Graduação em Engenharia de Materiais
Metalab Análise de Materiais LTDA.
Relatório de Estágio Curricular 1
Luccas Ribeiro Roscito
07237067
Período: 02/02/2010 à 21/04/2010
“Concordamos com o conteúdo do relatório”
______________________________
Orientador: Júlio F. Baumgarten
Mestre Eng. Materiais
3 Agradecimentos: Em primeiro lugar gostaria de agradecer a minha família, em especial aos meus pais Dorival e Sidinélia. Pelo apoio incondicional e amparo em todas as empreitadas; Ao Sr. Júlio F. Baumgarten, orientador, pelo conhecimento compartilhado. E pela grande oportunidade de aprendizado cedida não somente a mim, mas a muitos outros colegas de curso; Aos professores do curso de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina, por se proporem a compartilhar seu conhecimento comigo; Gostaria de agradecer em especial aos professores Paulo Wendhausen, Berend Snoeijer, Germano Riffel e Fernando Cabral. Pela dedicação extra, à Coordenação de Estágios e Coordenação do curso de Engenharia de Materiais; E sem duvidas a todos os colaboradores da Metalab, por receberem-me tão
bem e repassarem diariamente seu conhecimento com grande paciência e presteza. São eles: Azenate Pereira, Deiverson do Nascimento, Edna Cristina Mafra, Ednara Mafra, Eduardo Schröder, Esmênia Nascimento, Franciele Q. do Nascimento, Gustavo Baumgarten, Ivonete F. Ostrovsky, Jean Carlo José, João Fossile, José Aldori de Oliveira, Katia Sabrina Genoveva, Keity Fernanda Camacho, Leandro da Silva, Marcelo Franco dos Santos, Myrene R. Schütz, Philipi P. Torres, Rafael Jacob, Rogério Kontopp, Simone de Oliveira e Tarcisio Boegershausen.
Sumário
1.Introdução...5
2. Embasamento Teórico...6
2.1 Têmpera e Revenimento...6
2.2 Inspeção de Fixadores Aker ...9
3. Estudo da Influência do Revenimento nas Propriedades Mecânicas do Aço Sae 8640...14
3.1 Objetivos e procedimento...14
3.2 Procedimento do Ensaio...16
3.3 Análise dos Resultados...22
4. Atividades Desenvolvidas no Laboratório...23
4.1 Ensaios Realizados...23 4.2 Software...25 5. Conclusão...28 6. Referências Bibliográficas...29 7. Anexo...30 A. Histórico da Empresa...30
B. Gráficos de Tração - Lote 01...31
C. Lote 03... ...32
5 Introdução
No presente relatório será descritas as atividades realizadas durante as 15 semanas de estágio curricular na empresa Metalab Análise de Materiais Ltda, sob a supervisão do Mestre Eng. Julio Baumgarten. Isto mais especificamente entre as datas de 02/02/10 à 21/05/10.
A rotina de trabalho na empresa trouxe uma quantidade muito grande informação prática para o estagiário. Uma vez que são realizados diariamente, diversos ensaios como: dobramento, tração, compressão e dureza. Assim como análises metalográficas, químicas, análise de falhas e inspeção de soldas. Isto proporcionou não só um entendimento pratico e teórico ao aprendiz, mas também uma bagagem sobre os processos e problemas envolvidos na análise de materiais.
Experiências de análises externas (devidamente acompanhadas e supervisionadas), assim como o recebimento de clientes dentro ta própria empresa, foram de grande valor. Uma vez que o estagiário pode conversar com o cliente, conhecer suas necessidades e entender melhor o motivo de seus problemas.
O relatório de estágio foi desenvolvido com base no projeto realizado em parceria com a AKER SOLUTIONS. Empresa fornecedora do equipamento “subsea” (Árvore de Natal) de plataformas de petróleo da Petrobrás. E está relacionado à certificação de qualidade dos fixadores produzidos pela Companhia Paulista de Fixadores (CPF) para este equipamento, estudo do surgimento de bandas de martensita não revenida e subseqüente fragilização destas peças.
2. EMBASAMENTO TEÓRICO
2.1 Têmpera Objetivo:
• Aumento da dureza, resistência mecânica (limites de escoamento e resistência) e
resistência ao desgaste.
• Entretanto, a ductilidade e a tenacidade dos aços temperados é nula. Microestrutura objetivada:
• 100% de martensita com dureza entre 60 a 67 HRC
A martensita é uma solução sólida supersaturada em carbono com reticulado TCC (tetragonal de corpo centrado).
Processo: Resfriamento da austenita em água, salmoura, óleo ou ar forçado.
Figuras 1 e 2: Curva TTT e micro estrutura martensítica resultante para aço 8845.
Variáveis que afetam a tempera:
Diferença entre as velocidades de resfriamento da superfície e núcleo: Comuns em peças de grandes dimensões, provoca um atraso na transformação do núcleo. Como existe uma expansão volumétrica decorrente da transformação martensítica, o núcleo acaba por apresentar tensões de compressão e as partes mais externas sob tração. Tais tensões são as principais razões para a ocorrência de trincas em componentes temperados.
Percentagem de carbono: Os aços para têmpera devem apresentar teores de carbono acima de 0,4%. A distorção provocada no reticulado CFC para formar o TCC é maior quanto maior for o teor de carbono. Os aços com teores inferiores a 0,4%C temperados apresentam microestrutura martensítica, entretanto, esta não apresenta dureza elevada devido às pequenas diferenças entre os parâmetros a e c da estrutura TCC resultante.
7 Elementos de liga: O aumento do teor de C e / ou a adição de elementos de liga (exceto o Co) deslocam as curvas TTT para a direita, possibilitando o uso de meios de têmpera menos severos para a obtenção da microestrutura martensítica. Entretanto, este deslocamento é acompanhado pelo abaixamento das temperaturas de início e final de transformação martensítica (Mi e Mf), favorecendo a ocorrência de austenita retida nos casos em que Mf ficar negativa.
Meios de resfriamento: A tempera pode ser realizada em diversos meios de resfriamento (água, salmoura, óleo ou ar forçado). O que influencia diretamente na dureza resultante do metal, como pode ser constatado nos gráficos abaixo.
Figura 3: Valores de dureza obtidos em um aço com 0,6%C para difentes velocidades de resfriamento.
Obs: Um fator muito influente na tempera, é a temperatura do meio de resfriamento. Um exemplo é as primeiras temperas que realizei no ensaio. Ao temperar duas peças em meios a temperaturas diferentes, obtive durezas finais diferentes. Isto porque a água aquecida evapora mais rapidamente em contato com a superfície aquecida do metal, retirando neste processo menos energia e conseqüentemente diminuindo a velocidade de resfriamento.
REVENIMENTO
O revenimento é um tratamento térmico destinado aos aços previamente temperados (microestrutura martensítica), com o objetivo principal de aumentar sua ductilidade e tenacidade. É realizado em temperaturas inferiores à zona critica, realizado geralmente em faixas de temperatura entre 175 e 700 ºC e tempos que variam de 30 a 40 minutos, com velocidades de resfriamento
controladas. Os aços temperados são revenidos para a obtenção de propriedades mecânicas específicas (aumento de ductilidade e tenacidade), aliviar tensões internas e garantir estabilidade dimensional a peça (o revenimento é acompanhado por uma redução de volume).
Microestrutura obtida: Martensita revenida.
Variáveis que afetam o revenimento: As variáveis que afetam a microestrutura e propriedades mecânicas dos aços temperados são:
• Temperatura de revenimento
• Tempo na temperatura de revenimento
Figura 4: Efeito da temperatura nas propriedades mecânicas no aço SAE 1050. • Velocidade de resfriamento após o revenimento
• Composição do aço, incluindo teor de C, elementos de liga e impurezas. Baseando-se em estudos metalográficos, de difração de raios X e de dilatometria, o revenimento dos aços ao carbono e aços baixa-liga é dividido em três estágios:
ESTÁGIO I - 100 a 250º C:
• é chamado alívio de tensões pois não se detecta alterações microestruturais. • o carbono difunde-se do reticulado da martensita, formando carbonetos de transição metaestáveis (carboneto ε - Fe2,2C).
• há uma pequena diminuição da dureza e pequeno aumento da tenacidade. ESTÁGIO II - 200 a 300ºC:
• a dureza diminui significativamente.
• em aços contendo austenita retida, ocorre a decomposição desta para ferrita e cementita.
ESTÁGIO III - 250 a 350°C: • acentuada queda de dureza
9 • transformação dos carbonetos de transição (Fe2,2C) em cementita (Fe3C) • a martensita perde gradualmente a tetragonalidade e, conseqüentemente, sua dureza e resistência mecânica.
Existe um estágio adicional de revenimento (estágio IV) para aços com elevados teores de elementos de liga (aços ferramenta). Neste estágio, entre 500 e 600ºC, ocorre precipitação de carbonetos de Ti, Cr, Mo, V, Nb ou W provocando um endurecimento secundário.
2.2 Inspeção de Fixadores Aker Objetivo
Realização de ensaios em elementos de fixação fabricados em aço carbono e baixa liga, utilizados em Equipamentos Subsea – PETROBRÁS, para comprovar ausência de fases estruturais e durezas superficiais susceptíveis a fragilização. Buscam-se fases de Martensíta Não Revenida e heterogeneidades na microestrutura que sejam suscetíveis à fragilização por hidrogênio.
Fluxograma de Análises Aker
Figura 5: Fluxograma de análise que demonstra todo o processo de inspeção dos fixadores Aker Subsea.
Processo de Análise
O processo de análise dos parafusos é efetuado dividindo-se a peça em segmentos A, B e C. O que também permite com que múltiplas análises possam ser efetuadas ao mesmo tempo, gerando grande economia de tempo no processo.
I Método de corte AKE151-10
Região A:
Este segmento da cabeça do parafuso (salvo fixadores prisioneiros) é encaminhado para retífica, e posteriormente para lixamento (400 e 600) a fim de garantir acabamento superficial suficientemente bom para a medição de dureza Rockwell C (HRC) e Vickers (HV10) na parte superior.
Figuras 6 e 7: Retifica empregada na preparação das amostras e segmento de fixador (cabeça do parafuso) pronto para teste de dureza HRC e HV10.
Parafuso em estado original Segmento A Segmento B Refugo Segmento C A
11 Obs.: O emprego da nova retífica (adquirida durante o período de estágio) na preparação das amostras reduziu consideravelmente o tempo necessário de preparação para metalografia e dureza. Uma vez que esta máquina praticamente dispensou o lixamento nas granulações 100, 220 e 320. O que além de diminuir a mão de obra empregada, promoveu uma economia considerável de lixas e tempo.
Após a medição da dureza HRC a parte A é então reencaminhada para corte, aonde é seccionada ao meio. Este perfil passa por todo o processo de lixamento (100 a 1200), polimento e ataque, visando a avaliação metalográfica da estrutura do núcleo da região A.
A metade AA é encaminhada para metalografia e dureza MHV, enquanto a metade AB é arquivada para resgate em caso de necessidade.
Figura 8: Detalhe de corte da região A
Obs: Nesta etapa não convém utilizar a retífica, devido à dificuldade de fixar a peça. Uma vez que a fixação neste equipamento é magnética, e a peça é arredondada no lado oposto ao usinado.
Região B
A região B é primeiramente lixada (granulações 400 e 600) em sua parte lateral, para medição de dureza HRC e HV10 superficial. Em seguida é encaminhada para corte em duas partes como se pode notar na figura.
O segmento BA é então encaminhado para a realização do teste de dureza Rockwell C (HRC) e dureza Vickers (HV10) superficial. Enquanto o segmento BB é encaminhado para metalografia e perfil de dureza Vickers (HV10).
Perfil de Dureza Vickers
As medições de dureza Vickers devem ser efetuadas, conforme norma ASTM E 92, utilizando carga de 10 Kg (HV10). Para tanto deve-se deixar espaçamento de no mínimo 2 mm e no máximo 2,5mm entre os pontos, realizados somente na região B como indicado na ilustração.
AB AA
HRC e HV10 Metalografia e perfil de dureza
BA BB
Figura 9: Detalhe de corte da região B.
Região C:
Este segmento é submetido aos mesmos ensaios realizados nas regiões B e C.
Antes, no entanto de qualquer corte ser realizado, a base da amostra é retificada a fim de remover a camada protetora de Zinco e qualquer rugosidade superficial, evitando influência destes na medição da dureza HRC. É então medido a dureza nesta região, e a peça segue para corte na cut-off. Ela é então dividida ao meio,
aonde um dos segmentos é direcionado para análise (CA, por exemplo) e o outro arquivado.
Este segmento mesmo CA, é encaminhado para a preparação metalográfica. Ao seguida para o laboratório, aonde é analisada sua micro-estrutura.
Obs: Antes as amostras eram cortadas duas vezes e embutidas. Ao adotar-se este novo processo ganhou-se muito, não só na economia de resina, mas também diminuindo o tempo envolvido no processo de análise. Além de assegurar um corpo de prova sobressalente, com tamanho suficientemente grande para poder realizar todos os testes, em caso de extravio do primeiro.
Agora são embutidas apenas no caso de amostras muito pequenas, e que, portanto, são difíceis de lixar ou apresentam formato muito irregular e rasgam as lixas e panos de polimento. Outro motivo pelo qual o embutimento é evitado ao máximo, é que apesar de facilitar o manuseio das amostras, a maior superfície de contato aumenta também o desgaste das lixas.
Uma inovação no processo de análise foi o aparato empregado no corte das amostras cilíndricas. Que apesar de ser constituído de um mecanismo muito simples, representou grande economia de tempo ao encarregado do corte e mais segurança no processo de fixação das amostras, evitando assim a quebra de
discos.
CA CB
Figura 11: Detalhe de corte da região C
Figura 12: Amostras da região C embutidas
13 Fixadores com Bandas de Martensíta Não Revenida
Ao serem detectadas bandas de marteníta não revenida é efetuada medição de Dureza Vickers (mHV 0,05), empregando 50 gramas de carga - segundo norma ASTM E92. É especificado fazer medição de dureza nas bandas (fase clara) e na vizinhança destas (fase escura), aonde a microestrutura é constituída de martensita revenida, para comparação dos resultados.
Sendo que em cada banda são efetuados ao menos cinco pontos, e a distância mínima entre cada ponto deve ser no mínimo três vezes a diagonal da endentação adjacente. As fotos das medições devem constar no relatório técnico.
Figura 14: Micrografia de medição de dureza Vickers (mHV 0,05) em bandas de martensita não revenidas.
Elaboração de Relatório Técnico
O ultimo passo é a leaboração de relatório técnico reportando todos os dados gerados nos ensaios de dureza, micro-dureza e microestrutura. Contendo todas as micrografias digitais das seções inspecionadas.
O relatório deverá apresentar os seguintes dados: - Objetivo
- Procedimento dos Ensaios
- Identificação das amostras (Código do Produto, Lote, Dimensão, Quantidade) - Macrofotos dos componentes
- Resultados da Análise Metalográfica
- Ensaio de Dureza Rockwell C na Superfície e Núcleo - Ensaio de Dureza Vickers HV10 no Superfície e Perfil
- Resultado dos Ensaios de Micro-Dureza Vickers mHV0,05, em caso de Bandeamento
3. ESTUDO DO EFEITO DO REVENIMENTO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO SAE 8640
3.1 Objetivo e Procedimento
Após algum tempo realizando testes para o projeto Subsea da Aker, senti a necessidade de realizar um experimento buscando um melhor entendimento do processo de revenimento e têmpera. Assim como sua influência no aço SAE 8640, empregado na confecção dos fixadores. Para tal, desenvolvemos um plano de análise abrangendo todo o processo de tratamento térmico que sucedeu da seguinte forma.
Processo do Ensaio
Foram selecionados resíduos de ensaios da Aker suficientemente grandes para a usinagem de seis corpos de prova. Fora optado por utilizar este material reciclado, uma vez que se deseja obter uma composição o mais similar possível ao utilizado nestas peças, evitando assim distorção dos resultados.
Nesta etapa foi separado o Lote 2. Que apresenta microestrutura original dos fixadores, e servirá como referência para os ensaios mecânicos e de dureza efetuados nos outros dois lotes. Foram usinados dois corpos de prova para ensaio de tração, e separado um segmento para ensaio de Espectrometria e Dureza HRC.
O passo seguinte foi realizar a normalização destas peças a uma temperatura de 860°C durante duas horas, dissolvendo assim a martensita. O resfriamento foi ao ar, porem dentro de um recipiente fechado para diminuir a velocidade deste, gerando uma microestrutura mais fina, como observado.
A estrutura que era constituída de uma matriz Martensítica, com fases Bainiticas disperssas. Passou a ser Ferritica-Perlítica homogênea com estrutura fina, como demonstrada abaixo.
Figuras 15 e 16: Micrografia das peças antes e depois da normalização, respectivamente. Como pode-se notar a estrutura martensítica foi completamente dissolvida, restando apenas uma matriz ferritico-perlitica. Ampliação 200X. Ataque Nital 3,5%.
15 TÊMPERA
Após os corpos de prova chegarem a uma temperatura inferior a 100°C, foram levados de volta ao forno a uma temperatura de 860°C durante duas horas. E em seguida sofreram tempera em água. Amostras para a realização dos ensaios de Dureza e metalografia foram retiradas, e então as amostras foram reenviadas ao forno para o revenimento.
REVENIMENTO
Nesta etapa as peças temperadas foram dividas em dois lotes, que foram submetidos a processos de revenimento diferentes:
Lote 1: Recebeu um beneficiamento conforme norma de processo para obtenção de dureza 22 HRC. Para tanto foi empregado revenimento de duas horas, à 685°C.
Lote 3: O terceiro lote recebeu um revenimento de uma horas, à 420°C. Objetivando-se uma estrutura de alta dureza, com bandas de martensíta não revenida e alta dureza - em torno de 45 HRC.
Finalmente foi realizada a usinagem dos lotes 1 e 3, e então realizados os ensaios de tração, dureza, metalografia e perfil de dureza. Sendo traçado um paralelo entre resultados destes dois lotes, comparados com o grupo de referência e com a norma ASTM A193 Gr B7. Que especifica os parâmetros de resistência mecânica para fixadores submetidos a ambientes corrosivos.
Obs: O efeito de descarbonetação superficial foi contornado decidindo-se usinar as amostras após o revenimento. Desta forma houve sim descarbonetação, no entanto esta região foi retirada durante a usinagem. Isto pois ela poderia influenciar nos resultados dos ensaios, de forma que não teríamos como saber se a diferença entre estes se deve ao processo de revenimento ou ao fenômeno.
Figura 17: Fluxograma do processo experimental
3.2 PROCEDIMENTO DO ENSAIO Classificação do material
Foi separada uma amostra de material para Espectrometria, gerando os seguintes resultados:
C% Si% Mn% P% S% Cr% Mo% Ni% Al% Co% 0.414 0.298 0.945 0.013 0.004 0.879 0.189 0.106 0.018 0.000
Cu% V% Ti% Nb% W% B% Fe%
0.108 0.016 0.001 0.008 0.000 0.001 96.999
Tabela 1: Análise de composição química dos fixadores AKER.
A composição química do metal foi comparada com a norma de referência para fixadores ASTM A193. Enquadrando o metal na classificação
Dureza HRC e Perfil Revenimento Normalização Têmpera Metalografia Fixadores AKER Tração Espectrometria Dureza HRC Metalografia Dureza HRC e Perfil Metalografia Lote 1 Lote 3 Metalografia Tração Dureza HRC e Perfil
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Tabela 4: Ensaio de tração para material original dos fixadores AKER.
de Aços Cromo – Molobidênio B7, B7M. Como ilustra a tabela a seguir extraída do documento.
Quadro 1: Composição química do Aço ASTM B7 e B7M, equivalente ao SAE 8640 dos parafusos.
A norma A193 especifica limites de resistência mecânica para os fixadores em relação ao aço empregado na confecção. Como demonstrado na ilustração abaixo extraída da mesma, aonde foram objetivou-se apenas os valores referentes ao Aço B7.
Quadro 2: Tabela de requerimentos mecânicos especificado pela norma ASTM 193E.
Tendo em vista estas especificações, dois corpos de prova - do material dos parafusos - foram usinados para verificar a adequação dos valores com a norma e comparação com os resultados futuros. Foram efetuados os ensaios de tração sob a instrução de trabalho IT M751.027, como pode-se constatar no gráfico apresentados no anexo 1.
Os valores exigidos pela norma se adequaram, e podem ser encontrados na tabela abaixo. Gráficos em Anexo D
Tensão Máxima (MPa) Tensão de Escoamento (MPa) Alongamento (%) Estricção(%) 957,98 794,918 16,06 53,562 935,00 758,26 15,54 55,734
AMOSTRA VALORES OBTIDOS (HRc) MÉDIA (HRc)
Superfície 29,2 – 28,5 – 29,1 – 29,7 29,1
Tabela 5: Valores de dureza média original dos fixadores Aker.
Normalização
Em seguida foi realizada a normalização, no forno da própria empresa (um forno Jung modelo 7090). As amostras foram aquecidas a 860°C durante duas horas, e segmentos foram retiradas para análise de dureza HRC, espectrometria e metalografia para avaliação da nova microestrutura. (Para a metalografia a amostra foi lixada nas granulações 100 à 1200 mohr, polida e atacada com Nital 3,5%).
Figuras 18 e 19: Microestrutura proveniente de Tratamento de Normalização, com características Heterogêneas. Registramos presença de Bainita, Ferrita e Perlita, em predominância Lamelar. Ataque Nital 3,5%.
Ocorreu como esperado descarbonetação na superfície do material, aonde houve a formação de Perlita coalecida, como demostrado abaixo. O efeito foi contornado como citado anteriormente, abaixo constam as medições da região.
Figuras 20 e 21: Profundidade Visual de Descarbonetação inferior a 280,0 microns. Ampliação 100x. Ataque Nital 3,5%.
19 E como demonstra a análise química, não houve mudança significativa na composição química do aço, exceto na zona superficial. É valido lembrar que são admissíveis pequenas variações no teor dos elementos.
C% Si% Mn% P% S% Cr% Mo% Ni% Al% Co% 0.411 0.303 0.950 0.012 0.004 0.884 0.191 0.106 0.019 0.000
Cu% V% Ti% Nb% W% B% Fe%
0.113 0.016 0.002 0.010 0.000 0.001 96.978
Tabela 6: Análise química após normalização, comporvando não haver mudanças na composição química do aço.
AMOSTRA VALORES OBTIDOS (HRc) MÉDIA (HRc)
Superfície 22,2 – 21,6 – 24,3 – 23,8 23,5
Núcleo 23,4 – 24,9 – 20,2 – 23,4 23,0
Tablea 7: Valores de dureza HRC da superfíe e núcleo da amostra normalizada.
Tratamento Térmico (Têmpera)
Os corpos de prova foram levados ao forno, a uma temperatura de 860°C durante duas horas, e em seguida temperadas em água. Em seguida foram realizadas medição de dureza Rockwell C e metalografia, com os resultados apresentados abaixo.
AMOSTRA VALORES OBTIDOS (HRc) MÉDIA (HRc)
Superfície 56,3 – 56,1 – 57,0 – 58,1 56,9
Núcleo 54,2 – 52,2 – 52,0 - 53,8 53,0
Tablea 8: Quadro contendo os valores de dureza HRC da superfíe e núcleo da amostra temperada.
Figuras 22 e 23: Superfície: Registramos Microestrutura Martensítica. Núcleo: Registramos Microestrutura Martensítica com presença de Bainita. Ampliação 400x. Ataque Nital 3,5%.
Revenimento
As amostras após resfriadas, foram divididas em dois lotes de normalização.
Lote 1: Este lote sofreu normalização a 650°C, durante duas hora. Em seguida as amostras foram usinadas, e efetuados ensaios de dureza Rockwell C, Tração, metalografia e perfil de dureza. Com os resultados descritos abaixo:
AMOSTRA VALORES OBTIDOS (HRc) MÉDIA (HRc)
Superfície 20,5 – 22,3 – 23,0 – 22,0 21,9
Núcleo 21,3 – 19,0 – 20,7 – 20,1 20,3
Tabela 9: Resultados dos ensaios de dureza Rockwell C.
AMOSTRAS VALORES OBTIDOS (mHV) MÉDIA (mHV) Perfil 278 – 268 – 268 – 273 – 277 272
265 – 269 – 278 – 275
Tabela 10: Resultados dos ensaios de perfil de dureza Vickers HV10.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (N/mm²) LIMITE DE ESCOAMENTO 0,2% (N/mm²) ALONGAMENTO (%) EESTRICÇÃO (%) 7 8 6 , 4 0 6 7 1 , 2 7 2 2 , 4 8 6 5 , 4 6 7 7 3 , 7 9 6 5 1 , 0 6 1 9 , 3 2 6 6 , 0 5
Tabela 11: Resultados dos ensaios de Tração das amostras muito revenidas.
Os gráficos do ensaio de tração do lote 1 são encontrados no Anexo B.
Figuras 24 e 25: Microestrutura Refinada, constituída de Martensita Revenida. Ampliações de 400 e 800x respectivamente. Ataque Nital 3,5%.
21 Lote 3: O segundo lote sofreu revenimento menos intenso a 420°C durante uma hora. Em seguida os corpos foram usinados e efetuados os mesmos ensaios do grupo 1.
AMOSTRA VALORES OBTIDOS (HRc) MÉDIA (HRc)
Superfície 40,1 – 40,5 – 41,9 – 42,2 41,2
Núcleo 39,9 – 40,9 – 41,7 – 41,9 41,1
Tabela 12: com os resultados dos ensaios de dureza Rockwell C.
AMOSTRAS VALORES OBTIDOS (mHV) MÉDIA (mHV) Perfil 469 – 462 – 476 – 471 – 486 471
470 – 464 – 472 – 469
Tabela 13: com os resultados dos ensaios de perfil de dureza Vickers HV10.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (N/mm²) LIMITE DE ESCOAMENTO 0,2% (N/mm²) ALONGAMENTO (%) ESTRICÇÃO (%) 1 4 3 4 , 0 0 1 3 5 4 , 2 0 1 1 , 1 8 4 8 , 8 3 1 4 4 7 , 0 0 1 3 6 3 , 8 0 9 , 6 6 4 9 , 5 8
Tabela 14: com os resultados dos ensaios de Tração.
Os gráficos dos ensaios de tração do lote 3 são encontrados no Anexo C.
Figuras 26 e 27: Aspecto Geral da Microestrutura, evidenciando a homogeneidade da Matriz constituída de Martensita Revenida. Ampliações de 400 e 800x respectivamente. Ataque Nital 3,5%.
3.3 Análise dos Resultados
Foi interessante realizar os ensaios de tração no material original da Aker, pois esses testes não são realizados na Metalab. E foi possível constatar - como esperado - que o tratamento atende aos requisitos de Limite de Escoamento, Tensão Máxima, Alongamento e Estricção exigidos pela norma ASTM A193 Gr B7. O que está demonstrado na Tabela 4 em comparação ao Quadro 2.
A normalização gerou também resultados satisfatórios, uma vez que se atingiu uma estrutura Ferritico-Perlítica homogênea (figuras 18 e 19) e dureza coerente à microestrutura (tabela 7).
O tratamento térmico de têmpera foi realizado com sucesso, obtendo-se uma microestrutura em sua maior parte Martensítica, apesar do aparecimento de Bainita residual no núcleo devido a menor taxa de resfriamento (Figuras 22 e 23) e durezas também coerentes com estas (Tabela 8).
O processo de revenimento foi bem sucedido para ambos os lotes: Lote1:
Sofreu revenimento mais intenso, gerando uma microestrutura mais refinada. A dureza correspondeu ao planejado durante a elaboração dos tempos de tempera e revenimento, como pode ser constatado nas Tabelas 9 e 10.
Os valores de Tensão de Escoamento e Limite de Resistência não foram atendidos, o que já era esperado devido ao revenimento excessivo. Outro fator negativo deste é a aproximação entre os valores de Tensão Escoamento e Tensão Máxima (Tabela 11 e Anexo B), indicando que em trabalho esta peça necessitaria de pouca carga após o limite de escoamento antes de fraturar. Em contra partida o Alongamento e a Estricção aumentaram bastante em relação ao referencial (Lote 2), o que compensa em partes o efeito citado anteriormente. Isto, pois qualquer carga além do ponto de Escoamento geraria uma maior deformação e consequentemente maior chance de esta ser notada como um empenamento, redução de área ou folga no equipamento.
Lote 3:
Sofreu revenimento menos intenso, resultando em uma microestrutura similar ao constatado no lote 1 e 2, porém levemente mais grosseira (Figuras 26 e 27). A dureza obtida foi comparativamente superior ao referencial lote 2, no entanto ultrapassa os valores estipulados por norma (Tabelas 5, 9, 13 e Quadro 2).
Os valores referentes ao ensaio mecânico como Tensão de Escoamento e Limite de Resistência foram muito elevados neste lote, correspondendo com ampla margem ao estabelecido pela norma. Já os valores obtidos para Alongamento e Estricção sofreram grave redução, não atingindo os valores mínimos estabelecidos pela mesma (vide Tabela 14 e Quadro 2).
O mesmo efeito de aproximação entre os valores de Limite de Escoamento e Resistência foi constatado neste lote. Este efeito associado à redução do Alongamento e Estricção citada anteriormente, tornam este lote o mais “perigoso”. Pois ele agrega uma série de característica que viabilizam a ocorrência de uma falha catastrófica. Uma vez que sua dureza elevada propicia
23 a propagação de trincas por fadiga, o inicio da deformação plástica é muito próximo à carga máxima suportada e o baixo alongamento implica em deformações menores antes da ruptura, que logicamente seriam mais dificilmente notadas.
4. ATIVIDADES REALIZADAS NO LABORATÓRIO
Um dos aspectos positivos no estagio realizado na Metalab, é a rotatividade de funções exercidas pelos funcionários. Isto é, o trabalho não é apenas direcionado à realização dos ensaios, mas também se lida com clientes, participa-se da elaboração do laudo técnico de forma a se ter uma compreensão total a respeito da análise de materiais.
4.1 TAREFAS COTIDIANAS Abertuda de Fichas FR-05
Como citado anteriormente, qualquer peça recebida na Metalab para análise (seja ensaios de rotina, consultoria ou análise de falhas) passa obrigatoriamente, segundo o sistema de gestão da qualidade (que garante o certificado ISO 9001), pela abertura da ficha FR-05. Esta é gerada através do sistema computacional SGM (Sistema de Gestão Metalab), que contém todos os dados do cliente, especificações da amostra e do ensaio requisitado conforme a sugestão dos técnicos e engenheiros.
Este documento recebe então uma rastreabilidade interna, além de servir como uma identidade da amostra dentro da empresa, garante ao cliente a possibilidade de acompanhar todo o processo de análise e o prazo de entrega estabelecido.
Análise química via Espectrometria de Emissão Ótica
Este ensaio consiste na evaporação do material a ser analisado, através de plasma de Argônio. É transmitido um feixe luminoso através destes gases superaquecidos, e segundo a densidade de cada elemento, ocorre a difração da luz em diferentes comprimentos de onda característicos.
Os espectros são lidos eletronicamente gerando um registro de queima. Cada queima é então lida e comparada com queimas padrões até obter resultados homogêneos (isto é, sem grande variação de composição). Esta é então comparada com as normas tabeladas para então caracterizar o material. Análise de Dureza
Ensaios de dureza estão entre as atividades mais freqüentes na rotina do laboratório. Estes dependem em geral do material, das dimensões do corpo de prova e da faixa de dureza analisada. Pode-se determinar um ensaio Brinell para uma determinada amostra, devido a uma microestrutura muito heterogenia, ou um ensaio Rockwell C para durezas mais elevadas, por exemplo.
Mesmo assim motivos mais simples como limitações físicas podem motivar a opção de determinado ensaio em detrimento de outro. Como o tamanho e a espessura do corpo de prova em relação à endentação empregada. Necessitando assim a realização de um ensaio Micro-Vickers ou Knopp ao invés de um Brinell.
Análise Metalográfica
A análise metalográfica é um processo que envolve desde a etapa de lixamento, polimento e ataque das amostras até a análise da microestrutura em si. Esta serve juntamente com a Espectrometria, como ferramenta chave na caracterização de materiais e processos de fabricação.
Utilizando-se do Digimet Plus 4G (um software de caracterização desenvolvido dentro da própria Metalab, o qual será comentado posteriormente) esta análise é amplamente empregada na caracterização de: soldagem, tratamento térmico, composição química, medição de camadas, contagem de nódulos, grau de nodularização, inclusões e fases intermetálicas.
Análise de Falhas
A análise de falhas é um dos ramos mais interessantes na opinião do estagiário. Pois esta carrega grande quantidade de informações em suas tarefas e requer muita experiência prática da parte do analista. As atividades referentes a esta área consistiam em acompanhar e auxiliar os ensaios de Microscopia Eletrônica (juntamente com EDX), Microscopia Ótica, Estereoscopia e Liquido Penetrante.
Ensaios Mecânicos
Os Ensaios Mecânicos são fundamentais para a caracterização de qualquer material. Através do ensaio de tração, é possível determinar propriedades como Limite de Escoamento, Tensão de Ruptura, Alongamento, Módulo de Poisson, Módulo de Elasticidade, Energia de Deformação Elástica e Plástica.
A METALAB possui duas máquinas universais de ensaios mecânicos, uma Heckert-Wolpert, modelo EDZ-20 com célula de carga de 20 toneladas e
Kratos, modelo K500/2.000 com célula de carga de 2 toneladas. O equipamento está certificado para a célula de carga e transdutor de deslocamento, garantindo total confiabilidade nos resultados dos ensaios.
Ensaio Salt-Spray
O ensaio salt-spray (névoa salina) consiste na exposição de corpos de prova, a uma atmosfera corrosiva, sob condições de temperatura, acidez e pressão controladas. O ensaio tem como objetivo prever a corrosão de componentes durante o uso e desta forma prever falhas, estipular tempo de vida ou comparar a resistência à corrosão entre materiais diferentes.
25 Deve-se manter um acompanhamento diário das câmaras de sat-spray, pois a norma para o ensaio determina parâmetros que devem ser mantidos rigorosamente. A temperatura estipulada deve ser mantida em 35 ± 2 °C, o pH entre 6,5 e 7,2 e pressão no saturados entre 1,0 e 1,1. Estas informações são coletadas duas vezes ao dia e arquivadas em fichas FR-47.
4.2 Softwares
Durante o período de estágio, foi necessário trabalhar com diversos softwares específicos para cada área de trabalho. Há sempre rotação nos serviços executados e circulação por diversas funções dentro da empresa, há conseqüentemente o contato com alguns dos programas elaborado na Divisão de Softwares de Engenharia, dentro da Metalab. Como por exemplo, o CDV Vickers, CDB Brinell, Inspetor de Solda e Digimet Plus 4G.
CDV Vickers
A automação dos
processos de controle produtivo é
uma das mais importantes ferramentas para a realização
dos Ensaios de Técnicos. Com o
objetivo de aprimorar o Ensaio de Dureza Vickers, a Metalab desenvolveu um Software aplicado à Captura, Leitura Digital e Emissão de Relatório para o Ensaio de Dureza Vickers.
Foi considerada, no desenvolvimento deste Software, a necessidade de apresentar um Programa com uma interface amigável, simplicidade no uso e rapidez de leitura. Além da garantia da confiabilidade nos resultados. Outro aspecto importante do CDV Vickers é sua capacidade de customização, pois o sistema permite ajustar o programa para as reais necessidades do usuário.
O CDV Vickers pode ser empregado tanto para a dureza Vickers (HV) como para micro-durômetros Vickers. O que além de garantir uma maior
precisão na medição dos pontos, eliminando fatores humanos como o Erro de Paralaxe e o stress do operador, promovendo uma grande economia de tempo no processo. Pois as medições, cálculos necessários e geração das curvas de dureza são realizados automaticamente pelo programa.
CDB Brinell
Há também um software específico para os durômetros Brinell, o CDB Brinell. Que possui as mesmas atribuições do CDV Vickers, e com o qual também tive oportunidade de trabalhar.
Uma vez que ensaios de dureza são tarefas muito comuns na rotina do laboratório, ao final do período de estágio já estava muito familiarizado com estas ferramentas.
São desenvolvidos na Divisão de Softwares de Engenharia da Metalab, programas de análise. Como é o caso do Inspetor de Soldagem, voltado à área de controle digital de qualidade.
Este programa foi desenvolvido com a finalidade de avaliar a qualidade de juntas soldadas.
Que permite a captura digital e geração de relatório de controle de processo, através de macrografias e medição de todos os parâmetros geométricos dos cordões de solda:
» Quantificação da zona termicamente afetada (ZTA) » Captura macrográfica digital
» Determinação de penetração do cordão » Determinação de altura e desvio de pernas » Determinação da garganta
» Medição dos ângulos de soldagem
» Evidências da presença de não conformidades na região, como porosidades, trincas e falta de penetração no metal de base.
Esta ferramenta possui uma característica importante do sistema, que é estar associado à EPS (Especificação de Processo de Soldagem) e ao soldador responsável pela execução do serviço. O software é então integrado ao Gestor de Processos de Soldagem (GPS) que permite então, aos profissionais das áreas da qualidade e processo, avaliar e quantificar o
27 desempenho da soldagem realizada, favorecendo a garantia da qualidade do processo executado.
Digimet Plus 4G
Certamente o programa com o qual tive maior contato na área de laboratório foi o Digimet Puls. O programa vem sendo constantemente melhorado, e inclusive foi foco de trabalho de alguns dos estagiários antecessores. Hoje
em sua versão 4G este software de Análise Quantitativa de Imagens é voltado para o controle de qualidade e pesquisa de diferentes ligas.
Na Metalab ele é empregado na caracterização microestrutural e em funções quantitativas como:
• Quantificação de Fases (perlita, ferrita, carbonetos)
• Classificação de Tamanha de Grafita
• Grau de nodularização e vermicularidade
• Contagem de Nódulos / mm²
• Distribuição de tamanho de grão
Entre outras tarefas que demandam muito tempo para serem realizadas e que são medidas com muito mais precisão quando efetuadas digitalmente. Hoje tarefas complexas dentro do laboratório, são muito mais facilmente resolvidas quando amparadas pelo vasto banco de dados existente.
5. COLCUSÃO
Foi de grande valia a oportunidade de trabalhar em um laboratório de análises de materiais. Uma vez que esta empresa, não está atrelada a nenhum tipo específico de produção, mas sim a todos os tipos de problemas, análises e mateiriais. Proporcionando assim um contato com todos os segmentos da área de atuação de um Engenheiro de Materiais.
O dia-a-dia da empresa proporcionou um grande aprendizado do processo técnico da análise. Como o manuseio de diversos equipamentos, técnicas de preparação e análise das amostras. Por muitos dos ensaios se tratarem de certificação de qualidade, foi possível uma familiarização com os processos de normatização em relação às normas (ASTM, SAE, ABNT e ISSO).
O projeto criado para atender as necessidades da Aker Solutions, agregou muito conhecimeto a respeito de análise de fixadores. Assim como o estudo feito em paralelo, forneceu uma boa compreensão sobre os processos de tratamento térmico, o grande número de variáveis envolvidas e os principais problemas encontrados.
E o fato de a empresa ter um menor número de funcionários, mesmo assim lidando com análises desafiadoras, forneceu um conhecimento humano extra sobre trabalho em equipe, atendimento à clientes e comportamento em grupo riquíssimo. Sem duvida um conhecimento riquíssimo para qualquer Engenheiro(a), que inevitavelmente vai ter de lidar no futuro, com funcionários e equipes de trabalho.
29 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] CALLISTER JR, William D.Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5ª ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2002.
[2] CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. 5ª ed. São Paulo, Publicação da Associação Brasileira dos Metais, 1987.
[3] DIETER, George E. Metalurgia Mecânica. 2ª ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan, 1981.
[4] Colpaert H.; “Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns” – Ed. Edgar Blucher Ltda., 3ª Ed. 1983;
[5] Garcia, A.; Spim J. A; Santos, C. A.; “Ensaios dos Materiais”, Ed. LTC, 2000;
[6] SOUZA, Sérgio A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. 5ª ed. São Paulo: Editora Edgard Blucher , 1982.
[7] http://www.cimm.com.br/portal/
7. ANEXO
7.1. Anexo A - Histórico da Empresa
A METALAB Análise de Materiais Ltda., sediada em Joinville/SC é um dos Laboratórios do País que melhor tem se adaptado às necessidades das Empresas, atuando nas áreas Metal-mecânica, Polímeros, Cerâmica e Análises Químicas. Para atender seus Parceiros, realiza não apenas uma vasta gama de testes e ensaios normalizados, mas também Auditorias, Cursos e Palestras Técnicas, além de suporte em Processos Judiciais (Perícia Técnica). Para tal conta com um moderno e bem equipado Laboratório e Equipe Técnica Treinada, sempre objetivando garantir segurança e confiança nos resultados obtidos.
A METALAB Análise de Materiais Ltda. atua intensamente nas áreas de Controle de Materiais, desempenhando as funções de “Laboratório Satélite” para o Controle de Recebimento e Processos de Fabricação (tratamentos
térmicos, usinagem, conformação, soldagem e fundição), Análise de Falhas
(fratura, corrosão, desgaste prematuro), determinação de Propriedades Mecânicas (ensaio de tração, compressão, dobramento, flexão, dureza,
microdureza, impacto/resiliência), análise de Macro e Microestruturas
Metalográficas, determinação da Composição Química de ligas ferrosas e não ferrosas (alumínio e cobre), Ensaios Especiais como Ultra-som, Teste de Salt-spray, Raio-X, Teste em
Pinturas.
A Divisão de Treinamento oferece Cursos e Palestras nas áreas de Especificação de Materiais, Tratamentos Térmicos, Análise Metalográfica, Tecnologia de Soldagem, Líquido Penetrante, Análise de Falhas em Componentes Mecânicos, Qualificação de Processos de Soldagem e Operadores de Solda.
31 7.2. Anexo B
Figura 30: Gráfico do ensaio de tração do CP 01 (muito revenido).
7.3. Anexo C
Figura 32: Gráfico do ensaio de tração do CP 03 (pouco revenido).
33 7.4. Anexo D
Figura 34: Gráfico de tração, CP 01, material orginal Aker.
