Instituto Superior de Engenharia do Porto
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Engenharia Mecânica
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Trabalho Prático de Metalografia
Trabalho Prático de Metalografia
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Objectivos
O objectivo do presente trabalho é o estudo metalográfico de uma amostra de material de liga ferrocarbónica, tendo em vista os seguintes aspectos,
- A identificação do tipo de material em estudo
- A identificação da sua estrutura e dos seus componentes
- A sua classificação normalizada de forma a permitir o conhecimento das suas características mecânicas e possíveis aplicações.
Através de uma breve introdução sobre os conceitos fundamentais da metalografia e da apresentação das propriedades específicas, composição química e aplicações deste material, esperamos que seja fácil a conclusão da sua importãncia.
Indíce Geral Lista de Imagens 5 1- Introdução Teórica 6 1.1 - Definição 6 1.2 - Aplicações 6 1.3 - Breve Historial 6 1.4 - Objecto de Estudo 7 2- Procedimento Experimental 8
2.1 - Preparação laboratorial de um Ensaio Metalográfico 8
3- Apresentação de Resultados 10 3.1 - Identificação do Material 10 3.2 - Composição e Microestrutura 13 4- Conclusões 14 4.1 - Características Mecânicas 14 4.2 - Aplicações do material 14 4.3 - Conclusão final 14 Lista de Referências 15 Bibliografia 16 Equipamento utilizado 17
Lista de Imagens
Imagem 01 - Fotomicrografia c/ ampliação 150x s/ ataque químico 11 Imagem 02 - Fotomicrografia c/ ampliação 150x c/ ataque químico 12 Imagem 03 - Fotomicrografia c/ ampliação 300x c/ ataque químico 13
1 Introdução Teórica
1.1- Definição
A Metalografia estuda e interpreta a estrutura interna dos metais e das suas ligas, assim como as relações entre a sua composição química, as suas propriedades físicas e as suas características mecânicas.
Estes estudos permitem conhecer as percentagens relativas de cada um dos elementos constituintes (no caso de estudo de Ligas) e também a que tipo de acções externas foi sujeito o material, como tratamentos térmicos ou trabalhos mecânicos.
1.2- Aplicações
A Metalografia é aplicada principalmente na investigação e desenvolvimento em laboratórios mecânicos e metalúrgicos.
É também utilizada em ambiente produtivo como suporte ao Controlo de Qualidade de materiais.
1.3- Breve Historial(4)
A Metalografia é conhecida desde cerca de 5000 a.C., época em que o Homem inicia o processo de fusão de metais, evoluíndo ao longo dos tempos o seu conhecimento dos processos metalúrgicos, permitindo-lhe a utilização de metais de maior dureza e resistência.
A partir do Século XVI, com a invenção da imprensa, aparecem as primeiras obras escritas de divulgação de conhecimentos sobre os processos siderúrgicos, desde a mineração, fundição e conformação mecânica.
No Século XIX, iniciou-se a produção de Aços com baixos teores de Carbono, e é pela primeira vez, em 1863, observada através de Microscópio Óptico, a estrutura de rochas e aços, iniciando-se a análise metalográfica.
Foram ainda descobertos os Raios X, que possibilitariam já no Século XX o desenvolvimento da Difracção de Raios X, que passa a possibilitar a determinação da Estrutura Cristalina dos materiais.
1.4- Objecto de Estudo
O presente trabalho analisa uma amostra de Ferro Fundido.
Os Ferros Fundidos são uma família de ligas ferrosas com uma vastíssima utilização industrial, devido às suas características únicas, como sejam, entre outras:
- Simplicidade de produção - Fácil e variado processamento
- Vasta e versátil gama de propriedades de engenharia - Baixo custo
Um Ferro Fundido é uma liga ferrosa com um teor de carbono entre 2 e 4% e 1 a 3% de Silício. Podem estar presentes outros elementos de liga para controlar ou modificar certas propriedades.
Conforme a distribuição do Carbono na microestrutura, os Ferros Fundidos podem ser classificados em
- Branco - Cinzento - Maleável - Dúctil
A amostra em estudo é do tipo Ferro Fundido Dúctil, devido a apresentar uma microestrutura com o Carbono agregado na forma de Grafite,disposta em nódulos esferoidais, daí ser também classificado como Ferro Fundido Nodular
Esta liga combina as vantagens de processamento dos Ferros Fundidos com as propriedades de engenharia dos aços.
Apresenta boa fluidez, boa aptidão ao vazamento, excelente maquinabilidade e boa resistência ao desgaste. Além destas propriedades características dos Ferros Fundidos, tem algumas propriedades semelhantes às dos aços, como sejam a elevada resistência mecânica, tenacidade, ductilidade, deformabilidade a quente e temperabilidade.
2 Procedimento Experimental
2.1- Preparação laboratorial de um Ensaio Metalográfico(4)
É composta por diversas fases que se sucedem após a conclusão da fase anterior, tendo como objectivo a preparação cuidada de uma face da amostra, tornando-a espelhada, de forma a reflectir a luz e poder ser observada num sistema óptico.
1ª Fase : Seleção da amostra e da zona a observar Escolha da zona mais representativa da peça 2ª Fase : Corte da amostra
É utilizado um Serrote eléctrico com discos abrasivos lubrificados para evitar alteraçóes na estrutura devido ao aquecimento. (Imagem 05)
Após o corte, a amostra é lavada com água corrente, alcoól e seca com ar comprimido.
3ª Fase : Preparar dispositivo de manuseamento
- Montagem da amostra num suporte de resina epoxy - Marcação numérica da amostra para identificação - Amostra “LN05024”
4ª Fase: Preparação da superfície para obter uma face plana polida - Lixamento com Lixadeiras metalográficas, a discos abrasivos
de partículas de Carboneto de Silício, de granulometria decrescente. É usada a sequência de 220, 500 e 1000 mesh, com água corrente para eliminar as partículas libertadas e evitar aquecimento exagerado. (Imagem 06)
- Deve manter-se a amostra parada durante o lixamento e rodá-la 90º ao mudar de grão.
- O estado da amostra é controlado por observação no Microscópio Óptico, após o procedimento de lavagem referido. Devem eliminar-se riscos e imperfeições.(Imagem 07)
- Polimento em discos revestidos a pano com dispersão de elemento abrasivo à base de pasta de diamante.
- Deve manter-se a amostra sempre em movimento e polir com pasta de 3 µ e 1µ.
- O procedimento de limpeza é feito apenas com alcoól e é controlada a amostra até estar sem defeitos, espelhada e brilhante.
A imagem 04 representa a amostra após terminar o polimento
Imagem 04
5ª Fase: Ataque químico para criar tonalidades diferentes entre os constituintes metalográficos presentes.. Foi utilizado o reagente Nital
6ª Fase: Observação metalográfica com fotografia a diferentes ampliações para permitir a identificação dos constituintes.
3 Apresentação de Resultados
3.1- Identificação do Material
Foram obtidas as fotomicrografias abaixo.
Após a observação metalográfica da amostra, as imagens obtidas são comparadas com fotos padrão disponíveis em publicações de referência para identificação metalográfica.
A primeira fotomicrografia obtida é analisada para possível identificação e também para avaliar da qualidade visual da amostra.
Imagem 01
Foto com ampliação 150x sem ataque químico
Não é ainda possível identificar a liga, mas começa já a evidenciar-se a disposição de nódulos esferoidais numa matriz.
Na segunda fotomicrografia, realizada após o ataque químico, podemos já identificar um tipo de estrutura normalmente designada por “olho de boi”, devido à existência de nódulos escuros reodeados por uma auréola mais clara, numa matriz de tom castanho.
Imagem 02
Foto com ampliação 150x com ataque químico
Este tipo de estrutura permite-nos concluir estar na presença de um Ferro Fundido Nodular.
A sua estrutura metalográfica é composta por:
- Carbono, na forma de Grafite, aglomerada em nódulos. São os pontos negros observados na imagem.
- Ferrite, um componente ferroso mais macio. É a parte clara que envolve o nódulo de grafite.
- Perlite, a matriz castanha base da estrutura. É composta por Ferrite + Cementite.
Na terceira fotomicrografia, realizada com ataque químico, numa ampliação mais elevada, podemos claramente distinguir os diversos componentes.
Imagem 03
Foto com ampliação 300x com ataque químico
Comparando a imagem obtida com as imagens de referência, podemos concluir estar na presença de um Ferro Dúctil Perlítico, ou Ferro Fundido Nodular de matriz perlítica, com cerca de 45% de Ferrite.(3)
Segundo as Normas ASTM A536, este Ferro será identificado como sendo da classe 80-55-06 - Pearlitic Ductile Iron.(3)
Tem teor de Carbono entre 2.7 e 3.7% e teor de Silício de 1 a 2.8%.
O Silício forma uma solução sólida com a Ferrite, não sendo por isso detectado na observação microscópica.
3.2- Composição e Microestrutura
O Ferro Fundido Nodular de matriz perlítica é obtido pela adição de um nodularizante, Magnésio ou Cério, em pequenas quantidades pouco antes do vazamento.
Os teores de Enxofre e Fósforo dos Ferros dúcteis devem ser mantidos muito baixos (cerca de 10 vezes inferiores aos teores do Ferro Fundido Cinzento). A adição do Magnésio vai reagir com o Enxofre e com o Oxigénio, impedindo-os de interferirem na formação dos nódulos.(2)
Pode também ser adicionado um inoculante, normalmente um composto de Fe-Si, tão tarde quanto possível, com o objectivo de promover a formação de germes heterogéneos para melhorar a precipitação da Grafite.(2)
Estas adições evitam a grafitização primária e transformam o Ferro Fundido Cinzento em Ferro Fundido Branco.
O seu efeito cessa após alguns minutos de modo que controlando-se a composição do Ferro Fundido, a temperatura no momento da adição, o tempo decorrido até ao vazamento e a velocidade de esfriamento do molde é possível obter uma grafitização com a formação directa de nódulos.(2)
As propriedades excepcionais de engenharia dos Ferros Fundidos Dúcteis devem-se à presença dos nódulos esféricos de Grafite na sua estrutura interna, tal como se pode observar nas imagens 02 e 03.
A existência de uma matriz relativamente dúctil entre os nódulos permite que ocorra uma deformação significativa sem fractura.(1)
Alterando os parâmetros atrás expostos, podem obter-se outras estruturas de vazamento, com matrizes totalmente ferríticas ou perlíticas, por adição de elementos de liga.
Também se podem efectuar tratamentos térmicos subsequentes para alterar a estrutura de “olho-de-boi” e consequentemente as propriedades mecânicas dos Ferros Fundidos Dúcteis vazados.(1)
4 Conclusões
4.1- Características Mecânicas
Como atrás referimos, segundo as Normas ASTM A536, este Ferro será identificado como sendo da classe 80-55-06 - Pearlitic Ductile Iron.(3)
Podemos pois conhecer algumas das suas caracteristícas mecânicas, sendo que a codificação da classe 80-55-06 nos informa:
Tensão de Rotura : Valor 80 ksi ou 552 MPa Tensão de Cedência : Valor 55 ksi ou 380 MPa
Alongamento à Rotura: Valor 06 = 6% alongamento em 51mm
4.2- Aplicações do Material
Devido à presença da Grafite, é um material recomendado para peças sujeitas a fortes contactos, com necessidade de autolubrificação.
Exemplo: As uniões das lagartas metálicas dos Tractores.
Pelas suas características de boa vasabilidade, é recomendado para peças sujeitas a esforços medianos mas de concepção sólida difícil em aço maquinado.
Exemplo: Rodas dentadas para Caixas de Velocidades, para relações de baixo binário.
Peças de concepção difícil em bloco ou por forjamento, mas que podem ser fácilmente moldadas.
Exemplo: Charruas agrícolas
4.3- Conclusão final
Lista de Referências
(1) Smith, William F. - Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais
(2) Colpaert, Hubertur - Metalografia dos Produtos Siderúrgicos comuns
(3) Metals Handbook Ninth Edition, Volume 9 Metallography and Microstructures
Bibliografia
Smith, William F. - Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (1) 3ª Edição, McGraw Hill, Lisboa, 1998
Colpaert, Hubertur - Metalografia dos Produtos Siderúrgicos comuns (2) Editora Edgard Blucher Ltda, 1969
Metals Handbook Ninth Edition, Volume 9 Metallography and Microstructures (3) American Society for Metals, 1985
Apontamentos da Cadeira de Química dos Materiais 1º Ano (4)
ISEP, 2004
Santos, Adriano - Regras para a elaboração de Relatórios (5)
