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Análise de Falhas de Ferro Fundido Nodular vs Lamelar

ferro fundido nodular frágil quasi clivagem

O que são falhas de material? São falhas que ocorrem em componentes, ou equipamentos devido a propriedades físicas ou químicas inadequadas do material. Por exemplo, um componente de ferro fundido nodular tem uma vida esperada em fadiga, ou em trabalho. Caso a vida do componente for reduzida além do esperado por características não desejadas do ferro fundido nodular, diz-se que este falhou por causa material. Assim, a caracterização de materiais correta é fundamental na condução da Análise de Falhas de máquinas e equipamentos.

Qual a Diferença do Ferro Fundido Nodular vs Lamelar?

A principal diferença entre os ferros fundidos é a morfologia da grafita formada durante a solidificação peça fundida. O ferro fundido nodular apresenta a grafita no formato de nódulos esféricos. Já o ferro fundido lamelar apresenta a grafita no formato de lamelas. O ferro fundido de grafita compacta, ou CGI, apresenta uma morfologia intermediária entre lamelas e esferas de grafita. A morfologia da grafita tem grande impacto nas propriedades mecânicas do material, como também a sua microestrutura.

tipos de ferro fundido lamelar compactado nodular
Tipos de Ferro Fundido, conforme a morfologia da grafita formada na solidificação do fundido.

 

Seleção de Materiais, Ferro Fundido Nodular vs Cinzento

Na seleção de materiais procura-se por materiais com propriedades adequadas ao uso do produto em campo. O técnico na seleção de materiais de diferentes tipos de ferros fundidos, entre outras características, deve se atentar para a vida em fadiga do equipamento. No caso dos ferros fundidos o tipo de grafita tem influência na vida em fadiga. Os ferros fundidos nodulares tem maior vida em fadiga do que os ferros fundidos cinzentos, para a mesma solicitação mecânica cíclica.

analise de falhas fadiga tipos de ferros fundidos
Tipos de Ferro Fundido, Nodular, Vermicular (Compacto) e Cinzento e sua influência em vida em fadiga (ciclos até a falha). Fundição Ferro Fundido Nodular.

Tenacidade dos Ferros Fundidos Nodulares

A tenacidade dos ferros fundidos também varia conforme a morfologia da grafita e com a sua microestrutura predominante. Na metalografia do ferro fundido nodular mais comum encontram-se as fases de perlita e ferrita que também influenciam na tenacidade do material.

analise de falhas tenacidade tipos de ferro fundido
Tenacidade à fratura, ferro fundido nodular ferrítico vs nodular 15% perlítico. ASM, 2020

Análise de falhas de tipos de ferros fundidos

Devido ao exposto acima, é importante que numa análise de falhas de ferro fundido seja realizada uma caracterização do material com análise metalográfica completa. Esta análise deve conter a caracterização da morfologia da grafita de acordo com as normas e deve analisar o percentual de cada fase perlita, ferrita, carbonetos, entre outros. Além desta caracterização é recomendável conduzir uma fractografia com auxílio da microscopia eletrônica por varredura na realização da análise de falha.

A fractografia pode trazer informações importantes sobre o modo de falha. Um modo de falha de difícil caracterização nos ferros fundidos é a fadiga do material. Isto devido as características das fraturas formadas na falha. Um modo típico de falha de um ferro fundido nodular perlítico é a fratura por quasi clivagem.

ferro fundido nodular frágil quasi clivagem
MEV, ferro fundido nodular perlítico. Fratura frágil por quasi clivagem. Aumento: 500x.

No outro tipo de modo de falha de fadiga, o aspecto é diferente. Na fractografia da fadiga a clivagem das regiões perlíticas não é tão clara e aparecem também estrias que acompanham o avanço da fratura. 

ferro fundido nodular mistura de fratura e estrias da perlita fadiga
MEV, ferro fundido nodular. Fadiga, mistura de fratura e estrias sobre a perlita fadigada. Aumento 1000x.

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Conclusão
  • A morfologia da grafita tem influência sobre a vida em fadiga do produto
  • Ferros fundidos com maior quantidade de ferrita apresentam maior tenacidade
  • A fractografia deve ser conduzida com cuidado para não descartar o modo de falha por fadiga
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10 Etapas Macrografia em Caracterização de Materiais

macrografia_oficina

 

O ensaio macrográfico pode ser realizado de forma rápida e fácil em 10 passos. A macrografia é normalizada em diferentes sistemas como ASTM E381 Standard Method of Macroetch Testing Steel Bars, Billets, Blooms, and Forgings. Em muitos casos, a macrografia fornece ao técnico ou inspetor informações importantes e muito detalhadas sobre o produto. Esses ensaios geralmente podem ser realizados facilmente e com pouco esforço em qualquer local. O ensaio macrográfico pode ser realizado na linha de produção, na oficina ou até no canteiro de obras. É claro que o ensaio macrográfico também pode ser realizado em laboratórios equipados com os equipamentos adequados.

Aplicação da Macrografia na Caracterização de Materiais

Micrografia e macrografia são técnicas distintas. No caso o ensaio de macrografia trabalha com aumentos de até 40x e não necessita de um microscópio para a sua realização, como no ensaio metalográfico. As áreas de aplicação da análise macrográfica são na tecnologia de junção de metais (soldagem, brasagem, rebite à quente, crimpagem de terminais) para visualizar as diferentes zonas afetadas pelo calor do processo de soldagem e para avaliar qualidade do processo de junção. O ensaio macrográfico de cordões soldados é uma prática comum nas indústrias de construção mecânica e solda.

A análise macrográfica também é utilizada na produção de amostras para os ensaios de impacto com entalhe (ASTM E23), dobra ou tração (ASTM E8). Nos ensaios de cordões soldados é necessário localizar os entalhes de todos os corpos de prova na região correta da solda. Nos ensaios de dobramento e tração de corpos de prova soldados também é necessário localizar a posição correta dos cordões para a validade do ensaio. Na inspeção de componentes fundidos, forjados ou laminados a inspeção por análise macrográfica também é muito utilizada.

Preparação correta das amostras

Com a preparação correta da amostra é possível avaliar visualmente diversas alterações do material. Em componentes de ferro fundidos é possível avaliar a presença de defeitos e de solidificação. Em forjados é muito comum a ensaio de fibramento do material e macrosegregação. No tratamento térmico de aços é possível determinar a profundidade de uma camada cementada, a camada de uma têmpera de indução, ou a extensão do tratamento térmico na seção da peça. Na análise de falhas o ensaio de análise macrográfica pode indicar zonas de sobreaquecimento, deformação elevada e contato elevado.

Ensaio Teste por Pontos – Spot Test

Além disto, o teste por pontos (spot test) para identificação de materiais também é uma técnica macrográfica. Detalhado na NBR16137 Ensaios não destrutivos – Identificação de materiais por teste por pontos, espectrometria por fluorescência de raios X e espectrometria por emissão óptica.

Instalação Recomendada para Macro Fotografias

Em muitos casos, um corte e uma preparação macrográfica é suficiente para melhorar a qualidade de uma junta soldada, ou de peças fundidas. A avaliação das amostras geralmente é feito a olho nu, com uma lupa ou com um estereoscópio. A documentação destes ensaios pode ser feita com fotos simples com imagens feitas com baixa ampliação, na maioria das vezes até 20x de aumento é suficiente.

macrografia-fotografia-equipamento
Equipamento com fixação da máquina fotográfica ao centro superior e com iluminação lateral, típico para macros de peças pequenas e médias, como por exemplo macrografia de solda

10 Etapas para o Ensaio Macrográfico

Para o ensaio de análise macrográfica é necessária a produção dos cortes transversais ou longitudinais das regiões de análise. Os cortes podem ser feitos com serras de fita manuais ou elétricas. O corte com uma serra de disco do tipo Policorte não é indicado, devido ao aquecimento elevado gerado durante o corte. Caso use uma serra de disco esta deve ter refrigeração e os equipamentos indicados neste caso são, além das serras de fita, as cortadeiras metalográficas. Estas também são conhecidas pelo nome em inglês, ‘cut off’. A preparação da superfície cortada é feita com lixas e depois com reagente metalográfico adequado.

Assim, na análise macrográfica são utilizados alguns reagentes químicos e não muito mais do que está presente nas oficinas mecânicas como um jogo de lixas, uma serra e/ou limas.

Quais são as Etapas na Macrografia?

As etapas de preparação de uma amostra para análise macrográfica são, conforme ASTM E381:

  1. Determinar o objetivo do ensaio
  2. Seleção da região de corte
  3. Corte
  4. Lixamento em desbaste
  5. Lixamento de acabamento
  6. Pré inspeção visual
  7. Aplicação do reagente conforme o objetivo em (1)
  8. Interromper o ataque do reagente
  9. Inspeção no estereoscópio com medição conforme o objetivo em (1)
  10. Emissão de Relatório com os Resultados

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Metalografia Testmat – Reagente Microscopia e Análise Metalográfica

metalografia aço inox duplex

Ensaio Metalográfico utiliza diversos ataques químicos 

Na metalografia, o ataque metalográfico revela seletivamente as microestruturas de aços ferríticos, martensíticos, ferrítico-martensíticos, austeníticos, ferríticos-austeníticos (duplex) e aços inoxidáveis endurecível por precipitação. Confira os reagentes metalográficos indicados para a identificação geral da microestrutura e de segundas fases, tais como carbonetos, fases sigma e chi, e ferrita delta em aços inox, tamanho de grão, nos serviços de metalografia.

A tabela abaixo apresenta os principais reagentes metalográficos, utilizados em laboratórios para análise metalográfica na identificação e classificação das microestruturas. Os ataques químicos apresentados são utilizados em ligas de materiais de difícil ataque, como por exemplo, ligas dos aços inox, ligas titânio, entre outras. Estes ataques também são de elevado contraste para a metalografia quantitativa.

*Na Metalografia siga as orientações de Segurança Pertinentes para cada Reagente Metalográfico.

*Ácido Pícrico e Ácido Nítrico são controlados pelo Exército Brasileiro.

*Verifique também a ASTM E407 – Standard Practice for Microetching Metals and Alloys.

Tabela de Reagentes Especiais para metalografia

Nome
do Reagente

Composição

Método
de Aplicação

Observações

Materiais
Indicados

Nital
(2%)

2ml
HNO3 + 98ml Álcool Etílico

Imersão

Aços
Carbono em Geral

Picral
(5%)

5gr
Ácido Pícrico + 100ml Álcool Etílico

Imersão

Aços
Carbono em Geral tratados termicamente

Ácido
Oxálico

10gr
Ácido Oxálico + 10ml H2O

Eletrolítico
em 200/400 mA.

Aços
Inox Austeníticos

Nital
(5%)

5ml
HNO3 + 95ml Álcool Etílico

Imersão

Não
Guardar

Aços
Ferramenta

HCl
em álcool

15ml
HCl + 100ml Álcool Etílico

Imersão

Ligas
Cr Fe

Cloreto
Férrico

5g
Cloreto Férrico+ 50ml HCl +100ml H2O


Esfregar

Usar
Fresco, em Capela, não Guardar

Aços
alto Si: Ataca fases de P

Marble

4g
CuSO4 + 20ml HCl + 20ml H2O

Imersão
ou Esfregar

Aços
Inox Austeníticos End. Precipitação
(AISI 660)

Vilella

5ml
HCl + 2gr Ácido Pícrico + 100ml Álcool Etílico

Imersão
ou Esfregar

Identifica
as fases Delta e Sigma. Revela Carbonetos em CG Austenítico

Aços
Inox, Aços Ferramenta

Água
Régia em álcool

100ml
HCl + 3ml HNO3 + 100ml Álcool Etílico

Imersão

Aços
Ferramenta e Aços alto Si

Ácido
Crômico

10gr
CRO3 + H2O

Eletrolítico
em 200/400 mA.

Aços
Inox Austenítico e Aços Maraging

2%
H2SO4

2ml
H2SO4 + 98ml H2O


Eletrolítico –
200/400 mA.

Em
Capela

Aços
Inox Austeníticos End. Precipitação
(AISI 660)

G

12ml
H3PO4 + 41ml HNO3 + 47ml H2SO4


Eletrolítico –
200/400 mA.

Em
Capela

Aços
Inox Austeníticos End. Precipitação
(AISI 660)

Glicerina
+ Água Régia Acética (Blend de Ácidos)

15ml
HCl + 10ml HNO3 + 10ml Ácido Acético + 2 a 3 Gotas Glicerina

Esfregar

Usar
Fresco, em Capela, não Guardar

Aços
Inox Austeníticos End. Precipitação
(AISI 660)


Kalling (sem água)

5gr
CuCl2 + 100ml HCl + 100ml Álcool Etílico

Imersão
ou Esfregar

Aços
Inox Austeníticos End. Precipitação
(AISI 660), e Aços AISI
400

HF
+ HNO3

1
to 3ml HF + 2 to 6ml HNO3 + 100ml H20

Esfregar

Manuseie
com cuidado! HF pode causar sérias queimaduras. HF ataca vidro,
use plástico

Ligas
a base de Ti

HNO3
+ H2O

75ml
HNO3 + 25ml H20

Eletrolítico
5 to 7 Amp

Em
Capela

Ligas
a base de Ti

Glicerina
+ Água Régia

15ml
HCl +10ml Glicerol + 5ml HNO3


Esfregar

Usar
Fresco, em Capela, não Guardar, Fica mais Forte com Tempo

Aços
Inox Austeníticos, End. Precipitação, Inox Martensíticos e
Ligas alto Ni

Ralph

100ml
H2O + 200ml Álcool Etílico + 100ml HCl + 2gr CuCl2 + 7gr FeCl2 +
5ml HNO3

Esfregar

Aços
Inox Ferríticos, End. Precipitação e Martensíticos

Especial
#5

20ml
HCl + 4ml H2O2 (3%)

Esfregar

Aços
Inox Ligados, Ligas Ni-Cr-Co-Mo

Murakami

10
g KOH ou NaOH, 10 g ferrocianeto de potássio, 100 ml H2O

Imersão,
Temperatura ambiente, ou entre 80-100ºC

Carbetos
em Contorno de Grão. Em 80-100C revela fase sigma e delta após
30s. Mais eficiente com NaOH

Aços
Inox, Soldas

NaOH

20%
NaOH em H2O

Eletrolítico,
3V

Revela
ferrita delta (azulado) e sigma (laranja/marron)

Aços
Inox, Soldas

Tepol

Contorno
de Grão Austenítico

1,5g
de ácido pícrico
100ml de água destilada
20ml de detergente
neutro YPÊ (Amarelo)

Imersão
a frio ou morno ~60-70ºC
Preparação da Solução à 60ºC

3min
à 35min.

Revela
tamanho de grão austenítico.
Necessário polir após ataque para
remover oxidação em excesso.
(ABNT MB 1203)

Aços
carbono temperados (levemente revenidos)

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Metalografia dos Aços Inox

O reagente de Kalling pode ser utilizado na metalografia para mostrar a microestrutura geral de aços inox austeníticos. Outros reagentes como Glicerina+Agua Régia ou Glicerina+ Água Régia Acética pode ser utilizado para revelar precipitação de carbonetos e ferrita.

O reagente de Ralph é muito útil para revelar estruturas de aços inox ferríticos. Kalling e Glicerina+Agua Régia também podem dar bons resultados.

Para aços inox endurecidos por precipitação o reagente de Ralph é o mais indicado. O ataque químico com Vilella produz um microestrutura menos atacada. O tempo de ataque varia com a condição de envelhecimento, sendo o mais envelhecido mais reativo com o reagente. A temperatura de envelhecimento também influencia a resposta ao ataque, sendo a o reagente de Ralph mais reativo para amostras envelhecidas em temperaturas mais elevadas.

Tradicional Vilella na metalografia

O reagente de Vilella é preferido para aços inox martensíticos. A resposta ao ataque depende da sua condição de tratamento: Recozido, Temperado ou Revenido. As amostras recozidas requerem o maior tempo de ataque, pois tudo está em solução. É recomendável não deixar a amostra escurecer muito no ataque. O ideal é manter a amostra levemente escurecida.

Metalografia Aço Inox 304. Precipitação de Carbonetos em Contorno de Grão.Ataque Oxálico. Aumento 100x
Metalografia Aço Inox 304. Precipitação de Carbonetos em Contorno de Grão. Ataque Oxálico. Aumento 100x

Para revelar as fases sigma e ferrita delta podem ser utilizados os ataques químicos de Murakami, NaOH, Ácido Oxálico e Vilella.

Metalografia dos Aços e Ligas para Alta Temperatura

O ataque químico destes aços é mais complicado do que os aços inox. Caso não tenha um ataque pré determinado inicie com Glicerina+Agua Régia, com ataques sucessivos mais agressivos de maior tempo.

Kalling é outra opção para aços como Waspaloy (UNS N07001), Pyromet A 718 (UNS N07718) e Pyromet A-286 (UNS K66286).

Metalografia Aço Inox Duplex. Ataque: NaOH, Eletrolítico. Aumento 100x.
Metalografia Aço Inox Duplex. Ataque: NaOH, Eletrolítico. Aumento 100x.

Ataques eletrolíticos da tabela podem ser utilizados para revelar aspectos específicos de Ligas para Altas Temperaturas.

Caso os ataques típicos não funcionem, experimente o reagente químico Especial Nr 5 (HCl + H2O2), que também se aplica aos aços inox.