– Bloqueio de uma trinca por uma colônia de perlita,– Bloqueio de uma trinca por uma colônia de perlita, em ferro fundido nodular com 45% perlita

em ferro fundido nodular com 45% perlita (Guesser, 1993).(Guesser, 1993). FIGURA 4.7

FIGURA 4.7– Formação de trinca junto a um nódulo de grafita,– Formação de trinca junto a um nódulo de grafita, crescendo associada a intensa deformação plástica da matriz. Ferro crescendo associada a intensa deformação plástica da matriz. Ferro nodular ferrítico (Guesser, 1993).

nodular ferrítico (Guesser, 1993).

1,5% Si 1,5% Si

2,5% Si 2,5% Si

(13)

do projeto da peça e dos requisitos de do projeto da peça e dos requisitos de condutivida-de térmica (Guesser et al., 2003). Blocos condutivida-de motores de térmica (Guesser et al., 2003). Blocos de motores normalmente são especificados na classe FC-250, normalmente são especificados na classe FC-250, enquanto cabeçotes de motores podem ser enquanto cabeçotes de motores podem ser especi-ficados nas classes FC-250 e FC-300.

ficados nas classes FC-250 e FC-300.

As classes FC-350 e FC-400 são empregadas As classes FC-350 e FC-400 são empregadas para aplicações muito específicas, como alguns para aplicações muito específicas, como alguns eixos comandos de válvulas; sua utilização tem eixos comandos de válvulas; sua utilização tem decrescido, substituídas por ferros fundidos decrescido, substituídas por ferros fundidos nodu-lares, com menor utilização de elementos de liga e lares, com menor utilização de elementos de liga e melhor usinabilidade.

melhor usinabilidade.

Observa-se ainda na Tabela 5.1 que a norma Observa-se ainda na Tabela 5.1 que a norma prevê a diminuição da resistência com o aumento prevê a diminuição da resistência com o aumento do diâmetro da barra fundida, tendência que toda do diâmetro da barra fundida, tendência que toda liga fundida apresenta, e que deve ser considerada liga fundida apresenta, e que deve ser considerada no projeto da peça.

no projeto da peça.

A Tabela 5.2 apresenta a correlação entre as A Tabela 5.2 apresenta a correlação entre as dimensões das barras de ensaio vazadas dimensões das barras de ensaio vazadas separa-damente e a espessura representativa da peça. Da damente e a espessura representativa da peça. Da combinação destas duas Tabelas podem-se estimar combinação destas duas Tabelas podem-se estimar as propriedades mecânicas em qualquer ponto da as propriedades mecânicas em qualquer ponto da peça, para uma dada classe.

peça, para uma dada classe.

A Norma ABNT NBR 8583/1984 prevê ainda A Norma ABNT NBR 8583/1984 prevê ainda classes de ferro fundido cinzento de acordo com classes de ferro fundido cinzento de acordo com a dureza (Tabela 5.3). O ensaio de dureza Brinell a dureza (Tabela 5.3). O ensaio de dureza Brinell é efetuado na própria peça, ou então em corpo de é efetuado na própria peça, ou então em corpo de prova apenso à peça (tronco de cone de diâmetros prova apenso à peça (tronco de cone de diâmetros

de 30 e 35 mm, e altura de

de 30 e 35 mm, e altura de 30 mm). Na Norma ABNT30 mm). Na Norma ABNT NBR 8583/1984 não estão previstas variações de NBR 8583/1984 não estão previstas variações de dureza com variação da espessura da peça; como dureza com variação da espessura da peça; como visto a seguir, este aspecto é detalhado na Norma visto a seguir, este aspecto é detalhado na Norma ISO 185/2005 e na Norma Europeia EN 1561/1997. ISO 185/2005 e na Norma Europeia EN 1561/1997. As classes de ferro fundido cinzento segundo a As classes de ferro fundido cinzento segundo a du-reza (Tabela 5.3) são utilizadas para especificação reza (Tabela 5.3) são utilizadas para especificação quando não existirem requisitos de r

quando não existirem requisitos de resistência paraesistência para a peça em questão; usinabilidade e resistência ao a peça em questão; usinabilidade e resistência ao desgaste são os enfoques principais.

desgaste são os enfoques principais.

A classificação dos ferros fundidos A classificação dos ferros fundidos cinzen-tos segundo a resistência (Tabela 5.1) ou segundo tos segundo a resistência (Tabela 5.1) ou segundo

A

maioria dos países desenvolveu asmaioria dos países desenvolveu as suas normas técnicas, objetivando suas normas técnicas, objetivando assim o estabelecimento de padrões assim o estabelecimento de padrões mínimos de qualidade e a redução de mínimos de qualidade e a redução de custos, por permitir escalas custos, por permitir escalas crescen-tes de produção. Atualmente os países se unem para tes de produção. Atualmente os países se unem para produzir normas internacionais, como as Normas produzir normas internacionais, como as Normas Européias e as Normas ISO, facilitando assim o Européias e as Normas ISO, facilitando assim o co-mércio internacional. Muitos consumidores de mércio internacional. Muitos consumidores de fun-didos, insistindo em usar suas normas

didos, insistindo em usar suas normas particulares,particulares, ainda não perceberam as vantagens destas normas ainda não perceberam as vantagens destas normas internacionais, pois além de lhes garantir um nível internacionais, pois além de lhes garantir um nível de qualidade, permitem também alternativas de de qualidade, permitem também alternativas de for-necimento de diversas fontes. De qualquer modo, a necimento de diversas fontes. De qualquer modo, a fundição deve atender as exigências de seu cliente, fundição deve atender as exigências de seu cliente, e, portanto, seja fornecendo para consumidores no e, portanto, seja fornecendo para consumidores no Brasil, seja exportando, deve utilizar normas Brasil, seja exportando, deve utilizar normas técni-cas de diferentes países. Apresentam-se a seguir os cas de diferentes países. Apresentam-se a seguir os principais aspectos das normas de materiais principais aspectos das normas de materiais

refe-rentes a ferros fundidos. rentes a ferros fundidos.

5.1

5.1 FERROS

FERROS FUNDIDOS

FUNDIDOS CINZENTOS

CINZENTOS

NORMAS ABNT NORMAS ABNT

(NBR 6589/1986 E NBR 8583/1984) (NBR 6589/1986 E NBR 8583/1984)

A Tabela 5.1 apresenta as classes de ferro A Tabela 5.1 apresenta as classes de ferro fundido cinzento, previstas na norma ABNT, bem fundido cinzento, previstas na norma ABNT, bem como as dimensões da barra para determinação como as dimensões da barra para determinação das propriedades mecânicas e do corpo de prova das propriedades mecânicas e do corpo de prova usinado, e o Limite de Resistência (à tração) usinado, e o Limite de Resistência (à tração) míni-mo especificado. A designação da Norma ABNT já mo especificado. A designação da Norma ABNT já indica o LR mínimo. Estão previstas classes desde indica o LR mínimo. Estão previstas classes desde FC-100 (LR = 100 a 150 MPa) até FC-400 (LR = 400 FC-100 (LR = 100 a 150 MPa) até FC-400 (LR = 400 a 500 MPa). A classe FC-100 é

a 500 MPa). A classe FC-100 é empregada principal-empregada principal-mente para aplicações envolvendo choque térmico mente para aplicações envolvendo choque térmico ou ainda alta capacidade de amortecimento de ou ainda alta capacidade de amortecimento de vi-brações. Discos e tambores de freio podem ser brações. Discos e tambores de freio podem ser fa-bricados nas classes FC-150 a FC-250, dependendo bricados nas classes FC-150 a FC-250, dependendo

CAPÍTULO 5

NORMAS TÉCNICAS

(14)

NORMAS TÉCNICAS

NORMAS TÉCNICAS 4949

diferentes valores diferentes de resistência diferentes valores diferentes de resistência mecâni-ca; na Norma ASTM, a classe especificada pode ca; na Norma ASTM, a classe especificada pode de-terminar um diâmetro do corpo de prova diferente terminar um diâmetro do corpo de prova diferente para cada caso, porém o valor mínimo

para cada caso, porém o valor mínimo de Limite dede Limite de Resistência referente à classe é atingido no Resistência referente à classe é atingido no diâme-tro correspondente à seção da peça em questão. A tro correspondente à seção da peça em questão. A Norma ASTM A 48M-94 não estabelece requisitos de Norma ASTM A 48M-94 não estabelece requisitos de dureza para as classes de ferro

dureza para as classes de ferro fundido cinzento.fundido cinzento. NORMA SAE (J431, REVISÃO DE DEZ 2000) NORMA SAE (J431, REVISÃO DE DEZ 2000)

A Norma SAE J431/2000 introduz uma A Norma SAE J431/2000 introduz uma aborda-gem completamente diferente para a especificação gem completamente diferente para a especificação

de ferros fundidos cinzentos. Nesta norma,

de ferros fundidos cinzentos. Nesta norma, a classea classe é especificada pela Dureza mínima e pela relação é especificada pela Dureza mínima e pela relação entre Limite de Resistência e Dureza (Tabela 5.11). entre Limite de Resistência e Dureza (Tabela 5.11). Assim, a classe G9H12 designa a classe de ferro Assim, a classe G9H12 designa a classe de ferro

fundido cinzento com: fundido cinzento com:

TABELA 5.8

TABELA 5.8– Classes de ferro fundido cinzento preistas na Norma– Classes de ferro fundido cinzento preistas na Norma ASTM (A 48-94a).

ASTM (A 48-94a).

TABELA 5.9

TABELA 5.9 – Classes de ferro fundido cinzento preistas na Norma– Classes de ferro fundido cinzento preistas na Norma ASTM (A 48M-94), sistema métrico.

ASTM (A 48M-94), sistema métrico.

Classe

Classe LimLimitite de Ree de Resisiststênêncicia mina min.. DiDiâmeâmetrtro nomo nomininal doal do corpo de prova (mm) corpo de prova (mm) k kssii MMPPaa 20 A 20 A 2 200 113388 22,4 22,4 2 200BB 3300,,55 2 200CC 5500,,88 2 200SS bbaarrrraaSS 25 A 25 A 2 255 117722 22,4 22,4 2 255BB 3300,,55 2 255CC 5500,,88 2 255SS bbaarrrraaSS 30 A 30 A 3 300 220077 22,4 22,4 3 300BB 3300,,55 3 300CC 5500,,88 3 300SS bbaarrrraaSS 35 A 35 A 3 355 224411 22,4 22,4 3 355BB 3300,,55 3 355CC 5500,,88 3 355SS bbaarrrraaSS 40 A 40 A 4 400 227766 22,4 22,4 4 400BB 3300,,55 4 400CC 5500,,88 4 400SS bbaarrrraaSS 45 A 45 A 4 455 331100 22,4 22,4 4 455BB 3300,,55 4 455CC 5500,,88 4 455SS bbaarrrraaSS 50 A 50 A 5 500 334455 22,4 22,4 5 500BB 3300,,55 5 500CC 5500,,88 5 500SS bbaarrrraaSS 55 A 55 A 5 555 337799 22,4 22,4 5 555BB 3300,,55 5 555CC 5500,,88 5 555SS bbaarrrraaSS 60 A 60 A 60 414 60 414 22,4 22,4 6 600BB 3300,,55 6 600CC 5500,,88 6 600SS bbaarrrraaSS

Barra S – dimensão a acordar entre as partes Barra S – dimensão a acordar entre as partes

Classe

Classe Limite de Resistência minLimite de Resistência min (MPa) (MPa) Diâmetro nominal do Diâmetro nominal do corpo de prova (mm) corpo de prova (mm) 150 A 150 A 150 150 20 a 22 20 a 22 1 15500BB 3300 1 15500CC 5500 1 15500DD BBaarrrraaSS 175A 175A 175 175 20 a 22 20 a 22 1 17755BB 3300 1 17755CC 5500 1 17755DD BBaarrrraaSS 200 A 200 A 200 200 20 a 22 20 a 22 2 20000BB 3300 2 20000CC 5500 2 20000DD BBaarrrraaSS 225 A 225 A 225 225 20 a 22 20 a 22 2 22255BB 3300 2 22255CC 5500 2 22255DD BBaarrrraaSS 250 A 250 A 250 250 20 a 22 20 a 22 2 25500BB 3300 2 25500CC 5500 2 25500DD BBaarrrraaSS 275 A 275 A 275 275 20 a 22 20 a 22 2 27755BB 3300 2 27755CC 5500 2 27755DD BBaarrrraaSS 300 A 300 A 300 300 20 a 22 20 a 22 3 30000BB 3300 3 30000CC 5500 3 30000DD BBaarrrraaSS 325 A 325 A 325 325 20 a 22 20 a 22 3 32255BB 3300 3 32255CC 5500 3 32255DD BBaarrrraaSS 350 A 350 A 350 350 20 a 22 20 a 22 3 35500BB 3300 3 35500CC 5500 3 35500DD BBaarrrraaSS 375 A 375 A 375 375 20 a 22 20 a 22 3 37755BB 3300 3 37755CC 5500 3 37755DD BBaarrrraaSS 400 A 400 A 400 400 20 a 22 20 a 22 4 40000BB 3300 4 40000CC 5500 4 40000DD BBaarrrraaSS

Barra S – dimensão a acordar entre as partes Barra S – dimensão a acordar entre as partes

(15)

Para a determinação do Limite de Para a determinação do Limite de

Escoa-• •

mento, a velocidade de aplicação da carga mento, a velocidade de aplicação da carga deve ser inferior a 10 MPa/s (Norma ABNT deve ser inferior a 10 MPa/s (Norma ABNT NBR 6152/1992), ou ainda de 1,1 a 11 MPa/s NBR 6152/1992), ou ainda de 1,1 a 11 MPa/s (Norma ASTM E8/2000), ou 6 a 30 MPa/s (Norma ASTM E8/2000), ou 6 a 30 MPa/s (Norma EN 10.002-1/1990), ou 6 a 60 MPa/s (Norma EN 10.002-1/1990), ou 6 a 60 MPa/s (Norma ISO 6892/1998).

(Norma ISO 6892/1998).

Para a determinação do Limite de Para a determinação do Limite de

Resistên-• •

cia, a velocidade de alongamento deve ser cia, a velocidade de alongamento deve ser inferior a 0,007mm/mm.s (Norma ABNT NBR inferior a 0,007mm/mm.s (Norma ABNT NBR 6152/1992), ou ainda de 0,0008 a 0,008 mm/ 6152/1992), ou ainda de 0,0008 a 0,008 mm/ mm.s (Norma ASTM E8/2000), ou então mm.s (Norma ASTM E8/2000), ou então in-ferior a 0,008 mm/mm.s (Normas EN ferior a 0,008 mm/mm.s (Normas EN 10.002-1/1990 e ISO 6892/1998)

1/1990 e ISO 6892/1998)

Utilizando-se as dimensões da parte útil do Utilizando-se as dimensões da parte útil do corpo de prova (área da seção inicial – A

corpo de prova (área da seção inicial – A₀₀ e com-e comprimento inicial – l

primento inicial – l₀₀) e medindo-se continuamente) e medindo-se continuamente a carga aplicada (F) e a deformação da parte útil do a carga aplicada (F) e a deformação da parte útil do corpo de prova (

corpo de prova (∆∆l), grafica-se a tensão (l), grafica-se a tensão (σσ= F/A)= F/A)

em função da deformação (

em função da deformação (εε == ∆∆l/ll/l₀₀), obtendo-se), obtendo-se

uma curva como apresentada na Figura 6.1, para uma curva como apresentada na Figura 6.1, para um ferro fundido nodular.

um ferro fundido nodular.

S

ão denominadas de propriedades está-ão denominadas de propriedades está-ticas aquelas onde o tempo não é uma ticas aquelas onde o tempo não é uma variável importante, sendo obtidas em variável importante, sendo obtidas em ensaios progressivos, como o ensaio de ensaios progressivos, como o ensaio de tração, dureza, flexão, compressão, etc. tração, dureza, flexão, compressão, etc. Elas permitem uma primeira visão sobre a relação Elas permitem uma primeira visão sobre a relação entre microestrutura e as propriedades mecânicas. entre microestrutura e as propriedades mecânicas. Apesar da maior parte dos componentes estar Apesar da maior parte dos componentes estar

soli-citada a esforços dinâmicos, em

citada a esforços dinâmicos, em especial a esforçosespecial a esforços de fadiga (Scholes, 1970), o estudo das propried de fadiga (Scholes, 1970), o estudo das propriedadesades estáticas representa o início do conhecimento do estáticas representa o início do conhecimento do comportamento mecânico do material. Além disso, comportamento mecânico do material. Além disso, todas as normas técnicas se referem às todas as normas técnicas se referem às proprieda-des estáticas, em particular às obtidas em ensaio de des estáticas, em particular às obtidas em ensaio de tração e dureza, de modo que a sua determinação tração e dureza, de modo que a sua determinação é usual no controle de qualidade na fabricação de é usual no controle de qualidade na fabricação de produtos fundidos.

produtos fundidos.

6.1

6.1 O

O ENSAIO

ENSAIO DE TRA

DE TRA

ÇÃO

ÇÃO EM

EM

FERROS FUNDIDOS

O ensaio de tração é uma caracterização O ensaio de tração é uma caracterização muito simples de um material, porém fornece muito simples de um material, porém fornece in-formações valiosas para prever o comportamento formações valiosas para prever o comportamento mecânico deste material em serviço. É utilizado mecânico deste material em serviço. É utilizado também para controle de qualidad

também para controle de qualidade, já que a maioriae, já que a maioria das especificações de materiais inclui itens como das especificações de materiais inclui itens como resistência e dutilidade. Para as ligas fundidas resistência e dutilidade. Para as ligas fundidas nor-malmente se emprega um corpo de prova de seção malmente se emprega um corpo de prova de seção cilíndrica, com as extremidades preparadas para cilíndrica, com as extremidades preparadas para fixação na máquina de tração (rosca, por exemplo) fixação na máquina de tração (rosca, por exemplo) e uma parte central de diâmetro menor, de modo e uma parte central de diâmetro menor, de modo a concentrar nesta região as deformações. É usual a concentrar nesta região as deformações. É usual adaptar a esta parte central um extensômetro, adaptar a esta parte central um extensômetro, parapara medir com precisão as variações de comprimento medir com precisão as variações de comprimento durante o ensaio. A carga, imposta pela máquina, é durante o ensaio. A carga, imposta pela máquina, é acrescida progressivamente, sendo padronizada a acrescida progressivamente, sendo padronizada a sua velocidade de aplicação, conforme segue: sua velocidade de aplicação, conforme segue:

CAPÍTULO 6

PROPRIEDADES ESTÁTICAS

FIGURA 6.1

FIGURA 6.1– Cura do ensaio de tração – Cura do ensaio de tração de ferro fundido nodularde ferro fundido nodular ferrítico.

(16)

PROPRIEDADES ESTÁTICAS

PROPRIEDADES ESTÁTICAS 7777

6) Por que a reta teórica para ferros fundidos 6) Por que a reta teórica para ferros fundidos cinzentos não se ajustou aos resultados da cinzentos não se ajustou aos resultados da Figura 6.9, enquanto para ferro fundido Figura 6.9, enquanto para ferro fundido no-dular a concordância foi boa?

dular a concordância foi boa?

6.3

6.3 PROPRIEDADES

PROPRIEDADES ESTÁTICAS

ESTÁTICAS DE

DE

FERROS FUNDIDOS CINZENTOS

Como visto em capítulo anterior, a Norma Como visto em capítulo anterior, a Norma ABNT NBR 6589/1986 estabelece classes de ferro ABNT NBR 6589/1986 estabelece classes de ferro fundido cinzento de acordo com o Limite de fundido cinzento de acordo com o Limite de Resis-tência, desde FC 100 até FC 400 (Tabela 5.1 do tência, desde FC 100 até FC 400 (Tabela 5.1 do ca- pítulo sobre Normas). A designação de cada classe pítulo sobre Normas). A designação de cada classe indica o valor mínimo do Limite de Resistência, sen indica o valor mínimo do Limite de Resistência, sen- -do que o valor de LR obti-do não pode exceder em do que o valor de LR obtido não pode exceder em 100 MPa o

100 MPa o valor mínimo especificado. Assim, peçasvalor mínimo especificado. Assim, peças especificadas na classe FC 250 devem apresentar especificadas na classe FC 250 devem apresentar valores de LR entre 250 e 350 MPa (corpo de valores de LR entre 250 e 350 MPa (corpo de prova em separado, anexo ou da peça, ver capítulo de va em separado, anexo ou da peça, ver capítulo de

Normas sobre a seleção do local do corpo de pro Normas sobre a seleção do local do corpo de prova).va). Para a classe FC 100, a fai

Para a classe FC 100, a faixa de LR é menor, de 100 axa de LR é menor, de 100 a 150 MPa. Na Figura 6.16 pode-se observar a relação 150 MPa. Na Figura 6.16 pode-se observar a relação entre Limite de Resistência e Dureza, associando-se entre Limite de Resistência e Dureza, associando-se as classes de resistência com as de dureza, previstas as classes de resistência com as de dureza, previstas nas Normas ABNT NBR6589/1986 e 8583/1984. nas Normas ABNT NBR6589/1986 e 8583/1984.

A resistência mecânica dos ferros fundidos A resistência mecânica dos ferros fundidos cinzentos depende da grafita e da matriz (Figura cinzentos depende da grafita e da matriz (Figura 6.17). Como foi visto no Capítulo sobre Fratura, a 6.17). Como foi visto no Capítulo sobre Fratura, a grafita não oferece resistência mecânica apreciável, grafita não oferece resistência mecânica apreciável, de modo que quanto maiores as partículas de grafita de modo que quanto maiores as partículas de grafita e quanto maior a quantidade de grafita, menor é a e quanto maior a quantidade de grafita, menor é a re- re-sistência mecânica, particularmente à tração sistência mecânica, particularmente à tração (Sou-za Santos & Branco, 1977). Com relação à matriz, a za Santos & Branco, 1977). Com relação à matriz, a

resistência é aumentada com teores crescentes de resistência é aumentada com teores crescentes de perlita (em substituição à ferrita) e com diminuição perlita (em substituição à ferrita) e com diminuição do espaçamento interlamelar da perlita. Uma do espaçamento interlamelar da perlita. Uma com- plicação adicional nos ferros fundidos cinzentos é plicação adicional nos ferros fundidos cinzentos é

que o tipo de grafita afeta a

que o tipo de grafita afeta a quantidade de perlita naquantidade de perlita na matriz; grafitas de super-resfriamento (tipo D, ver matriz; grafitas de super-resfriamento (tipo D, ver Figura 6.18) facilitam a formação de ferrita devido Figura 6.18) facilitam a formação de ferrita devido à baixa distância para difusão do carbono.

à baixa distância para difusão do carbono.

Como mostra o diagrama da Figura 6.17, as Como mostra o diagrama da Figura 6.17, as principais variáveis que afetam a microestrutura (e, principais variáveis que afetam a microestrutura (e, portanto, as propriedades mecânicas) são o teor portanto, as propriedades mecânicas) são o teor de carbono equivalente, os teores de elementos de de carbono equivalente, os teores de elementos de liga, a inoculação e a velocidade de resfriamento liga, a inoculação e a velocidade de resfriamento da peça.

da peça.

Na Figura 6.19 pode-se observar como o Na Figura 6.19 pode-se observar como o au-mento do teor de carbono equivalente diminui o mento do teor de carbono equivalente diminui o limite de resistência, e este efeito é devido ao limite de resistência, e este efeito é devido ao au-mento da quantidade e principalmente do tamanho mento da quantidade e principalmente do tamanho das partículas de grafita. O efeito do tamanho das das partículas de grafita. O efeito do tamanho das partículas de grafita pode ser visto na Figura 6.20, partículas de grafita pode ser visto na Figura 6.20, onde a variação no tamanho da grafita foi obtida onde a variação no tamanho da grafita foi obtida com variações no teor de carbono e no diâmetro da com variações no teor de carbono e no diâmetro da

FIGURA 6.16

FIGURA 6.16– Relação entre Dureza e Limite de Resistência para as– Relação entre Dureza e Limite de Resistência para as classes de ferros fundidos cinzentos preistas na Norma ABNT NBR classes de ferros fundidos cinzentos preistas na Norma ABNT NBR 6589/1986. Os retângulos representam as propriedades (mínimas 6589/1986. Os retângulos representam as propriedades (mínimas e máximas) preistas na Norma

e máximas) preistas na Norma ABNT.ABNT.

FIGURA 6.18

FIGURA 6.18– Tipos de grafita em ferros fundidos cinzentos.– Tipos de grafita em ferros fundidos cinzentos. Norma ISO 945/1975.

Norma ISO 945/1975. FIGURA 6.17

FIGURA 6.17– Efeitos da microestrutura e de ariáeis de pro-– Efeitos da microestrutura e de ariáeis de pro-cesso sobre o Limite de Resistência à Tração em ferro fundido cesso sobre o Limite de Resistência à Tração em ferro fundido cinzento.