Atividade Experimental – Ensaio metalografia, tração, dureza e Impacto EMB 5022 - Ciência dos Materiais – 2014/02

RELATÁRIO LABORATORIAL – CMA

Daniel Nixe; Júlia da Rosa Baumgartner; Leandro de Oliveira; Rurik Rodrigues

UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina

1. Metalografia dos metais

1.1 – Introdução

O ensaio metalográfico é um meio bastante poderoso para prever ou explicar as propriedades e o

comportamento de uma peça metálica, já que permite conhecer a estrutura do material, os seus constituintes

macroestruturais ou micro estruturais (fases), bem como a morfologia e a distribuição destes.

Conhecer o material com que se está trabalhando, suas aplicações, limites entre outros fatores, são de

extrema importância dentro da engenharia. Um material muito utilizado é o aço carbono, que é a composição

da liga que confere ao aço o seu nível de resistência mecânica. Pode ser classificado como baixo, médio e

alto carbono, tendo diferentes comportamentos em relação a sua resistência, dureza, tenacidade e ductilidade.

Quanto maior a porcentagem de carbono no aço, mas resistente e duro ele será, porém, apresentará menor

ductilidade entre os outros.

Presente em grande quantidade na área de engenharia da mobilidade, este tipo de material é bastante

empregado na indústria automobilística, naval, aeroespacial entre outras. Podem ser aplicados em chapas

automobilísticas, perfis estruturais, placas para produção de tubos, construção civil, pontes, rodas e

equipamentos ferroviários, engrenagens, talhadeiras, folhas de serrote, entre outros.

Para cada aplicação se utiliza um tipo de aço diferente, por isso a importância deste ensaio, conhecer o

material e suas propriedades, a quantidade de carbono, os contornos de grão, saber se é um material

resistente, é um fator crucial na aplicação do mesmo.

1.2 - Parte Experimental

Para este experimento foram utilizados os seguintes materiais:

Aço 1045

Tubo soldável de 20mm

Lixa d’água de granulometria 100

Lixa d’água de granulometria 200

Lixa d’água de granulometria 400

Lixa d’água de granulometria 600

Lixa d’água de granulometria 1200

Lixadeira Manual

Politriz

Alumina (Al2O3)

Resina acrílica

Soprador Térmico

Acido Nítrico 2%

Microscópio

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Inicialmente uma amostra já cortada foi selecionada pelo grupo. Em seguida adquiriu-se um pedaço de

tubo soldável, com um tamanho proporcional o da amostra para realizar o embutimento. O propósito do

embutimento é de proteger os materiais frágeis ou revestidos durante a preparação, além de facilitar o

manuseio da amostra nos processos de lixamento e polimento. Existem dois tipos de embutimentos, o

embutimento a frio e o embutimento a quente. Neste experimento foi realizado o embutimento a frio (Figura

nº1) utilizando uma resina acrílica de rápida polimerização. A mistura foi preparada instantaneamente e

adicionada dentro do tubo soldável com a amostra do aço, esperado alguns minutos, tinha-se o corpo de

prova pronto (Figura nº2) para as operações seguintes.

Fig. 1: Embutimento a frio Fig. 2: Corpo de prova

Para preparar a superfície da amostra, a mesma foi submetida ao processo de lixamento. Com uma

lixadeira manual (Figura nº4) e lixas d’água de diferentes granulometria, o método seguido foi: a amostra foi

marcada em um ponto (para auxiliar no momento da troca da lixa). Iniciando com a lixa mais grossa (100), e

com uma pressão uniforme para um único plano de desbaste da amostra, foi realizado um movimento na

vertical até que todos os “riscos” na face do corpo de prova estivessem na mesma direção, esse resultado

significava que a lixa deveria ser trocada e a amostra era convertida em 90º (onde havia a marcação). O

processo foi repetido para todas as lixas de diferentes granulometrias, seguindo a ordem de maior grão para o

menor (Figura nº3).

Fig. 3: Rotação do corpo de prova a cada troca de lixa.

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Após o lixamento, houve a limpeza da amostra e em seguida, a mesma foi fotografada

microscopicamente (Figura nº7).

Seguindo com o tratamento do corpo de prova, para dar o acabamento à superfície da amostra, inicia-

se o processo de polimento. Com o auxilio de um abrasivo, neste caso a Alumina, o operador mantem a peça

sobre o pano da politriz (Figura nº5), exercendo uma pressão sobre a amostra. A indicação é somente passar

para o próximo estágio, quando a face tratada do corpo de prova estiver equivalente a um “espelho”.

Obtendo este resultado, acontece novamente a limpeza da amostra e a fotografia microscópica, desta vez

com a face polida (Figura nº8).

O ataque químico é o próximo passo do ensaio metalográfico. Seu objetivo é permitir a identificação

(visualização) dos contornos de grão e as diferentes fases na microestrutura. Um reagente ácido, neste caso

foi utilizado o Ácido Nítrico 2%, é colocado em contato com a superfície da peça, o que causará sua

corrosão. Em seguida, com o soprador térmico, realiza-se a secagem da amostra, com bastante cuidado,

segurando o corpo de prova a certa distância do soprador e nunca direcionado diretamente para a superfície

tratada (Figura nº6). Após o ataque químico, a peça é levada novamente ao microscópio para sua ultima

fotografia (Figura nº9).

Fig. 4: Lixadeira Manual Fig. 5: Politriz

Fig. 6: Demonstração de como utilizar o soprador térmico

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1.3. Resultados e Discussões

Após todo o tratamento e analise do corpo de prova, houve certa dificuldade em identifica-lo, pois a

imagem microscópica da amostra atacada (Figura nº9) não está muito nítida. A imagem está acinzentada,

além dos pontos mais escuros onde há realmente a presença de carbono, confundindo e prejudicando a

precisão no diagnostico da composição da peça. Isto ocorreu devido ao corpo de prova estar um pouco

queimado, o que aconteceu durante o processo de ataque químico, por deixar a amostra por tempo demasiado

no acido nítrico.

Apesar destes contratempos, pode-se afirmar que o aço ensaiado trata-se de um Aço 1045. Através

das imagens microscópicas, e comparando-as com outros estudos, observamos grande semelhança no

tamanho dos grãos e sua porcentagem de carbono.

Fig. 7: Imagem da amostra lixada Fig. 8: Imagem da amostra polida

Fig. 9: Imagem da amostra atacada

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1.4 - Conclusões

O Ensaio Metalográfico é considerado uma análise de grande importância para garantir a qualidade

dos materiais no processo de fabricação e também para a realização de estudos na formação de novas ligas

de materiais. Esta prática se torna muito complexa e ao mesmo tempo necessária, pois os materiais

apresentam diferentes morfologias, devendo ser analisado antes de sua aplicação. Através da análise

metalográfica do aço é possível determinar não só a classificação do aço, como também, sua composição

física, química e mecânica.

2. Ensaio de Tração em Polímeros

2.1 – Introdução

Para um melhor entendimento de como um polímero se comporta em meio a forças externas, um

ensaio mecânico muito comum é realizado, denominado por Ensaio de Tração. Consiste em submeter um

corpo de prova de forma pré-estabelecida a um esforço crescente na forma axial do polímero. O ensaio é

amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos como teste para controle das especificações da

entrada de matéria prima. Os esforços ou cargas são mensurados na própria máquina. O corpo de prova é

deformado por alongamento até sua ruptura.

Esse ensaio afirma que as deformações promovidas no material são praticamente distribuídas de

modo uniforme em todos os pontos do corpo de prova. A uniformidade só é descartada quando o material

sofre a carga máxima, quando se percebe a diminuição da secção do polímero, também chamado de

estricção. Para uma boa precisão do ensaio é de suma importância que o corpo de prova esteja colocado de

forma correta e alinhada nas garras de fixação.

Durante o teste é gerado um dos gráficos mais importantes do estudo dos materiais, o gráfico

“Tensão-Deformação”, o qual mostra a deformação do corpo de provas em função da tensão aplicada.

Informações importantes podem ser retiradas, como tensão de escoamento, tensão máxima e tensão de

ruptura, além de observar a deformação plástica e elástica do material.

O material utilizado no ensaio em laboratório foi o polimetil-metacrilato (PMMA). Segundo o site

www.resinex.pt, o acrílico (PMMA) é um polímero termoplástico extremamente transparente podendo ser

considerado alternativo ao vidro. O PMMA tem resistência a intempéries sob qualquer clima e resistência à

abrasão comparável à do alumínio.

De acordo com Jennifer Rocha V. Fogaça – Graduada em química, o PMMA é um dos polímeros

plásticos mais modernos e com maior qualidade do mercado, pois apresenta alta resistência a agentes

atmosféricos, à radiação UV, ao ataque de produtos químicos, à tensão, ao impacto e ao risco.

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2.2 – Parte Experimental

A máquina usada para fazer o ensaio de tração é composta basicamente por uma célula de carga e um

extensômetro que medem respectivamente as tensões e o alongamento, tendo ainda um travessão móvel.

O material polimérico utilizado no ensaio e tração foi o acrílico (PMMA), a parte útil do corpo de

prova teve as seguintes medidas: largura de 13,25mm e espessura de 3,3mm.

Para a realização do ensaio de tração o corpo de prova foi encaixado na máquina fazendo os ajustes

necessários, depois é feita a fixação do extensômetro, o tamanho da parte útil é inserido no programa

computacional e, após isso o ensaio é iniciado. Conforme uma carga é aplicada de forma crescente o corpo

de prova vai se deformando até acontecer a ruptura, simultaneamente o programa cria um gráfico tensão-

deformação, no qual é analisado o comportamento do material ao longo do ensaio.

Durante o ensaio o corpo de prova passa pelas seguintes etapas:

Deformação Elástica: deformações que desaparecem quando a tensão é retirada, deformação

reversível.

Deformação Plástica: deformações permanecem após retirar a tensão aplicada, deformação

irreversível.

Módulo de Elasticidade: inclinação da parte linear da curva tensão-deformação na região elástica,

rigidez do material.

__

Fig. 10: Maquina de Tração Fig. 11: Amostra sendo mensurado

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2.3 – Resultados e Discussões

Fig. 12: Gráfico Tensão x Deformação plotado pela maquina de Tração

A partir do gráfico plotado pela máquina é possível calcular as seguintes informações:

a) Módulo de Elasticidade ( ), a partir da Lei de Hooke, dada por:

b) Tensão de Escoamento:

Desprezível, pois o material não apresentou tal comportamento no gráfico.

c) Valor da tensão máxima:

.

d) Tensão de ruptura:

.

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e) Módulo de resiliência (Quantidade de Energia absorvida na deformação elástica):

Como a área do gráfico apresenta a forma de um trapézio, o módulo pode ser calculado do

seguinte modo:

f) Módulo de Tenacidade (Quantidade de Energia absorvida durante todo o processo de

deformação, incluindo as regiões elástica e plástica):

Como não houve deformação plástica, o módulo da tenacidade é o mesmo valor do módulo de

resiliência que foi calculado no item anterior ( )

Fig. 13: Gráfico Tensão x Deformação plotado em programa adequado

2.4 – Conclusões

Para estudar o comportamento de um material, o ensaio de tração torna-se um importante e excelente

modo de visualização de como o composto se altera em função da tensão aplicada. Cálculos podem ser

retirados através do gráfico formado pelo software da máquina, que são utilizados para obterem-se

informações quantitativas de absorção de energia do material, por exemplo.

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No caso testado do PMMA, pode-se calcular através do gráfico que o mesmo possui um módulo de

elasticidade muito inferior ao do aço e da madeira, 210000 MPa e 10000 MPa, respectivamente.

O material não apresentou deformação plástica, ou seja, a partir do momento em que deixa de ser

elástico não sofre deformações, rompe-se a partir da estricção quando atinge aproximadamente 10 mm. A

tensão de escoamento foi deduzida a zero, pois graficamente não houve uma notável deformação final antes

que viesse a se partir. Entretanto, o PMMA é muito utilizado atualmente por possuir além da transparência,

fator que substitui o vidro, resistência a impactos maior que a do mesmo e quebra-se em maiores partes.

3. Ensaio de Impacto em Polímeros

3.1 – Introdução

O ensaio de impacto faz parte dos ensaios mecânicos de matérias, e tem por meio determinar as

características de fratura dos materiais. Na prática, há um equipamento onde tem um martelo pendular que

irá se chocar com o corpo-de-prova, ao realizar os cálculos, se obtém a resistência ao impacto, e quanto

menor for à energia absorvida, mais frágil será o comportamento do material àquela temperatura. _

Possui-se dois tipos de técnicas padronizados, um é Charpy e outro o Izod, onde a diferença está em

como o corpo-de-prova é apoiado, pois os dois tem um entalhe em formato de “V”, ou seja com inclinação

de 45º no meio do material. O resultado do teste tem influencia do tamanho, espessura e formato do corpo-

de-prova, assim como a configuração e a profundidade do entalhe. _

Esse determinado ensaio, tem por fim viabilizar o tipo de material a ser usado em cada projeto feito

em diversas áreas, como lataria de um automóvel, casco de embarcações e até mesmo partes de aeronaves.

O polímero empregado no ensaio foi o mesmo utilizado no ensaio de tração, o polimetil-

metacrilato (PMMA). Destacando suas principais características, o acrílico é um dos polímeros plásticos

mais modernos e com maior qualidade do mercado, pois apresenta alta resistência a agentes atmosféricos, à

radiação UV (proteção natural de 98%), ao ataque de produtos químicos, à tensão, ao impacto e ao risco. Ele

é amplamente utilizado em lentes de contato, painéis transparentes, como os usados para pendurar cestas de

basquete, bem como outros painéis decorativos e estruturais, para recobrir os faróis dos carros, em sistemas

de vidros de automóveis, pisos iluminados translúcidos, globos para lâmpadas, óculos e anúncios luminosos

(letreiros).

3.2 - Parte Experimental

Para este experimento foram utilizados os seguintes materiais:

Pendulo de Impacto

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Corpo de Prova (Acrílico – PMMA)

Inicialmente mede-se a espessura do corpo de prova em metros (0,00415m), então se faz um entalhe

no meio da amostra em formato de “V” (Figura nº 14) para que o material esteja pronto para o ensaio. Na

utilização do Pendulo de Impacto (Figura nº15) aplicou-se a técnica Izod, realizado de acordo com o

procedimento da ASTM D 256-04 Standard Test Method for Determining the Izod Pendulum Impact

Resistence of Plastics, que se refere aos corpos de prova providos de entalhe, sendo assim coloca-se o

material pressionado pelo suporte, de forma com que o entalhe fique visível e apontado na direção em que o

martelo desce. É preciso ter o valor indicado no pendulo de impacto com e sem a amostra, tendo os valores, é

só sobrescrever na formula para determinar a resistência do material ao impacto.

Fig. 14: Corpo de Prova Fig. 15: Pendulo de Impacto

3.3. Resultados e Discussões

A medida da espessura do corpo de prova é de 4,15mm ou 0,00415m. A energia do pendulo de

impacto solto em queda livre sem a amostra posicionada foi de 0,12J, multiplicando esse valor por quatro,

pois o martelo possuía 10,8J, passamos a ter um total de 0,48J. Já com o corpo de prova preso ao pendulo, o

resultado foi de 0,20J, multiplicando também por quatro, obtém-se 0,80J. A formula da resistência ao

impacto é definida por: (E com amostra – E sem amostra)/Espessura(m). Sendo assim, temos: (0,80 –

0,48)/0,00415 = 77,11J/m.

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3.4– Conclusões

Diante do que foi apresentado, o experimento confirma a importância do ensaio de impacto para

várias áreas da engenharia. Conhecer a quantidade de energia absorvida é algo fundamental na hora da

escolha de um determinado material para algum uso especifico, sempre visando a segurança daqueles que

irão se beneficiar do mesmo. Como há dois tipos de técnicas para o ensaio é sempre bom fazer mais que um

teste para se ter certeza sobre a resistência ao impacto de determinado material. O procedimento do ensaio

exige certa precisão, para que os cálculos não divirjam do que é proposto pela literatura.

O ensaio de impacto juntamente com os outros ensaios mecânicos são de suma importância para

determinar o tipo de material que está sendo trabalhado, então é sempre viável fazer cada um deles, de forma

correta para uma analise mais detalhada.

4. Ensaio de Dureza em aço carbono como fornecido e tratado termicamente.

4.1 – Introdução

A dureza de um material metálico está diretamente relacionada à resistência mecânica do mesmo.

Essa mesma resistência também é devidamente influenciada pelas ligações atômicas contidas em diferentes

tipos de materiais, cada um com suas propriedades definidas.

As propriedades mecânicas de um material podem ser modificadas por tratamentos térmicos

devidamente estudados e aplicados, variando seu tipo e função baseada na utilização daquele material,

melhorando ou piorando sua situação.

O ensaio de dureza consiste na aplicação de uma carga conhecida através de um penetrador de

geometria conhecida. A dureza, ao contrário do limite de escoamento e da tenacidade à fratura, não é um

parâmetro característico do material (depende da maquina, carga, do tipo de penetrador...)

Existem varias escalas de dureza, com resultados bastante quantificados e precisos, utilizadas dentro do

campo da ciência dos materiais, tais como: Dureza Brinell, Dureza Rockwell, Dureza Webster, Dureza

Vickers. Para este ensaio foi utilizada a escala de dureza Rockwell. O método de dureza Rockwell, leva em

consideração a profundidade que o penetrador atingiu, descontando-se a recuperação elástica, devido à

retirada da carga maior, e a profundidade atingida que é devida à carga menor. Nesse método, o resultado é

lido diretamente na máquina de ensaio; além da rapidez maior, este método elimina o possível erro de

medição que depende do operador.

4.2 - Parte Experimental

Para este experimento foram utilizados os seguintes materiais:

Aço temperado ou cementado (amostra ensaiada)

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Lixa d’agua de granulometria 200

Durometro

Ponteira cônica de diamante

Forno de alta temperatura

Mistura de água e sal

Para a realização do ensaio de dureza foi utilizado um pequeno pedaço de aço já cortado de uma

barra circular, em seguida a amostra foi submetida ao processo de lixamento com uma lixa d’água de

granulometria 200, para nivelar as partes inferior e superior com a horizontal. Após o corpo de prova pronto,

o durometro (Figura nº 16) foi ajustado. O método é realizado em três etapas: na primeira, o corpo de prova é

submetido a uma pré-carga, garantindo um contato firme do penetrador com a superfície a ser ensaiada. Na

segunda, aplica-se a carga maior que, somada à pré-carga, resulta a carga total ou carga nominal do ensaio.

Na terceira, retira-se a carga; neste momento, a profundidade da impressão é dada diretamente no

mostrador sob forma de um número de dureza, lido em uma escala apropriada ao penetrador e à carga

utilizada.

A amostra de aço foi submetida a três compressões com uma carga de 60 kgf, utilizando a escala C,

em três pontos diferentes do material (Figura nº17) e então, os resultados obtidos foram anotados. Em

seguida a amostra foi submetida a um tratamento térmico (Figura nº 18) que têm por objetivo modificar as

propriedades do aço através de um conjunto de operações que incluem o aquecimento e o resfriamento em

diferentes condições controladas. No experimento em questão foi utilizada a técnica de têmpera, que é um

tratamento com o objetivo de obter uma microestrutura que proporcione propriedades de dureza e resistência

mecânica elevada, além de tornar mais elevado seu limite de escoamento e resistência à tração, à compressão

e ao desgaste. O corpo de prova foi submetido a uma temperatura de 930°C por volta de 60 minutos, em

seguida lançado dentro de uma mistura de água e sal, a fim de resfria-la, ocorrendo assim, aumento de

dureza. Após quarto minutos dentro da água salgada, a peça foi lixada novamente, para remover a crosta

formada pelo tratamento térmico. Após a amostra limpa, foi realizado o ensaio de dureza novamente por três

vezes e anotados os resultados.

Fig. 16: Durometro Fig. 17: Corpo de prova após o ensaio

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Fig. 18: Tratamento térmico

4.3 - Resultados e Discussões

Os resultados do ensaio de dureza antes do tratamento térmico foram:

Resultado 1: C56,0 kgF.

Resultado 2: C53,5 kgF.

Resultado 3: C53,0 kgF.

Os resultados do ensaio de dureza depois do tratamento térmico foram:

Resultado 1: C57,0 kgF.

Resultado 2: C59,2 kgF.

Resultado 3: C53,2,0 kgF.

Após a realização dos experimentos, os resultados foram comparados. Foi observado que a dureza do corpo

de prova aumentou aproximadamente 4,25%.

Foi visto que o procedimento de tempera aumentou a dureza do material, uma vez que, com o

resfriamento rápido, utilizando uma mistura de água e sal, não ofereceu tempo suficiente para a

microestrutura se reorganizar.

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De acordo com o gráfico, o uso da

água como agente de resfriamento é um

mais indicado para se obter uma estrutura

mais dura, pois consegue resfriar o corpo

ate a obtenção da martensita sem que a

linha de resfriamento toque na linha de

transformação de austenita em perlita ou

de austenita em bainita.

A têmpera realizada no

experimento visou à obtenção da

martensita, pois com ela há o aumento do

limite de resistência à tração e da dureza

do aço.

Fig. 19: Gráfico da Curva TTT

4.4 – Conclusões

Foi observado pela equipe que o método utilizado na obtenção da dureza do material, no experimento, é

de alta praticidade e facilidade, não exigindo muito conhecimento prévio do operador.

Quanto ao tratamento térmico, o experimento comprovou um aumento significativo da dureza do

material. Ficou subentendido que a escolha adequada da temperatura com que será feito o tratamento

térmico, o tempo em que o material será exposto ao calor, e a velocidade do resfriamento com o auxílio do

material escolhido, são pontos importantíssimos para a obtenção dos resultados esperados.

5. Considerações finais

Conhecer as propriedades de um determinado material é de extrema importância para as áreas de

engenharia, e todos esses estudos vieram confirmar isso.

Desde o Ensaio Metalográfico, onde é possível conhecer a fundo o material trabalho, desde sua

porcentagem de carbono até contornos de grãos. Neste ensaio é possível determinar não só a classificação do

aço, como também, sua composição física, química e mecânica. Sobre propriedades mecânicas, podem ser

mais precisas nos ensaios seguintes, que são os ensaios de Tração, Impacto e Dureza.

No ensaio de Tração, analisamos o comportamento do material quando sobre uma deformação,

obtendo limetes para este material, como por exemplo a tensão de ruptura, que nos diz até quanto de energia

o material consegue absorver antes de se romper.

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Já no ensaio de Impacto, o corpo de prova é submetido a um golpe, um impacto, como o nome do

ensaio já sugere. Neste ensaio é possível conhecer a resistência ao impacto de certo material, o que é

essencial para determinadas aplicações.

E por ultimo, o corpo de prova foi submetido ao ensaio de Dureza, após receber uma carga de

determinada força, obtém-se a dureza do material. Ao passar por um tratamento térmico, observou-se um

aumento nesta propriedade. A forma com que este material é resfriado também influencia no seu resultado

final, portanto se o objetivo é um material mais rígido, deve ser resfriado rapidamente, com isso, não há

chances dele se reorganizar.

Cada material possui propriedades diferentes, estruturas diferentes e aplicações diferentes. Conhecer

onde cada um se comportará da melhor maneira, é algo indispensável. Por isso o estudo dos materiais é algo

tão presente nos dias de hoje.

6. Referências

EPSTEIN, Lawrence M.; ROSENBERG, Jerome l.; Química Geral, (Coleção Schaum), Porto Alegre:

Bookman, 2003.

CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5ed. LTC, São Paulo, 2002.

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Disponível em http://www.webartigos.com/artigos/analise-metalografia-de-metais/57232/, acessado dia

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mecanicos/210-ensaio-mecanico-impacto.htmlhttp://panantec.com.br/jinan/pen/pen.htm, acessado dia

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