RELATÓRIOS DAS AULAS PRÁTICAS - Ensaio dos Materiais

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ - UTFPR COORDENAÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA - COEME C OEME CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENSAIO DOS MATERIAIS – EM25MC RELATÓRIOS DAS AULAS PRÁTICAS

PATO BRANCO JUNHO/2011

VINICIUS EDUARDO GRIGOLO

ENSAIO DOS MATERIAIS – EM25MC RELATÓRIOS DAS AULAS PRÁTICAS

Trabalho a ser entregue pelo acadêmico Vinicius

Eduardo

Grigolo,

do

Curso

de

Engenharia Mecânica, à Profª Ms Maria Nalu Verona,

para

semestral.

PATO BRANCO JUNHO/2011

obtenção

de

nota

parcial

SUMÁRIO Preparação de Amostras para ensaio metalográfico. .................................................................. 04 Análise Microestrutural de amostras (Metalografia) .................................................................... .................................................................... 12 Ensaio de Dureza ....................................................................... ......................................................................................................................... .................................................. 20 Ensaio de Impacto Im pacto ...................................................................... ........................................................................................................................ .................................................. 28 Ensaio de Líquidos Penetrantes ......................................................................... .................................................................................................. ......................... 35 Ensaio de Partículas Magnéticas ........................................................................ ................................................................................................. ......................... 40 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ ......................................................................................................... ......................... 47

MEC – UTFPR – Campus Pato Branco CURSOS DE ENGENHARIA Coordenação do Curso de Engenharia Mecânica PROCEDIMENTO PRÁTICA DE ENSAIOS

Disciplina: Ensaio dos Materiais Código: EM25MC Sala : H005 Profª Maria Nalu Verona

Prática:

Preparação de Amostras para ensaio metalográfico.

Objetivo:

Capacitar o aluno a preparar amostras para ensaio metalográfico.

Materiais:

Disco de corte abrasivo “Cut Off” (Arotec – COR-40); Prensa de Embutimento (Arotec – PRE-30S); Lixadeira – Politriz; Resina Baquelite; Granalha de aço; Lixas d’água 100, 220, 320, 400, 600 e 1200; Agentes polidores – Alumina 0,3 e 0,5 um para materiais ferrosos e pasta de diamante; Panos de polimento; Amostras de metais a serem analisados.

Normas de Segurança:

Utilizar óculos de segurança e seguir os procedimentos de segurança do Laboratório de Materiais.

1. INTRODUÇÃO: Todo ensaio realizado em laboratórios possui uma sequência de passos que devem ser seguidos para se obter um resultado final desejado sem, ou com um mínimo de, erros. A preparação dos corpos de prova que serão testados é o principal cuidado a ser tomado. Eles são as amostras do material, e deverão dar aos engenheiros uma resposta confiante sobre como irão se comportar quando em operações reais de uso. Além dos muitos ensaios mecânicos que existem (tração, dureza, impacto, torção, etc.), temos também o ensaio metalográfico, o qual revela a microestrutura do material. A realização do ensaio metalográfico exige uma preparação especial dos corpos de prova, isso porque o ensaio propriamente dito é realizado com o uso de um microscópio. Assim, a análise da microestrutura de um material pode ser comprometida se a imagem obtida pelo equipamento não for totalmente nítida. A seleção dessas amostras metalográficas deve ser bem criteriosa, levando em conta como e de onde deverá ser extraída para exame de acordo com os dados que se deseja obter. Geralmente é feita mais de uma amostragem por peça, tendo em vista que materiais comerciais não são homogêneos. Sem o conhecimento do que avaliar, dificilmente teremos condições de iniciar qualquer procedimento. Sendo assim, a preparação adequada das amostras exige, primeiramente, que respondamos a seguinte pergunta: “O que eu quero avaliar?” Tendo em mente exatamente quais dados se desejam obter, a preparação se torna mais objetiva, uma vez que não será feito nenhuma ação desnecessária ou equivocada. Constatando-se imperfeições do material, um lote inteiro pode ser rejeitado. Assim, a avaliação da microestrutura de um material é exigida por empresas sérias, que dependem desse ensaio para garantir a qualidade do seu produto. 2. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA: 2.1. Etapas de preparação da amostra metalográfica m etalográfica A preparação dos corpos de prova para ensaio metalográfico inicia-se a partir da escolha do material que se deseja ensaiar. Em segundo instante, respondida a pergunta “O que eu quero avaliar?” , o procedimento propriamente dito tem início. 4

Como a amostra metalográfica é uma amostra representativa, apenas uma pequena porção é necessária para se fazer a análise. Por essa razão, é preciso avaliar onde e como será feito o corte do material. O corte da amostra é feito com um disco de corte, tradicionalmente conhecido como “cut off” (Figura 1). O cuidado principal que precisa ser tomado é quanto à velocidade de rotação do disco, assim como a velocidade de avanço do disco em relação à peça. Uma velocidade muito baixa de avanço pode queimar a seção da amostra, o que pode prejudicar na análise futuramente. Outros defeitos também podem acontecer, tais como resistência ao corte (causado pelo desgaste lento do disco), rápido consumo do disco (causado pela eliminação rápida de aglutinante do disco), e ainda, a quebra frequente do disco (causada pelo mau aperto da peça no suporte de corte ou por uma refrigeração intermitente).

Figura 1 – Disco de corte

Depois de feito o corte, alguma vezes é necessário realizar o desbaste e/ou retirar as rebarbas da peça provindas do corte. Isso é facilmente feito com o uso de uma lima. Esse procedimento é para deixar a seção da peça o mais plana possível para posterior embutimento. Feito o corte, o embutimento é próximo passo. Esse procedimento visa aumentar a área de contato da amostra – quando pequena demais - para facilitar seu manuseio durante as etapas seguintes. É feita da seguinte maneira: a amostra seccionada é limpa e então, colocada em uma máquina chamada embutidora (Figura 2), com a face a ser analisada voltada para baixo. Junto com a amostra, são depositadas pequenas quantidades de granalha1 e baquelite2, o suficiente para obter uma peça cilíndrica de 30mm de diâmetro (padrão da máquina) e uma faixa de 20 a 30mm de altura. Aplica-se uma pressão por algum tempo, pré-determinados. A resina irá derreter entorno da amostra, formando uma peça uniforme. Completado o tempo de embutimento, alivia-se a pressão e deixa a máquina esfriar por alguns minutos com ajuda de água (a embutidora possui uma entrada pra água na parte traseira, onde uma mangueira conectada em uma torneira transfere água para o resfriamento da máquina). Por fim, a peça pronta é retirada da embutidora e está pronta para o

1

Granalha de aço, usada para garantir a planicidade da peça durante o embutimento. É a resina a quente mais usada devido a sua facilidade de manuseio, bons resultados e baixo custo. A retenção de cantos com embutimento com Baquelite é pior do que com outras resinas, mas pode ser melhorada se for resfriada sob pressão e for polida automaticamente. O encolhimento, por sua vez, é pouco.

2

5

próximo passo: o lixamento. O lixamento é, talvez, o processo mais complicado na preparação das amostras para análise microestrutural. O procedimento toma tempo e cuidado do laboratorista. É utilizada uma sequência de lixas, iniciando da mais grossa (80 mesh) e terminando na mais fina (1200 mesh). O procedimento completo de lixamento está descrito no item 3.3 desse relatório. Quando os riscos da lixa anterior não são apagados, é necessário que se retorne algumas lixas no procedimento de lixamento na tentativa de regularizar a superfície e, assim, seguir novamente com as lixas subsequentes. O problema maior encontrado nessa fase, é realizar o lixamento de uma maneira que a peça, no fim desse procedimento, permaneça a mais plana possível (Figura 3a). A planicidade da peça é importantíssima para se obter uma imagem real da microestrutura do material, quando este for analisado com o microscópio. Um desalinhamento na planicidade (Figura 3b) pode revelar uma morfologia que não condiz com a realidade. Completado o procedimento com todas as lixas, é preciso fazer um polimento na face lixada. Esse processo visa eliminar quaisquer riscos provindos da última lixa (1200 mesh), assim como dar brilho à face seccionada. Uma amostra bem polida deve assimilar-se com um espelho. Dessa maneira, não haverá erros de interpretação da imagem visualizada no microscópio, uma vez que não há riscos na face que dificultem a visualização da microestrutura. 2.2. Erros e imperfeições As imperfeições estão sujeitas a acontecerem durante qualquer etapa de todo o procedimento anteriormente descrito. Todavia, é preciso evitar ao máximo tais erros, uma vez que uma análise errada por consequência de uma má preparação da amostra pode acarretar problemas sérios no decorrer de um processo industrial. Uma imperfeição decorrente da preparação de amostras, por exemplo, é a cauda de cometa (Figura 4). Essa imperfeição é um defeito característico dos polimentos mecânicos e é proveniente do destacamento de inclusões, devido à pressão excessiva ou polimento unidirecional. Muitas vezes, os riscos oriundos do lixamento não são por completo eliminados no polimento (Figura 5). Por isso é preciso um cuidado na hora de tirar conclusões acerca da imagem do microscópio. Os riscos podem dificultar o entendimento, porém não o impossibilitam. 6

3. DESCRIÇÃO E PROCEDIMENTOS: •

Os alunos devem se organizar em grupos de 2 ou 3 alunos;

•

Cada grupo deverá escolher uma amostra de metal ferroso e uma de metal não ferroso;

•

Efetuar o plano de corte de acordo com a análise a ser efetuada;

•

Preparar as amostras de acordo com os procedimentos descritos abaixo;

•

Preparar relatório da prática de acordo com as orientações do professor.

3.1. Corte da Amostra Às vezes é necessário particionar o corpo de prova para obterem-se amostras que servirão para análise metalográfica. O equipamento utilizado para o corte é conhecido como “cut-off”, ou policorte, com discos abrasivos intensamente refrigerados (evitando deformações devido ao aquecimento) a relativas baixas rotações. Os discos de corte são classificados quanto à dureza dos grãos abrasivos. De uma maneira geral, para materiais moles de baixo carbono, utilizam-se discos duros e para materiais duros, utilizam-se discos moles. Para FoFos e aços até 0,45%C utiliza-se o disco 3045 (30 a 45 HRC). Aço com tratamentos térmicos e dureza superficial usa-se o disco 4560 (45 a 62 HRC), conforme Tabela 1. Tipo de material

Disco struers

Materiais super duros, com dureza maior ou igual a 50 HRC.

01 - TRE

Materiais duros e secções grandes, com dureza entre 50 e 35 HRC.

02 - TRE

Para uso geral em aços e ferro fundidos, principalmente dentro da faixa de 330 a 140 HB.

03 - TRE

Para aços moles, na faixa abaixo de 230 HB.

04 - TRE

Para tubos em geral, com qualquer seção.

05 - TRE

Disco delgado, para cortes delicados.

07 - TRE

Para materiais não ferrosos

06 – TRE

Tabela 1 – Discos para corte em Policorte

3.1.1. Procedimento de corte 1) Escolher o disco de corte de acordo com a dureza do material a ser cortado conforme tabela acima; 2) Colocar a amostra no centro da mesa de fixação. O centro da mesa também é o centro centro do disco; 3) Fixar firmemente o corpo de prova com ambas às morsas na policorte; 4) Após ter se certificado da correta fixação do corpo de prova, posicionar o protetor acrílico do disco; 5) Verificar se o disco encontra-se em sua posição de descanso, sem tocar na amostra; 6) Ligar o motor de acionamento do disco. Certificar-se que a bomba de fluido de corte também seja ligada; 7) Verificar se a amostra está está sendo resfriada pelo fluido de corte; 8) Aplicar uma carga moderada do disco sobre sobre o corpo de de prova (evitando solavancos que podem romromper o disco de corte) até que o corpo de prova esteja cortado; 9) Retornar o disco a sua posição de descanso e desligar o motor; 10) Soltar o corpo de prova da mesa de fixação; 7

Durante a operação de corte, deve-se ter o máximo de cuidado para não modificar a estrutura da amostra. O corte nunca deve ser contínuo, de modo que não ocorra excessivo aquecimento (acima de 100º C) por falta de penetração do refrigerante. Deve-se evitar a rebarba no final do corte para que não dificulte o embutimento. Caso seja necessário, retire a rebarba com uma lima ou lixa. 3.2. Embutimento da Amostra O embutimento da amostra é realizado para facilitar o manuseio de peças pequenas, evitarem a danificação da lixa ou do pano de polimento, abaulamento da superfície, que traz sérias dificuldades ao observador. dor. O embutimento pode ser a frio e a quente, dependendo das circunstâncias e da amostra a ser embutida. 3.2.1. Embutimento a frio A frio, quando se usam resinas sintéticas de polimerização rápida. Este embutimento é feito com resinas auto polimerizáveis, as quais consistem de duas substâncias formando um líquido viscoso quando misturadas. Esta mistura é vertida dentro de um molde plástico onde se encontra a amostra, polemizando-se após certo tempo. A reação de polimerização é fortemente exotérmica, atingindo temperaturas entre 50 e 120° C, com um tempo de endurecimento que varia de 0,2 a 24 h, dependendo do tipo de resina empregada e do catalisador. 3.2.2. Embutimento a quente Quando a amostra é embutida em materiais termoplásticos por meio de prensas, utilizando-se pressão e aquecimento para efetuar a polimerização. 3.2.2.1. Procedimento de embutimento a quente

1) Posicionar o êmbolo da prensa de embutimento de modo que a face fique completamente visível; 2) Borrifar desmoldante no embolo inferior (para a Baquelite não ficar presa ao embolo); 3) Colocar a amostra com a face que se quer analisar para baixo (em contato com o embolo); 4) Baixar o êmbolo lentamente; 5) Colocar uma pequena quantidade de granalha; 6) Colocar a resina (baquelite) (3 a 5 medidas, 10 a 30 gramas); 7) Borrifar desmoldante no embolo superior; 8) Colocar o êmbolo superior; 9) Colocar a tampa; 10) Selecionar o tempo – Pode variar de 10 a 15 minutos dependendo da quantidade qu antidade de baquelite; 11) Apertar a tecla Partida; 12) Manter a pressão durante o processo entre 125 e 150 (kgf/mm²); 13) Esperar a prensa de embutimento se desligar; 14) Abrir a válvula de pressão; 15) Abrir a válvula da água e aguardar 5 minutos para resfriamento; 16) Remover a tampa da prensa; 8

17) Fechar a válvula de pressão; 18) Erguer o êmbolo até ser possível pegar o corpo de prova; 19) Retirar o corpo de prova da prensa de embutimento (Pegue com um papel, pois pode estar quente); 20) Efetuar a limpeza do equipamento. 3.3. Lixamento da Amostra Devido ao grau de perfeição requerida no acabamento de uma amostra metalográfica idealmente preparada, é essencial que cada etapa da preparação seja executada cautelosamente. Essa operação tem por objetivo eliminar riscos e marcas mais profundas da superfície dando um acabamento a esta superfície, preparando-a para o polimento. A técnica de lixamento consiste em se lixar a amostra sucessivamente com lixas de granulometria cada vez menor, mudando-se m udando-se de direção (90°) em cada l ixa subsequente até desaparecerem des aparecerem os traços da lixa anterior, conforme figura 6.

Figura 6 – Sequência de lixamento das amostras.

A sequência mais adequada de lixas para o trabalho metalográfico com aços é 100, 220, 320, 400, 600 e 1200 (Pode haver variações). Para se conseguir um lixamento eficaz é necessário o uso adequado da técnica de lixamento, pois de acordo com a natureza da amostra, a pressão de trabalho e a velocidade de lixamento, surgem deformações plásticas em toda a superfície por amassamento e aumento de temperatura. Esses fatores podem dar uma imagem falseada da amostra, por isso devem-se ter os seguintes cuidados: •

•

Escolha adequada do material de lixamento em relação à amostra e ao tipo de exame final (o que se quer analisar); A superfície deve estar rigorosamente limpa, isenta de líquidos e graxas que possam provocar reações químicas na superfície;

•

Riscos profundos que surgirem durante o lixamento deve ser eliminado por novo lixamento;

•

Metais diferentes não devem ser lixados com a utilização da mesma lixa.

3.3.1. Procedimento para o lixamento 1) Verificar se há todas as lixas necessárias para a preparação da amostra; 2) Posicionar a lixa na politriz de modo a ficar bem lisa; 3) Abrir a válvula de água para a refrigeração da amostra; 4) Fazer um ponto de referencia na amostra; 5) Começar o lixamento de desbaste; 6) Lixar ate que só restem os riscos da ultima lixa utilizada; 7) Gire 90° 90°ee vá para a próxima lixa; 8) Repetir passos 5 e 6 ate chegar à lixa de granulometria 1200. 9

3.4. Polimento da Amostra Operação pós lixamento que visa um acabamento superficial polido isento de marcas. Utiliza para este fim abrasivos como pasta de diamante ou alumina. Antes de realizar o polimento deve-se fazer uma limpeza na superfície da amostra, de modo a deixá-la isentam de traços abrasivos, solventes, poeiras e outros. A operação de limpeza pode ser feita simplesmente por lavagem com água, porém, aconselha-se usar líquidos de baixo ponto de ebulição (álcool etílico, fréon líquido, etc.) para que a secagem seja rápida. 3.4.1. Cuidados que devem ser observados no polimento: •

A superfície deve estar rigorosamente limpa;

•

A escolha adequada do material do polimento;

•

Evitar polimentos demorados;

•

Nunca polir amostras diferentes sobre o mesmo pano de polimento (por causa da diferença de dureza entre elas, um pequeno cavaco da amostra mais dura irá riscar a mais macia);

•

Evitar fricção excessiva;

•

Evitar pressão excessiva sobre a amostra (aplicar um pouco mais que o próprio peso da amostra).

3.4.2. Procedimento para o polimento 1) Verificar se o pano da Politriz é adequado para o tipo de abrangente e se encontra em condições de uso; 2) Verificar se o pano de polimento está limpo; 3) Verificar se o motor está está funcionando corretamente; 4) Ligar a água (bem pouco); 5) Se for polir com alumina coloque a mesma sobre o pano de polimento e abra a água (bem pouco) para a lubrificação e eliminação de impurezas, se for polir com pasta de diamante espalhe a mesma sobre o pano e lubrifique com álcool; 6) Segurar a amostra levemente encima do pano pano de polimento, se recomenda recomenda movimentar a amostra o no sentido inverso ao do movimento do pano, mas para iniciantes recomenda-se apenas segurar a amostra encima do pano para não riscar.

4. RESULTADO E DISCUSSÕES: A preparação das amostras foi feita em grupos de quatro pessoas. Como esse foi o primeiro ensaio realizado, nós, acadêmicos, ainda não tínhamos a habilidade necessária para efetuar tal procedimento corretamente, sendo esse o motivo de alguns erros e dificuldades encontradas. Cada acadêmico efetuou o corte de sua respectiva amostra no disco de corte (Figura 1). Como foi feito apenas uma peça embutida, contendo as 4 amostras (por questões de economia e tempo), um mapa foi desenhado, para facilitar a compreensão e pra não confundir as amostras. Uma representação do mapa está mostrada na Figura 7.

10

Depois de embutida e peça, o procedimento do lixamento começou, tomando como base os passos citados no item 3.3. Foi durante essa etapa que encontramos maior dificuldade. Como mencionado no item 2.1, a falta de planicidade ocorreu durante o lixamento, assim como muitos riscos não foram efetivamente apagados antes de seguir com as lixas subsequentes. Por essa razão, diversas vezes tivemos que retomar as lixas anteriores para corrigir o erro. Os riscos foram apagados, porém a irregularidade na planicidade permaneceu (Figura 3). Como havíamos voltado diversas vezes as lixas, a peça foi desgastada demais, assim como toda a granalha de aço. Não conseguindo mais retomar a planicidade da seção, optamos por recomeçar todo o procedimento, desde o corte de novas seções das amostras. Nessa segunda tentativa, o controle sobre o manuseio da peça no lixamento foi melhorado e a planicidade ao término dessa etapa foi mantida. Por último, foi realizado o polimento da peça, também seguindo os parâmetros citados no item 3.4. Nessa última etapa, nenhuma dificuldade foi observada. 5. CONCLUSÃO: Talvez o real motivo pelo qual a primeira tentativa de lixar a peça deu errado se deve ao fato de que todos os quatro acadêmicos tentaram lixar (todos queriam fazer uma parte para aprender melhor). Isso acarretou diferenças nas forças empregadas sobre a peça e, conseqüentemente, a imperfeição na planicidade. Para fins didáticos, tal erro não acarreta problemas maiores, uma vez que não foi feita uma análise da microestrutura dessas amostras, e sim, somente o preparo delas. A qualidade das lixas influenciou no quesito “eliminação dos riscos”. As lixas usadas já estavam um pouco velhas e oxidadas. Por isso, a eliminação de todos os riscos se tornou uma dificuldade durante essa etapa. Um resultado melhor foi obtido quando algumas lixas foram substituídas por novas. Nas outras etapas do processo de preparação de amostras não apareçam problemas que dificultassem a prática. 6. REFERÊNCIAS: 1. ROHDE, Regis Almir. Metalografia Preparação de Amostras. Amostras. Uma abordagem pratica. Versão-3.0. LEMM Laboratório de Ensaios Mecânicos e Materiais. www.urisan.tche.br/~lemm 2. MALISKA, Ana Ana Maria. PREPARAÇÃO PREPARAÇÃO DE AMOSTRAS PARA ANÁLISE ANÁLISE MICROESTRUTURAL. MICROESTRUTURAL. Universidade Federal de Santa Catarina. Departamento de Engenharia Mecânica. 3. Aula 03_Análise Microestrutural - Material didático da Profª Me. Maria Nalu Verona.

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Prática:

Análise Microestrutural de amostras (Metalografia)

Objetivo:

Capacitar o aluno a realizar análise microestrutural de metais

Materiais:

Microscópico eletrônico; Reagentes para ataque químico; Vidro relógio; Secador a ar quente; Algodão; Agentes polidores – Alumina 0,3 e 0,5 para materiais ferrosos e pasta de diamante; Panos de polimento; Amostras de materiais a serem analisados.


Utilizar luvas de látex, efetuar o ataque químico na capela com exaustão ligada e seguir os procedimentos de segurança do Laboratório de Materiais

1. INTRODUÇÃO: Empresas que prezam pela qualidade de seus produtos fabricados, normalmente exigem de seus fornecedores uma análise microestrutural dos componentes, juntamente com relatórios contendo os resultados, para o controle e a garantia da qualidade. As propriedades físicas e, em particular, o comportamento mecânico de um material, dependem da sua microestrutura. Uma observação direta através de um microscópio (óptico ou eletrônico) pode revelar a configuração microestrutural que é caracterizada, nas ligas metálicas, pelo número de fases presentes, por suas proporções e pela maneira segundo a qual elas estão distribuídas ou arranjadas. O ensaio de metalografia é a prática usada para analisar a microestrutura dos materiais e a avaliação das propriedades mecânicas esperadas. Uma liga – substância metálica composta por dois ou mais elementos – pode apresentar diferentes características de acordo com a concentração dos elementos constituintes. Tomemos como exemplo, os aços – ligas ferro-carbono – que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de formação de liga. À medida que a concentração de carbono aumenta na composição da liga, a dureza e a resistência também aumentam, embora a ductilidade diminua. Assim, um aço com baixo teor de carbono é mais mole e fraco, porém mais dúctil e mais tenaz quando comparado com aços de alto teor de carbono. A partir das conclusões feitas da análise, um lote de peças pode ser repassado para o cliente, ou então ser rejeitado. Nesse segundo caso, um estudo de correção, seja na composição da liga ou no tratamento térmico ao qual essa liga é submetida, deve ser realizado com o objetivo de alterar a microestrutura do componente e assim, melhorar as propriedades exigidas. 2. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA: Antes de fazer a avaliação do material diretamente no microscópio, é preciso estar familiarizado com as diferentes microestruturas de ligas metálicas, assim como conhecer as suas fases. Isso nos possibilita analisar de uma maneira mais crítica as imagens obtidas na metalografia. Como os objetos de estudo nesse ensaio foram amostras de aço e alumínio, daremos foco apenas sobre ambas às ligas. Porém, como essa é uma área muito abrangente, será feita uma abordagem mais sucinta sobre o assunto. 12

2.1. As Ligas Ferro-Carbono O sistema de liga binária possivelmente mais importante é formado pelo ferro e o carbono. Dessas ligas obtêm-se os ferros, aços e os ferros fundidos, que diferenciam entre si de acordo com a concentração de carbono na liga – o ferro é o elemento solvente e o carbono é o elemento soluto. O ferro comercialmente puro possui um teor de carbono inferior a 0,008%pC e é composto à temperatura ambiente quase que exclusivamente pela fase ferrita, ou ferro α. Os aços são ligas que possuem entre 0,008 e 2,14%pC, embora na prática dificilmente são encontrados aços com mais de 1,0%pC. Na maioria dos aços, a microestrutura consiste tanto na fase α quanto na fase Fe3C. Com o resfriamento à temperatura ambiente, uma liga dentro dessa faixa de composições deve passar através de pelo menos uma porção do campo da fase γ (austenita); subsequentemente, são produzidas microestruturas distintas (CALLISTER, 2006). Já os ferros fundidos compreendem a faixa entre 2,14 e 6,70%pC, embora os ferros fundidos comerciais contêm normalmente menos do que 4,5%pC. Analisemos agora as fases presentes na liga ferro-carbono. Para tanto, o diagrama de fases do sistema ferro-carbeto de ferro (Fe-Fe 3 3C ) é representado pela Figura 1.

Figura 1 – Diagrama de fases binário para o sistema (Fe-Fe 3C)

O ferro puro, antes de fundir, passa por duas mudanças na sua estrutura cristalina. À temperatura ambiente, a forma estável, conhecida como ferrita (ou ferro α ), possui uma estrutura cristalina do tipo CCC. Essa estrutura permanece até a temperatura de 912ºC, quando então a estrutura muda para o tipo CFC, a partir de uma transformação polimórfica da ferrita. Essa fase agora é denominada austenita (ou ferro γ ) e permanece até 1934ºC, quando então a estrutura cristalina volta a se tornar CCC (ferrita δ ). Na temperatura de 1538ºC, o ferro finalmente se funde. Todas essas alterações estão representadas pelo eixo vertical à esquerda da Figura 1. A uma temperatura de 727ºC, a máxima solubilidade de carbono na ferrita α é 0,022%pC. Embora a concentração de carbono é relativamente baixa nessa fase, ele influencia significativamente nas propriedades mecânicas da ferrita – essa fase ferro-carbono específica é relativamente mole. 13

A austenita não é estável quando ligada somente com carbono a temperaturas inferiores a 727ºC. A solubilidade máxima de carbono nessa fase é de 2,14%pC, e isso ocorre na temperatura de 1147ºC. Essa solubilidade máxima é quase 100 vezes maior do que o valor máximo para o ferrita α, isso porque as posições intersticiais na estrutura CFC são maiores, permitindo uma acomodação maior de átomos de carbono com uma menor deformação imposta sobre os átomos de ferro. As transformações de fases envolvendo a austenita são de vital importância no tratamento térmico dos aços. A cementita (Fe3C) se forma quando o limite de solubilidade para o carbono na ferrita α é excedido a temperaturas abaixo de 727ºC (para composições dentro da região das fases α + Fe3C). A fase nessa região é denominada perlita , e constitui em uma microestrutura formada por camadas alternadas (ou lamelas) de ferrita α e cementita (Fe3C) - essa fase resulta da transformação da austenita com composição eutetóide (Figura 2). Muitas camadas de cementita são tão finas que as fronteiras entre fases adjacentes não podem ser distinguidas. Mecanicamente, a perlita é apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita mole e dúctil, e a cementita dura e frágil.

Como indicado na Figura 1, o Fe3C também coexistirá com a fase γ entre as temperaturas de 727 e 1147ºC. Mecanicamente, a cementita é muito dura e frágil; a resistência de alguns aços é significativamente aumentada pela sua presença. Em composições que excedam 6,70%pC, tem-se uma liga com excesso de carbono (grafita pura), o que tornará o material muito quebradiço e, por isso, não tem valor nem uso comercial. 2.2. Alumínio e Suas Ligas Os principais elementos de liga das ligas de alumínio incluem combinações dos seguintes elementos: •

Cobre (Cu);

•

Magnésio (Mg);

•

Silício (Si); 14

•

Manganês (Mn);

Zinco (Zn). O alumínio e suas ligas são caracterizados por uma densidade relativamente baixa em comparação com a do aço (2,7 g/cm³ contra 7,9 g/cm³), condutividades elétrica e térmica elevadas e uma resistência à corrosão em alguns ambientes comuns (incluindo a atmosfera ambiente). Muitas das ligas de alumínio possuem elevada ductilidade – uma vez que a estrutura cristalina do alumínio é CFC, a sua ductilidade é mantida •

até mesmo em temperaturas muito baixas. 3. DESCRIÇÃO E PROCEDIMENTOS: •


•

Cada grupo deverá escolher uma amostra de metal ferroso e uma de metal não ferroso;

•

Efetuar o polimento na Amostra de acordo com o procedimento de preparação de amostras;

•

Efetuar o ataque químico com reagente de acordo com o tipo de material a ser analisado;

•

Analisar a microestrutura no microscópio;

•

Preparar relatório de acordo com as orientações do professor.

3.1. Ataque Químico Qu ímico Seu objetivo é permitir a identificação (visualização) dos contornos de grão e as diferentes fases na microestrutura. Um reagente ácido é colocado em contato com a superfície da peça por certo tempo. O reagente causará a corrosão da superfície. Os reagentes são escolhidos em função do material e dos constituintes macroestruturais que se deseja contrastar na análise metalográfico microscópica. 3.1.1. Princípio Alguns grãos e fases serão mais atacados pelo reagente que outros. Isso faz com que cada grão e fase reflitam a luz de maneira diferente de seus vizinhos. Isso realça os contornos e grão e dá diferentes tonalidades às fases permitindo sua identificação das mesmas no microscópio. Antes de a amostra sofrer o ataque, a mesma deve estar perfeitamente limpa e seca, por isso utilizamse líquidos de baixo ponto de ebulição como o álcool, éter, etc., os quais são posteriormente secados rapidamente através de um jato de ar quente fornecido por uma ventoinha elétrica ou secador (Figura 3).

Figura 3 – (a) Modo correto e (b) incorreto de se secar a amostra com ar quente.

Uma amostra lixada e polida está pronta para o exame macro ou microscópico desde que os seus elementos estruturais possam ser distinguidos uns dos outros, através da diferenciação de cor, relevo, falhas estruturais como trincas, poros, etc. 15

Ao incidir a luz sobre a s perfície metálica polida há uma reflexão unifor e, de modo que se faz necessário um contraste para distinguirem-se os detalhes de sua estrutura. Tal contraste é obtido por meio do ataque, o qual pode ser efetuado através de mudanças do sistema óptico empregado ou da amostra propriamente dita. 3.1.2. Macroataque Evidencia a macroestrutura, o qual pode ser observado a olho nu ou at avés de uma lupa de baixo aumento. 3.1.3. Microataque Evidencia a estrutura ínti a do material em estudo, podendo esta ser o bservada através de um microscópio metalográfico. Após o ataque químico a amostra deve ser rigorosamente limpa, para remover os resíduos do processo, através d lavagem em água destilada, álcool ou acetona, e posteriormente seca através de jato de ar quente.

3.2. Microscopia

O exame microscópico, com seus fatores de aumento, exige obviamente não só cuidados especiais, mas principalmente, equipamento muito preciso e altamente especializado. Devido à natureza dimen ional das amostras envolvidas, sua capacidade praticamente sempre a considerar, e as características co uns de superfície, assumiu formas específicas e geram uma série de técnicas e dispositivos que facilitam às vezes só assim possibilitam a execução de ssas técnicas. Mais precisamente, fala-se de posicionamento das amostras, iluminação apropriada e técnicas fotográficas. 3.2.1. Procedimento para microscopia Para o ajuste do microscó pio aguarde orientação do professor. 1) Posicione a amostra n porta amostra; 5) Observe a amostra; 2) Selecione a lente; 6) Fotografe se a har necessário 3) Ligue o microscópio e juste a iluminação; 7) Retire a amost a. 4) Ajuste o foco;

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Designação metalográfica

Composição

Aplicação

10g cloreto de cobre-amônio Cloreto de cobre-amônio em meio amoniacal

120 ml água destilada

Reativo p/ micrografia de múltipla aplicação para ligas de cobre

Amoníaco até dissolver o precipitado 5g cloreto de ferro III

Cloreto de ferro III

30 ml ácido clorídrico concentrado 100 ml de água destilada

Água oxigenada + Amoníaco Lixívia de solda Ácido fluorídrico

1 parte de água oxigenada a 3% 1 parte de amoníaco

Reativo para micrografia de superfícies de grãos em liga de cobre, contrastes especialmente acentuados em cristais . Reativos para micrografia de contornos dos grãos de cobre.

10g hidróxido de sódio 90 ml água destilada 0.5 ml ácido fluorídrico

Reativo universal para micrografia de ligas de alumínio

99.5 água ml destilada 3g cloreto de cobre II amoniacal

Adler

25 ml água destilada 15g cloreto de ferro III 50 ml ácido clorídrico concentrado

Reativo para Macrografia de aço cobre e ligas de cobre, cordões de solda, estruturas macroscópicas, camadas cementadas, zonas temperadas, segregações, estruturas primárias.

0.5g cloreto de estanho II 1g cloreto de cobre II Oberhoffer

30g cloreto de ferro III 42 ml ácido clorídrico concentrado

Reativo para Macrograf ia de aç o, segregações, estruturas primárias.

500 ml água destilada 500 ml álcool etílico Reativo de ação profunda p/ aço

1 parte de ácido clorídrico concentrado 1 parte de água

Reativo para Macrografia de aço, segregações, inclusões, fissuras, escórias, poros.

100 ml água destilada Fry

120 ácido clorídrico concentrado 90g cloreto de cobre II

Baumann

5 ml ácido sulfúrico concentrado 95 ml água destilada

Reativo para Macrografia a fim de tornar visíveis linhas de ação de forças em aços sensíveis ao envelhecimento. Revelação da distribuição de enxofre no aço, com auxílio de papel fotográfico para ampliações.

10 ml ácido clorídrico concentrado Reativo macrográfico para alumínio e suas ligas

10 ml ácido nítrico concentrado 10 ml ácido fluorídrico

Cordões de solda e macroestruturas. Determinação microscópica do tamanho do grão no processo rápido.

2,5 ml água 97 ml álcool etílico Nital a 3%

3 ml ácido nítrico concentrado 90 ml de álcool etílico

Nital a 10%

10 ml de ácido nítrico concentrado

Reativo p/ micrografia de aço e ferro não ligado e de baixa liga, metal branco, ligas de magnésio. Também para aços de alta liga com estrutura martensítica Em ataques microscópicos de ação profunda para tornar visível constituintes especiais da estrutura em aços e ferros (carbonetos, eutético fosforoso) não ligados e de baixa liga. Em casos isolados também como reativo p/ microscopia de alta liga. Em macroscopia p/ camadas cementadas respectivamente profundidade de endurecimento.

100 ml ácido clorídrico concentrado Reativo V2A de Goerens

100 ml água destilada 10 ml ácido nítrico concentrado

Reativo para micrografia de aços inoxidáveis.

0.3 ml de inibidor 8 ml ácido nítrico concentrado Água Régia

12 ml ácido clorídrico concentrado

Reativo p/ micrografia de aços inoxidáveis e outros aços de alta liga.

1000 ml álcool etílico 3 partes glicerina Reativo de Vilella

1 parte de ácido nítrico concentrado

Reativo para micrografia de aços ao manganês e aços-liga com alto teor de cromo.

2 partes de ácido clorídrico concentrado 25g hidróxido de sódio Picrato de sódio em meio alcalino (Picral)

75 ml água destilada

Revelação de cementita.

2g ácido pícrico

Tabela 1 – Reativos utilizados para ataque químico 17

4. RESULTADO E DISCUSSÕES: Uma chapa de aço com cordão de solda e um chapa de alumínio foram os corpos de prova analisados nesse ensaio metalográfico. Depois de feito todo o procedimento de preparação dos corpos de prova (corte, embutimento, lixamento e polimento), o ataque químico foi realizado apenas no CP de aço, no qual o reagente usado foi o Nital 2% . Como o alumínio, embora tenha sido preparado o CP, não foi atacado quimicamente, não foi feita sua análise microestrutural. As imagens obtidas no microscópio da microestrutura do aço, antes e depois do ataque, estão representados na Figura 4.

(a)

(b)

(c)

Figura 4 – (a) Cordão de solda no aço sem ataque (aumento de 200x); (b) Microestrutura do aço depois do ataque químico (aumento de 400x); (c) Microestrutura do aço depois do ataque químico (aumento de 50x)

5. CONCLUSÃO: Realizando uma pesquisa na literatura e comparando a Figura 4.b e 4.c com imagens de handbooks , podemos constatar que esse CP possui uma microestrutura semelhante à de um aço de médio teor de carbono, com composição entre 0,25 e 0,60%pC. Na Figura 5, é feita a identificação das fases da microestrutura do corpo de prova.

Figura 5 – Identificação das fases da microestrutura do CP (aumento de 50x)

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Embora tenhamos observado a microestrutura do alumínio no microscópio, não foi possível identificar as fases da microestrutura e consequentemente não pudemos concluir de que liga de alumínio se tratava, pelo fato de não ter sido realizado o ataque químico nesse corpo de prova.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

6. REFERÊNCIAS: ROHDE, Regis Almir, Metalografia preparação de amostras. Uma abordagem prática. Versão-3.0. LEMM Laboratório de Ensaios Mecânicos e Materiais. www.urisan.tche.br/~lemm MALISKA, Ana Maria. Preparação de amostras para análise microestrutural. microestrutural. Universidade Federal de Santa Catarina. Departamento de Engenharia Mecânica. CALLISTER, Jr., Willian D. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais: uma abordagem integrada. integrada. 2ª Edição. LTC. 2006. http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=13&top=114 , acessado dia 07 de maio de 2011, às 14h32. http://www.dalmolim.com.br/EDUCACAO/MATERIAIS/Biblimat/aluminioconf.pdf , acessado dia 07 de maio, às 16h30.

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Prática:

Ensaio de Dureza

Objetivo:

Realizar experimentalmente ensaios de dureza no Laboratório com intuito de aprender as técnicas envolvidas nos mesmos. Caracterizar a propriedade de resistência à indentação de diferentes tipos de materiais.

Materiais:

Durômetro Lupa graduada Amostras de materiais

Normas de Segurança: Seguir os procedimentos de segurança do Laboratório de Materiais

1. INTRODUÇÃO: Muitos materiais, quando em operação, estão sujeitos a esforços. Os engenheiros têm, por obrigação, que conhecer e compreender como as várias propriedades mecânicas destes materiais são medidas e o que essas propriedades representam, afim de fazer uma avaliação correta de como tal material irá se comportar em condições reais de funcionamento. Dessa maneira, é possível determinar o tempo de vida útil atrelada a esse material - é possível prever com quantas horas de funcionamento o material irá apresentar uma falha, uma vez que este seja operado de maneira adequada pré-estabelecida pelo fabricante - assim como minimizar, ou até anular, todo e qualquer risco de deformação e/ou falha que possa ocorrer precocemente em virtude de uma força ou carga que esteja sendo aplicada. A dureza é a propriedade mecânica que define a medida de resistência de um material a uma deformação plástica localizada da sua superfície por abrasão ou por indentação, em outras palavras, é a resistência a riscos ou a impressões. O ensaio de dureza mede a resistência da superfície de um material à penetração por um objeto rígido e fornece também uma estimativa da resistência do material ao desgaste e à abrasão. Existem diferentes tipos de ensaios possíveis de se realizar: ensaios de dureza Rockwell (B ou C), Brinell, Knoop e Vickers (algumas vezes também chamada de pirâmide de diamante). 2. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA: Os primeiros ensaios de dureza eram feitos com base em minerais naturais, com uma escala construída unicamente em função da habilidade de um material para riscar um outro material mais mole (CALLISTER, 2006). Foi então concebido um sistema qualitativo e um tanto arbitrário de indexação conhecido por escala de Mohs . Tal escala varia entre 1, para o talco (extremidade macia da escala), e 10 para o diamante (extremidade dura da escala). Pode-se dividir o ensaio de dureza por três tipos principais, dependendo da maneira como o ensaio é conduzido: penetração , risco e choque . O ensaio (teste) de dureza consiste em forçar um pequeno penetrador contra a superfície do material a ser testado, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação. A profundidade da indentação resultante é medida e relacionada com um número índice de dureza: quanto maior e mais profunda for a impressão, mais mole é o material e consequentemente, menor será o número índice de dureza.

20

Vários testes de dureza já foram concebidos, mas os ensaios de Rockwell e Brinell são os mais utilizados (ASKELAND e PHULÉ, 2008). Assim, os ensaios de microdureza Knoop e Vickers não são contemplados nesse presente relatório. Os testes de dureza apresentam algumas vantagens significativas em relação aos demais e, por essa razão são realizados com maior frequência do que qualquer outro ensaio mecânico. Algumas vantagens são listadas abaixo: •

São simples e baratos de serem feitos. Nenhum corpo de prova precisa ser especialmente preparado para esse ensaio e os equipamentos (durômetros) são relativamente baratos;

Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas a partir dos dados obtidos para o os ensaios de dureza, tais como o limite de resistência à tração. Os ensaios de dureza estão classificados como ensaios destrutivos, embora alguns autores o considerem como um ensaio não-destrutivo. De certa forma, ambas as classificações estão corretas, tendo em vista o corpo de prova que está sendo avaliado. Por exemplo, se o CP ensaiado não exigir uma alta precisão na planicidade, a pequena indentação impressa no material não afetará seu desempenho quando em operação. Nesse ponto, o ensaio é não-destrutivo. Por outro lado, se o CP se tornar inutilizado por conta dessa indentação, o ensaio é destrutivo. •

2.1. Ensaios de Dureza Rockwell Rockw ell (Padrão de Dureza HRC) Consiste em forçar um penetrador, que no caso de materiais macios é uma pequena esfera de aço endurecido, que possuem diâmetros que variam entre 1/16” a 1/2” (1,588 a 12,70 mm) e, para os materiais mais duros é um cone de diamante (Brale). Com esse sistema, um número índice de dureza é obtido pela diferença na profundidade de penetração que resulta da aplicação de uma carga inicial menor - a utilização de uma carga menor aumenta a precisão do ensaio - seguida por uma carga principal maior. Ao especificar durezas Rockwell, tanto o número índice de dureza como o símbolo da escala devem ser indicados. A escala é designada pelo símbolo HR seguido pela identificação da escala usada, por exemplo: 60 HRC representa uma dureza Rockwell de 60 na escala C. O dispositivo usado nesse ensaio, Durômetro , é um equipamento automatizado e muito simples de ser usado; a leitura da dureza é rápida e direta. 2.2. Ensaios de Dureza Brinell Neste ensaio, uma esfera de aço com elevada dureza é forçada contra a superfície do material. O diâmetro de impressão é então medido, e o número de dureza Brinell (abreviado como HB) é calculado com a seguinte expressão:

 

2    √ ²  ² 

Equação 1

onde  é a carga aplicada em kgf,  é o diâmetro do penetrador em milímetros e  é o diâmetro da impressão em milímetros. Para determinar o diâmetro do penetrador a ser usado no ensaio, deve-se observar que material será testado, assim como a força que será aplicada sobre o material. As Tabela 1 e 2 fornecem esses dados para consulta. 21

O número de dureza Brinell deve ser seguido pelo símbolo HB, sem qualquer sufixo, sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicação da carga durante 15 segundos Em outras condições, o símbolo HB recebe um sufixo formado por números que indicam as condições específicas do teste, na seguinte ordem: diâmetro da esfera, carga e tempo de aplicação da carga. Por exemplo: 229 HB 10/3000/20. 2.3. Conversão de Dureza Muitas vezes é desejado converter a dureza medida em uma escala determinada por algum outro método. As durezas medidas são apenas relativas (não absolutas) e por essa razão, deve-se tomar um cuidado especial toda vez que forem comparados valores medidos através de técnicas diferentes. Contudo, uma vez que a dureza não é uma propriedade bem definida dos materiais, e devido às diferenças experimentais que existem entre as várias técnicas, não foi desenvolvido um sistema abrangente de conversão. Os dados de conversão de dureza foram experimentalmente estabelecidos, e foi observado que eles dependem do tipo e da característica do material. A figura 1 relaciona os dados para a escala Knoop e Brinell, assim como para as duas escalas Rockwell. A escala de Mohs também está incluída. Figura 1 – Comparação entre várias escalas de dureza. (Adaptado de Callister, Materials Science and Engineering – An Introduction)


•

Os alunos devem se organizar em grupos de 2 ou 3 alunos; Serão empregados aços comuns SAE 1020 e SAE 1045, bem como também um polímero termoplástico e um material composto. Serão realizadas medidas de dureza na Escala Rockwell (ASTM E1808b), Escala Brinell (ASTM E10-10). No caso de polímeros, utilizaremos norma especifica para realizar a dureza Rockwell (ASTM D785-08);

•

Realizar os ensaios de Dureza de acordo com as recomendações abaixo;

•


22

3.1. Regras Básicas Para o Ensaio de Dureza 1) O durômetro só pode ser utilizado utilizado por pessoas autorizadas, ou na presença de um responsável pelo laboratório; 2) O operador deve estar perfeitamente inteirado no uso do aparelho e do seu modo de emprego, para isso deve ler cuidadosamente o manual ou seguir as orientações do professor antes de efetuar os ensaios; 3) Deve ter bastante cuidado no manuseamento das amostras e dos penetradores; uma simples queda do penetrador contra o chão pode provocar-lhe sérios danos (principalmente se for de diamante); 4) O penetrador (cone de diamante, pirâmide de diamante ou esfera) esfera) deve estar sempre numa posição rigorosamente vertical em relação à superfície a ensaiar; 5) A superfície a ensaiar e a superfície de apoio da peça devem estar tão limpas quanto quanto possível, serem planas e não apresentarem rebarbas; 6) Não deve existir óleo ou ou sujidade entre a peça e a mesa de apoio; 7) Deve-se ter cuidado no que que respeita à distância entre centros de duas impressões e à distância entre o centro de uma impressão e os bordos da peça; 8) Durante o ensaio o durômetro não deve ser sujeito a qualquer vibração porque com isto isto o resultado será falseado; 9) As peças a ensaiar, devem estar apoiadas sobre a mesa ou sobre apoios especiais de modo a que não possa haver deslocamentos durante o ensaio; 10) Peças de secção circular como arames e tubos, são ensaiadas em apoio prismático; 11) Mudando-se de mesa de ensaio ou de penetrador ou depois de longos períodos de não utilização da máquina, recomenda-se que se façam os primeiros 3 ensaios sem leitura dos valores. Este procedimento evita erros de medição desnecessários; 12) Ter o cuidado de deixar o durômetro limpo e desligado. Colocar a capa no final da utilização do equipamento. 3.2. Tipos de Ensaios 3.2.1. Rockwell-C – segundo DIN 50103 Este ensaio é sempre usado quando se trata de aço temperado em toda a sua secção ou quando a espessura da têmpera é superior a 0,6-0,7mm. A força é de 150 kgf, com uma força inicial de 10 kgf que por meio do peso e braço respectivo, é aplicada em todos os ensaios. Usa-se um cone de diamante de 120º com ponta arredondada com raio de 0,2mm. 3.2.2. Vickers – segundo DIN 50133 É utilizado quando se trata de peças de pequena espessura em aço temperado ou de camadas pouco espessas de cementação. Usa-se uma pirâmide de diamante de 136º entre faces. A força é de 30 kgf. 3.2.3. Brinell – segundo DIN 50351 Usa-se em metais ferrosos e não ferrosos macios e de dureza baixa ou média. Até HB=400 kgf/mm², faz-se o ensaio com esferas de aço temperado. Até HB=800 kgf/mm², com esferas em metal duro. 23

A escolha da força para os diversos materiais e diâmetros das esferas é eita de acordo com a tabela seguinte.

Tabela 1 - Valores recomendad s da relação 0,102 F/D² para diferentes materiais segundo a norma NP106:1990.

A tabela 2 permite encont ar a força F (em kgf) em função das relações apresentadas anteriormente.

Tabela 2 - Força de ensaio em função do diâmetro da esfera e do tipo de material.

Segundo DIN 50351, a força e o diâmetro da esfera devem ser escolhido s de modo a que o diâmetro da impressão, seja de 0,2 a 0,7 ezes o diâmetro da esfera. •

•

A espessura mínima no ponto de ensaio deve ser igual ou maior do que diâmetro da esfera; A distância mínima entr cada penetração ou do bordo da peça deve s r pelo menos o dobro do diâmetro da impressão.

3.3. Procedimento 3.3.1. Ensaio Brinell •

•

•

Após receber as amostras escolha o identador adequado para o ensai a ser executado de acordo com as orientações da a ula e as tabelas acima e coloque no equipamento de acordo com as orientações do manual ou do p ofessor; Ajuste a carga no equip mento conforme dados acima; Posicione a amostra na mesa do durômetro e a eleve com ajuda do fus , rodando o volante, até que seja tocada pela parte e volvente do identador;

•

Certifique-se que o CP está bem fixo entre a mesa e o identador;

•

Aplique a carga; 24

•

Retire a carga e tome a medida da calota deformada no CP com uma lupa graduada;

•

Efetue os cálculos conforme orientação dada em aula;

3.3.2. Ensaio Rockwell O índice de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração da aplicação de uma pré-carga seguida pela carga principal. Essa pré-carga garante maior precisão no ensaio. Existem dois tipos de ensaio: O Rockwell e o Rockwell superficial , no qual neste a pré-carga é de 3 kgf e a carga principal pode ser de 15, 30 ou 45 kgf. Enquanto no Rockwell, a pré-carga será de 10 kgf, e a carga principal de 60, 100 ou 150 kgf. •

Após receber as amostras escolha o identador de acordo com a tabela do durômetro;

•

Defina a pré-carga e a carga a ser utilizada dependendo do material da amostra q será testada;

•

•

Posicione a amostra na mesa do durômetro e a eleve com ajuda do fuso, rodando o volante, até que seja tocada pela parte envolvente do identador e a escala do mostrador fique no zero; Aplique a pré-carga e a carga conforme mostrado na figura 2;

Figura 2 - Etapa do ensaio de dureza Rockwell

•

•

Figura 3 – Escalas do mostrado do equipamento

Efetue a leitura diretamente no mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material, conforme mostrado na figura 3; Deverão ser efetuados 3 ensaios sobre locais distintos da mesma peça, de forma a extrair o valor médio dessas leituras.

25

4. RESULTADO E DISCUSSÕES: Na tabela 3 constam os resultados obtidos com o ensaio Rockwell C: Ensaio Rockwell C Peça ensaiada: Coroa Interna de Rolamento - Aço Temperado Pré carga aplicada: 10 kgf / Carga principal aplicada: 150 kgf Medida

Leitura [HRC]

Eliminado/Considerado

1ª

57

Eliminado

2ª

63,75

3ª

65

4ª

65

5ª

57

Considerado

Média das leituras consideradas [HRC]

64,58

Eliminado Tabela 3 – Resultados obtidos no ensaio

Pode-se observar que na tabela acima constam duas medidas que foram eliminadas do resultado final. O motivo pelo qual foram desconsideradas tais leituras refere-se à diferença muito grande de dureza em relação às demais leituras listadas. A partir desse fato, podemos dizer que a peça ensaiada não estava homogênea, podendo estar destemperada. Com relação ao ensaio de dureza Brinell, o corpo de prova ensaiado foi uma pequena chapa metálica de ferro fundido. De acordo com a tabela 1, ferro fundido com dureza maior que 140 HB possui uma relação F/D² = 30 e, dessa forma, é determinado qual diâmetro da esfera penetradora será usado no ensaio. Como no laboratório dispúnhamos de uma carga máxima igual a 187,5 kgf, usamos a esfera de 2,5 mm de diâmetro (tabela 2). Realizado o ensaio (foram feitas duas impressões), constatou-se uma impressão de 0,9 mm e outra de 0,8 mm de diâmetro. Fazendo a média das impressões e efetuando o cálculo com a Equação 1, obtivemos um resultado de 321 HB 2,5/187,5/10 de dureza para esse CP. 5. CONCLUSÃO: O ensaio de dureza Rockwell possui uma certeza maior de resultado, uma vez que a leitura é feita diretamente no equipamento, ao contrário do ensaio de dureza Brinell. Para esse segundo, incertezas nas leituras do diâmetro da impressão, que são feitas manualmente, podem acarretar imprecisões no valor das durezas. O aço temperado (CP 1) revelou uma dureza de 64,58 HRC. Como o aço temperado possui médio teor de carbono (entre 0,25 e 0,60%p), assim como foi resfriado rapidamente (têmpera) a partir da fase austenítica formando-se a fase martensita (fase metaestável), ele possui uma alta resistência mecânica, o que explica a alta dureza medida no ensaio, segundo a literatura. Por outro lado, o ferro fundido que possui um teor de carbono acima de 2,14%p, exige um ensaio de dureza de configurações diferentes (e de escalas diferentes) àquelas usadas para o aço. Por isso foi usado a dureza Brinell para ensaiar esse CP. Como se tratam de ensaios distintos, não podemos comparar os resultados obtidos nos dois ensaios. Assim, consultando a literatura, constatou-se que a dureza obtida para o CP

26

2 – 321 HB 2,5/187,5/10 – assemelha-se mais com a dureza obtida em ferros fundidos nodulares, os quais possuem faixa de dureza entre 180 a 310 HB.

1. 2. 3. 4. 5.

6. REFERÊNCIAS: SMITH, William F. Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. Materiais. 3ª Edição McGraw-Hill COZACIUC, Ivan at all, Apostila de Ensaios de Materiais. Materiais. Telecurso 2000. CALLISTER, Jr., Willian D. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais: uma abordagem integrada. integrada. 2ª Edição. LTC. 2006. ASKELAND, Donald R; PHULÉ, Pradeep P. P. Ciência e engenharia dos materiais. materiais. Cengage Learning. 2008. http://pt.scribd.com/doc/17784263/Aplicacoes-e-carcteisticas-do-Ferro-Fundido , acessado dia 12 de junho, à 01h35.

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Prática:

Ensaio de Impacto

Objetivo:

Evidenciar a importância do valor da energia absorvida como ferramenta para avaliar a natureza frágil ou dúctil de um material; Determinar a resistência ao impacto dos materiais estudados por meio de ensaios padronizados pela norma. Serão mostrados os diferentes tipos e modalidades de ensaios, evidenciando a versatilidade e rapidez da execução; Realizar experimentalmente ensaio de Impacto no Laboratório com intuito de aprender as técnicas envolvidas no mesmo.

Materiais:

Equipamento de Ensaio Charpy-Izod Corpos de Provas de materiais metálicos e poliméricos

Normas de Segurança: Seguir os procedimentos de segurança do Laboratório de Materiais

1. INTRODUÇÃO: É desejado que, no projeto de um componente ou estrutura, a possibilidade de ocorrência de falhas se ja minimizada. m inimizada. Assim, conhecer a magnitude m agnitude de esforços aplicados e determinar até quanto qu anto um material resiste sem sofrer ruptura é um ponto importante que o engenheiro deve estabelecer. Mesmo que as causas das falhas e os comportamentos dos materiais possam ser conhecidos, a prevenção da falhas não é algo tão simples que se possa dar garantia. Nesse relatório, a modalidade de falha analisada é a fratura, que consiste na separação do material em duas ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática à temperatura relativamente baixa em relação ao ponto de fusão do material. Os tipos de fraturas – dúctil e frágil – serão discutidos na sequência, assim como o ensaio mecânico em estudo: o ensaio por impacto. 2. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA: Os materiais podem apresentar fraturas frágeis ou dúcteis, dependendo do tipo de liga é o material, assim como fatores tais como baixa temperatura, existência de um estado triaxial de tensões e taxa de deformação elevada também influenciam na característica da fratura. O ensaio de impacto é um ensa ens aio di dinâm nâmi-ico empregado para a análise da fr fratura frágil de materiais. materiais. Porém, antes de estudarmos o ensaio propriamente dito, se fazem necessário alguns conceitos sobre esse tipo de falha. Como dito antes, a fratura simples consiste na separação de um corpo em dois ou mais pedaços em resposta a uma tensão1 de natureza estática (isto é, constante ou que se modifica lentamente ao longo do tempo) que é imposta, e a temperaturas que são baixas quando comparadas à temperatura de fusão do material (CALLISTER, 2006). As possíveis fraturas em materiais estão divididas em frágil e dúctil. A fratura frágil ocorre quando um material, sob a aplicação de uma tensão, sofre muito pouco ou nenhum alongamento (deformação plástica) antes de romper. Por outro lado, a fratura dúctil ocorre após uma grande deformação plástica com alta absorção de energia. A figura 1 apresenta um gráfico no qual podemos comparar a deformação de ambos. As áreas sob as curvas caracterizam a tenacidade do material. A área ABC, visivelmente menor que a área 1

A tensão aplicada pode ser de tração, compressão, cisalhamento ou se torção.

28

AB’C’, evidencia que um material frágil possui menor tenacidade que um material dúctil. Nos pontos B e B’ ocorre a fratura frágil e dúctil, respectivamente. Ambas as denominações são relativas, ou seja, uma fratura só pode ser classificada como frágil, por exemplo, se comparada com outro material que possua um alongamento maior antes da fratura, isto é, dúctil.

Figura 1 – Representações esquemáticas do comportamento tensão-deformação em tração para materiais frágeis e materiais dúcteis carregados até a fratura.

O processo de fratura ocorre com a formação de microporos (Figura 2b) após um empescoçamento ter início. A propagação destes gera uma trinca, com seu eixo maior perpendicular ao eixo de aplicação da tensão (Figura 2c). À medida que a deformação prossegue devido à coalescência dos microporos, essa trinca cresce paralelamente ao seu eixo principal. A propagação da trinca continua com a aplicação da tensão até o momento que a fratura ocorre (Figura 2e). A amostra da figura 2 sofre fratura moderadamente dúctil, isto é, após algum empescoçamento segue-se a ruptura. A figura 3 mostra as representações esquemáticas para dois perfis de fratura macroscópicos característicos.

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Alguns materiais, que caracteristicamente sofrem fratura dúctil a temperatura ambiente, podem passar a sofrer fratura frágil quando microtrincas no interior do material estão presentes como consequência de um defeito de fabricação. Isso porque as microtrincas atuam como concentradores de tensão, fazendo com que a trinca se propague rapidamente ocasionando a fratura antes do esperado. Outro fator que pode causar fratura frágil em um material dúctil é a temperatura: diminuindo a temperatura de uma liga do tipo CCC, ocorre uma mudança de comportamento dúctil para um comportamento frágil. Esse último fator é conhecido como Temperatura de Transição Dúctil-Frágil. Existem dois tipos de ensaio de fratura por impacto, as técnicas Charpy e Izod , usados para medir a energia de impacto. Em ambas as técnicas, um entalhe em “V” é feito em uma das faces do corpo-de-prova. Elas diferenciam-se entre si pela maneira a qual o corpo-de-prova é sustentado, como mostrado na Figura 4. O equipamento usado no ensaio está ilustrado na Figura 5.

Figura 4 – (a) Formato geométrico do corpo-de-prova e do entalhe. (b) Posicionamento do corpo-de-prova

Figura 5 – Equipamento utilizado para ensaio de impacto.

30

A carga é aplicada na forma de um impacto instantâneo, vindo de um martelo a uma altura h . O martelo atinge o corpo-de-prova que fratura exatamente no entalhe, o qual atua como concentrador de tensão para esse impacto de alta velocidade. O martelo continua seu movimento pendular e a absorção de energia é, então, calculada a partir da diferença de altura entre h’ e h (Figura 5) e, representa uma medida da energia de impacto. O ensaio de impacto tem como um dos principais objetivos, determinar se um material experimenta ou não uma transição de dúctil para frágil com a diminuição da temperatura e, se esse for o caso, da faixa de temperatura ao longo da qual isso acontece (CALLISTER, 2006). Nem todos os metais apresentam essa característica. Metais de baixa resistência com estruturas CFC e a maioria dos metais com estrutura cristalina HC não experimentam essa transição de dúctil para frágil, embora retêm elevadas energias de impacto (isto é, permanecem dúcteis) com a diminuição da temperatura. Materiais de alta resistência também não são afetados com a diminuição da temperatura, porém são muito frágeis. A transição de dúctil para frágil é observada tipicamente em aços com estrutura cristalina CCC com baixas resistências. A figura 6 ilustra essas três descrições.

Figura 6 – Curvas esquemáticas para os três tipos genéricos de com portamento da energia de impacto em funçã o da temperatura.


•

•

Os alunos devem se organizar em grupos de 2 ou 3 alunos; Serão empregados aços comuns SAE 1020 e SAE 1045, bem como também um polímero termoplástico; Determinar a resistência ao impacto em corpos de prova entalhados simplesmente apoiados – ABNT NBR 6157;

•

Realizar os ensaios de Tenacidade a fratura Charpy;

•


31

3.1. Procedimento •

•

Os ensaios serão realizados em diferentes temperaturas (entre -196 a 100ºC). Dessa forma, pode-se obter uma tendência do comportamento da curva de transição Dúctil-Frágil de cada material ensaiado. Serão utilizados corpos-de-prova Charpy tipo A (Figura 7) com dimensões que estão de acordo com a norma ASTM E23-08;

Figura 7 - Geometria e dimensões, em milímetros, dos corpos de prova de impacto Charpy tipo A. A.

•

Aferir o equipamento;

•

Posicionar o martelo;

•

Posicionar o corpo de prova conforme mostrado na figura 8;

•

Liberar o martelo (altura “h”);

•

Verificar no indicar do equipamento o valor da energia absorvida (“h” - “h f”), onde hf é a altura alcançada pelo martelo após bater no CP.

Figura 8 – Posicionamento do corpo-de-prova Charpy no equipamento

4. RESULTADO E DISCUSSÕES: Tendo preparado o equipamento e o corpo-de-prova – aço SAE 1020 – , o ensaio teve início. Primeiramente, o corpo-de-prova foi testado à temperatura ambiente. O martelo foi liberado de uma altura h e, ao atingir o CP, esse não sofreu fratura, e sim, apenas entortou. Numa segunda tentativa, outro CP de mesmo material foi resfriado, sendo esse mergulhado num recipiente com água e gelo durante 10 minutos. Estima-se que a temperatura final deve ter sido próxima a 0 ºC 2. Então, o CP foi novamente posicionado no equipamento conforme a Figura 8a e, liberado o martelo, constatou-se agora a ruptura do CP, com uma absorção de energia igual a 160 J (lido diretamente na escala do equipamento).

2

Não dispúnhamos de termômetro, portanto foi feito uma estimativa apenas.

32

5. CONCLUSÃO: Diante dos resultados acima citados, podemos observar que o material – aço SAE 1020 – possui temperatura de transição de dúctil para frágil e, assim, é possível afirmar que esse aço possui uma estrutura cristalina do tipo CCC. Segundo a literatura, a concentração de carbono presente em ligas de aço tem uma influência direta sobre a energia de impacto absorvida por esses materiais em função da temperatura. A figura 9 mostra como é verdadeira a afirmação de que um aço SAE 1020 apresenta uma energia de impacto de 160 J próximo a 0 ºC.

Figura 9 – Influência do teor de carbono sobre o comportamento da energia de Charpy com entalhe em “V” em função da temperatura para o aço. (Adaptado do Callister, 2006 )

A partir da equação:         160    

160 

e tendo a medida h , podemos calcular a altura h’ que o martelo alcançou no fim do movimento pendular, e verificar que a energia de impacto lida no equipamento confere com os valores calculados (para esse cálculo, considera-se a aceleração da gravidade como sendo negativa, assim    ). Porém como tais medidas não foram feitas, nem tampouco temos a massa (em kg) do martelo, esse cálculo não será efetuado, sendo feito apenas a apresentação da equação. 6. REFERÊNCIAS: 1. NBRNM 281-1 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 1: Ensaio de impacto por pêndulo Charpy 2. NBR NM 281-2 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 2: Calibração de máquinas de ensaios de impacto por pêndulo Charpy. 3. NBR 6157- Determinação da resistência ao impacto em corpos de prova entalhados simplesmente apoiados. 33

4. COZACIUC, Ivan at all. Apostila de Ensaios de Materiais. Telecurso 2000. 5. CALLISTER, Jr., Willian D. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais: uma abordagem integrada. integrada. 2ª Edição. LTC. 2006. 6. GARCIA, Amauri; SPIM, SPIM, Jaime Alvares; SANTOS, Carlos Carlos Alexandre dos. Ensaio dos materiais. materiais. Rio de Janeiro. LTC. 2008.

34



Prática:

Ensaio de Líquidos Penetrantes

Objetivo:

Localizar descontinuidades superficiais em materiais não porosos

Materiais:

Líquidos Penetrantes visíveis a luz branca; Removedor de Líquidos Penetrantes; Revelador de Líquidos Penetrantes


Utilizar óculos de segurança e seguir os procedimentos de segurança do Laboratório de Materiais.

1. INTRODUÇÃO: É muito comum na indústria mecânica, a necessidade de se verificar o estado de uma peça, quando essa ainda está em operação. Dessa maneira, ensaios que afetem a integridade do material não são recomendados. Ensaios não-destrutivos são, nesses casos, os mais indicados. O ensaio não-destrutivo em estudo nesse relatório é o de líquidos penetrantes . Esse ensaio possibilita verificar possíveis trincas imperceptíveis a olho nu na região superficial de uma peça ou estrutura, com o uso de fluidos especiais que, quando aplicados sobre o material a ser testado, revelam as trincas existentes. Uma avaliação, tendo como base critérios de aceitação previamente estabelecidos, é então feita para decidir se esse material pode operar por mais algum tempo ou se é necessário a sua substituição. 2. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA: Antes de se realizar qualquer ensaio, é preciso fazer uma pré-avaliação do que se deseja obter com os resultados e assim, tomar as providências em relação aos dados coletados. Diferentemente de ensaios que requerem uma preparação de corpos de prova especiais, o ensaio de líquidos penetrantes pode ser realizado diretamente na peça original, mesmo que esta esteja em operação. Mas para isso, é preciso que o ensaio não danifique a peça, uma vez que caso ela passe nos testes e seja aprovada para continuar em funcionamento, não pode ter sua integridade comprometida. Por isso, o ensaio de líquidos penetrantes é classificado como ensaio não-destrutivo. Esse ensaio possui algumas limitações. A principal delas é que só é indicado para detecção de descontinuidades essencialmente superficiais e ainda que estejam abertas na superfície do material. É exigido que a peça esteja livre de qualquer impureza ou sujeira que possa ocultar possíveis falhas, pois o ensaio por líquidos penetrantes consiste na aplicação de um líquido, o qual deve penetrar na descontinuidade, revelando assim a falha. Outra limitação é a inviabilidade de usar o método para peças com geometria complexa, quando estas exigem uma limpeza perfeita após o ensaio, como é o caso de peças da indústria alimentícia, farmacêutica e hospitalar. Embora existam limitações, algumas vantagens tornam o ensaio viável. A sua simplicidade é uma delas. A facilidade de interpretação dos resultados não exige um treinamento árduo e não toma muito tempo do operador. Outra vantagem diz respeito ao tipo de material e tamanho da peça: não há limitações quanto a ambos. E finalmente, e talvez a maior importante, as trincas que podem ser encontradas são da ordem de 0,001 mm, as quais seriam impossíveis detectar vistas a olho nu.

35

Como qualquer ensaio, parâmetros devem ser tomados, assim como o ensaio deve seguir uma norma estabelecida. Afinal, uma peça não será retirada de operação devido a qualquer tipo ou tamanho da trinca encontrada, pois existem falhas, que mesmo presentes no material, não comprometem seu desempenho. Quem irá avaliar essas possibilidades será o operador do ensaio tomando como base os parâmetros préestabelecidos. O ensaio propriamente dito segue alguns passos. A Figura 1 apresenta o procedimento padrão em sequencia.

Figura 1 – Sequência de procedimentos do ensaio

Note que no passo 7, há a aplicação de um revelador. Esse revelador consiste em um produto que absorverá o líquido que penetrou na trinca, revelando a existência da descontinuidade. A Figura 2 ilustra como esse procedimento funciona.

Figura 2 – (a) Peça ainda com sujeira na superfície. (b) Peça já limpa com a aplicação do líquido penetrante. (c) Limpeza do excesso de líquido, deixando apenas a trinca preenchida. (d) Aplicação do revelador sobre a superfície em análise. (e) Revelador absorvendo o líquido que permaneceu na trinca, revelando assim a descontinuidade.

36

O líquido penetrante na maioria das vezes é de cor viva, como o vermelho, e o pó revelador é de cor branca. Podemos observar na Figura 1, que alguns passos descritos exigem u tempo de espera para que os efeitos desejados sejam alca çados. Mais precisamente, nos passos 4 e 8, re spectivamente, há um tempo para que o líquido penetre até o fundo da trinca e um tempo para que o produto revelador absorva a quantidade ideal de líquido. Isso porque o tamanho da mancha gerada no revelador in icará o tamanho e a profundidade da trinca, e é a partir dessa mancha que o operador avaliará se a peça está em condições para continuar em funcionamento ou se é ecessária sua imediata substituição. O tipo de líquido penetrante varia conforme o material que será ensaiado, assim como o tempo de penetração e o tempo de revelação. A Tabela 1 apresenta os tempos de penetra ão conforme o material que está em ensaio.

Tabela 1 – Tempos de pen tração mínimos (em minutos) conforme o material e demais características.

3. DE DESC SCRI RIÇ Ç O E PR PROC OCE E DIMENTOS: •


•

Serão empregados corp s de prova de aço e ferro fundido, além, do pad rão Petrobrás de aceitação;

•

As peças devem estar li pas (isentas de óleo ou sujeiras na superfície);

•

Realizar o ensaio de ac rdo com o procedimento procedimento de END END PR-001 PR-001 (L Q IDO PENETRANTE - PROCEDIMENTO DE END) a Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos – ABENDE; 37

•

Fotografar as amostras ensaiadas;

•

Limpar a peça para que não fique resíduo de penetrante ou solvente;

•

O Padrão Petrobrás deve ficar imerso em solvente durante 7 dias antes de guardar;

•


3.1. Procedimento O método consiste em espalhar o líquido penetrante na superfície de uma peça, e estes são geralmente coloridos com propriedades especiais tais como tensão superficial e viscosidade, e por capilaridade este penetre no interior das das fissuras(defeitos superficiais). Depois de um certo tempo é removido da superfície da peça o excesso deste líquido, permanecendo retido o líquido que penetrou na descontinuidade. Finalmente aplica-se um revelador (em pó ou misturado com uma substância volátil) que atua como papel mata borrão, absorvendo o penetrante que estava retido na descontinuidade e levando-o a superfície da peça. O tempo de penetração recomendável depende: do material, do processo de fabricação e da descontinuidade superficial, além do tipo de penetrante utilizado, conforme mostrado na Tabela 2.

Material

Aço

Processo de Fabricação Fundição Forja

FoFo

Solda Todos

Descontinuidade

Tempo de penetração (Minutos) Lavável Água Pós-Emulsific Remov. c/ Solvente

Porosidade

30

10

5

Junta Fria

30

10

7

10

7

Dobras Falta de Fusão

60

20

7

Porosidade

60

20

7

20

7

Trincas de Fadiga

Tabela 2 - Exemplos de tempos para líquidos penetrantes

4. RESULTADO E DISCUSSÕES: Foram ensaiados três corpos de prova distintos: uma peça e uma pequena chapa plana circular, ambas de aço e um comando de válvulas de automóvel, de ferro fundido. As imagens abaixo apresentam os resultados obtidos após a aplicação do revelador nas três peças.

38

5. CONCLUSÃO: Observando as três peças ensaiadas acima, podemos notar que a chapa da Figura 4 não apresenta nenhuma falha superficial, visto que após a aplicação do revelador, nenhuma mancha se formou, diferentemente das duas outras peças. A peça da Figura 3 revelou duas manchas grandes. A interpretação desse resultado nos leva a concluir que a trinca existente na superfície da peça é profunda e tem um comprimento relativamente grande. Já o comando de válvulas da Figura 5 apresentou também algumas descontinuidades superficiais. Porém nesta, as manchas não são tão grandes (fazer um comparativo entre as manchas das figuras 3 e 5), o que nos leva concluir que as trincas não são profundas. Esse ensaio realizado tem apenas um objetivo didático, por isso, não temos parâmetros para avaliar se essas peças seriam substituídas ou se retornariam às suas respectivas funções de operação.

1. 2. 3. 4. 5.

6. REFERÊNCIAS: ABENDE – Procedimento de END PR-001.ENSAIO DE LÍQUIDOS PENETRANTES. 2004. Spoerer, A. "Curso de Introdução aos Ensaios não Destrutivos" – PANAMBRA. LEITE,Paula. P.G. "Ensaios Não Destrutivos" – ABM. COZACIUC, Ivan at all, Apostila de Ensaios de Materiais. Aula 19. Telecurso 2000. GARCIA, Amauri; SPIM, SPIM, Jaime Alvares; SANTOS, Carlos Carlos Alexandre dos. Ensaio dos materiais. materiais. Rio de

Janeiro. LTC. 2008. 6. Aula 03_Ensaio Visual e Líquidos Penetrantes - Material didático da Profª Me. Maria Nalu Verona.

39

MEC – UTFP – Campus Pato Branco CURSO DE ENGENHARIA Coordenação do Curso de Engenharia Mecânica PROCEDIMEN O PRÁTICA DE ENSAIOS


Prática:

Ensaio de Partículas Magnéticas

Objetivo:

Localizar descontinuidades superficiais e sub-superficiais em mat eriais magnéticos

Materiais:

Equipamento de Magnetização do tipo Yoke Partículas magn ticas via seca e via úmida tilizar óculos de segurança e seguir os proc dimentos de segurança do aboratório de Materiais.


1. INTRODUÇÃO: Outro ensaio não-destruti semelha-se com o ensaio por lí superficiais de um material ferro O ensaio é simples e não exige Existem diferentes técnic direto ou entre placas, técnicas relatório, essa última foi a técnic Na sequencia, uma explic

o possível de ser realizado é o de partículas agnéticas. Seu objetivo asuidos penetrantes, ou seja, verificar descontinuidades na superfície ou subagnético sem submetê-lo a um procedimento que danifique sua integridade. m treinamento complexo por parte do operador. s para se realizar esse ensaio: técnicas dos el etrodos, técnicas do contato de bobina, técnica do contudo central e técnica da Ioque ou Yoke . Nesse utilizada em laboratório. ção sucinta sobre magnetismo e como é realizado esse ensaio.

2. PESQUISA BIBLIOGR FICA: 2.1. Campo Magnético M agnético O espaço ao redor de um imã, em que existe atuação das forças magn ticas, é chamado de campo magnético. Os efeitos de atração ou repulsão entre dois imãs, ou de atração d um ímã sobre os materiais ferrosos devem-se à existência desse campo magnético. Para o estudo dest , admite-se a existência de linhas de força magnéticas ao r dor do ímã. Essas linhas são invisíveis, mas p dem ser visualizadas com o auxílio de um recurso: colocando, por exemplo, um ímã sob uma lâmina de vidro, e espalhando limalha de ferro sobre essa lâmina, as liimalhas se orientam conforme as linhas de força magnética.O formato característico das limalhas sobre o vidro, é denominado de espectro magnético. Com esse exemplo seria ossível notar, também, que há uma maior conc ntração de limalha na região dos pólos do ímã (pólo norte e pólo sul), conforme ilustra a Figura 1. Isso é d vido à maior intensidade de magnetismo nas regiões polares, pois aí se concentram as linhas de forças. Por convenão, as linhas de campo magnético são linhas fec adas que saem do pólo norte e entram no pólo sul.

Fig ra 1 – Concentração da limalha na região dos pólos

40

2.2. O Ensaio O ensaio por partículas magnéticas é especialmente indicado para a detecção de trincas ou outras descontinuidades superficiais e sub-superficiais em materiais ferromagnéticos. Consiste em submeter a peça a ser analisada a um campo magnético, com o auxílio de equipamentos, tais como eletrodos, bobina ou um instrumento chamado Yoke , o qual nos limitaremos a falar somente sobre. As linhas magnéticas do fluxo induzido no material desviam-se de sua trajetória ao encontrar uma descontinuidade superficial ou sub-superficial no material, pulando para fora da superfície e criando uma região denominada de campo de fuga, altamente atrativa às partículas magnéticas (Figura 2). No momento em que se provoca esta magnetização da região de ensaio, partículas magnéticas são aplicadas sobre o material, as quais serão atraídas à localidade da superfície que conter uma descontinuidade, formando assim uma indicação de defeito. Os defeitos possíveis de serem detectados podem ser trincas, junta fria, inclusões, gota fria, dupla laminação, falta de penetração, etc.

Figura 2 – A descontinuidade existe na peça causa um campo de fuga, revelando assim a trinca, ou alguma outra falha qualquer

Os materiais que podem ser ensaiados por partículas magnéticas devem ser, obviamente, magnéticos. Alguns exemplos típicos de aplicações deste método são em materiais fundidos de aço ferrítico, forjados, extrudados, soldas, peças que sofreram tratamento térmico (porcas e parafusos), peças que sofreram retífica (trincas por retífica) e muitas outras aplicações em materiais ferrosos. Há três classificações de materiais magnéticos, os quais são: ferromagnéticos, paramagnéticos e diamagnéticos. Ferromagnéticos   11 são os materiais que são fortemente atraídos por um imã e são ideais para inspeção por partículas magnéticas. Incluem essa categoria ferro, cobalto e quase todos os tipos de aço. Os materiais paramagnéticos   1¹ são aqueles que são levemente atraídos por um imã e não são recomendados para inspeção por partículas magnéticas. São exemplos a platina, o alumínio, cromo, estanho, potássio, etc. E por sua vez, os materiais diamagnéticos   1¹ são aqueles que são levemente repelidos por um imã, tais como prata, zinco, chumbo, cobre, mercúrio, etc. O ensaio por partículas magnéticas não se aplica a essa última categoria. A magnetização de uma peça a ser ensaiada é conseguida através da passagem direta da corrente na peça ou pela indução através de um campo magnético externo. O meio detector - partículas magnéticas – é aplicado simultaneamente com a magnetização (método contínuo) ou algum tempo após a magnetização (método residual). As partículas utilizadas como meio detector são classificadas conforme duas característi1

Permeabilidade magnética  : constante de proporcionalidade que depende do material de que é feito o objeto e também do campo magnético existente.

41

cas básicas de aplicação: via seca , em que são utilizadas a seco, e via úmida , em que são utilizadas em suspensão de um líquido, tal como água ou óleos minerais de fina viscosidade. As partículas ferromagnéticas podem ainda, ser pigmentadas com várias cores (vermelha, cinza, amarela, preta, etc.) ou fluorescente, dependendo da técnica de ensaio, dos requisitos de sensibilidade, e da cor de fundo das peças. A técnica por via úmida é aplicada para a detecção de micro-descontinuidades superficiais, ou em superfícies bastante lisas, enquanto a técnica por via seca é mais aplicada com equipamentos portáteis e semiportáteis em superfícies não usinadas, geralmente, quando não se requer tanta sensibilidade. O tipo de corrente de magnetização, ou seja, CA (corrente alternada), CC (corrente continua), ou CA retificada, é de grande importância. A CA se destina mais para descontinuidades superficiais ao passo que os outros tipos são mais adequados para as descontinuidades sub-superficiais. O método Yoke utiliza um equipamento portátil (Figura 3) e seu funcionamento se dá da seguinte maneira: •

O aparelho é posicionado de forma que seus pólos fiquem perpendiculares às possíveis descontinuidades;

•

Liga-se o aparelho e espera um curto intervalo de tempo para magnetizar toda peça e, só então aplicam-se as partículas magnéticas sobre a sua superfície;

•

As partículas irão se acumular sobre as descontinuidades, devido à fuga de campo, revelando assim as falhas existentes;

•

São feitas as avaliações requeridas e por fim, é realizada a desmagnetização da peça, girando-a em torno dos pólos do aparelho Yoke.



•

Serão empregados corpos de prova de aço e ferro fundido, além, do padrão Petrobrás de aceitação;

•

As peças devem estar limpas (isentas de óleo ou sujeiras na superfície);

•

Realizar o ensaio de acordo com o procedimento de END PR-003 (PARTÍCULAS MAGNÉTICAS Técnica do Yoke) da Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos – ABENDE;

•

Fotografar as amostras ensaiadas;

•

Desmagnetizar as peças;

•

Preparar relatório de acordo com as orientações do professor. 42

3.1. Uma Breve Explicação Se aproximarmos uma agulha magnética de um condutor elétrico retilíneo, por onde circula uma corrente elétrica, vamos observar que a agulha tende a se colocar perpendicular ao plano que passa pelo eixo e pelo centro de rotação da agulha. Sobre a agulha atuam forças específicas que se chamam de forças magnéticas. Se atravessarmos um papelão com um condutor elétrico (Figura 4.a) e fizermos passar corrente pelo mesmo, geraremos um campo magnético em torno desse condutor. Se colocarmos limalha de Ferro muito fino, e se fizermos passar corrente pelo condutor e vibrarmos o papel, a limalha vai se arrumar em forma de círculos concêntricos, tendo no eixo condutor o seu centro, e estes círculos concêntricos chamam-se linhas magnéticas. Se substituirmos a limalha por agulhas magnéticas, vamos observar que estas se posicionam segundo as linhas do campo magnético, e se invertermos o sentido da corrente o posicionamento das agulhas também invertem (Figura 4.b).

Figura 4

Quando um fluxo de linhas magnéticas passa através de uma seção onde existe descontinuidade, algumas linhas desviam-se para o interior da barra onde não existe descontinuidade, outras porém descrevem um percurso externo a barra e são chamados de campo magnético de escape ou fuga, produzindo nas bordas da trinca, dois pólos magnéticos, um norte e um sul. Se jogarmos partículas ferromagnéticas (limalha de ferro) finamente divididas sobre a barra, elas serão atraídas pelo campo magnético de escape sobre a trinca. 3.2. Princípio Fundamental do Ensaio pelo Método Biot e Savart, observando todos os dados experimentais relativos ao campo magnético das correntes que circulam em condutores retilíneos, generalizaram tais resultados, dando origem à lei que levam os seus nomes, e é dado por: ∆B = K

i . ∆l . sen α r2

onde K é um coeficiente que depende das propriedades magnéticas do meio que circunda o condutor, e é determinado a partir da equação abaixo: K=

µo . µ r 4π

µr : (permeabilidade relativa) não é constante para materiais ferro magnéticos.

A permeabilidade µ  µ  . µ , sendo µ  a permeabilidade magnética no vácuo = 4 . 10-7 (Henry/m). 43

µ=

B H

       é é  /;   çã çã é; é; 2/  2,5  

A permeabilidade máxima pode ser facilmente obtida da curva B-H, mostrada na Figura 5.a.

Figura 5

Se tivermos um corpo de prova conforme a figura 6, a descontinuidade tem uma área “a”, a barra tem uma seção reta de área A. Fazendo passar um forte fluxo magnético pela barra, observa-se por meio de detectores especiais que o campo magnético escapa do interior da barra, para o exterior, permitindo-se constatar a presença de descontinuidades ou variações metalúrgicas nas pecas metálicas magnetizáveis. Para entendermos a razão deste campo de escape ou campo de fuga, como mostrado na Figura 6.b, basta considerarmos que quando a barra é colocada num campo magnético uniforme H, a densidade do fluxo na seção da barra é suposta ser por exemplo   (ou /). Entrando com um valor de  na Figura 7, obtém-se o ponto Q sobre a curva B-H. Para o ponto Q o valor da permeabilidade magnética é dado pelo  ou . ponto P na curva    . O fluxo total sobre a barra será .  

Figura 6

Na seção 1-1 da figura 6.a onde está localizada a descontinuidade, a área disponível será (A-a) e a densidade de fluxo será: x' =

x .A (A − a ) 44

Figura 7

Quando o fluxo passa através da seção onde existe a descontinuidade, o metal estará num estado diferente (do ponto de vista de indução magnética), ou seja, Q'. Vemos que P ' é menor que P, logo na seção da descontinuidade, há uma grande densidade de fluxo que terá que passar na seção reduzida e ainda a permeabilidade magnética menor do que a seção normal da barra. Como conseqüência, parte do fluxo magnético é obrigado a escapar para fora da peça de aço dando origem ao campo de fuga ou de escape. Se a magnetização na figura 6.b é tal que existe uma densidade de fluxo x'' (Figura 7) , observa-se que a permeabilidade correspondente será P'' ou P . Neste caso uma redução de área da seção, acarretará um aumento da densidade de fluxo, mas como a permeabilidade é elevada, poderá ocorrer que não se tenha um campo de escape. Tais considerações são muito importantes, quando se utilizam correntes alternadas, ou seja, o campo magnetizante existente no momento da detecção do campo de escape deverá ser de valor tal que nenhuma zona da peça em exame seja magnetizada com densidade de fluxo menor que a necessária para se obter a condição de permeabilidade máxima, sobre a primeira curva de magnetização. Em números aproximados, isto significa que se deverá ter densidade de fluxo de 8.000 a 10.000 Gauss ou 0,8 - 1,0 Webers/m (aço ao carbono). 4. RESULTADO E DISCUSSÕES: As peças ensaiadas foram as mesmas utilizadas no ensaio por líquidos penetrantes. Abaixo constam as respectivas fotos dos corpos de prova com as partículas magnéticas já aplicadas.

Figura 08

Figura 09

Podemos observar que em ambas as peças, houve acúmulo das partículas magnéticas sobre as descontinuidades existentes. Obviamente, o ensaio agora realizado apontou as mesmas descontinuidades que o ensaio por líquidos penetrantes revelou. 45

5. CONCLUSÃO: Tendo em vista que o ensaio por partículas magnéticas é um ensaio não-destrutivo, a avaliação dos resultados obtidos é meramente visual baseada em parâmetros. Sua diferença principal do ensaio de líquidos penetrantes é o tempo em que se obtêm os resultados, uma vez que nesse não há a necessidade de espera entre as etapas (líquidos penetrantes exigem tempo de aplicação do fluido, tempo de penetração, retirada do excesso, tempo de secagem, aplicação do revelador e tempo para revelação), o que o torna um ensaio mais prático. Porém, o ensaio de partículas magnéticas também possui algumas limitações, tais como: •

A técnica é aplicável somente em materiais ferromagnéticos;

•

Baixa sensibilidade para descontinuidades esféricas;

•

Só pode ser automatizado com sucesso nas etapas manuais (a interpretação dos resultados deve ser realizada por pessoal qualificado);

•

Apesar da existência de especificações e padrões fotográficos, sempre existirá o elemento subjetivo na interpretação dos resultados;

•

Normalmente o ensaio é limitado a áreas com fácil acesso.

6. REFERÊNCIAS: 1. ABENDE – Procedimento de END PR-003.PARTÍCULAS MAGNÉTICAS - Técnica do Yoke.Março/2004 2. Paula Leite,P.G. "Ensaios não Destrutivos " editado pela Associação Brasileira de Metais - 1977. 3. Spoerer, A. A. A. "Curso de Introdução aos Ensaios não Destrutivos" editado pela Panambra Industrial e Técnica SA. 4. COZACIUC, Ivan at all. Apostila de Ensaios de Materiais. Materiais. Telecurso 2000. 5. http://www.compoende.com.br/particulas.doc , acessado dia 13 de junho de 2011, às 16h37. 6. http://www.brasilescola.com/fisica/permeabilidade-magnetica.htm , acessado dia 14 de junho, às 11h24.

46

CONSIDERAÇÕES FINAIS Embora tenham sido apresentados alguns ensaios nesse relatório, é importante salientar que esses não são os únicos. Existem muitos outros ensaios válidos e de fundamental importância de conhecimento na engenharia. Não podemos nos esquecer de três pontos necessários antes da realização de qualquer tipo de ensaio: norma, procedimento e critério de aceitação. 1. Norma A realização de um ensaio deve seguir normas técnicas, que determinam como o ensaio deve ser feito, como preparar os corpos de prova e como avaliar os resultados obtidos. As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios provêm das seguintes instituições: •

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas

•

ASTM - American Society for Testing and Materials

•

DIN - Deutsches Institut für Normung

•

AFNOR - Association Française de Normalisation

•

BSI - British Standards Institution

•

ASME - American Society of Mechanical Engineer

•

ISO - International Organization for Standardization

•

JIS - Japanese Industrial Standards

•

SAE - Society of Automotive Engineers

•

COPANT - Comissão Panamericana de Normas Técnicas.

2. Procedimento Observamos que todos os relatórios desse trabalho possuem o tópico “Procedimentos” . É fundamental que todo ensaio possua uma sequência lógica de como o realizar, quais as ações devem ser feitas e em que momento deve ser feitas. Normalmente, o procedimento a ser tomado é descrito na norma, podendo variar entre uma e outra. 3. Critério de Aceitação Tópico importantíssimo, pois sem um critério de aceitação, não há lógica nenhuma em realizar um ensaio. Os critérios de aceitação nos indicarão se os resultados obtidos no ensaio são satisfatórios ou não. A partir disso, é possível aprovar ou reprovar lotes de peças produzidas, avaliar a magnitude máxima permissível em uma peça, ou por quanto tempo uma estrutura poderá operar. Diferentes peças possuem critérios de aceitação diferentes. A solicitação de um ensaio deve conter esses três pontos, de forma explícita e muito clara. O ensaio normalmente é especificado na fase de projeto, sendo o dever do engenheiro responsável especificar que tipo de ensaio deve ser feito, qual norma e procedimento seguir, assim como quais os critérios de aceitação. Somente assim, é possível assegurar que a peça – ou estrutura – projetada está dentro dos parâmetros exigidos em projeto, garantindo a qualidade do produto e a segurança de todos que irão utilizá-lo.

47

RELATÓRIOS DAS AULAS PRÁTICAS - Ensaio dos Materiais

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