Metalografia:Metalografia:AnáliseAnálise

MacrográficaMacrográfica

Relatório de Materiais Mecânicos II – Profº Mauro

Cassiana Osaku Dias de Almeida R.A: PN091008

Projetos/Noturno.

Sumário

1. Introdução...................................................................................3

2. Objetivo.......................................................................................3

3. Metodologia e definições............................................................3

4. Discussão......................................................................................9

5. Conclusão....................................................................................11

6. Referências bibliográficas.........................................................11

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1. Introdução:O controle de qualidade de um produto metalúrgico pode ser estrutural e

dimensional. O segundo preocupa-se em controlar as dimensões físicas de um determinado produto, denominado Metrologia. O primeiro preocupa-se com o material que forma a peça, sua composição, propriedade, estrutura, aplicação, etc. Pode ser: físico, químico, metalográfico e especial.

1.1. Ensaio metalográfico Procura relacionar a estrutura íntima do material com as suas propriedades

físicas, com o processo de fabricação, com o desempenho de suas funções e outros. Pode ser: Macrográfico e Micrográfico.

1.1.1. Macrografia Examina o aspecto de uma superfície após devidamente polida e atacada por um

reagente adequado. Por seu intermédio tem-se uma idéia do conjunto, referente à homogeneidade do material, a distribuição e natureza das falhas, impureza e ao processo de fabricação.

1.1.2. Micrografia Consiste no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio,

onde se pode observar e identificar a granulação do material, a natureza, a forma, a quantidade, e a distribuição dos diversos constituintes ou de certas inclusões.

2. Objetivo:

Neste relatório abordaremos apenas a análise macrográfica a fim de avaliar as heterogeneidades com tamanho macroscópico, como trincas, segregação química, porosidades, textura ou outras irregularidades, os quais podem comprometer o desempenho das peças fabricadas.

3. Metodologia e Definições:

Para realizar a análise da macroestrutura é necessário que se obtenha uma amostra real, ou seja, o corpo de prova, que nada mais é parte do material ou produto com forma e dimensões especificas da superfície a ser analisada podendo esta ser embutida ou não.

Corpo de prova embutido: O embutimento é de grande importância para o ensaio metalográficos, pois além de facilitar o manuseio de peças pequenas, evita que amostras com arestas rasguem a lixa ou o pano de polimento; bem como o abaulamento durante o polimento. Existem dois tipos de embutimento: a frio e a quente. No embutimento a quente, a amostra a ser analisada é colocada em uma prensa de embutimento com uma resina, sendo que o mais comumente utilizado é a baquelite; de baixo custo e dureza relativamente alta.

Corpo de prova não embutido: É o corpo de prova cujas dimensões da superfície a analisar são suficientemente grandes a ponto de não ser necessário o embutimento.Às vezes é necessário particionar o corpo de prova para obterem-se amostras que servirão para análise metalográfica. Operações mecânicas como torneamento, aplainamento e outras, impõem severas alterações microestruturais devido ao trabalho mecânico a frio. O corte abrasivo oferece a melhor solução para este seccionamento, pois elimina por completo o trabalho mecânico a frio, resultando em superfícies planas com baixa rugosidade, de modo rápido e seguro. O equipamento utilizado para o corte conhecido como “cut-off”, ou

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policorte, com discos abrasivos intensamente refrigerados (evitando deformações devido ao aquecimento) a relativas baixas rotações é largamente utilizado nos laboratórios metalográficos. O corte também pode ser obtido através da serra (permite bom controle do corte, não aplicável a materiais muito duros) ou maçarico (indicado para corte de amostras de materiais ferrosos em grandes fragmentos, tendo o incoveniente que o intenso aquecimento local pode implicar em alterações estruturais da amostra). Abaixo as figuras 1,2 e 3 ilustram os três tipos citados :

Figura 1 - Corte com disco abrasivo

Figura 2- Serramento mecânico

Figura 2 – Corte com serra

Figura 3 – Corte com maçarico

Os discos de corte consistem de discos abrasivos finos (normalmente de alumina ou oxido de silicato), agregados com borracha ou outro aglomerante qualquer. Quando utilizados com ligas “moles” (como alumínio, cobre bronze. Etc.) os discos se tornam prematuramente empastados, devendo ser retirados a camada mais externa dos discos evitando diminuição do rendimento reduzido devido a uma serie de fatores, dentre eles:

Dureza do aglomerante;

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Dureza do material da amostra; Tamanho e a velocidade do disco abrasivo; A potência do motor; Pressão aplicada pelo disco sobre a amostra; Vibração do equipamento de corte.

Utilizam-se discos específicos em função da dureza do material a cortar. A escolha e localização da seção a ser estudada dependem basicamente da forma da peça e dos dados que se deseje obter ou analisar a mesma. Em geral, é efetuado o corte longitudinal ou o corte transversal na amostra. O corte longitudinal permite verificar:

Se a peça é fundida, forjada ou laminada;

Se a peça foi estampada ou torneada;

A solda de barras;

A extensão de tratamentos térmicos superficiais, etc.

Já o corte transversal permite verificar: A natureza do material;

A homogeneidade;

A forma e dimensões das dendritas;

A profundidade de têmperas, etc.

O seccionamento da amostra deve ser efetuado de tal maneira que não complique as operações subseqüentes. Entre os métodos de corte o que mais se adapta para o ensaio metalográfico é o corte por abrasão a úmido. Neste caso, 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.

Após a realização do corte da amostra, é necessário o lixamento, operação que tem por objetivo eliminar riscos e marcas mais profundas da superfície dando um acabamento a esta superfície, preparando-a para o polimento. Devido ao grau de perfeição requerida no acabamento de uma amostra metalográfica idealmente preparada, é essencial que cada etapa da preparação seja executada cautelosamente. Existem dois processos de lixamento: manual (úmido ou seco) e automático. A técnica de lixamento

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manual consiste em se lixar a amostra sucessivamente com lixas de granulometria cada vez menor, mudando-se de direção (90°) em cada lixa subseqüente até desaparecerem os traços da lixa anterior. (FIG.4).

Fig. 4 – Representação esquemática do método de lixamento com trabalho em sentidos alternados.

A seqüência mais adequada de lixas para o trabalho metalográfico com aços é 100, 220, 320, 400, 600 e 1200. Para se conseguir um resultado 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 desbaste, 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;

A superfície deve estar rigorosamente limpa, isenta de líquidos e graxas que possam provocar reações químicas na superfície;

Riscos profundos que surgirem durante o desbaste deve ser eliminado por novo lixamento, ou seja, realizar a troca de lixa, alterando a orientação dos riscos de 90° provocados pela lixa anterior;

Metais diferentes não devem ser lixados com a utilização da mesma lixa; Fluxo de água inibe a formação de pó além de garantir bom resfriamento da

superfície amostra.Geralmente, para os trabalhos metalográficos as lixas utilizadas têm como grão abrasivo

o óxido de alumínio, em casos especiais, são utilizados o diamante e o carbeto de boro. A granulometria é relatada em números. Portanto, o número de grãos abrasivos é definido como a quantidade de grãos mais grossos, que uma peneira com um determinado número de malhas por polegada que permite passar através da mesma.

Além do lixamento como preparo da amostra para posterior polimento, existe o esmerilhamento ou “Lapping”, que faz uso de grãos abrasivos soltos rolando livremente entre o seu suporte e a superfície da amostra.

As figuras 5,6,7 ilustram a superfície lixada de um aço ABNT 1010 (MEV) com diferentes tipos de lixas:

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Figura 5 - #220 Figura6 - #320

Figura 7 - #400

Após o lixamento, é preciso fazer o polimento do corpo de prova que visa um acabamento superficial polido isento de marcas, utiliza para este fim 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, freon líquido, etc.) para que a secagem seja rápida.

Para observar a macroestrutura da amostra faz-se a aplicação de reagentes químicos que tem por finalidade expor a superfície polida do corpo de prova a reagentes oxidantes. Os reagentes são função do material e dos constituintes macroestruturais que se deseja contrastar na análise metalográfica.Antes de a amostra sofrer o ataque, a mesma deve estar perfeitamente limpa e seca, por isso utilizam-se 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.

A aplicação dos reagentes químicos pode ser feitas das seguintes formas:

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A quente (±80ºC) Para corrosões rápidas e superficiais;

A frio (Temperatura ambiente) Corrosão lenta e profunda;

Ataque por imersão A superfície da amostra é imersa na solução de ataque; o método mais usado.

Ataque por gotejamento A solução de ataque é gotejada sobre a superfície da amostra. Método usado com soluções reativas dispendiosas.

Ataque por lavagem A superfície da amostra é enxaguada com a solução de ataque. Usado em casos de amostras muito grandes ou quando existe grande desprendimento de gases durante o ataque.

Ataque alternativo por imersão A amostra é imersa alternadamente em duas soluções. As camadas oriundas do ataque com a primeira solução são removidas pela ação do segundo reagente.

Ataque por esfregação A solução de ataque, embebida em um chumaço de algodão ou pano, é esfregada sobre a superfície da amostra, o que serve para remover as camadas oriundas da reação.

Abaixo uma tabela com os principais reagentes utilizados:

Reagente Composição Aplicação Tempo Revela

Solução de ácido Clorídrico (1:1)

Uma parte de ác. Clorídrico + uma parte de água (50% v.v)

A quente ±80°C

15 a 45 min Ocorrência de segregação, resto de vazio (rechupe), estruturas dendríticas, bolhas, estruturas fibrosas, camadas endurecidas (cementação , têmpera, etc.)

Reagente de Iodo 10g de I2 + 20g de KI+ 100 ml de H2O

Imersão e a frio 15 a 45 min

Idem ao HCl, porém mais eficaz

Reagente de ácido sulfúrico

20 ml de H2SO4 +100 ml de H2O(16,7% v.v)

Imersão e a quente

15 a 45 Idem ao HCl ;Excelente para revelar estrutura fibrosa.

Baumann* 5 ml de H2SO4 +95 ml de H2O (5% v.v)solução hipossulfito de sódio

* * Revelação da distribuição de enxofre no aço, com auxílio de papel fotográfico para ampliações.

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*Método de Baumann: Corta-se o papel fotográfico sem brilho num tamanho maior que o corpo de prova (o qual é preparado sem reagente) e este é mergulhado em solução de H2SO4 (1 a5% v.v) por aproximadamente um minuto.Em seguida, deixa-se escorrer o excesso de H2SO4 , identificando a face gelatinosa do papel a qual será colocada sobre o corpo de prova, passando com um rolo por cima a fim de eliminar possíveis bolhas.Deixar cerca de 5 minutos.Retirar o papel e mergulhar em solução de hipossulfito de sódio por mais ou menos 10 minutos (para remoção da gelatina que não reagiu).Finalmente , lavar e deixar secar por uma hora. A segregação do enxofre é indicada por coloração marrom ou parda.

4. Discussão:

O estudo da macroestrutura revela através do corte transversal a ocorrência de segregação, que nada mais é do que o acúmulo de impurezas em uma determinada região, normalmente essas impurezas se localizam na região superior e central, que é a última a se solidificar. Observa-se também a presença de restos de vazios (rechupe), o qual ocorre no início da solidificação.

Neste tipo de corte, é possível analisar o tamanho, forma e coloração das dentritas(grão primário em formação).Quanto ao tamanho, se forem pequenas, significa que a velocidade de resfriamento foi rápida; já se forem grandes indica que a velocidade de resfriamento foi lenta.Com relação à forma da dentritas, se estas forem retas, determina que não houve deformação mecânica, e se não forem retas , o contrário.Se sua coloração for clara, o material é aço, já se for escura é ferro fundido (branco). Estas estruturas dentríticas após sofrerem intensa deformação mecânica dão origem à estrutura fibrosa.

A ocorrência de bolhas também é observada neste tipo de análise, estas são microcavidades contendo um gás aprisionado, o qual pode se um gás redutor ou oxidante (CO,CO2). Com o processo de caldeamento (solda por compressão à quente) consegue-se reduzir as de bolhas.Porém se o gás contido na bolha for oxidante, não ocorre o caldeamento.Também pode ser adicionado às ligas desoxidantes para evitar a formação das bolhas, como por exemplo Si, Mn, Al.

Consegue-se identificar ainda, as camadas endurecidas de tratamentos termoquímicos como a cementação e têmpera. A primeira pode ser realizada (a)via sólida: Mistura carbonetante de carvão vegetal (60%) + BaCO3 (40%); (b) gasosa: butano , propano, adequado para grandes lotes; c) líquida : com NaCN (cianeto de sódio). Apenas a camada periférica é observada. A têmpera pode ser convencional ou por indução.

No corte longitudinal verifica-se se o material é laminado, forjado ou fundido (moldado). Se for laminado ou forjado, a macroestrutura revela uma estrutura fibrosa, enquanto que, se for fundido observa-se uma estrutura dentrítica.Pode-se ainda, certificar se o material foi usinado ou estampado, través da presença de regiões de encruamento.

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No método de impressão de Baumann o objetivo é detectar a segregação de enxofre (FeS/MnS). O copro de prova cuja composição pode ser de FeS ou MnS reage com o papel mergulhado com H2SO4, originando como produto ácido sulfídrico (gás). Este reage com o brometo de prata e origina o sulfeto de prata, o qual tem a coloração marrom ou parda.

Abaixo figuras que ilustram a macroestrutura:

Impressão de Baumann.

Textura em aço 4140 forjado solução 50% HCl

Têmpera superficial em aço ferramenta 50% HCl aquecida

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Macroestrutura de lingote

de alumínio fundido

5. Conclusão:

Com base nos estudos realizados neste relatório, pode-se concluir que a análise macrográfica é de extrema importância em processos de fabricação. Esta permite avaliar as propriedades, composição, forma, estrutura dos materiais, bem como falhas , defeitos e impurezas que possam ocorrer durante todo o processo, visando um controle de qualidade ideal.

6. Referências bibliográficas:

*ASM, Handbook

*Struers, Metalog Guide

* Askeland, Donald R. / Cengage Learning- Ciência e Engenharia dos Materiais

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