UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS - CCT PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

Tí

tulo

A crescente demanda por alto desempenho, baixos

níveis de emissão de poluentes, e maior economia

de combustível, exige materiais mais resistentes e

leves para a construção de blocos e cabeçotes de

motor. Para conciliar e satisfazer essas exigências

aumentou-se a pressão de explosão na câmara de

combustão, o que resultou em maiores níveis de

tensão, nos quais os materiais tradicionalmente

utilizados não conseguem mais cumprir esse critério.

Assim, para a correta avaliação dessas condições a

aplicação de ensaios não destrutivos se expande.

Esses permitem desde a determinação e

caracterização de falha e defeitos até a identificação

e correlação de microestruturas, bem como a

estimativa de propriedades físicas.

Este estudo tem por objetivo avaliar dois métodos

de ensaios não destrutivos (ultrassom e frequência

de ressonância) através da determinação do módulo

de elasticidade e do amortecimento de vibrações

para amostras com variação de morfologia da grafita

e seções de parede fina dos blocos de motor.

Orientador: Dr. WILSON LUIZ GUESSER

Coorientador: Dr. LUIZ VERIANO OLIVEIRA DALLA

VALENTINA

JOINVILLE, 2015

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

–

UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS - CCT

PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

LAURA PIRES RIBEIRO MARTINS

JOINVILLE, 2015

2015

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DOS

FERROS FUNDIDOS PELOS MÉTODOS DE

LAURA PIRES RIBEIRO MARTINS

AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DOS FERROS FUNDIDOS PELOS MÉTODOS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS: ULTRASSOM E FREQUÊNCIA DE

RESSONÂNCIA

Dissertação apresentada ao Curso de Pós-graduação em Ciências e Engenharia dos Materiais, da Universidade do Estado de Santa Catarina, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciências e Engenharia dos Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Wilson Luiz Guesser

Coorientador: Prof. Dr. Luiz Veriano Dalla Valentina

M386a Martins, Laura Pires Ribeiro

Avaliação das propriedades físicas dos ferros fundidos pelos métodos de ensaios não destrutivos: ultrassom e frequência de

ressonância / Laura Pires Ribeiro Martins. – 2015.

201 p. : il. ; 21 cm

Orientador: Wilson Luiz Guesser

Coorientador: Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina Bibliografia: 194- 201 p.

Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado de

Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2015.

1. Ciência dos materiais. 2. Metais. 3. Ferro fundido. 4. Propriedades físicas.

I. Guesser, Wilson Luiz. II. Valentina, Luiz Veriano Oliveira Dalla. III. Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais. IV. Título.

“Aos meus familiares, amigos e demais que

acreditaram em mim, quando eu não mais

AGRADECIMENTOS

“Dos caminhos percorridos, dos desafios superados, das batalhas vencidas, nada adianta se permaneceres só. Dentre os louros e as glórias, nada resta se estiveres novamente só. Digno é aquele que diante da derrota permanece, acredita e agradece. Nenhuma vitória será a mais exaltada do que aquela que foi compartilhada. Sábios àqueles que valorizam além das palavras, os atos e os homens. A gratidão só existe quando ambos sabem, se respeitam e vivem, pois essa é a dádiva dos humildes e o significado da humanidade.”

Eu homenageio assim as pessoas que foram além da jornada, permaneceram e suportaram as adversidades impostas, muitas vezes por mim. Agradeço àqueles que dividiram muito mais do que lembranças, mas compartilharam comigo seu maior tesouro, o conhecimento. Minha vitória somente estará completa quando vocês receberem o meu mais sincero

“obrigada”.

Muito obrigada:

Os meus familiares, por me incentivarem a percorrer essa jornada.

Aos amigos que fiz, que foram e os que ficaram, aqueles que direta ou indiretamente estiveram presentes.

Ao meu orientador e coorientador por guiarem os meus passos e estudos.

Ao Grupo Tupy, em especial ao Ailton, Hugo, Nelson, Moacir, Geraldo e Alisson, demais profissionais do laboratório de materiais e processos metalúrgicos, por todo o conhecimento compartilhado.

À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC,

RESUMO

MARTINS, Laura Pires Ribeiro Martins. Avaliação das propriedades físicas dos ferros fundidos pelos métodos de ensaios não destrutivos: ultrassom e frequência de ressonância. 2015. Dissertação (Mestrado em Ciência eEngenharia de Materiais – Área: Metais) – Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2015.

Para essas análises, verificaram-se as condições e dificuldades dos ensaios não destrutivos quanto à geometria e acabamento dos corpos de prova e fatores ligados à microestrutura. Durante esse estudo, o ensaio de ultrassom destacou-se por ser mais eficaz na medição local do módulo de elasticidade para essas amostras. Assim, para as condições de caracterização de microestrutura, avaliação das propriedades, e identificação e determinação de defeitos, o ultrassom configura ser a técnica mais eficaz para estudos científicos (amostras com geometria regular) e aplicação direta na indústria (seções finas dos blocos de motor).

ABSTRACT

MARTINS, Laura Pires Ribeiro Martins. Evaluation of physical properties of cast iron by non-destructive testing: ultrasound and resonant frequency. 2015. Dissertation (Master Course in Science and Materials Engineering – Area: Metals) - University of State of Santa Catarina, Post-Graduation Program in Science and Materials Engineering, Joinville, 2015.

these samples. Thus, for the conditions of microstructure characterization, evaluation of properties and identification and determination of defects, ultrasound set to be more effective technique for scientific studies (samples with regular geometry) and direct application in the industry (thin sections of engine blocks ).

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1- Microestrutura do ferro fundido cinzento, classe FC-250, revelando: (a) morfologia da grafita (sem ataque, 100x) e (b) a matriz (com ataque, 100x). ... 30 Figura 2- Microestrutura do ferro fundido nodular, classe FE-70002: (a) morfologia da grafita, sem ataque 100x e (b) estrutura da matriz, com ataque 100x. ... 32 Figura 3- Micrografia do ferro fundido vermicular, classe FV-450. (a) Morfologia da grafita, 100x. (b) Matriz metálica com ataque, 100x. ... 35 Figura 4- Sete tipos de grafita estabelecidos pela norma ASTM

A 247. Tipo I e II – grafita nodular, III – maleável, IV –

vermicular, V- sem definição, VI – grafita explodida e VII –

grafita lamelar. ... 39 Figura 5- Comparação das características de vibrações para as ligas ferrosas. ... 50 Figura 6- Esquema de funcionamento do ensaio de ultrassom pelo sistema de pulso-eco. ... 61 Figura 7- Direção e forma de propagação das ondas longitudinais e transversais. ... 62 Figura 8- Quatro tipos de indicação de defeitos detectados por ensaio de ultrassom em peças fundidas. ... 66 Figura 9- Excitação de barras delgadas para a medição: (a) da frequência flexional e (b) da frequência torcional. ... 70 Figura 10- Esquema do aparato experimental utilizado no ensaio de frequência de ressonância. ... 71 Figura 11- Típico espectro de ressonância. ... 73 Figura 12- Espectros de frequência para avaliação de defeitos. (a) Espectro padrão sem defeitos, (b) espectro com pequeno defeito e (c) espectro referente a uma amostra com uma trinca grande. ... 74

Figura 13 – Curva tensão-deformação: (a) regime linear

elástico e (a) regime não-linear elástico. ... 78

Figura 15- Ensaio de ultrassom realizado nas regiões de parede

fina do bloco de motor. ... 81

Figura 16- Variações para a análise do ensaio de frequência de ressonância, (a) Flexo-torção; (b) flexão simples; (c) flexão longitudinal. ... 82

Figura 17- Suporte para amostras de pequeno porte e captador acústico. ... 83

Figura 18- Ilustração do ensaio flexional para amostras de pequeno porte. ... 84

Figura 19- Sonelastic ® – software e componentes. ... 85

Figura 20- (a) “Bloco Y” e (b) corpos de prova em ferro fundido nodular. ... 87

Figura 21- (a) Pinos e (b) corpos de prova em ferro fundido cinzento. ... 88

Figura 22- (a) Blocos Y e (b) corpos de prova para a caracterização das propriedades físicas e estudos dos defeitos em ferro fundido vermicular ... 90

Figura 23- Bloco em FC-250, região e amostra – 1. ... 91

Figura 24- Bloco em FC-250, regiões e amostras – 2 e 3. ... 92

Figura 25- Bloco em FC-250, região e amostra – 4. ... 92

Figura 26- Bloco em FC-250, regiões e amostras – 5, 6, 7, 8 e 9. ... 93

Figura 27- Amostras1, 2 e 3 para ensaios não destrutivos – FC250. ... 94

Figura 28- Amostras 4 e 5 para ensaios não destrutivos – FC250. ... 94

Figura 29- Amostras6, 7, 8 e 9 para ensaios não destrutivos – FC250. ... 94

Figura 30- Bloco em FV-450, regiões e amostras – 1 e 2. ... 95

Figura 31- Bloco em FV-450, região e amostra – 3. ... 96

Figura 32- Bloco em FV-450, regiões e amostras – 4 e 5. ... 96

Figura 33- Bloco em FV-450, regiões e amostras – 6 ,7 e 8. .. 97

Figura 35- Amostras 4 e 5 para ensaios não destrutivos –

FV450. ... 98

Figura 36- Amostras6, 7 e 8 para ensaios não destrutivos –

Figura 52- Determinação do módulo de elasticidade (_𝐸0) por Metzloff e Loper Jr (2001) para as amostras em ferro fundido cinzento. ... 121 Figura 53- Relação entre os módulos de elasticidade medidos pelo ultrassom, frequência de ressonância e ensaio tração para as amostras de ferro fundido cinzento. ... 123 Figura 54- Correlação entre o limite de resistência e o módulo de elasticidade avaliada pelas três técnicas de ensaio. ... 124 Figura 55- Relação entre a dureza Brinell e o módulo de elasticidade através das três técnicas de ensaio. ... 125 Figura 56-. Relação entre a área da grafita (%) e o módulo de elasticidade medidas pelas três técnicas de ensaio. ... 126 Figura 57- Relação entre o número de células eutéticas e módulo de elasticidade para as três técnicas de ensaio. ... 126

Figura 58- Capacidade de amortecimento, ψ, avaliada pelas

Figura 66- Relação entre os módulos de elasticidade medidos pelo ultrassom, frequência de ressonância e ensaio tração para as amostras de ferro fundido vermicular. ... 140

Figura 67- Determinação do módulo de elasticidade _𝐸0 para as

amostras de ferro fundido vermicular. ... 141 Figura 68- Comparação entre os métodos de ensaios não destrutivos. ... 142

Figura 69- A capacidade de amortecimento de vibrações (ψ)

através do ensaio de frequência de ressonância. Amostras da

posição inferior – isentas de porosidades. Amostras da posição

superior – algumas microporosidades. ... 144

Figura 70- Resultados das propriedades físicas para a variação da morfologia da grafita através do ensaio de frequência de ressonância. ... 148 Figura 71- Micrografias da amostra extraída da região do

encosto do mancal – sem e com ataque químico, nital 3%.

Aumento (a) 100x e (b) 500x. ... 152

Figura 72- Micrografias da amostra extraída da seção 1 – sem e

com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 153

Figura 73- Micrografias da amostra extraída da seção 2 – sem e

com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 154

Figura 74- Micrografias da amostra extraída da seção 3 – sem e

com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 155

Figura 75- Micrografias da amostra extraída da seção 4 – sem e

com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 155

Figura 76- Micrografias da amostra extraída da seção 5 – sem e

com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 156

Figura 77- Micrografias da amostra extraída da seção 6 – sem e

com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 156

Figura 78- Micrografias da amostra extraída da seção 7 – sem e

com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 157

Figura 79- Micrografias da amostra extraída da seção 8 – sem e

com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 157

Figura 80- Micrografias da amostra extraída da seção 9 – sem e

Figura 81- Comparação entre as técnicas de ensaio para

avaliação do módulo de elasticidade. ... 160

Figura 82- Localização da seção 2 no bloco de motor. ... 161

Figura 83- Localização da seção 3 no bloco de motor. ... 161

Figura 84- Localização da seção 4 no bloco de motor. ... 162

Figura 85- Localização das seções 7 a 9 no bloco de motor. 162 Figura 86- Relação entre módulo de elasticidade e as espessuras das amostras extraídas do bloco de motor. ... 164

Figura 87- Relação entre módulo de elasticidade e a variação de espessura entre as amostras das seções planas. ... 166

Figura 88- Relação entre o módulo de elasticidade e a área da grafita (%) para as seções planas. ... 167

Figura 89- Relação entre o módulo de elasticidade e o módulo de células eutéticas para as amostras planas. ... 167

Figura 90- Relação entre a área da grafita e o número de células eutéticas para as seções planas. ... 168

Figura 91- Relação entre área da grafita e a variação de espessura das seções planas. ... 169

Figura 92- Relação entre o número de células eutéticas e a variação de espessura entre as amostras cortadas (seções planas) ... 169

Figura 93- Micrografia da seção do mancal – sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 173

Figura 94- Micrografias da seção 1 - sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 173

Figura 95- Micrografias da seção 2 - sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 174

Figura 96- Micrografias da seção 3 - sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 174

Figura 97- Micrografias da seção 4 - sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 175

Figura 98- Micrografias da seção 5 - sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 176

Figura 100- Micrografias da seção 7 - sem e com ataque

químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 177

Figura 101- Micrografias da seção 8 - sem e com ataque químico, nital 3%. Aumento 100x. ... 178

Figura 102- Comparação entre as técnicas de ensaio para avaliação do módulo de elasticidade. ... 180

Figura 103- Ensaio de ultrassom realizado na seção 1. ... 181

Figura 104- Ensaio de ultrassom realizado na seção 5. ... 181

Figura 105- Seções 6, 7 e 8 no bloco de motor. ... 182

Figura 106- Relação entre o módulo de elasticidade e a espessura de parede para as amostras extraídas do bloco. .... 184

Figura 107- Relação entre módulo de elasticidade e a variação de espessura entre as amostras das seções planas. ... 185

Figura 108- Relação entre o módulo de elasticidade e o grau de nodularização para as amostras planas. ... 186

Figura 109- Relação entre a quantidade de perlita da matriz e a espessura das amostras. ... 187

LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Fatores que afetam as propriedades mecânicas. ... 42 Tabela 2- Propriedades mecânicas para amostras em ferro fundido cinzento, barras com 30 mm de diâmetro. ... 45 Tabela 3- Propriedades típicas para os ferros fundidos nodulares. ... 47 Tabela 4- Relação das vantagens e desvantagens dos métodos para medição do módulo de elasticidade. ... 49 Tabela 5- Resumo das vantagens e limitações do ensaio de ultrassom. ... 60 Tabela 6- Composição química do ferro fundido nodular. ... 87 Tabela 7- Composição química do ferro fundido cinzento. .... 89 Tabela 8- Composição química das amostras em ferro fundido vermicular. ... 90 Tabela 9- Análise metalográfica para a amostra de ferro fundido nodular. ... 100 Tabela 10- Resultados do ensaio de tração para as amostras de ferro fundido nodular. ... 104 Tabela 11- Resultados da velocidade ultrassônica e

determinação do módulo de Young para as amostras de ferro

Tabela 17- Resultados da frequência de ressonância para as amostras de ferro fundido cinzento. ... 123 Tabela 18- Resultados para o amortecimento através do método de frequência de ressonância para as amostras de ferro fundido cinzento. ... 128 Tabela 19- Análise metalográfica das amostras de ferro fundido vermicular. ... 135 Tabela 20- Resultados do ensaio de tração para as amostras de ferro fundido vermicular. ... 138 Tabela 21- Resultados para o ensaio de ultrassom das amostras de ferro fundido vermicular. ... 138

Tabela 22- Resultados da frequência de ressonância para as

amostras de ferro fundido vermicular. ... 139 Tabela 23- Resultados para o amortecimento através do método de frequência de ressonância. ... 143 Tabela 24- Análise metalográfica para as amostras do bloco de motor em FC-250. ... 151 Tabela 25- Resultados do ensaio de tração para amostras: do mancal e a 61J. ... 159 Tabela 26- Resultados do ultrassom para amostras: do mancal e a 61J. ... 159 Tabela 27- Resultados da frequência de ressonância para amostras: do mancal e a 61J. ... 160 Tabela 28- Resultados do ultrassom para a análise realizada no bloco de motor ... 163 Tabela 29- Resultados do ultrassom para as 9 seções extraídas do bloco de motor. ... 163 Tabela 30- Resultados do ultrassom para as 9 seções

“planificadas”. ... 165

Tabela 34- Resultados do ensaio de ultrassom para amostras: mancal e 11. ... 180 Tabela 35- Resultados do ensaio de frequência de ressonância para amostras: do mancal e a 11. ... 180 Tabela 36- Resultados do ultrassom para a análise realizada no bloco de motor. ... 182 Tabela 37- Resultados do ultrassom para as amostras extraídas do bloco de motor. ... 183 Tabela 38- Resultados do ultrassom para as 8 seções

“planificadas”. ... 185

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

𝑀𝑛– manganês 𝑆– enxofre 𝑃– fósforo 𝑇𝑖– titânio 𝑆𝑏– antimônio 𝑆𝑛– estanho 𝐶𝑢– cobre 𝐶𝑟– cromo 𝑀𝑜– molibdênio 𝐶– carbono

𝐶𝐸– carbono equivalente 𝑆𝑖– silício

𝑀𝑔– magnésio 𝐶𝑒– cério 𝑂– oxigênio

𝐸 – módulo de Young / elasticidade

𝐺 – módulo de cisalhamento 𝜇– coeficiente de Poisson 𝐿𝐸– tensão de escoamento 𝑁𝐷𝑇– non-destructive testing 𝐸𝑁𝐷– ensaios não destrutivos 𝜆– comprimento de onda 𝑓– frequência

𝑉– velocidade

𝐶𝑖𝑗– constante elástica 𝜌– densidade

𝑉𝐿– velocidade longitudinal 𝑉𝑇 – velocidade transversal

RUS – ressonante ultrasound spectroscopy 𝜎𝑡– verdadeiro espaçamento interlamelar 𝐷– espaço percorrido

𝑣– velocidade 𝑡– tempo

𝐿𝑅– limite de resistência

𝐿𝐸 0,2% - limite de escoamento à 0,2% de deformação

𝐻𝐵– dureza Brinell

χ – média

𝑠– desvio padrão

𝜁– fator de amortecimento 𝛿– decremento logarítmico ψ – capacidade de amortecimento

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 25 OBJETIVOS ... 27 1.1

1.1.1 Objetivos específicos ...27 2 FERROS FUNDIDOS ... 28 CLASSIFICAÇÃO ... 29 2.1

2.1.1 Ferro fundido cinzento ...30 2.1.2 Ferro fundido nodular ...32 2.1.3 Ferro fundido vermicular ...34 INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA ... 36 2.2

MORFOLOGIA DA GRAFITA ... 38 2.3

MATRIZ ... 39 2.4

PROPRIEDADES FÍSICAS... 40 2.5

2.5.1 Módulo de elasticidade ...43 2.5.2 Amortecimento de vibrações ...48 3 BLOCO DE MOTOR DE PAREDE FINA... 53 SEÇÕES FINAS ... 54 3.1

3.1.1 Ferro fundido cinzento vs. vermicular ...54 4 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS ... 58 ULTRASSOM ... 59 4.1

4.1.1 Conceitos físicos ...61 4.1.2 Caracterização de microestruturas ...63 4.1.3 Detecção de falhas ...65 FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA... 66 4.2

5.1.1 Metalografia e microscopia eletrônica de varredura ... 76 5.1.2 Ensaio de tração e dureza ... 77 5.1.3 Ultrassom ... 80 5.1.4 Frequência de ressonância ... 82 MATERIAIS ... 86 5.2

5.2.1 Estudo das propriedades físicas através da variação da morfologia da grafita ... 86 5.2.2 Avaliação das propriedades e microestruturas das seções de parede fina para os blocos de motor ... 90 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 99

ESTUDO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS

6.1

ATRAVÉS DA VARIAÇÃO DA MORFOLOGIA DA GRAFITA ... 99

6.1.1 Grafita nodular ... 99 6.1.2 Grafita lamelar ... 115 6.1.3 Grafita vermicular ... 135 6.1.4 Comparação entre as morfologias de grafita147

AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES E

6.2

MICROESTRUTURAS DAS SEÇÕES DE PAREDE FINA PARA OS BLOCOS DE MOTOR ... 150

6.2.1 Ferro fundido cinzento ... 150 6.2.2 Ferro fundido vermicular ... 171 6.2.3 Considerações parciais para os estudos de parede fina ... 188 7 CONCLUSÃO ... 190 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .. 192 7.1

1 INTRODUÇÃO

A crescente demanda por alto desempenho, baixos níveis de emissão de poluentes, e maior economia de combustível, exige materiais mais resistentes e leves para a construção de blocos e cabeçotes de motor. Para conciliar e satisfazer essas exigências aumentou-se a pressão de explosão na câmara de combustão, o que resultou em maiores níveis de tensão, nos quais os materiais tradicionalmente utilizados não conseguem mais cumprir esse critério. Assim, para a correta avaliação dessas condições a aplicação de ensaios não destrutivos se expande. Esses permitem desde a determinação e caracterização de falha e defeitos até a identificação e correlação de microestruturas, bem como a estimativa de propriedades físicas.

A fundição de toda e qualquer peça requer a especificação das propriedades do material de acordo com sua aplicação. Isso é feito por meio de análises químicas, metalúrgicas e mecânicas. O controle de qualidade dos ferros fundidos é crítico, pois pequenas variações do processo

influenciam diretamente na microestrutura e

consequentemente, nas propriedades mecânicas. Os métodos clássicos, de ensaios mecânicos, apresentam dificuldades em expressar seus valores reais, uma vez que esses métodos são destrutivos, trabalhosos e demorados, a análise de 100% das peças torna-se elevada (COSSOLINO e PEREIRA, 2012). Assim, o desenvolvimento de ensaios não destrutivos permite a identificação do material, que no caso dos ferros fundidos é possível discernir a forma da grafita e o grau de nodularização, o que torna o controle de qualidade mais eficiente (GUESSER, 2009); (GÜR e AYDINMAKINA, 2001).

dependentes da composição química, da microestrutura e dos defeitos presentes. Esses podem ser caracterizados por métodos quase-estáticos ou dinâmicos. Os métodos quase-estáticos ou isotérmicos são baseados em ensaios mecânicos usualmente destrutivos e os dinâmicos ou adiabáticos em técnicas não destrutivas, como a frequência de ressonância e ultrassom (COSSOLINO e PEREIRA, 2012); (ATCP, 2011).

OBJETIVOS 1.1

Avaliar dois métodos de ensaios não destrutivos: ultrassom e frequência de ressonância, através da caracterização e correlação das propriedades físicas (módulo de elasticidade e amortecimento) para os ferros fundidos com variação de morfologia da grafita. As técnicas escolhidas visão aplicação direta na indústria.

1.1.1 Objetivos específicos

 Analisar a influência da microestrutura dos

ferros fundidos nodulares (FE 45012 e FE 70002) - variação do grau de nodularização e porcentagem de perlita na matriz e quantidade de nódulos por unidade de área- sobre as propriedades físicas e mecânicas;

 Avaliar e comparar o comportamento das

propriedades mecânico-físicas para as amostras de ferro fundido cinzento (FC 300) com adição de elementos de liga e FC 250, através do refino da grafita e da matriz perlítica;

 Determinar a sensibilidade das propriedades

estudadas a partir da adição de molibdênio ao ferro fundido vermicular, FV 450, diante da variação do grau de nodularização e refino da microestrutura. Além disso, busca-se identificar e relacionar a presença de defeitos ao comportamento dessas propriedades;

2 FERROS FUNDIDOS

As ligas ferrosas representam um dos mais complexos sistemas de ligas. O ferro fundido é uma liga à base de ferro, carbono e silício; com carbono a partir de 2,11%, silício entre 1 e 3%, e que pode conter outros elementos químicos (Mn, S e P em baixos teores) e ainda permite a adição de várias quantidades elementos de ligas como Ti, Sb, Sn, Cu, Cr, Mo. Esse material designa um grupo com certas particularidades, no qual pequenas alterações de composição química e processo de fundição afetam suas propriedades resultantes e características de fabricação. (BELAN, 2010); (GUESSER, 2009);

(GOODRICH, 2003); (STEFANESCU, 1998);

(STEFANESCU, 1988).

Os ferros fundidos podem ser divididos em cinco tipos genéricos com base na forma de precipitação do carbono: branco, maleável, cinzento, nodular (dúctil) e vermicular. Seus tipos não podem ser classificados segundo sua composição química, uma vez que os intervalos de análise se sobrepõem. No entanto, a forma com que o excesso de carbono se precipita (grafita ou carboneto) resulta em características peculiares (por exemplo, a aparência da fratura, morfologia da grafita, etc.). Apresentam ainda uma grande variabilidade microestrutural e uma vasta gama de propriedades resultantes dependentes da composição química, condições de solidificação e tratamento

térmico (GUESSER, 2009); (GOODRICH, 2003);

(STEFANESCU, 1998); (STEFANESCU, 1988).

(GUESSER, 2009); (STEFANESCU, 1998); (STEFANESCU, 1988).

Como este estudo busca a determinação das propriedades físicas para os ferros fundidos, ressalta-se a importância de um conhecimento sobre os mesmos, o que envolve suas classes, microestrutura e propriedades.

CLASSIFICAÇÃO 2.1

Os ferros fundidos contêm geralmente de 2,5 a 3,8% de C e uma variedade de elementos de liga (STEFANESCU, 1998). Esses possuem uma microestrutura e propriedades específicas que se diferem das demais ligas, pois ocorre a precipitação de grafita ou cementita durante a solidificação. Isto ocorre na reação eutética, a qual pode ser estável (precipitação de grafita) ou metaestável (formação de cementita) (ELLIOTT, 1998). A formação dessas fases depende da natureza e do tratamento que é dado ao metal líquido, como por exemplo, o potencial de grafitização (composição química da liga), tratamento de inoculação e a taxa de resfriamento (GUESSER, 2009); (WESSÉN e SVENSSON, 2004); (ELLIOTT, 1998).

2.1.1 Ferro fundido cinzento

Os ferros fundidos cinzentos (Figura 1) são os mais utilizados na engenharia com finalidades variadas. O seu nome remete à cor característica da superfície da fratura. A grafita, por sua vez, apresenta-se como partículas isoladas, porém configura-se na forma de um esqueleto em cada célula eutética (GUESSER, 2009); (ELLIOTT, 1998). As propriedades mecânico-físicas são determinadas pelo tamanho, forma, distribuição e quantidade de grafita lamelar. Estas características são determinadas tanto pela composição química (principalmente a quantidade de carbono equivalente) e pelas taxas de resfriamento (WESSÉN e SVENSSON, 2004); (GOODRICH, 2003); (ELLIOTT, 1998).

Figura 1- Microestrutura do ferro fundido cinzento, classe FC-250, revelando: (a) morfologia da grafita (sem ataque, 100x) e (b) a matriz (com ataque, 100x).

(a) (b) Fonte: Autoria própria.

ponto de concentração de tensões. Entretanto, sua presença pode proporcionar características peculiares e bem apreciadas para esse material. Essa confere boa usinabilidade; por atuar como lubrificante, mesmo para materiais com níveis consideráveis de dureza e de resistência ao desgaste; garante estabilidade dimensional sobre aquecimento, como em tambores de freio e discos, e apresenta alto amortecimento de vibração, como nos casos de transmissão de energia (GUESSER, 2009); (WESSÉN e SVENSSON, 2004); (GOODRICH, 2003); (ELLIOTT, 1998).

A composição química, também, se destaca na análise das propriedades do ferro fundido cinzento. A maior parte do carbono está presente na forma de grafita, seu aumento de quantidade em decorrência do aumento da quantidade de carbono na estrutura diminui o limite de resistência e a dureza do cinzento, mas aumenta outras características desejáveis, mencionadas anteriormente. Um apreciável teor de silício se faz necessário, pois esse elemento promove a precipitação da grafita no ferro fundido. Esse contribui, também, para as propriedades, o qual mantém níveis moderados de dureza mesmo em condição de totalmente recozido, e isto assegura excelente usinabilidade. Além disso, confere resistência à corrosão e à oxidação em temperaturas elevadas (GOODRICH, 2003).

Outro fator que ainda deve ser considerado é a influência da espessura efetiva da seção a ser moldada. A solidificação mais lenta produz maiores tamanhos de veios de grafita, o que reduz as propriedades relacionadas à resistência, pois longos veios tornam-se propagadores de trincas. As peças fundidas com consideráveis diferenças de espessuras podem apresentar variações de tamanho de grafita e dureza da matriz entre essas seções e assim, produzem diferentes propriedades mecânicas (GOODRICH, 2003).

devido à elevada condutividade térmica. Também, são amplamente utilizados em bases de máquinas e discos de freio, por conta da capacidade de amortecimento às vibrações. Seu uso em bloco de motor e carcaças é motivado pela sua resistência mecânica, em particular a resistência à fadiga (GUESSER, 2009).

2.1.2 Ferro fundido nodular

O ferro fundido nodular apresenta a grafita na forma esferoidal (Figura 2) como o resultado do tratamento feito com magnésio. Este atua na desoxidação e dessulfuração do banho e no controle do crescimento da grafita nodular. Contudo, o excesso de magnésio pode promover aumento da quantidade de escória (óxidos e sulfetos), bem como de carbonetos. Por isso, foram desenvolvidas técnicas de controle de processo, uma vez que a introdução de certos elementos em baixas quantidades interfere na formação dos nódulos (GOODRICH, 2003).

Figura 2- Microestrutura do ferro fundido nodular, classe FE-70002: (a) morfologia da grafita, sem ataque 100x e (b) estrutura da matriz, com ataque 100x.

Os nodulares são apreciados devido à ductilidade apresentada com elevados valores de resistência mecânica. Por causa da forma esferoidal da grafita, as propriedades desse material são principalmente dependentes da estrutura da matriz, e em menor grau do teor de carbono ou de silício. A grafita constitui cerca de 10% de volume total e a sua forma esférica minimiza o efeito sobre as propriedades mecânicas em comparação com o efeito que é produzido pela grafita lamelar. A grafita produzida comercialmente nem sempre são esferas perfeitas e naturalmente, grandes degenerações de forma podem influenciar as propriedades mecânicas. A diferença entre as várias classes de ferro fundido nodular é devido à variação microestrutural da matriz (GUESSER, 2009); (GOODRICH, 2003).

A matriz pode variar com a composição química, processamento e taxa de resfriamento. Todas as formas da matriz são obtidas através de um tratamento térmico ou através da adição de elementos de liga. Uma ampla faixa de propriedades mecânicas pode ser obtida através da variação da matriz, com valores de até 900 MPa com até 2% de alongamento para matrizes perlíticas. Grande parte do nodular de alta resistência é moderadamente ligado para formar uma matriz perlítica bruta de fundição (GOODRICH, 2003).

peça após vazamento ou por tratamento térmico posterior (GOODRICH, 2003).

O ferro fundido nodular tem menor sensibilidade ao efeito da seção do que outros tipos de ferro fundido. No entanto, as seções muito finas podem se solidificar com um pouco de carboneto de ferro ou como branco, a menos que as precauções com a inoculação e composição sejam tomadas. A matriz e até mesmo a estrutura de grafita, podem ser afetados em seções muito pesadas devido ao resfriamento muito lento. (GOODRICH, 2003).

As típicas aplicações do ferro fundido nodular incluem girabrequins, eixos de comandos de válvulas, carcaças, componentes hidráulicos, cálipers e suportes de freio,

engrenagens coletores de exaustão, carcaça de

turbocompressores, peças de suspensão de veículos e etc (GUESSER, 2009).

2.1.3 Ferro fundido vermicular

O ferro fundido vermicular (ou de grafita compacta - Figura 3) surgiu durante o desenvolvimento do ferro fundido nodular, quando quantidades insuficientes de magnésio ou cério eram adicionadas ao banho, e a grafita formada possuía

uma condição compacta, na forma de “vermes”.

Posteriormente, adicionou-se uma pequena quantidade de titânio, o qual aumentou a faixa de teor de magnésio que produz grafita vermicular, o que permitiu aumentar a reprodutibilidade do processo. Atualmente, a tecnologia de

produção é amplamente difundida (DAWSON e

SCHROEDER, 2004); (GOODRICH, 2003); (GUESSER, SCHROEDER e DAWSON, 2001).

isso, têm-se propriedades e características intermediárias entre os ferros fundidos cinzentos e nodulares, por exemplo: boa fundibilidade atrelada à elevada resistência e ductilidade (GUESSER, 2009); (DAWSON e SCHROEDER, 2004); (GOODRICH, 2003); (DAWSON e SCHROEDER, 2000); (SINTERCAST, 2000); (DAWSON, 1999).

Figura 3- Micrografia do ferro fundido vermicular, classe FV-450. (a) Morfologia da grafita, 100x. (b) Matriz metálica com ataque, 100x.

(a) (b) Fonte: Autoria Própria.

O fator mais importante na determinação das

propriedades mecânicos-físicas dos ferros fundidos

2004); (GOODRICH, 2003); (GUESSER, SCHROEDER e DAWSON, 2001); (DAWSON e SCHROEDER, 2000); (DAWSON, 1999).

O teor de carbono equivalente (CE), também exerce influencia sobre o vermicular, o qual altera o tamanho, a forma e o número de partículas de grafita, além disso, é um fator determinante para as propriedades mecânicas. A fim de otimizar a fluidez e a contração, é geralmente útil aumentar o teor de carbono equivalente para a composição eutética, embora isso promova a formação de nódulos, principalmente nas seções de resfriamento mais rápido. Deste modo, exige-se um maior controle de processo para garantir que as áreas críticas de peças complexas estejam dentro da faixa de 0-20%

nodularidade (DAWSON e SCHROEDER, 2004);

(GOODRICH, 2003); (GUESSER, SCHROEDER e

DAWSON, 2001).

A combinação dessas condições permite obter elevada resistência com certa ductilidade e boa condutividade térmica e tem tornado esse material atraente para um número de aplicações de engenharia, particularmente para peças que suportaram ciclos térmicos, tais como cabeçotes de motores, blocos de motor, e os componentes de frenagem (GUZIK, 2010); (GUESSER, 2009); (WESSÉN e SVENSSON, 2004); (GUESSER, SCHROEDER e DAWSON, 2001).

INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA 2.2

cerca de 0,001%. Os principais elementos de ligas e suas funções são (GOODRICH, 2003):

 Silício: está presente em todos os ferros

fundidos e seu principal efeito é promover a formação de grafita, evitando assim a presença de carbonetos na solidificação. Altos teores de Si podem ser empregados para promover uma matriz ferrítica, o que resulta em um aumento na temperatura de transição de impacto. Pode, ainda, ser usado para desenvolver excelentes propriedades de resistência à oxidação e corrosão.

 Níquel: é um elemento grafitizante, diminui

assim a estabilidade do carboneto e ao mesmo tempo aumenta a estabilidade e o refino da perlita, o que provoca a elevação da resistência mecânica. Atua, também, um estabilizador de austenita.

 Cobre: é utilizado a fim de promover a formação

de perlita, age como uma barreira para a difusão de carbono a partir da austenita para grafita. Outro elemento fortemente perlitizante é estanho, que seu efeito pode ser considerando 10 vezes maior do que do cobre.

 Cromo: promove a formação de carbonetos,

tanto durante a solidificação quanto na reação eutetóide, o que aumenta a tendência de formação do ferro fundido branco. Essa condição melhora a resistência ao desgaste. Altos níveis de cromo, também retardam a oxidação e proporcionam melhor resistência à corrosão.

 O manganês e molibdénio são utilizados para

carboneto, mas não como o cromo. Molibdênio retarda a formação de perlita, promovendo, assim, ferrita. Contudo, pode ser utilizado como um refinador da perlita e promove a formação de bainita.

MORFOLOGIA DA GRAFITA 2.3

As propriedades dos ferros fundidos são dependentes de sua microestrutura. Esta se forma a partir de duas etapas distintas; primeiramente, ocorre à formação da grafita durante a solidificação e o desenvolvimento da matriz ocorre na transformação no estado sólido. O formato adquirido pela estrutura da grafita é considerado o fator de maior importancia na determinação de propriedades, uma vez que a sua morfologia não pode ser alterada significativamente após o seu

desenvolvimento, (WESSÉN e SVENSSON, 2004);

(GOODRICH, 2003); (LOPER JR., 1985).

2009); (SJÖGREN, 2007); (LI, GRIFFIN e BATES, 2005); (WESSÉN e SVENSSON, 2004); (GOODRICH, 2003); (ELLIOTT, 1998); (CECH, 1990).

MATRIZ 2.4

A microestrutura apresentada pela matriz dos ferros fundidos, de modo geral, é muito semelhante à dos aços (ferrita, perlita, martensita, etc.), mas em adição possui a presença de partículas ou um esqueleto de grafita (GUESSER, 2009). Essa é fortemente influenciada pela composição química da liga, na qual alguns elementos propiciam a formação da matriz ferrítica enquanto outros a perlítica (GUESSER, 2009); (CALLISTER JR, 2007); (ELLIOTT, 1998); (STEFANESCU, 1988).

Figura 4- Sete tipos de grafita estabelecidos pela norma ASTM A 247. Tipo

I e II – grafita nodular, III – maleável, IV – vermicular, V- sem definição,

VI – grafita explodida e VII – grafita lamelar.

A estrutura da matriz se desenvolve como um resultado da transformação da austenita durante o resfriamento. A(s) estrutura(s) que se formam dependem da composição da austenita, a forma, tamanho, distribuição do excesso de carbono (grafita ou carboneto) e a taxa de resfriamento através da região de temperatura crítica (GOODRICH, 2003). Essa estrutura tem grande influência sobre as propriedades mecânicas, como tensão de escoamento limite de resistência e

deformação (GUZIK, 2010); (GONZAGA, LANDA, et al.,

2009); (COLLINI, NICOLETTO e KONEˇCN´A, 2007). Um

número de processos térmicos tem sido desenvolvido para modificar a estrutura de matriz e assim, garantir melhores propriedades (GUESSER, 2009); (CHOU, HON e LEE, 1990); (ELLIOTT, 1998).

Ressalta-se a importância do conhecimento

aprofundado sobre as variáveis que atuam nesses mecanismos, pois permitem obter características específicas através de pequenas modificações na composição química, alterações na velocidade de resfriamento e na distribuição de grafita. Com isso, conseguem-se as mais variadas classes de materiais, alterando somente a formação da matriz metálica (GUESSER,

2009); (GOODRICH, 2003); (ELLIOTT, 1998);

(STEFANESCU, 1988).

PROPRIEDADES FÍSICAS 2.5

evoluções entre os seus estados momentâneos. Dentre essas propriedades se podem citar: densidade, expansão e condutividade térmica, calor específico, propriedades elétricas e magnéticas, e propriedades elásticas e acústicas (CALLISTER JR, 2007); (GUTHRIE e JONAS, 1990).

As propriedades físicas dos ferros fundidos, e também as propriedades mecânicas, são dependentes da forma com que o carbono se precipita e da estrutura da matriz. A precipitação do carbono durante a reação eutética, não é o fator de maior influência na resistência mecânica, mas é responsável por algumas propriedades específicas que não são encontradas nas demais ligas ferrosas (ELLIOTT, 1998). As propriedades mecânicas são fortemente influenciadas pela estrutura apresentada pela matriz, deste modo são frequentemente descritas em função dessas (GUESSER, 2009); (WESSÉN e SVENSSON, 2004); (ELLIOTT, 1998).

Diversos são os estudos para a avaliação dessas propriedades, (COOPER, ELLIOTT e YOUNG, 2004); (SJÖGREN e SVENSSON, 2004) e (CALCATERRA, CAMPANA e TOMESANI, 1999). Nessas abordagens os ferros fundidos passam a ser tratados como materiais compostos, a fim de melhor caracterizar e modelar suas propriedades. Contudo esse procedimento torna-se bastante complexo, principalmente quando se trata dos ferros fundidos cinzentos. Como a ampla faixa de propriedades existentes é decorrente da variedade morfológica da grafita e da maneira com que essa se precipita isso interfere diretamente nesse processamento matemático. A Tabela 1 traz alguns fatores que afetam as propriedades mecânicas nos ferros fundidos (WESSÉN e SVENSSON, 2004).

que buscam, não somente, compreender a interação entre a morfologia da grafita e matriz, mas também, analisá-los através de ensaios não destrutivos para o estudo das propriedades mecânicas, como: Carter (1965); Kovacts e Cole (1975); Emerson e Simmons (1976); Fuller (1977); Fuller (1980); Fuller, Emerson e Sergeant (1980); Sergeant e Fuller (1980). Após esse período, outras pesquisas tentaram mensurar as propriedades mecânicas através de ensaios não destrutivos, onde a maioria utilizou o método de ultrassom para a caracterização do módulo de elasticidade, entre as quais se pode citar: Cech (1990); Collins e Alcheikh (1995); Gür e Aydinmakina (2001); Li, Griffin e Bates (2005); Likhite, Peshwe e Pathak (2008); Belan (2010).

Tabela 1- Fatores que afetam as propriedades mecânicas.

Fator Efeitos

Forma da grafita

Formatos mais arredondados e tamanhos menores melhoram as propriedades. Este fator é controlado pelo teor de alguns elementos de liga (tais como Mg, Ce, S, O)

e a taxa de resfriamento. Elementos de

liga

Controlam o modo de solidificação (estável e metaestável), a quantidade de fases e taxa de

resfriamento. Taxa de

resfriamento

Quanto maior a taxa de resfriamento mais refinada é a fase (obtêm-se a perlita).

Defeitos

“A influência de defeitos, tais como filmes de óxidos, inclusões de escória e porosidades não pode ser

negligenciados nos ferros fundidos”.

Fonte: Adaptação de Wessén e Svensson (2004).

Dentro do grupo de pesquisa da UDESC, o primeiro estudo que buscou compreender o comportamento elástico através da resposta acústica (frequência de ressonância) foi o trabalho de conclusão de curso de Caroline Moretto, em 2013 (MORETTO, 2013). Este avaliou três tipos de ferros fundidos,

repetibilidade do equipamento quando comparado com o ensaio de tração. A partir desse foi desenvolvido o estudo atual. 2.5.1 Módulo de elasticidade

O módulo de elasticidade é uma propriedade intrínseca do material e está diretamente ligado à energia de separação dos átomos, e essa condição remete ao tipo de ligação química existente em cada material. Por isso, o módulo é a medida da rigidez, ou seja, a capacidade do material se deformar (elasticamente) sob aplicação de uma tensão (CALLISTER JR, 2007). Assim, torna-se um parâmetro fundamental de engenharia, processo e aplicação dos materiais, pois outras propriedades (mecânicas) podem ser descritas através deste (COSSOLINO e PEREIRA, 2012); (LORD e MORRELL, 2006). As propriedades elásticas mais usuais são o módulo de Young (E), de cisalhamento (G) e o coeficiente de Poisson (µ), que mede interação entre esses parâmetros, para um material homogêneo e isotrópico (CALLISTER JR, 2007).

(SJÖGREN e SVENSSON, 2004); (METZLOFF e LOPER JR, 2001); (METZLOFF e LOPER JR., 2000); (CECH, 1990).

A quantidade e a morfologia da grafita controlam em grande parte as propriedades resultantes do ferro fundido. O estudo do módulo de elasticidade permite observar sua dependência à morfologia da grafita, de modo a ter seu comportamento alterado de acordo com o arredondamento das partículas. Isso foi observado por Likhite, Peshwe e Pathak (2008) e Sjögren e Svensson (2004), que através de emissão acústica, quantificaram o aumento linear da deformação plástica com a diminuição do módulo de elasticidade, durante o regime elástico, devido à morfologia de grafita.

As propriedades elásticas do ferro fundido cinzento requerem atenção especial, porque são diferentes dos demais materiais. A grafita lamelar provoca concentrações críticas de tensão que têm um efeito mais adverso sobre as propriedades, para a qual reduz seu módulo de elasticidade para valores abaixo dos aços com matrizes similares (GUESSER, 2009). A relação entre tensão e deformação para os ferros fundidos cinzentos não é constante, devido à interrupção provocada pela grafita na matriz (LIKHITE, PESHWE e PATHAK, 2008). A histerese associada juntamente com o comportamento não linear, é causada em parte pela energia absorvida pela fricção entre as partículas de grafita e a matriz, assim como pela microplasticidade nas redondezas das partículas de grafita (GUESSER, 2009); (LIKHITE, PESHWE e PATHAK, 2008); (GOODRICH, 2003).

O módulo de elasticidade é afetado pela estrutura, composição e processamento do cinzento. Assim os aumentos do teor de carbono equivalente e do comprimento dos veios da

grafita reduzem o módulo. Esse “ainda decresce com o

fundidos cinzentos são diretamente influenciadas pelos seus módulos de elasticidade. Quando estes são baixos, são normalmente aplicados em condições em que amortecimento de vibrações é importante e ainda estão sob solicitações de choque térmico severo (GUESSER, 2009); (LI, GRIFFIN e BATES, 2005); (LOPER JR., 1985). A norma ISO185 (2005) trata da classificação dos ferros fundidos cinzentos e traz as especificações de tensão para cada classe, os valores do módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson, estes são

ilustrados na Tabela 2.

Tabela 2- Propriedades mecânicas para amostras em ferro fundido cinzento, barras com 30 mm de diâmetro.

C ar ac te rí st ic as Sí m bo lo s SI ( un .)

Designação do material

ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/ ISO 185/JL/

150 200 225 250 275 300 350

Estrutura básica Ferrítica /Perlítica Perlítica Te ns ão d e esc o am ent o LE N /m m ² 150-250 200-300 225-325 250-350 275-375 300-400 350-450 M ó du lo d e el as ti ci da de © E kN /m m ²

78-103 88-113 95-115

103-118 105-128 108-137 123-143 C o ef . P o iss o n µ

0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26

© Dependente da qualidade e forma da grafita, bem como do carregamento.

Os ferros fundidos vermiculares apresentam o módulo de elasticidade na faixa entre 130 a 160 GPa, à temperatura ambiente segundo ISO16112 (2006). A curva de tensão-deformação, a exemplo dos ferros fundidos cinzentos, desvia-se da reta desde a origem, de modo que o módulo de elasticidade pode ser determinado pelo método da tangente na origem ou da secante. O efeito da porcentagem de grafita nodular na microestrutura provoca um aumento do módulo de elasticidade. Outros fatores que também afetam o módulo de elasticidade são a espessura da peça e a quantidade de perlita na matriz, assim como nos cinzentos (GUESSER, 2009).

Os nodulares, diferentemente dos ferros fundidos cinzentos e vermiculares, apresentam uma relação tensão-deformação aproximadamente linear, mas também sofrem os efeitos da microplasticidade (METZLOFF e LOPER JR, 2001); (METZLOFF e LOPER JR., 2000). Deste modo, comumente, aplica-se o método tradicional de avaliação do módulo de elasticidade, isto é, a inclinação da reta na região elástica (GUESSER, 2009). O módulo de elasticidade é influenciado, não somente, pela quantidade de grafita, mas também, pela perfeição dos nódulos. A nodularidade afeta diretamente os efeitos da microplasticidade, pois de acordo com a redução dessa há um aumento dos efeitos da microplasticidade mesmo com baixos níveis de tensão (GUESSER, 2009); (METZLOFF e LOPER JR, 2001). Os tratamentos térmicos, também, influenciam na interação da grafita com a matriz, o que provoca uma redução no módulo (GUESSER, 2009). A especificação de valores para o módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson pode ser encontrada na ISO1083 (2004), que trata da classificação dos ferros fundidos nodulares e esses valores são ilustrados na Tabela 3.

estabelecidos para compreender o comportamento interno do material, a influência da temperatura e condições específicas de operação. Segundo Lord e Morrell (2006), um conhecimento exato do valor de engenharia de módulo de elasticidade é vital para projetos, cálculos de elementos finitos e modelamentos, a fim de aumentar a confiabilidade das equações constitutivas da curva tensão-deformação.

Tabela 3- Propriedades típicas para os ferros fundidos nodulares.

C ar ac te rí st ic as Sí m bo lo s SI ( un .)

Designação do material

ISO 1803/ JS/35 0-22 ISO 1803/ JS/40 0-18 ISO 1803/ JS/45 0-10 ISO 1803/ JS/50 0-7 ISO 1803/ JS/55 0-5 ISO 1803/ JS/60 0-3 ISO 1803/ JS/70 0-2 ISO 1803/ JS/80 0-2 ISO 1803/ JS/90 0-2 Estrutura básica Fe rr ít ic a Fe rr ít ic a/ Per líti ca Per líti ca P er lít ic a o u M ar te ns it a re ve ni da M ar ten si ta reven id a M ó du lo d e e las ti ci da de E kN /m m ²

169 169 169 169 172 174 176 176 176

C o ef . P o iss o n µ

0,275 0,275 0,275 0,275 0,275 0,275 0,275 0,275 0,275

Fonte: Adaptação de ISO1083 (2004).

entretanto, torna-se sensível às condições de fabricação dos corpos de prova e o modo de ajuste da máquina de ensaios. Isso pode acarretar erros significativos na tensão, especialmente para materiais com altas taxas de deformação. A norma ASTM E111 (2010) é o único padrão atual que aborda algumas das questões relevantes para fazer medições precisas de módulo de elasticidade, segundo Lord e Morrell (2006). Ainda, é possível obter dados de boa qualidade do módulo a partir do ensaio de tração, mas isto requer geralmente um ensaio separado e dedicado à medição de alta qualidade, com o objetivo de avaliar apenas a parte inicial da curva de

tensão-deformação (WOLFENDEN, HARMOUCHE, et al., 1989);

(LORD e MORRELL, 2006).

Métodos dinâmicos (ultrassom e técnicas de ressonância não destrutiva), em geral, são simples, rápidos e envolvem pequenas deformações elásticas e elevadas taxas de deformação, assim os equipamentos comerciais disponíveis apresentam erros em relação às medições teóricas na ordem de ± 1% (COSSOLINO e PEREIRA, 2012); (LORD e MORRELL, 2006). Para melhor compreensão e seleção dos métodos, a Tabela 4 traz uma relação de vantagens e desvantagens apresentadas em Lord e Morrell (2006).

2.5.2 Amortecimento de vibrações

energia ou som). Além disso, esse determina a amplitude de vibração na ressonância e o tempo de persistência da vibração depois de cessada à excitação (COSSOLINO e PEREIRA, 2010); (BALACHANDRAN e MAGRAB, 2011); (RAO, 2008); (LORD e MORRELL, 2006).

Tabela 4- Relação das vantagens e desvantagens dos métodos para medição do módulo de elasticidade.

Ensaio de Tração Método Dinâmico

Vantagens

 Valores “tabelados” para

os módulos

 Geração das curvas de

tensão/deformação

 Equipamento de teste

amplamente disponíveis

 Rápido, simples e não

destrutivo

 Boa precisão

 Pequenos corpos de prova

 Medição em altas

temperaturas

 Permite medir o módulo de

cisalhamento e coeficiente de Poisson

Desvantagens

 Necessita de medição de

alta precisão

 Precisa de extensômetros

 Teste especializado

 Corpos de prova grandes

 Grande dispersão

interlaboratorial

 Difícil medição em

temperatura

 Compreensão da

relevância do módulo dinâmico para aplicações e projeto de engenharia

 Sensível às tolerâncias

dimensionais

 Os cálculos requerem

algum conhecimento de outros parâmetros do material

 Equipamento não é

amplamente disponível Fonte: Tradução de Lord e Morrell (2006).

da grafita, sendo pouco dependente da matriz metálica. Uma alta capacidade de amortecimento de vibrações, avaliada através do coeficiente de amortecimento, é obtida com grande quantidade de partículas de grafita lamelar, de tamanho avantajado, o que é obtido com alto teor de carbono equivalente em ferro fundido cinzento (GUESSER, 2009) apud Kovacs (1988).

Figura 5- Comparação das características de vibrações para as ligas ferrosas.

Fonte: (COSSOLINO e PEREIRA, 2010).

Vários estudos, (MURAKAMI, INOUE, et al., 2006); (FULLER, EMERSON e SERGEANT, 1980); buscam analisar a melhor relação estrutura e propriedade, a fim de obter um ferro fundido com uma maior capacidade de amortecimento e

um elevado módulo de Young. Além disso, estuda-se qual

matriz permite o aumento dessa capacidade, com destaque para

a matriz martensítica, (MURAKAMI, INOUE, et al., 2006);

(FULLER, EMERSON e SERGEANT, 1980).

A determinação do amortecimento pode ser realizada por diversas formas, as mais básicas são a medição da duração da resposta do sistema a uma excitação transitória (método do decremento logarítmico) e medição da resposta do sistema em função da frequência (método da largura de meia banda de potência). O método do decremento logarítmico, que será utilizado nesse estudo, calcula o amortecimento a partir da atenuação da resposta acústica do material ou estrutura após uma excitação por impulso. A escolha do método depende principalmente da faixa do amortecimento e da frequência de vibração (COSSOLINO e PEREIRA, 2010); (LORD e MORRELL, 2006).

É importante salientar que em qualquer instalação experimental para a medição do amortecimento do material, certa quantidade de energia é perdida através da montagem ou da suspensão da amostra ou através de atrito do ar. De acordo com Gaul e Schmidt (2003), tais perdas são erroneamente interpretadas como perdas de amortecimento do material, e, portanto, podem alterar os resultados, especialmente para materiais de baixo amortecimento. A detecção de amortecimento depende ainda de mais parâmetros, tais como: os materiais envolvidos, a rugosidade da superfície e a pressão de contato, a amplitude da força de excitação, as camadas de interface e etc. (COSSOLINO e PEREIRA, 2010); (LORD e MORRELL, 2006); (GAUL e SCHMIDT, 2003).

3 BLOCO DE MOTOR DE PAREDE FINA

As necessidades de mercado atreladas às legislações de redução de emissões têm alavancado o desenvolvimento de tecnologia de motores. O aumento de desempenho e economia de combustível para motores menores e mais leves representam os desafios encontrados nos projetos, ao longo das últimas

décadas (DAWSON, 2009); (CHAROENVILAISIRI,

STEFANESCU, et al., 2002); (GUESSER, SCHROEDER e

DAWSON, 2001). Para haver essa melhoria na performance e emissões do motor de ciclo diesel, é preciso aumentar o pico de pressão de queima na câmara de combustão. Essa elevação da pressão produz uma combustão mais eficiente e promove um melhor desempenho do veículo com menores índices de emissões e ruídos. Contudo, há um aumento de esforços mecânicos na região principal de suporte do bloco, o que potencialmente pode resultar em falhas prematuras por fadiga (GUESSER, SCHROEDER e DAWSON, 2001). Assim, tem-se que escolher entre o aumento do tamanho da tem-seção e peso dos componentes convencionais de ferro fundido cinzento e alumínio, ou adotar outro material como o ferro fundido vermicular, a fim de garantir a durabilidade e satisfazer às demais especificações de projeto (DAWSON, 2009); (GUESSER, DURAN e KRAUSE, 2004); (GUESSER, SCHROEDER e DAWSON, 2001); (DAWSON e SCHROEDER, 2000); (DAWSON, 1999).

condutividade térmica e capacidade de amortecimento. Deste modo, os avanços no desenvolvimento do ferro fundido vermicular aumentaram, uma vez que esse permite aumentar 75% do limite de resistência, 40% do módulo de elasticidade e esses apresentam aproximadamente o dobro da resistência à fadiga quando comparado com o ferro fundido cinzento ou o alumínio. Assim, os controles de medição e processos tornaram a produção do vermicular viável (DAWSON, 2009); (GUESSER, DURAN e KRAUSE, 2004); (DAWSON e SCHROEDER, 2000).

SEÇÕES FINAS 3.1

Para o projeto de motores é necessário garantir o desempenho das seções críticas, tais como o diâmetro do cilindro, e isto envolve a otimização das propriedades de

fundibilidade, condutividade térmica e usinabilidade

(DAWSON e SCHROEDER, 2000) (DAWSON e SCHROEDER, 2004). Para as seções finas é fundamental manter as propriedades mecânicas, com isso deve-se especificar o correto material a ser utilizado. Este estudo comtempla, somente, os materiais: ferro fundido cinzento e vermicular, e suas características microestruturais e propriedades para as seções finas, que se subentendem por seções com espessura inferior a 5 mm.

3.1.1 Ferro fundido cinzento vs. vermicular

alcançar a resistência mínima de 300 MPa, também reduziu-se o teor de carbono para 3,2% a 3,0%, com isso obteve-se menores as lamelas de grafita e diminuiu-se o risco de inicialização e propagação de trincas. Ainda, conseguiu-se promoveu-se um aumento de 10 a 20% nas propriedades

mecânicas. Contudo, essas modificações afetaram

significativamente as principais vantagens dos ferros fundidos cinzentos: fundibilidade, condutividade térmica, usinabilidade e custo (DAWSON, 2009).

A principal característica de fundibilidade atrelada ao cinzento é que durante a solidificação a formação da grafita lamelar proporciona um efeito de expansão, contrária a tendência natural de contração das ligas ferrosas. No entanto, os teores mais baixos de carbono reduzem esse efeito benéfico. Além disso, muitos dos elementos de liga (Cr, Cu, Sn e Mo) podem segregar nas regiões mais espessas, promovendo o aumento da sensibilidade à porosidade, contração e a formação de carbonetos. A adição desses elementos de liga e os teores baixos de carbono reduzem ainda a condutividade térmica, pois há a diminuição do tamanho das grafita, o que dificulta a transferência de calor. Para as regiões mais finas, onde as taxas de resfriamento são maiores, a presença de grafitas degeneradas, como a grafita tipo D, podem reduzir a resistência e a rigidez em 20-25%. O impacto total no custo de fabricação é significativo quando comparado com ferro fundido cinzento de classe FC-250 (DAWSON, 2009); (DAWSON e SCHROEDER, 2004); (DAWSON e SCHROEDER, 2000).

mesmas capacidades de enchimento do molde (DAWSON e SCHROEDER, 2004); (DAWSON e SCHROEDER, 2000).

Para a abordagem tradicional do projeto de motor, o ferro fundido cinzento requer homogeneidade da grafita em todo o fundido, porém as regiões finas tornam-se menos resistentes, pois essa condição não é atendida e tem-se a formação de grafitas do tipo D (DAWSON, 1999). Em contra partida, para o ferro fundido vermicular consegue-se obter um baixo número de nódulos e boas propriedades de resistências nas porções centrais do bloco e maior nodularidade nas regiões finas que podem exigir maior resistência mecânica, o que permite reduzir o peso do fundido (DAWSON e SCHROEDER, 2004); (DAWSON, 1999).

Os fatores que influenciam diretamente na estrutura das peças fundidas em vermicular são composição química, taxa de resfriamento, tratamento do banho e eventualmente tratamento térmico. A taxa de resfriamento de uma peça fundida é função da espessura da seção, temperatura de vazamento, e da capacidade do material do molde em absorver o calor (ELMABROUK, 2014); (GÓRNY e KAWALEC, 2013). O aumento da taxa de resfriamento, na produção de peças de vermicular com paredes finas, resulta um aumento da contagem de nódulos e menor proporção de grafita compacta, (ELMABROUK, 2014) apud J. Zhou. A tendência natural do vermicular é se solidificar com maior nodularidade para as seções de resfriamento rápido. Nas paredes finas (inferior a 4 mm) a nodularização pode variar de 20-50%, enquanto para as regiões mais espessas do fundido podem conter 0-10% nódulos. Para os casos, em que as seções finas não sofrem esforços térmicos e não necessitam de usinagem, a maior nodularidade só afeta a resistência, rigidez e ductilidade local. As especificações de microestrutura para o vermicular devem, portanto, concentrar-se nas seções de desempenho crítico e

e SCHROEDER, 2004); (DAWSON e SCHROEDER, 2000); (DAWSON, 1999).

4 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS

Os crescentes avanços tecnológicos têm influenciado diretamente a vida e o pensamento humano. Até os métodos de produção mais tradicionais têm aproveitado essa nova perspectiva para se reinventar e assim, conseguir as melhores relações entre os materiais e seus processos de fabricação, a fim de garantir a união entre propriedade e desempenho. Por isso, torna-se fundamental o conhecimento da formação e microestrutura do material, bem como as várias propriedades relacionadas, como estas são medidas e o que elas representam dentro de um projeto de estrutura/componente (GUESSER, 2009); (CALLISTER JR, 2007).

Dentro desse contexto, há a necessidade de se avaliar 100% da produção. Para os processos metalúrgicos, que possibilitam obter as mais detalhadas e complexas geometrias, os métodos tradicionais de análise não atendem e/ou tornam-se custosos para satisfazer esse critério. Através dos métodos de ensaios não destrutivos se consegue analisar descontinuidades no material, de modo a classificá-las pelo seu tamanho, forma, tipo e localização. Além disso, podem-se obter informações quanto à estrutura e microestrutura do material e suas propriedades físicas, o que permite alcançar dados mais concretos para a melhoria de projetos, aumento de desempenho e redução de custos (GÜR e AYDINMAKINA, 2001); (PITLER e LANGER, 1997); (WOOD, 1997); (CECH, 1990).

Ensaios ou testes não destrutivos (em inglês non

Os ensaios não destrutivos (END) podem ser divididos em nove áreas segundo Wood (1997), das quais serão abordadas neste estudo somente: a detecção e avaliação de defeitos, caracterização da estrutura e microestrutura e a determinação da resposta dinâmica para a tensão/deformação. Como cada método tem as suas próprias vantagens e desvantagens, é possível determinar a melhor aplicação de END e um ambiente específico. Os métodos de END mais comuns são sete e estão disponíveis em Wood (1997), dentre esses serão, somente, estudados o ultrassom e sua derivação, a técnica de espectroscopia de ressonância de ultrassom (frequência de ressonância).

ULTRASSOM 4.1