PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Curso de Graduação em Engenharia Metalúrgica
Janaina Correia Campos Mateus Menezes de Melo
CONTROLE E INSPEÇÃO RELATÓRIO 3 – ENSAIOS ENSAIOS MECÂNICOS – Ensaio Ensaio de Microdureza Vickers & Análise da Microestrutura cementada
Belo Horizonte 2017
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1 RESUMO O ensaio de dureza é utilizado na especificação e comparação de diversos materiais. Trata-se de uma característica referente a superfície do metal, porem para materiais homogêneos, é tomada como uma propriedade global e representativa deste. Em geral, para os metais, a dureza implica em uma resistência à deformação plástica. Para avaliação de dureza de materiais metálicos alguns métodos são mais comumente utilizados dentre os quais podem ser citados: Método Brinell; Vickers; Rockwell; Meyer; Knoop; Shore; dentre outros. No relatório a seguir, foi trabalhado e relatado resultados de microdureza utilizando o Método Vickers. Microdureza Vickers é um método que está associado a determinação da profundidade de superfícies carbonetadas, temperadas ou que sofreram algum processo de endurecimento superficial, além da determinação da dureza de constituintes individuais de uma microestrutura, de materiais frágeis, de peças muito pequenas ou extremamente finas. As cargas de ensaio são baixas, variando desde algumas gramas até alguns poucos quilos. Dois penetradores são empregados, caracterizando assim dois tipos de microdureza. A microdureza Vickers emprega a mesma técnica do processo de dureza Vickers e a microdureza Knoop utiliza um penetrador na forma apresentada abaixo:
Figura 1 – a) Comparação entre os tamanhos das impressões Knoop e Vickers para uma mesma carga; b) Detalhe de uma impressão Knoop; c) Penetrador Knoop.
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2 OBJETIVOS DA PRÁTICA A seguinte prática tem como objetivos avaliar o perfil de microdureza da camada superficial de uma engrenagem pelo método Vickers, assim como analisar a microestruturas obtidas na camada cementada através de micrografias.
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SUMÁRIO 1
RESUMO ................................................................................................................ 2
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OBJETIVOS DA PRÁTICA ................................................................................. 3
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INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 5
3.1
Materiais e Métodos Utilizados ......................................................................... 6
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RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 8
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CONCLUSÕES .................................................................................................... 13
6
EXERCÍCIOS PROPOSTOS ............................................................................. 14
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 16
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3 INTRODUÇÃO A dureza Vickers se baseia na resistência que o material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma determinada carga. A máquina que faz o ensaio Vickers não fornece o valor da área de impressão da pirâmide, mas permite obter, por meio de um microscópio acoplado, as medidas das diagonais (d1 e d2) formadas pelos vértices opostos da base da pirâmide. Neste método, diferentes ajustes de cargas resultam praticamente no mesmo valor de dureza para materiais uniformes, evitando a mudança arbitrária de escala com outros métodos de medição de dureza, o que é bastante favorável. Assim a escala de dureza é contínua e a deformação do penetrador é nula, sendo tido como mais algumas vantagens. Para aplicações específicas, voltadas principalmente para superfícies tratadas (carbonetação, têmpera) ou para a determinação de dureza de microconstituintes individuais de uma microestrutura, utiliza-se o ensaio de microdureza Vickers. A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prático que o ensaio Vickers, só que utiliza cargas menores que 1 kgf. A carga pode ter valores tão pequenos como 10 gf. A principal vantagem da microdureza se dá pelo fato de a carga aplicada ser muito pequena, deixando uma impressão microscópica que não inutiliza o corpo de prova. A análise microestrutural nos permite fazer observações microscópicas do material através de microscópios. Tal análise é de extrema importância na determinação de alterações estruturais que podem ter ocorrido na microestrutura após o teste de dureza. A escolha da localização da seção a ser estudada e a preparação metalográfica para obtenção de uma superfície plana e polida são essenciais para uma análise de qualidade e confiável do material.
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3.1
Materiais e Métodos Utilizados Para a realização dessa prática foram utilizados engrenagem de aço, cementada superficialmente e temperada.
Figura 1 - Durômetro Universal O método Vickers leva em conta a relação ideal entre o diâmetro da esfera do penetrador Brinell e o diâmetro da calota esférica obtida, e vai além porque utiliza outro tipo de penetrador, que possibilita medir qualquer valor de dureza, incluindo desde os materiais mais duros até os mais moles. Isso não quer dizer que o ensaio Vickers resolva todos os problemas de avaliação de dureza dos materiais, mas somado aos outros dois métodos (Brinell e Rockwell), é um bom caminho para atender às necessidades de processos industriais cada vez mais exigentes e sofisticados. Após a remoção da força, medem-se as diagonais da impressão e o número de dureza Vickers é calculado dividindo o valor da carga de ensaio P pela área de impressão S. O método de dureza Vickers fornece escala contínua de dureza que varia entre HV5 até HV1000Kgf/mm2 para cada carga utilizada. A carga para o ensaio Vickers deve ser aplicada progressivamente, sem choque nem vibrações, por meio de um pistão movido por alavanca, e mantida por um período de 10
7 a 15 segundos. Em seguida, retira-se a carga e movimenta-se manualmente o microscópio, de maneira a focalizar a impressão deixada pelo penetrador. O penetrador, feito de diamante, tem um tamanho praticamente indeformável e permite impressões independentes da carga aplicada; isso significa que para qualquer carga utilizada, o valor de dureza será o mesmo para materiais homogêneos. A mudança de carga é necessária para obter uma impressão regular, sem deformação e de tamanho compatível para a medida no visor da máquina, o que depende naturalmente da dureza do material ensaiado. Para a dureza Vickers, as cargas recomendadas são de: 1,2,3,4, 5,10, 20,30,40,60,80, 100 e 120 Kgf. Para aparelhos especiais de micro-dureza, as cargas variam de 1 gf a 1000gf (1 Kgf). Os valores da dureza HV são obtidos por meio de tabelas que acompanham as máquinas de dureza e mostram o valor em função das diagonais (l) medidas na máquina e das cargas aplicadas disponíveis.
O número de microdureza Vickers é calculado a partir da relação:
= 1,8544
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Onde: HV = Número de dureza P = Carga nominal do ensaio em Kgf l = Diagonal média em mm As amostras em estudo foram então levadas ao processo de preparação metalográfica, onde a superfície da seção das mesmas fora analisada em todas as etapas do lixamento, que ocorreu com lixas variando de tamanho entre 180 e 1200 mesh e também após a etapa de polimento com óxido de alumina. Após o polimento, as amostras foram levadas ao microscópio para análise microestrutural, a fim de que fosse medida a espessura da camada cementada em diferentes trechos. Também foi feita a análise química da microestrutura visualizada para que fosse determinado os elementos presentes na mesma.
8 Através da segunda lei de Fick para a difusão apresentada abaixo podemos relacionar a variação da concentração de carbono com o tempo.
² = ² E a concentração de Carbono para uma dada distância (x) em um tempo (t) é dada por:
(, ) − = 1 − erf() − , =
√ ( )
Apesar de conhecermos as fórmulas o cálculo não foi possível uma vez que a função erro (erf (y)) necessitava uma tabela com dados não disponível na apostila fornecida.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Distância (mm) Diagonal (mm) HV 0,1
0,0425
1027
0,2
0,044
958
0,3
0,051
713
0,4
0,0615
490
0,5
0,084
263
0,7
0,1005
182
0,9
0,1005
182
Tabela 1 – Valores de Microdureza Vickers obtidos no ensaio. Para que pudessem ser realizadas as medições das diagonais, consideramos que a impressão feita seria um quadrado perfeito, logo usas diagonais seriam iguais, tornandose necessário a medição de apenas uma. A partir da quinta medição as distancias passaram a serem medidas de 0,2 em 0,2 devido ao fato de que, quanto mais próximo do centro, menor será a porcentagem de carbono e consequentemente menor a dureza da amostra o que leva a um aumento da impressão podendo assim ter o valor obtido similar ao obtido na impressão realizada anteriormente.
9 Ao chegarmos as duas ultimas medições, notamos que os resultados de microdureza (HV) obtidos, foram os mesmos o que indica que estabilizou, chegou ao limite, sendo assim pode-se parar a realizações de medições. Como discutido anteriormente, as amostras foram posteriormente levadas à preparação metalográfica e análise microestrutural sem ataque. A Figura 1 mostra a progressão do lixamento realizado até a fase de polimento para que as peças fossem então levadas para a observação microscópica. Nela é possível observar como a amostra fica após o preparo metalográfico, parte essencial para realização de uma boa observação microestrutural.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g) FIGURA 1 – Aspecto da superfície das amostras no processo de preparação metalográfica para observação microscópica, sem ataque, 400x: (a) lixa 180; (b) lixa 320; (c) lixa 320; (d) lixa 400; (e) lixa 600; (f) lixa 1200; (g) polimento com óxido de alumina (Al2O3).
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Uma vez preparadas as amostras foram enfim levadas para o microscópio para análise da camada cementada e análise da composição química das amostras. A figura 2 mostra trechos da superfície da peça escolhidos para medição da camada cementada. É possível perceber uma variação na espessura da camada cementada, que tem causa provável a falta homogeneidade do processo de cementação, que afetou a superfície analisada em intensidades diferentes. Também pode-se apontar que a superfície em estudo pode ser mais suscetível à cementação ou não em determinadas regiões por vários motivos, como inclusões ou outros.
(a)
(b)
Figura 2. (a) Trecho da superfície da peça mostrando a medida da camada cementada; (b) M edida de outro trecho da camada cementada; Medida da camada cementada no trecho em curva da peça.
Por fim, foi realizada a análise microestrutural obtida ao longo da amostra, variando a distância do centro da superfície da peça. É importante lembrar que o centro da amostra não foi afetado pela cementação e por isso é de esperar uma estrutura mais homogênea.
11 As figuras de 3 a 6 mostram os trechos da superfície da peça, variando a distância da superfície.
Figura 3. Trecho da superfície da peça mostrando regiões de descarbonetação à esquerda e martensita frágil à direita (0,1mm).
Figura 4. Trecho da peça com martensita menos frágil (cúbica) à esquerda e martensita + troostita à direita (0,2 a 0,3mm).
Figura 5. Final da camada cementada e temperada (0,5 à 0,6mm) (ferrita e perlita).
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Figura 6. Núcleo da seção transversal da peça cementada (ferrita e perlita).
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5 CONCLUSÕES
Por meio das práticas
“Ensaio de Microd ureza
pelo Método Vickers e análise
microestrutural de composição química e camada cementada ”, conclui-se que o ensaio de Microdureza pode ser aplicado em vários corpos de prova uma vez que pelo tamanho da carga utilizada, o ensaio não inutiliza a peça testada. Também é possível concluir que a cementação consiste em acrescentar carbono à superfície de uma peça com o objetivo de aumentar a dureza da mesma. O presente relatório confirmou o aumento da dureza, assim como a variação microestrutural entre a região próxima à superfície e a região central da amostra analisada.
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6 EXERCÍCIOS PROPOSTOS
1)
Faça um gráfico representativo do perfil de microdureza da camada
superficial da engrenagem. Perfil de Microdureza Vickers 1200.0 1000.0
) V H ( a z e r u D
800.0 600.0 Dureza (HV)
400.0 200.0 0.0 0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.70
0.90
Distância mm
2)
Qual a espessura aproximada desta camada? A espessura aproximada da camada analisada é 0,7 mm devido ao fato de que a partir dessa distância, passamos a possuir um valor de dureza estável, ou seja, o valor de dureza medido começa a se repetir a partir dessa distância.
3)
Como podem ser explicadas as variações de dureza ao longo da camada? As variações de dureza ao longo da camada analisada podem ser explicadas devido ao fato de que, quanto mais próximo do centro, menor será a porcentagem de carbono o que leva a um aumento da impressão realizada, e consequentemente menor a dureza da amostra.
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4)
Quais as causas de erro no método de ensaio de microdureza? O corpo de prova pode sofrer um erro preparado por técnicas metalográficas, uma vez que as pequenas cargas empregadas no ensaio, quaisquer irregularidades superficiais (riscos, carepas, pontos de oxidação, etc.) acabam por alterar o resultado. Para cargas muito baixas (menores que 300gf), além de produzirem impressões muito pequenas, o efeito da recuperação elástica é grande em relação a deformação plástica provocada, o que também pode ser uma fonte de erro.
5)
Faça uma pequena pesquisa sobre cementação A Cementação é o Tratamento termoquímico que consiste em "carbonizar" a camada superficial da peça. Para isso, a peça é envolvida em um "cemento" e aquecida durante certo tempo a uma determinada temperatura. A temperatura permite a transferência dos átomos de carbono para a superfície da peça por meio de reações químicas. Dá-se ainda a difusão do carbono para o interior da peça. Temperatura e tempo são variáveis desse processo e determinar a profundidade da penetração do Carbono na peça. A peça cuja superfície é "carbonizada" é temperada a partir da temperatura prescrita, ficando a superfície cementada com dureza elevada, enquanto que o núcleo, cuja composição se mantém, conserva sua tenacidade e praticamente não altera sua dureza. O teor de carbono diminui progressivamente da periferia para o núcleo. Depois deste tratamento, a peça não deve sofrer qualquer operação de maquinagem, com exceção da retificação, para não remover a camada superficial. Uma atmosfera controlada de boa qualidade resulta numa cementação regular e de boa qualidade, profundidade e dureza. Utiliza-se para peças que necessitem de alta dureza superficial, alta resistência a fadiga de contato e submetidas a cargas superficiais elevadas.
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7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Castro, U. D. (2017). Metalografia, Ensaios Mecânicos e Tratamentos Térmicos (Vols. Caderno 1 - 9ª revisão). Belo Horizonte: PUC MINAS. Cementação. (s.d.). (D. d. Mecânica) Acesso em 20 de Fevereiro de 2017, disponível em Centro
de Informação Metal Mecânica: http://www.cimm.com.br/portal/verbetes/exibir/564cementacao Dureza Vickers. (s.d.). (D. d.
Mecânica, Produtor) Acesso em 13 de Março de 2017, disponível em Universidade Federal do Paraná: http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/EngMec_NOTURNO/TM336/durezavickers.pdf
