ENSAIO DOS MATERIAIS Professora Silvia M. Higa

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1 ENSAIO DOS MATERIAIS Professora Silvia M. Higa I. Introdução Os ensaios aplicados aos materiais são de grande importância para avaliar suas propriedades após processos de conformação, soldagem, tratamentos térmicos e para análise de fraturas, por exemplo. Devido às novas matérias-primas e o desenvolvimento de processos de fabricação, criaram-se métodos padronizados de produção em todo o mundo. Ao mesmo tempo, desenvolveram-se processos e métodos de controle de qualidade dos produtos. Entende-se que o controle de qualidade se inicia desde a matéria-prima, estende-se por todo o processo e finaliza na inspeção de produtos acabados. Os dados obtidos durante os ensaios são processados, gerando resultados que devem ser expostos na forma de tabelas, quadros e gráficos, de modo a facilitar a compreensão dos dados técnicos. É importante utilizar as unidades de medida para grandezas em questão de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI). Para que haja uma padronização dos ensaios a fim de se estabelecer um critério de avaliação do desempenho de matérias-primas, processos e produto acabado foram criadas as normas técnicas. Essas normas trazem uma descrição minuciosa de todas as etapas que consistem um ensaio técnico. De uma forma geral, são seguidas e certificadas nas indústrias com a finalidade em muitos casos, de validar seus produtos. A. Local de Realização dos Ensaios Os ensaios técnicos são realizados dentro da própria indústria, em oficinas ou ambientes preparados. Atualmente existem empresas de caracterização e ensaios técnicos cujo papel é fornecer relatórios técnicos de avaliação de materiais, baseados em normas. Em alguns casos, devido à necessidade de equipamentos de custo elevado, tanto de aquisição quanto de

2 manutenção, as indústrias realizam nestes laboratórios específicos seus ensaios. B. Principais Propriedades Medidas As propriedades avaliadas durante os ensaios técnicos podem ser resumidas em propriedades químicas e físicas. Dentre as propriedades físicas, destacam-se as propriedades mecânicas que estão relacionadas maneira com que os materiais reagem aos esforços externos quando deformados ou até a ruptura. A avaliação das propriedades físicas é muito utilizada em metais e podemos citar como os principais ensaios: Ensaio de tração/compressão/flexão; Ensaio de impacto; Ensaio de fadiga; Ensaio de torção; Ensaio de fluência. Em relação às propriedades químicas, além da determinação da composição química do material, podemos listar alguns ensaios muito utilizados para avaliação de um produto acabado, por exemplo: Ensaio de corrosão (imersão, perda de massa e eletroquímicos); Ensaio de líquidos penetrantes; Ensaio de radiografia; Ensaio de ultrasom. Assim, grande parte dos ensaios aplicados para avaliar o desempenho dos materiais surge devido à mudança na microestrutura por algum tipo de conformação, tratamento térmico, etc.

3 II. Normas Técnicas De acordo com a ABNT (Associação de Normas Brasileira de Normas Técnicas), normalizar é uma atividade que estabelece, em relação a problemas existentes, prescrições destinadas à utilização comum e repetitiva com vistas à obtenção do grau ótimo de ordem em um dado contexto. Principais objetivo das normalização Economia: proporcionar a redução da crescente variedade de produtos e procedimentos; Comunicação: proporcionar meios mais eficientes na troca de informações entre fabricantes e clientes; Segurança: proteger a vida humana e a saúde; Proteção do consumidor: promover meios mais eficazes de aferir a qualidade dos produtos; Eliminação de barreiras técnicas e comerciais: evitar a existência de regulamentos conflitantes sobre produtos e serviços em diferentes países, facilitando o intercâmbio comercial. A utilização de normas acarreta benefícios que podem ser classificados como: qualitativos e quantitativos. Qualitativos: o Utilização adequada de recursos (equipamentos, materiais e mão de obra); o Uniformização da produção; o Facilitação do treinamento de mão de obra (melhoria do nível técnico); o Registro do conhecimento tecnológico;

4 o Melhora do processo de contratação e venda de tecnologia. Quantitativos: o Redução de consumo de materiais e serviços; o Padronização de equipamentos e componentes; o Redução na variedade de produtos; o Fornecimento de procedimentos para cálculos e projetos; o Aumento da produtividade; o Melhoria da qualidade; o Controle de processos. Processo de elaboração de Normas Brasileiras DEMANDA PROGRAMA DE NORMALIZAÇÃO ELABORAÇÃO DO PROJETO DE NORMA CONSULTA NACIONAL NORMA NÃO SIM OK ANÁLISE DO RESULTADO DA CONSULTA NACIONAL Os materiais metálicos a ASTM é muito conhecida (sociedade americana para testes e materiais), alem da DIN (normas alemãs), AFNOR (normas francesas) e BSI (do Reino Unido). No Brasil, além da NBR, o Inmetro (Instituto Nacional de Metrologia e Qualidade) é responsável pela normalização de produtos e serviços. III. Preparação dos Corpos de Prova Antes de iniciar qualquer tipo de ensaio, torna-se necessário analisar como serão confeccionados os corpos de prova e sua amostragem. Toda essa preocupação deve ser levada em consideração para que os resultados obtidos

5 sejam capazes de responder ou atender as necessidades de um bom desempenho técnico do produto. A. Metalografia A qualidade de um produto metalúrgico pode ser dividida em estrutural e dimensional. As dimensões físicas de um determinado produto são determinadas e controladas pela Metrologia, enquanto que a composição, propriedade, estrutura e aplicação são preocupações da Metalografia. Ensaio Metalográfico: relaciona a estrutura do metal com as propriedades físicas, com o processo de fabricação, com o seu desempenho técnico. Pode ser dividido em: Macrográfico Exame a olho nu ou com pouca ampliação (até 50x) da superfície polida e atacada por um reagente químico adequado. Neste ensaio, tem-se uma análise quanto à homogeneidade do material, presença de falhas devido ao processo, impurezas, qualidade de solda, profundidade de tratamentos térmicos, entre outros. Micrografia Consiste no estudo de produtos metalúrgicos com auxílio de um microscópio, sendo possível a observação das fases presentes, identificação da granulometria do material (tamanho de grão), teor aproximado de carbono no aço, a natureza, a quantidade e a distribuição de diversos constituintes ou de certas inclusões. B. Corpo de Prova Parte do material ou do produto cuja superfície a ser analisada pode estar embutida ou não. a) Corpo de Prova Embutido

6 Os principais objetivos que se tem em embutir um corpo de prova são: Tornar o manuseio das amostras mais fácil; Evitar a perda do corpo de prova; Diminuir o descarte de lixas e tecidos de polimento devido à presença de cantos vivos; Reduzir a chance de ferimentos devido o processo de polimento. São dois os tipos de embutimento, nos quais variam o tipo de resina empregado. Embutimento a quente: neste tipo de embutimento o corpo de prova é colocado em uma prensa de embutimento com uma resina termofixa, no caso, a baquelite, de baixo custo e dureza relativamente elevada. Devido à temperatura do embutimento, não é aconselhável a metais ou materiais que sofram transformações a baixas temperaturas, próximas a de amolecimento da resina, pois pode causar modificações na microestrutura a ser observada. Embutimento a frio: no embutimento a frio, as resinas utilizadas são as resinas sintéticas de polimerização rápida (poliéster ou acrílica). Juntamente com a resina, são adicionados catalisadores que aceleram a polimerização da resina. A etapa de embutimento deve ser bem analisada, pois uma amostra mal embutida pode prejudicar as etapas futuras da metalografia. Um dos grandes erros cometidos na etapa de embutimento está na escolha do tamanho do molde. Este deve possuir um tamanho no qual nenhuma das extremidades do corpo de prova fique próximo às bordas. No caso das resinas de cura a frio, a homogeneização desta com uma quantidade de catalisador adequada é um dos principais cuidados que devem ser tomados. C. Corte

7 Geralmente os corpos de prova são retirados de um produto de maior dimensão. A escolha do corpo de prova depende do objetivo principal da análise. No caso de análise de falhas, costuma-se fazer a análise da superfície e da seção transversal, a fim de se obter um melhor detalhamento. Algumas operações para a obtenção de corpos de prova podem promover alterações microestruturais devido ao trabalho mecânico a frio. O corte abrasivo é uma das soluções, pois elimina por completo o trabalho mecânico a frio, resultando em superfícies mais planas e de baixa rugosidade, além de ser prático e seguro. O equipamento para o corte é conhecido como cut-off, ou policorte, com discos abrasivos intensamente refrigerados (para evitar deformações por meio de aquecimento) e operados em baixas rotações. A escolha e localização da seção a ser estudada dependem basicamente da forma da peça e dos dados que se deseja obter. É usualmente efetuar o corte longitudinal ou transversal da amostra. O corte longitudinal permite verificar: Se a peça é fundida, forjada ou laminada; Se a peça foi estampada ou torneada; Presença de soldas; Extensão de tratamentos térmicos superficiais. O corte transversal permite verificar: A natureza do material; A homogeneidade; A forma e a dimensão das dendritas; A profundidade da têmpera. De uma maneira geral, para materiais moles de baixo teor de carbono, utilizam-se discos duros, enquanto que para materiais mais duros, são utilizados discos mais moles.

8 Durante a operação de corte, deve-se ter o máximo cuidado para não modificar a estrutura da amostra. O corte nunca deve ser contínuo para que não haja aquecimento (acima de 100 C) por falta de penetração do agente refrigerante. A rebarba do corte no final da peça deve ser evitada, para que não prejudique o embutimento. A tabela a seguir mostra alguns defeitos e suas causas durante a operação de corte. Defeitos Causas Velocidade inadequada; Disco de corte pressionado excessivamente sobre a amostra; Quebra do disco Fixação insuficiente do disco de corte; Refrigeração irregular causando entupimento nas cânulas. Disco de corte muito duro; Refrigeração insuficiente do disco; Aquecimento excessivo Baixa velocidade do disco de corte; Disco inadequado. Disco de corte muito mole; Desgaste excessivo do disco de corte Refrigeração irregular; Rolamentos defeituosos; Fixação insuficiente.

9 Disco de corte muito duro; Formação de rebarbas Disco de corte com granulometria muito grossa; Corte efetuado muito rápido. D. Lixamento A amostra depois de embutida deve ser lixada até a obtenção de uma superfície isenta de imperfeições. É a etapa mais demorada da metalografia, ainda mais quando o corpo de prova apresenta superfície sem acabamento. Esta etapa tem como objetivo retirar riscos e marcas mais profundas da superfície e prepará-la para um acabamento a partir de um polimento. O lixamento manual consiste em lixar a amostra sucessivas vezes, com lixas de granulometria cada vez menor, alternando a direção a cada ciclo de repetições em 90 em cada lixa, até desaparecer todos os traços da lixa anterior. A seqüência mais adequada das lixas é: 180, 220, 320, 400, 600 e Para se ter um lixamento eficaz é necessário que se utilize uma pressão e uma velocidade de lixamento de acordo com a natureza da amostra, para evitar deformações plásticas ou aumento da temperatura em sua superfície. E. Polimento Após a etapa de lixamento, o acabamento da superfície é obtido através do polimento em pasta de diamante ou alumina. Para iniciar o polimento, a superfície deve estar limpa para que os grãos abrasivos da etapa de lixamento não causem riscos. Os mesmos cuidados que são tomados durante a etapa de lixamento devem ser mantidos nesta etapa. O excesso de pressão sob a amostra e tempo de lixamento excessivo pode comprometer o resultado do polimento.

10 F. Ataque Químico O corpo de prova depois de polido necessita ser atacado para que sua microestrutura seja revelada, em termos de contornos de grão e fases presentes. De uma maneira geral, o reagente ácido é colocado na superfície da amostra, por certo tempo, ocorrendo a corrosão específica. A escolha do reagente é feita de acordo com o tipo de material. Durante o ataque químico, alguns grãos e fases serão mais ou menos atacados que os outros. Isso faz com que cada grão reflita a luz de uma maneira diferente de seus vizinhos. Isso realça os contornos e grãos e dá diferentes tonalidades às fases permitindo sua identificação por meio de microscópios. A tabela mostra os métodos de ataques químicos mais utilizados. Método Descrição Ataque por imersão A superfície da amostra é imersa na solução de ataque; método mais utilizado. Ataque por gotejamento A solução de ataque é gotejada sobre a superfície da amostra; usando quando a solução tem alto custo. Ataque por lavagem A superfície da amostra é enxaguada com a solução de ataque; usado para amostras muito grandes ou quando existe um desprendimento de gases durante o ensaio.

11 Ataque por imersão A amostra é imersa alternadamente em duas soluções; as camadas do primeiro ataque são removidas pela ação do segundo reagente. Ataque por atrito A solução de ataque, embebida em algodão ou tecido é friccionada sob a superfície da amostra, removendo as camadas resultantes da reação. A. Microscopia O microscópio ótico (MO) e o microscópio eletrônico (ME) são os dois tipos que podem ser utilizados para a análise metalográfica, sendo que o aumento obtido na microscopia eletrônica é no mínimo 1000x maior que na ótica. No caso da microscopia ótica, o princípio utilizado é da reflexão, no qual uma luz incide na superfície da amostra e a partir de lentes objetivas, tem-se a imagem refletida num determinado aumento. De modo geral, quando se tem a necessidade de uma análise mais profunda e um detalhamento minucioso da microestrutura, a utilização do ME é mais adequado. Além do contraste que define contornos de grão, presença de inclusões, por exemplo, o ME possibilita obter informações quanto à composição química e de relevo.

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