DETERMINAÇÃO DA TRANSIÇÃO DO COMPORTAMENTO DÚCTIL-FRÁGIL DO AÇO FUNDIDO G17CRMOV5-10

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1 DETERMINAÇÃO DA TRANSIÇÃO DO COMPORTAMENTO DÚCTIL-FRÁGIL DO AÇO FUNDIDO G17CRMOV5-10 Mauricio Angeloni 1, Mara Regina Mellini Jabur 2, Omar Maluf 3, Péricles Bosquetti 4, Alessandro Fraga Farah 5, José Roberto Garbin 6, Rafael Fernando da Silva 7, Tiago Roberto da Silva 8 1 SP, (16) (mauricio.angeloni@fatec.sp.gov.br) 2 Profª. Me. da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, Jardim Recreio, Sertãozinho - SP, (16) (maramellini@yahoo.com.br) 3 SP, (16) (omarzabra@gmail.com) 4 SP, (16) (péricles.bosquetti@fatec.sp.gov.br) 5 SP, (16) (alessandro.farah@fatec.sp.gov.br) 6 SP, (16) (jose.garbin@fatec.sp.gov.br) 7 Tecnólogo em Mecânica: Processos de soldagem FATEC-Sertãozinho rafa_nando10@hotmail.com 8 Tecnólogo em Mecânica: Processos de soldagem FATEC-Sertãozinho tiago_robert@hotmail.com Resumo O setor sucroalcooleiro, nos últimos anos, vem passando por grandes mudanças provocadas tanto pela aplicação de normas, ambientais e de segurança, mais rígidas, como pela crescente demanda de um mercado cada vez mais globalizado e competitivo, o que leva os materiais utilizados na fabricação de peças e componentes empregados no setor a condições cada vez mais extremas de utilização. Com exigências cada vez maiores tanto para temperaturas mais elevadas, devido à constante busca pelo aumento de produtividade, como para temperaturas mais baixas, devido à localização geográfica das usinas que se espalham por todo o Brasil e outros países, surge a necessidade de uma melhor caracterização desses materiais, principalmente no que se refere à transição do comportamento dúctil-frágil, de modo a garantir a segurança e a confiabilidade das peças e componentes fabricados, evitando, assim, possíveis falhas catastróficas. Neste trabalho, objetivou-se determinar a transição de comportamento dúctil-frágil do aço fundido G17CrMoV5-10 na condição de recozido, utilizado na fabricação de carcaças de redutores, por meio de ensaios de Impacto Charpy, além da caracterização metalográfica. Como resultado, obteve-se não só a caracterização do material, como também a faixa de temperatura de transição do comportamento dúctil-frágil. Palavras-chave: Comportamento Mecânico. Transição Dúctil-Frágil. Ensaio de Impacto. Aço G17CrMoV5-10. Introdução Atualmente, em decorrência de um mercado cada vez mais competitivo, muitas empresas têm procurado investir, de forma gradativa, em pesquisa por novas tecnologias. Dentre elas, pode-se destacar a busca por novos materiais, com melhores propriedades mecânicas, físicas, metalúrgicas, etc. No setor metalomecânico, a pesquisa por novas ligas, sejam elas ferrosas, sejam não ferrosas, capazes de substituir aqueles materiais atualmente utilizados na fabricação de peças e componentes, com boa relação custo/benefício vêm ganhando força (NORMA DIN, 2008). No entanto, essas iniciativas ainda não são suficientes, pois além da composição química do material, é necessário o conhecimento mais profundo de todas as propriedades mecânicas e dos tipos de tratamentos térmicos aos quais a liga metálica possa ser submetida de modo a alterar a microestrutura e, consequentemente, suas propriedades (CALLISTER, 2008; CHIAVERINI, 2003). Os ensaios mecânicos são utilizados para determinar certas características e comportamentos dos materiais. A determinação das propriedades mecânicas de um material metálico é realizada por meio de vários ensaios. Geralmente esses ensaios são destrutivos, pois promovem a ruptura do material; nesta categoria de ensaios destrutivos, estão classificados os ensaios de tração, dobramento, flexão, torção, fadiga, impacto, compressão, dureza, entre outros. Esses testes são realizados pela aplicação, em um material, de esforços, sejam eles de tração, compressão, flexão, torção,

2 cisalhamento e pressão interna, para se determinar a resistência do material a cada um desses esforços. A escolha do ensaio mecânico mais adequado para cada produto metálico depende da finalidade do material, dos tipos de esforços que esse material vai sofrer e das propriedades mecânicas que se deseja medir. Em geral, existem especificações para todo tipo de produto metálico fabricado e, nessas especificações, constam os ensaios mecânicos que devem ser realizados para se saber se o produto está dentro das normas (GARCIA et al., 2008; SOUZA, 1982; CHIAVERINI, 1986). Dentre os ensaios mais importantes utilizados no setor sucroalcooleiro, destaca-se o de impacto, que é um dos primeiros e até hoje um dos mais empregados para o estudo de fratura frágil nos metais e se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a uma força brusca e repentina, que deve rompê-lo. Esse ensaio é empregado no estudo da fratura frágil dos metais, cuja característica é a propriedade de um metal atingir a ruptura sem sofrer deformação elástica, sendo que o resultado obtido é apenas uma medida de energia absorvida e, por vezes, a característica da superfície fraturada é o resultado mais importante, por fornecer informações mais seguras sobre o tipo de fratura. Um dos fatores mais importantes, no estudo da fratura dos metais e em relação ao ensaio de impacto é a temperatura e o efeito que ela gera no caráter da fratura. A influência da temperatura num corpo de prova de um metal de baixa ou média resistência, acusada numa máquina de ensaios de impacto, varia sensivelmente com a temperatura de ensaios. O que se observa é que existe uma faixa de temperatura relativamente pequena, na qual a energia absorvida cai consideravelmente, sendo que o tamanho dessa faixa varia com o metal e, às vezes, há uma queda bastante brusca. De modo geral, pode-se definir a temperatura de transição, para o aço ou outro metal que a exiba, como aquela que gera uma mudança no caráter de ruptura do material, passando de dúctil a frágil, ou vice-versa (CHIAVERINI, 2008; COLPAERT, 2008). Entretanto, essa passagem não é repentina, e o melhor seria definir um intervalo de temperatura de transição. Há vários critérios para determinar qual a temperatura ou intervalo de transição dos metais, essa determinação é importante porque só é conveniente utilizar um material numa região de temperaturas onde se tenha a certeza de que a fratura frágil não ocorrera, quando esse material for solicitado em níveis de ligação no seu campo elástico. Parte Experimental O material utilizado neste estudo foi o aço fundido G17CrMoV5-10, cuja composição química nominal está apresentada na Tabela 1. É importante salientar que o aço encontra-se no estado recozido. Tabela 1 Composição química nominal, % em peso. Composição Química C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu V Sn 0,15-0,20 0,60 0,50-0,90 Fonte: Norma DIN (2008) 0,020 0,015 1,20-1,50 Para a caracterização do material, foram utilizados ensaios de impacto, dureza e análise microestrutural de acordo com as metodologias relatadas nas normas ASTM E23-12C, ASTM E18-14 e ASTM E3-11 respectivamente. Para a determinação do comportamento dúctil-frágil e temperatura de transição, foram utilizados nove corpos de prova, do tipo Charpy com entalhe em V (Figura 1a), divididos em três grupos (A, B e C), para ensaios em diferentes temperaturas, conforme Tabela 2. Tabela 2 Ensaio de impacto em diferentes temperaturas. 0,90-1,10 0,40 0,30 Grupo A Grupo B Grupo C 0,20-0,30 Temperatura Ambiente Temperatura de 200 ºC Temperatura de 400 ºC 0,025 A máquina utilizada para a realização do ensaio de impacto é da marca time group, modelo JB-W100A, conforme apresentado na Figura 1b.

3 (a) Figura 1 (a) Desenho do corpo de prova Charpy do tipo A e (b) Máquina de ensaio de impacto. (b) Resultados e Discussão A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos nos ensaios de impacto Charpy realizados nos corpos de prova que foram previamente recozidos na temperatura de 950 ºC para homogeneização da microestrutura. Tabela 3 Resultados do ensaio de impacto em diferentes temperaturas. Amostras Temperatura Ambiente Temperatura de 200 ºC Temperatura de 400 ºC J 18 J 28 J 120 J 112 J 113 J 114 J 101 J 110 J Média Desvio Padrão O gráfico da energia de impacto em função da temperatura de ensaio, apresentado na Figura 2, mostra que a transição dúctil-frágil, do material de estudo, encontra-se em torno de 100 C, quando o critério da média das temperaturas dos patamares é adotado. Caso o critério utilizado para se encontrar a temperatura de transição seja o do patamar superior, esta terá o valor de 200 C. Além disso, nota-se uma grande diferença de energia entre as temperaturas para as quais o material tem um comportamento dúctil e frágil, de aproximadamente 100J, sinalizando para cuidados de projeto, quando da escolha do material, para aplicação em temperaturas abaixo daquela de transição. Observa-se também que, a partir do gráfico apresentado na Figura 3, a dispersão dos resultados obtidos, nos ensaios de Impacto Charpy, foi muito baixa, indicando ausência de defeitos no material e provável homogeneidade da microestrutura a ser comprovada pela análise metalográfica. Quanto aos valores de energia de impacto, obtidos para as temperaturas de 200 C e de 400 C, pode-se afirmar que, com base no desvio padrão encontrado, são praticamente iguais. Isso significa que, para temperaturas superiores a 200 C, a energia de impacto é praticamente constante, com pequenas oscilações, em torno de 112J.

4 Figura 2 Gráfico da energia de impacto em função da temperatura apresentando a curva de transição dúctil-frágil. Figura 3 Gráfico da energia de impacto em função da temperatura apresentando a dispersão dos resultados. Os resultados das medições de dureza, obtidas em Rockwell C e realizadas nos corpos de prova após ensaio de impacto, estão apresentados na Tabela 4.

5 Tabela 4 Resultados das medições de Dureza (HRC). Dureza HRC Temperatura 23ºC 200ºC 400ºC Média 27,6 29,4 28,8 Desvio Padrão 0,9 0,9 1,3 Dureza Brinell (HB) Pode-se observar que o valor de dureza obtido, para o corpo de prova submetido à temperatura de 23 C, durante ensaio de impacto, apresenta-se ligeiramente menor, quando comparado aos valores de dureza obtidos nos corpos de prova submetidos às temperaturas de 200 C e 400 C, durante o ensaio de impacto. Esse comportamento pode ser explicado pelo efeito da exposição a temperaturas próximas daquela de revenimento, mesmo que para curtos intervalos de tempo, pois provocariam mudança na microestrutura, a ser comprovada pela análise microestrutural. A diferença entre os valores de dureza obtidos nos ensaios, apesar de pequena, pode ser considerada significativa dada a reduzida dispersão dos valores encontrados, como mostra a Figura 4. Figura 4 Gráfico das medições de dureza em função da temperatura. A microestrutura encontrada, durante a análise metalográfica, é apresentada na Figura 5, com ampliações de 200 e 500 vezes, para amostras retiradas dos corpos de prova utilizados nos ensaios de Impacto Charpy nas temperaturas de 23 C, 200 C e 400 C.

6 a) 23 C b) 23 C c) 200 C d) 200 C e) 400 C f) 400 C Figura 5 Microestrutura indicando ferrita (região mais clara) e perlita (região mais escura) para as amostras, após ensaio de impacto realizado nas temperaturas de 23 C, 200 C e 400 C para ampliações de 200x em (a), (c) e (e) e ampliações de 500x em (b), (d) e (f). Observa-se uma microestrutura com granulometria refinada composta de ferrita (região mais clara) e perlita (região mais escura), como era esperado de um aço baixo carbono que recebeu um tratamento de recozimento. Nota-se também que as amostras submetidas às temperaturas de 200 C e 400 C, quando da realização dos ensaios de impacto, mesmo que por períodos pequenos de tempo, acabaram apresentando uma microestrutura mais refinada, advinda de uma provável normalização.

7 Conclusão Com relação ao objetivo principal deste trabalho, isto é, a determinação da temperatura de transição do comportamento dúctil-frágil para o aço G17CRMOV5-10 no estado recozido, pode-se concluir que a mesma se encontra em torno de 100 C quando o critério adotado é o da média das temperaturas dos patamares. Vale ressaltar que, dependendo do critério adotado, podem-se encontrar valores de temperatura diferentes para a transição do comportamento investigado. O que leva à conclusão de que estabelecer uma faixa de temperatura de transição seria mais adequado e seguro para a especificação/utilização em projetos de engenharia. Em relação ao estudo da dureza, complementar aos resultados dos ensaios de Impacto Charpy, é possível concluir que o pequeno aumento, notado para os corpos de prova expostos a temperaturas elevadas, mesmo que para curtos períodos de tempo, é proveniente de uma mudança na microestrutura. A partir da análise metalográfica dos corpos de prova utilizados nos ensaios de Impacto Charpy, pode-se concluir que o material estudado possui uma microestrutura com granulometria refinada composta de ferrita e perlita. Nota-se, também, que as amostras submetidas às temperaturas de 200 C e 400 C, acabaram apresentando uma microestrutura mais refinada, ocasionada provavelmente por uma normalização do material. Agradecimentos Os autores agradecem aos professores, alunos e técnicos que colaboraram para a plena execução deste trabalho de investigação científico-tecnológica. Referências CALLISTER, William. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia mecânica: Estrutura e Propriedades das Ligas Metálicas. 2. ed. Person Education, Tratamentos Térmicos das Ligas Metálicas. 1. ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, Aços e Ferros Fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos. 7. ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 4. ed. São Paulo: Blucher, GARCIA, Amauri; SPIM, Jaime Álvares; SANTOS, Carlos Alexandre dos. Ensaios dos materiais. Rio de Janeiro: LTC- Livros Técnicos e Científicos S.A, Norma DIN (Deutsches Institut für Normung) EN Steel castings for pressure purposes. Alemanha, SOUZA, Sérgio Augusto de. Ensaios mecânicos de materiais metálicos: Fundamentos teóricos e práticos. 5. ed. São Paulo: Blucher, 1982.