Efeito dos elementos de liga nos aços. Tratamento Térmico.
No tratamento térmico deve-se ter conhecimento do efeito dos elementos de liga nos aços. Uma substituição de um elemento de liga pode alterar a composição da liga de aço causando problemas inesperados. A TESTMAT recebe inúmeros contatos por ano pedindo para analisar os elementos de liga num aço por este motivo. Nós fornecemos abaixo uma tabela com os elementos de liga dos aços, as suas principais funções e tendências de formação de carbonetos e temperabilidade dos aços. Se você trabalha com aços e tratamento térmico veja mais na tabela abaixo.
A grafita é um componente microestrutural dos ferros fundidos. Ela é formada pelo excesso de carbono da liga em relação ao teor máximo do carbono que pode ser dissolvido no ferro sólido. Assim, a grafita se forma na solidificação do material e apresenta diferentes morfologias decorrentes principalmente das características da solidificação do produto e da composição química da liga. Algumas morfologias da grafita são obtidas também por tratamentos térmicos de longa duração.
Metalografia Ferro Fundido. Classificação da Grafita Nodular. Microestrutura de 50% Ferrita, 40% Perlita e 10% de Grafita Nodular. Ataque: Nital. Aumento: 100x.
O tipo, ou a morfologia da grafita formada irá dar diferentes propriedades mecânicas ao ferro fundido e a sua influência é tão determinante ao ferro fundido que estes são classificados conforme a morfologia da grafite formada.
Desta forma, a grafita, também denominada de grafite (do inglês graphite) tem grande importância na qualidade dos ferros fundidos. A correta morfologia da grafita irá determinar, por exemplo, o alongamento (A%) e a estricção (Z%) do material que são propriedades que definem a dutilidade e a tenacidade do ferro fundido.
Em alguns casos, a classificação da grafita não é exigida, classificando a qualidade do ferro fundido somente por suas propriedades mecânicas, como por exemplo, LR e LE.
Algumas normas definem os tipos de grafite, por exemplo a ASTM A247 (classificação de grafita) e ASTMA48 (classificação ferro fundido cinzento por propriedade mecânica) e a ISO 945 também tem classificações da grafita.
O método de classificação da grafite pela ASTM e ISO mais simples é através de quadros comparativos, avaliando a morfologia, distribuição e o tamanho das grafitas. O quadro abaixo é um comparativo da norma ASTM com a ISO para a classificação de classificação da grafita de ferros fundidos nodulares.
Preparação de Amostras para Classificação da Grafita
Alguns cuidados devem ser tomados na preparação das amostras de ferros fundidos com o objetivo de caracterizar corretamente a morfologia e a classificação das grafites. A grafite é um microconstituinte muito frágil e qualquer pressão exagerada pode removê-la da face em análise. Por isso para obter a morfologia da grafita é necessário cuidado na preparação metalográfica.
Esta preparação deve garantir que as grafitas fiquem retidas na face da amostra para sua observação e o efeito de borda entre a grafita e a matriz metálica seja minimizado. Na preparação de amostras metalográficas de ferro fundido utiliza-se normalmente pasta de diamante no polimento e a última lixa deve ser feita a seco e o número de lixas na sequência de preparação deve ser a menor possível.
Diferentes normas classificam o aspecto micrográfico da grafita
O quadro à seguir apresenta diferentes tipos de classificação da grafita e estão apresentadas comparativamente entre as normas ASTM e ISO. Além destes quadros comparativos existem os métodos de análise por imagem para avaliar o formato das grafitas, a presença percentual de cada morfologia diferente (quando existente) e cálculos de nodularização, como por exemplo a ASTM E2567
Classificação da Grafita. ASTM A247 e ISO 945 Comparativo e Descrição de Grafita Nodular
Os ferros fundidos cinzentos, nodulares, maleáveis ou brancos são ligas com mais de 2% de carbono, que é o limite da solubilidade do carbono na austenita. Esta grande quantidade de carbono pode estar presente em três formas nestes materiais:
Dissolvido nas diversas fases;
Como cementita;
Como grafita.
Efeitos da Composição Química
O carbono é o principal elemento de liga nos materiais ferrosos devido a sua capacidade de alterar as propriedades mecânicas com adições de baixo custo. No ferro fundido, o carbono que não ficou dissolvido na matriz metálica, ou precipitou na forma de carbonetos de cementita, ou que tenha sido utilizado na formação da cementita irá formar a grafita nos ferros fundidos. O balanço entre a quantidade de grafita formada, a sua morfologia e a quantidade de carbono como elemento de liga na matriz metálica irá determinar a qualidade do ferro fundido.
Esta quantidade de carbono na matriz metálica irá determinar a resposta da matriz metálica ao ciclo de resfriamento do fundido. Velocidades de resfriamento mais acentuadas poderão produzir microestruturas mais aciculares, perlitas finas e menor quantidade da fase de ferrita. Além disto, esta quantidade de carbono na matriz pode ser importante para os ferros fundidos com tratamentos térmicos posteriores, como por exemplo, o ferro fundido nodular austemperado.
Quando se fala dos efeitos dos ciclos térmicos no resfriamento do fundido é necessário se considerar a composição química completa da liga em questão. O balanço dos elementos químicos irá determinar se o excesso de carbono na solidificação irá para a formação da grafita ou para a formação de carbonetos (cementita) na matriz metálica. Isso, porque alguns elementos químicos são grafitizantes, ou seja favorecem a formação da grafita. E outros elementos químicos favorecem a formação dos carbonetos com o excesso de carbono. Esses balanços podem influenciar também nos processos de solidificação e consequentemente na classificação da grafita.
Conclusão
A grafita é um microconstituinte importante nos ferros fundidos, por isso a sua classificação
O controle do processo de formação de grafita é importante para assegurar a qualidade do ferro fundido
Métodos automatizados por software de análise de imagem podem ser empregados para avaliar a classificação da grafita
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Sensitização e Perda de Resistência à Corrosão dos Aços Inox
Os aços inox austeníticos são suscetíveis à perda de sua resistência à corrosão através da sensitização. Os aços inoxidáveis mais suscetíveis são os não estabilizados, como por exemplo o AISI 304.
Estes aços necessitam de um tratamento térmico de solubilização que remove esta sensitização, e todos aços deste tipo são fornecidos normalmente já no estado solubilizado. Normalmente, esta informação consta nos certificados de matéria prima.
O que é sensitização?
O Cromo acima 12% na liga do aço inox cria uma camada passivada na superfície que protege o material da corrosão. No caso da precipitação dos carbonetos, algumas regiões ficarão com baixo cromo e sem a proteção superficial causada por ele. Estas regiões desprotegidas são pontos prováveis de início de corrosão e o aço é caracterizado como sensitizado. Por isso, é necessário o tratamento térmico de solubilização que dissolve os carbonetos de cromo precipitados em contorno de grão austenítico durante a fabricação do material. Na solubilização os carbonetos são ‘dissolvidos’ homogeneizando a quantidade de cromo dentro da matriz metálica do material. Estes carbonetos podem também prejudicar as propriedades mecânicas dos aços inox sensitizados.
Sensitização dos Aços Inox Austeníticos por Precipitação de Carboneto em Contorno de Grão com Empobrecimento em Cromo de Regiões Intergranulares. Ref. MATEC
Nas análises de falha de aços inox austeníticos, normalmente se verifica o grau de sensitização do material, que pode muitas vezes, explicar algumas falhas em campo.
Uma das formas de falha deste tipo de aço sensitizado é a corrosão intergranular que pode levar a uma falha mecânica com pouco tempo de exposição ao ambiente agressivo.
Como Avaliar a Sensitização dos Aços Inox Austeníticos?
A sensitização pode ser caracterizada através da análise metalográfica da amostra, normalizada na Prática A ASTM A262. A metalografia seguinte apresenta uma aço inox AISI 304 sensitizado, analisado por metalografia, conforme a prática A ASTM A262.
Aço Inox 304 Sensitizado
Aço Inox 304 Sensitizado – Prática A ASTM A262. Grãos com precipitação de carbonetos de cromo em todo o contorno de grão. Reagente: Oxálico: Aumento:200x.
A prática A revela todos os carbonetos precipitados, e quando presentes em todo o contorno dos grãos, como acima, o material se encontra reprovado. Para se ter uma idéia a imagem seguinte é referente á um inox 316L inspecionado por réplica metalográfica onde foi aplicada a prática A, ASTM A262. Note que não existe nenhum grão contornado por carbonetos como na imagem anterior.
Aço Inox 316 Sem Sensitização
Aço Inox Austenítico 316 inspecionado por Prática A, ASTM A262 e metalografia por réplica metalográfica. Material não apresenta sensitização. Ataque: Oxálico. Aumento: 200x.
Aço Inox 304 Ataque com Reagente Alternativo
O ataque metalográfico comum pode não revelar a sensitização. Às vezes, os precipitados no contorno de grão são muito finos e não visíveis por microscopia ótica, como pode ser visto na metalografia abaixo. Nela vemos alguns grãos completamente contornados por carbonetos e outros onde fica a dúvida se o que vemos é um contorno de grão, ou um precipitado de carboneto de cromo.
Aço inox Austenítico 304, sensitizado com corrosão em campo. Presença de carbonetos de cromo em contorno de grão. Ataque: Kalling. Aumento 200x.
ConclusÃo
A sensitização dos aços inox austeníticos precisa ser caracterizada por ensaio metalográfico
Cada tipo de aço inox tem um procedimento próprio de caracterização conforme a ASTM A262, porém todos precisam passar pelo teste inicial da Prática A indicada na norma
A solubilização precisa ser realizada antes do fornecimento do aço para aplicação em campo
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Escolha de Reagentes Metalográficos, Qual o melhor?
Qual o melhor reagente para aços carbono e ferros fundidos. Nital, ou Picral? Quem trabalha em laboratórios metalográficos na inspeção de produtos ferrosos com certeza já se deparou com esta pergunta. Estes dois reagentes atendem objetivos da inspeção metalográfica diferentes. Veja a tabela abaixo
Tabela Comparativa de Reagentes Metalográficos: Picral e Nital. ASTM E407 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys.
A metalografia foi uma técnica muito desenvolvida desde o início do século passado. Existem diversos tipos de reagentes metalográficos que revelam diferentes informações na microestrutura dos materiais. A tabela de reagentes metalográficos acima compara dois tipos de reagentes mais comuns: Picral e Nital.
Cada um destes ataques químicos tem um uso específico na metalografia, apesar de ambos poderem ser utilizados para as mesmas inspeções.
Uso do Nital
O Nital devido a facilidade de sua preparação e durabilidade do reagente é mais utilizado. Porém, deve-se estar ciente das diferenças entre os dois reagentes. De uma forma geral o Nital é mais indicado para materiais de médio à baixo carbono para revelar as microestruturas de perlita, cementita e ferrita. Lembrando que o Nital revela o contorno de grão da ferrita, que permite uma boa análise da ferrita residual em aços parcialmente temperados.
Uso do Picral
O Picral tem sua aplicação mais indicada em aços de médio para alto carbono em controle de processos de tratamento térmico. Isto porque, o Picral tem uma revelação detalhada para a Perlita, Martensita e Bainita. Como este ataque também é mais fácil diferenciar entre a Bainita e a Perlita fina. Esta também é um bom reagente para revelar carbonetos, carbonetos não dissolvidos na martensita e carboneto livre.
Desta forma, percebe-se que os dois reagentes se complementam na maioria dos casos, onde laboratórios realizam metalografias de recebimento de matérias primas e controlam processos de tratamento térmico de sua produção.
A metalografia deve ter os objetivos do ensaio determinados com seu cliente, ou com as características de controle dos seus processos. Com este objetivo bem determinado o metalógrafo pode escolher o melhor reagente indicado tecnicamente para cada tipo de análise.
Conclusão
O melhor reagente é aquele que atende os objetivos da tua inspeção metalográfica
No caso de objetivos de inspeção mistos e amplos o uso dos dois reagentes se complementam
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ANÁLISE METALOGRÁFICA DO TAMANHO DE GRÃO DE ALUMÍNIO
A análise metalográfica do tamanho de grão de ligas fundidas é possível com reagentes especiais. Ligas não ferrosas, como as ligas de alumínio precisam de reagentes específicos e iluminação adequada para esta análise.
Ligas fundidas e conformadas necessitam de ataques diferentes para revelar o tamanho de grão do alumínio. Diferenças comuns de composição química das ligas fundidas e a presença de precipitados podem inviabilizar o ataque facilmente e revelar somente a estrutura dendrítica do material.
Ligas Conformadas
Por exemplo, para o alumínio laminado, ou extrudado, a revelação do grão do alumínio é obtida pela a anodização com reagente de Barker’s e posterior revelação por luz polarizada. A imagem seguinte ilustra o resultado desta técnica.
Metalografia Colorida, Luz Polarizada. Liga de Alumínio soldada por FSW. Tamanho de grão de alumínio com variação. Ataque: Barker’s
No caso de uma liga fundida este mesmo ataque irá revelar a microestrutura dendrítica do material e não será possível analisar o tamanho de grão. Lembrando que tamanho de grão e estrutura dendrítica são duas coisas distintas.
Ligas Fundidas
A imagem seguinte revela o resultado de um ataque de Barker revelado por luz polarizada para uma liga fundida de alumínio.
Ataque de Barker e revelação por luz polarizada de liga de alumínio fundida. Não foi possível identificar o tamanho de grão do alumínio.
Para as ligas fundidas não ferrosas pode se trabalhar com reagente de Keller’s. Este ataque precisa ser desenvolvido conforme a composição química da liga, mas normalmente resulta na revelação do tamanho de grão da liga.
A imagem seguinte é o resultado com Keller para a mesma liga atacada anteriormente com Barker’s com a revelação do contorno de grão de alumínio analisado.
O reagente Keller e um ótima opção para revelar o tamanho de grão de alumínio e ligas não ferrosas.
Conclusão
Para revelar o tamanho de grão de alumíno e suas ligas são necessário ataques distintos conforme o estado de fornecimento: Fundido, ou Conformado
Dois reagentes metalográficos devem ser considerados, conforme especificação em norma internacional:
-Reagente de Barker: 1,8% Ácido Fluobórico em Água Destilada em ataque eletrolítico
-Reagente de Keller: 95 ml água destilada, 2.5 ml ácido nítrico, 1.5 ml ácido clorídrico, 1.0 ml ácido fluorídrico
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Análise de falhas em componentes de aço carbono cementado 20MnCr5
O 20MnCr5 é um material utilizado no powertrain automotivo. Assim, a análise de falhas que envolvem componentes fabricados com este material são de grande relevância na indústria automotiva.
Histórico – Distribuição das falhas e sua freqüência
O histórico de falha indica uma vida curta (algumas horas de uso), com a falha ocorrendo no início de sua vida considerando a sua vida esperada (mais de 10 anos). Nesta fase, as falhas ocorrem devido à problemas de fabricação, qualidades de matéria prima inadequadas, entre outras. A quantidade de falhas ocorridas também foi elevada também indicando o período de falhas em início de vida.
Distribuição das falhas e sua frequência ao longo da vida do produto.
Caso a falha tivesse ocorrido após um ano, probabilidade de grandes quantidades de falhas seria menor e os problemas de falhas estariam relacionado muito provavelmente com parâmetros de projeto. As falhas em fim de vida estão relacionadas com o desgaste do material e mecanismos de fadiga.
Características do 20MnCr5 para Análise de Falhas
O DIN 20MnCr5 é um aço com baixo teor de carbono para processo de fabricação com tratamento térmico superficial por cementação, com boa temperabilidade e alcançando boa resistência ao desgaste devido à alta dureza superficial após o processo de têmpera no tratamento térmico. O tamanho de grão reduzido proporciona uma boa tenacidade e resistência à fadiga. É um material selecionado para componentes de caixa de câmbio, engrenagens e outra peças de alto desgaste. Pode ser fornecido com teor de enxofre controlado para proporcionar boas propriedades de usinagem com ótimo acabamento superficial.
Variáveis de Processo Importantes na Análise de Falhas
O processo de cementação do DIN 20MnCr5 deve ser controlado com grande atenção ao potencial de carbono para evitar a formação de rede de carbonetos na superfície da peça nas regiões cementadas. A imagem a seguir da análise de falhas apresenta uma formação de rede de carbonetos numa amostra preparada sem ataque.
O processo precisa ter uma fonte de carbono com craqueamento controlado, e devem ser evitados os processos de cementação por via sólida, que tem um potencial de carbono muito elevado.
Figura 01 – Análise de falhas. Metalografia da superfície do corpo de prova cementado por via gasosa. Rede de carbonetos visível na superfície da amostra somente polida. Ataque: Nenhum. Aumento: 200x.
Outro ponto crítico no controle deste processo metalúrgico de cementação é a temperatura e tempo de exposição do material nestas altas temperaturas. Caso estas temperaturas solubilizem os elementos de liga adicionados para ancorar os contornos de grão austeníticos poderá ocorrer crescimento de grão exagerado e em alguns casos, o crescimento anormal de grão. A presença de grãos crescidos anormalmente é um fator que diminui severamente a tenacidade do material.
Importância do Tamanho de Grão na Análise de Falha
Na análise de falhas do componente verificou-se o tamanho de grão após o tratamento térmico e foi possível caracterizar na superfície da amostra grãos com crescimento de grão anormal. Esta microestrutura foi revelada por ataque químico metalográfico indicado para revelação de tamanho de grão austenítico, o Tepol. A medição de tamanho de grão segue a norma ASTM E 112, e no caso foram medidos na figura abaixo os grãos com crescimento anormal somente. Veja mais sobre Medição de Tamanho de Grão aqui.
Figura 02 – Análise de falha. Metalografia do 20MnCr5 após cementação e têmpera. Superfície polida e atacada. Grãos com crescimento anormal forma medidos com média acima de 60µm. Ataque: Tepol. Aumento: 200x.
Análise de Falhas: Alterações Microestruturais e Vida em Campo
Um filme de carbonetos formado no contorno de grão austenítico do material é um fator que diminui a resistência do material severamente nestas regiões. Como o carboneto é frágil, com o esforço mecânico elevado, este se rompe facilmente ao longo da região precipitada. Isto fornece ao material a característica de comportamento frágil em tensões de trabalho. No caso de falha analisado, a ruptura percorreu esses precipitados e em regiões isoladas onde esse carboneto não se formou é visível a formação de alvéolos de deformação plástica. No caso a análise microestrutural descreveu comportamento do mecânico do item em campo e foi uma fato conclusivo na análise da falha da peça.
Desta forma, resultado de uma microestrutura cementada, temperada e revenida com carbonetos precipitados em contorno de grão e com grãos austeníticos crescidos anormalmente é uma estrutura frágil em campo. A figura a seguir apresenta a fratura típica do item após curto serviço em campo.
Figura 03 – Análise de falhas. Microscopia Eletrônica de Varredura. Superfície de falha com presença de fratura frágil com propagação da fratura intergranular provavelmente pela presença dos carbonetos em contorno de grão (setas vermelhas) com algumas regiões com característica dútil, ou alveolar (setas verdes). Aumento: 2000x.
Conclusão
A Análise de Falhas é uma técnica multidisciplinar que envolveu neste caso parâmetros de controle e manutenção do forno de tratamento térmico e seus efeitos negativos sobre a qualidade microestrutural no material da peça com falha. Veja mais sobre métodos de análise de falhas aqui.
Análise de falhas mecânicas podem indicar influências de parâmetros de processo ou de manutenção de equipamentos inadequados. Veja mais sobre Serviços da TestMat aqui.
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Lixamento NA Metalografia – Qual a Importância na preparação?
A análise metalográfica é realizada em várias etapas. Cada uma delas é de extrema importância para a boa preparação de amostras para análise microestrutural (veja figura abaixo). O lixamento da amostra é uma etapa inicial na preparação e se esta etapa for feita incorretamente poderá prejudicar o polimento, metalografia final e as imagens do laudo.
Lixamento Metalografia. Etapas da Metalografia. Preparação para Análise Microestrutural. Exemplo para Metalografia de Campo.
Esta etapa necessita ser feita com cuidado, com boas lixas na sequencia correta (Exemplo 200, 400, 600 e 1200) e com fluído refrigerante adequado. O fluído refrigerante pode ser água para grande maioria das amostras metálicas. Em alguns casos utiliza-se álcool para um melhor acabamento final das inclusões não metálicas (tipos de refrigerante no lixamento, veja aqui).
No caso das lixas é necessário escolher inicialmente o padrão da lixa: FEPA ou ANSI / CAME. O padrão FEPA é seguido pelas indústrias Européias e o Padrão ANSI / CAME (ANSI B74.12 – SPECIFICATION FOR THE SIZE OF ABRASIVE GRAIN – GRINDING WHEELS, POLISHING AND GENERAL INDUSTRIAL USES, norma em revisão) é seguido pelas indústrias americanas. A diferença está no padrão granulométrico utilizado. O padrão americano é dado pela ASTM E11 que é diferente do padrão Europeu. A comparação de ambos padrões pode ser visto na figura abaixo.
Veja no quadro a comparação da norma de lixas européias (FEPA) e as lixas americanas (US Grit ANSI). É mais comum no Brasil se utilizar o padrão de lixas americanas (US Grit ANSI), como por exemplo, do fabricante Norton. Veja que uma lixa tipo grana 1000 (US Grit ANSI) na norma americana corresponde à uma lixa P-2400 na norma européia (FEPA), para o mesmo tamanho de grão em torno de 6 mícrons.
Comparativo de norma Européia e Americana de número de lixas e o correspondente tamanho de grão em mícrons (ref. Apostila Testmat – Lixamento Metalografia).
Efeito da diferença: FEPA e ANSI / ASTM E11 – Lixamento NA Metalografia
Nos depósitos de materiais é muito comum venderem um lixa P2000 até num preço superior a uma lixa 1000 (US Grit ANSI), porém o que custará caro será o retrabalho da análise metalográfica por não conseguir o acabamento adequado para polimento, ou seja presença de riscos. Veja que a etapa de lixamento na metalografia é uma das primeiras etapas na condução da análise metalográfica e se esta for feita incorretamente, perde-se horas de trabalho em campo, que podem também comprometer os resultados dos ensaios metalográficos e até mesmo inutilizá-los.
Este é um dos problemas comuns que surgem na análise metalográfica. O uso de lixas com padrões normativos diferentes por desconhecimento, e devido a rotina intensa de trabalho, este detalhe pode passar despercebido. Para tanto deve-se observar que os insumos sejam comprados sempre com a mesma especificação.
Conduzindo a Preparação da Amostra – Lixamento NA Metalografia
Durante toda a operação de lixamento na metalografia o inspetor deve manter uma limpeza adequada para evitar a contaminação da lixas mais finas com grãos das lixas anteriores mais grossas. Caso ocorra esta contaminação a amostra irá apresentar riscos no polimento final. Para corrigir isto o inspetor deverá voltar para a lixa inicial (nova) para retirar os riscos existentes, e realizar toda a sequencia de lixamento novamente.
Metalografia Costura de Tubo de Aço Inox. (Apostila Lixamento Metalografia Testmat)
Outra técnica que deve ser observada durante o lixamento na metalografia é a rotação da amostra com a troca das lixas. O lixamento deve garantir que cada lixa removeu todos os riscos da lixa anterior. Isto é alcançado mais facilmente com a rotação de 90o entre as lixas. (veja as imagens acima do lado da tabela)
Outro problema muito comum é o abaulamento da amostra durante o lixamento. O inspetor deve observar que o plano de análise metalográfico é definido pelo lixamento da lixa 200 (Padrão ANSI). Depois desta lixa na sequencia ideal, dificilmente a amostra será abaulada com a manipulação correta do corpo de prova. Assim, muito cuidado deve ser cuidado com as lixas 100 e 200, pois caso o plano de análise não seja bem definido, este também não poderá ser corrigido nas lixas subsequentes.
O inspetor com o tempo adquire as habilidades necessária para um bom lixamento na metalografia. É necessário treino e paciência…
5 dicas para a Preparação – Lixamento NA Metalografia
Usar lixas do mesmo tipo FEPA ou ANSI (Não misture)
Escolha de refrigerante adequado e na quantidade correta
Limpeza adequada nas etapas de lixamento
Rotação da amostra de 90o entre as lixas
Defina o plano de análise metalográfica até a lixa 200
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O Shot Peening é um tratamento superficial realizado através do jateamento de granalhas de qualidade sobre a superfície da peça, ou componente. O tratamento de shot peening é realizado com a aplicação em alta velocidade de granalhas, de geometria e massa específicas, sobre a superfície a ser tratada. O impacto destas granalhas deformam a superfície aumentando a dureza e deixando uma tensão residual de compressão nesta superfície que é benéfica para a resistência à fadiga da peça. Essa tensão residual de compressão, quanto mais elevada for, mais ela irá impedir o surgimento de uma trinca de fadiga e / ou a sua propagação. Assim, peças e componente tratados com esse tratamento superficial apresentam vida em fadiga superior a peças não tratadas.
Mola Helicoidal rompida por fadiga devido ao tratamento de sho-peening inadequado. Seta indica ponto de início da falha. Aumento 5x.
O jateamento de granalhas com intensidade controlada e com granalhas com qualidade para este processo também é denominado no Brasil de Jato de Granalha. Porém, deve-se tomar cuidado com o uso deste termo que pode ser confundido com Jato de Areia.
Quais as principais variáveis do processo de shot peening?
Qualidade de Granalha
-Ligas Ferrosas trefiladas e conformadas à frio, melhor qualidade
-Ligas Ferrosas fundidas e condicionadas em formatos padronizados, menor qualidade
Características do Equipamento
-Tipo e Número de Turbinas (automatizado)
-Bocais Manipulados (robotizado ou manual)
Variáveis da qualidade do material na superfície da peça
-Dureza
-Defeitos pré existentes, como por exemplo, descarbonetação
Microscopia Eletrônica de Varredura. Superfície de Mola com Shot-Peening. Aumento: 100x.
Caso o tratamento não seja executado corretamente, defeitos podem ser introduzidos na superfície da peça.
Importância da Qualidade Superficial no Shot Peening
Componentes de suspensão, itens do powertrain e outros componentes automotivos são jateados em todo o mundo para obter uma vida útil mais longa em serviço. Vários controles das granalhas de peening e da máquina de jateamento determinam a qualidade do tratamento superficial. Além disso, existem controles para a superfície jateada que indicam a qualidade da área da superfície jateada, como por exemplo a cobertura.
O que é Cobertura do Processo Shot Peening
De uma forma simples, a cobertura é uma medida da porcentagem da área que foi deformada ou recebeu o impacto da granalha de jateamento e se deformou.
Existe um limite teórico de 99,8% para a área de cobertura alcançável em processos de jateamento industrial, e atingir este limite requer um processo de jateamento intenso. Hoje, produtos de suspensão como molas têm a mais alta especificação de cobertura associada a altas tensões residuais de compressão. As áreas não cobertas pelo jateamento são muito críticas e reduzem a vida útil do componente em serviço. Devido a isso, a prática de Manufatura é de expor os componentes a um tempo máximo de peening para garantir a melhor cobertura da superfície. No entanto, há um limite no processo e a exposição dos componentes ao excesso de jateamento que resulta em áreas com excesso de shot peening, ou over-peening.
O que é Over-Peening?
Defeito superficial por excesso de peening (seta). Aumento 100x.
O excesso de shot peening resulta em defeitos superficiais da região tratada. Este excesso é denominado de Over-Peening.
O over-peening não é desejado em uma superfície tratada por esse processo e deve ser evitado. Quando a superfície apresenta over-peening, esta irá apresentar trincas e sobreposições na superfície do componente. Ou seja, os parâmetros de processo devem ser determinado para evitar o over-peening. Veja como avaliar a superfície com shot-peening aqui.
Quais são os defeitos típicos de Over-Peening?
Microscopia eletrônica de Varredura (MEV) da superfície com shot peening apresentando defeitos e descontinuidades internas.
Os defeitos típicos de over-peening têm tamanho de 2 a 5 grãos do material, são concentradores de tensão superficial onde se nucleiam trincas de fadiga e também reduzem a tensão de compressão na superfície.
Componentes com alta solicitação mecânica cíclica, como por exemplo, como molas helicoidais não apresentam crescimento de trinca de fadiga significativo e quebram logo após a nucleação da trinca. Assim, mesmo com uma superfície com shot peening, os componentes podem falhar em serviço com vida útil reduzida devido à qualidade da superfície tratada.
Veja mais sobre como avaliar a qualidade superficial de peças tratadas por shot peening em nosso artigo internacional aqui.
Conclusão
O tratamento da superfície por shot-peening é benéfico para o produto, quando utilizados os parâmetros corretos
Deve-se evitar o over-peening da superfície que reduz a vida do produto em campo
A avaliação da qualidade da superfície permite a definição dos parâmetros ótimos do processo
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A Testmatconta com grande experiência nesse processo e ajuda seus clientes no desenvolvimento dos parâmetros ideais de trabalho para a obtenção do Almen, com o menor desperdício de granalha e energia. Muitas vezes, a melhor qualidade superficial para resistência à fadiga é conseguida com parâmetros de processo mais econômicos.
O tamanho de grão austenítico tem grande influência nas propriedades mecânicas dos materiais metálicos. A metalografia tamanho de grão é uma avaliação importante para o controle da qualidade metalúrgica.
O tamanho de grão é uma medida da metalografia quantitativa. As amostras de material são preparadas metalograficamente, atacadas com os reagentes metalográficos indicados (Tepol no caso dos aços temperados para determinação de tamanho de grão austenítico – veja em nossa tabela de reagentes, aqui) e avaliadas em microscópios metalográficos. Lembrando que amostras ferrosas devem ser temperadas e revenidas para a inspeção do tamanho de grão austenítico do material. A Metalografia Tamanho de Grão e Propriedades Mecânicas
Metalografia Tamanho de grão austenítico. AISI 5160. Preparação para Astm e112. Ataque: Tepol. Aumento: 200x
Devido a importância desta medida sobre as qualidades do material, como por exemplo, dutilidade, tenacidade e resistência mecânica, trata-se de uma característica que deve ser avaliada periodicamente nos materiais adquiridos e nos produtos fornecidos. Produtos de responsabilidade, ou de elevada solicitação são periodicamente avaliados nesta característica.
A medida de tamanho de grão conforme a norma ASTM E112 se refere unicamente ao tamanho de grão austenítico do material. Desta forma esta norma se aplicaria somente à materiais ferrosos com transformação mecânica. Ou seja, esta norma tem aplicação em aços carbono. Devido a necessidade da amostra ter que ser temperada para o ataque, é necessário que o material para a análise através deste método também seja temperável. No caso dos aço inox austeníticos a medida de tamanho de grão não necessita da têmpera, uma vez que os grãos austeníticos já estão presentes naturalmente no material.
METALOGRAFIA TAMANHO DE GRÃO ASTM E 112 – MÉTODO DE CÁLCULO
O número do tamanho de grão ASTM (n), escala de medição mais difundida no mercado, é dado por:
N = 2^(n-1)
onde n é o tamanho de grão ASTM (ou Carta ASTM), e N é o número de grãos por pol² (polegada quadrada) medido com 100x de aumento.
Existem três métodos de avaliação de tamanho de grão: Avaliação comparativa por quadros, Métodos de contagem de grãos e o Método dos Interceptos, sendo os três descritos e padronizados na ASTM E112 e em normas correlatas para a determinação do tamanho de grão.
O método dos interceptos é muito moroso, porém preciso. O método dos quadros comparativos permite uma boa avaliação sem ocorrerem erros significativos e é bem mais rápido.
Uma solução existente para a avaliação não padronizada dos tamanhos de grão é medi-los com a escala micrométrica e converter o valor de mícrons para o número ASTM de tamanho de grão. Esta conversão é dada pela equação abaixo onde o tamanho do grão (Lmm) medido em milímetros é inserido na fórmula e se obtém o número do tamanho de grão (G) ASTM.
G = – 3,2877 – [6,6439 x log(Lmm)]
O gráfico abaixo é uma representação desta relação entre Número de Tamanho de Grão ASTM e Tamanho de Grão em mícrons.
ASTM E112 medida metalográfica de grãos Nr ASTM x Medida L em microns
Esta medição apresenta alguns limites para avaliação de tamanhos de grão com crescimento anormal, aços duplex com fases não homogêneas, aços laminados com grãos muito alongados. Nestes casos deve-se procurar métodos específicos de medição.
Conclusão
O tamanho de grão austenítico é uma característica importante para a qualidade do produto
A metalografia tamanho de grão em aços conformados é feita com a medição do grão austenítico
A medida do tamanho de grão ASTM E112 não é a medida em mícrons do tamanho de grão
Existe uma conversão entre tamanho de grão ASTM e tamanho de grão em mícrons
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Qual é o melhor inox para meu projeto? Qual o aço inox mais resistente? Como devo selecionar o melhor aço resistente à corrosão? Qual a diferença entre esses aços inox? A principal diferença entre eles é a composição química. A diferença química entre os dois aços inox está na quantidade de três elementos químicos: Molibdênio (Mo), Níquel (Ni) e Cromo (Cr). Veja a tabela comparativa abaixo.
Elemento Químico
Inox 304
Inox 316*
Inox 316L*
Carbono (C)
≤ 0,080
≤ 0,080
≤ 0,030
Cromo (Cr)
18-20
16-18
16-18
Manganês (Mn)
≤ 2,0
≤ 2,0
≤ 2,0
Níquel (Ni)
8,0 – 10,5
10 – 14
10 – 14
Fósforo (P)
≤ 0,045
≤ 0,045
≤ 0,045
Silício (Si)
≤ 1,0
≤ 1,0
≤ 1,0
Enxofre (S)
≤ 0,030
≤ 0,030
≤ 0,030
*Os aços inox 316 e inox 316L devem ter em sua composição Molibdênio (Mo) entre 2,00 e 3,00%.
Ambos aços inox tem a mesma microestrutura composta de 100% de austenita.
A tabela abaixo apresenta valores típicos para os aços inox na condição de fornecimento indicada. As propriedades mecânicas podem variar até 40% somente pelo processamento à frio distinto.
Material
Condição
LR [MPa]
LE [MPa]
A% (50mm)
Temperatura Pitting [ºC] *
Corrosão Atmosférica [µm/ano]**
Corrosão no Solo [µm/ano]**
Corrosão Água do Mar [µm/ano] **
Variação em diferentes solos [µm/ano] **
AISI 304
304 Barra Recozida
585
235
60
30
0,87
1,8
1,13
20,39
AISI 304
304 Recozido e Trefilado à Frio
690
415
45
30
0,87
1,8
1,13
20,39
AISI 304
304 Trefilado à Frio, alta Resistência
860
655
25
30
0,87
1,8
1,13
20,39
AISI 316
316 Chapa Recozida
580
290
50
48
0,77
1,45
0,86
0,19
AISI 316
316 Barra Recozida
550
240
60
48
0,77
1,45
0,86
0,19
AISI 316
316 Recozido e Trefilado à Frio
620
415
45
48
0,77
1,45
0,86
0,19
*Conc. 0,1% íons Cl, Água do Mar (Sandvik)
**Ul-Hamid, A et all 2017
A Tabela apresenta a temperatura de Pitting e as taxas de perda de material por perda por corrosão em µm/ano. Analisando-se os dois materiais verifica-se que o aço inox 316 apresenta um menor desgaste e pode ser exposto à temperaturas mais altas sem a formação de pites. Ou seja, o inox 316 apresenta uma resistência a corrosão superior e também uma resistência maior à formação de pites. A tabela também apresenta a variação elevada das perdas por corrosão do inox 304 com a exposição a diferentes meios. O inox 316 tem uma estabilidade maior a variações do ambiente, conforme a tabela acima e o aço inox 316L ainda maior.
Qual a diferença entre 316 e 316L?
Apenas o teor de carbono!
Dados de propriedade mecânica e resistência a corrosão com dados de corrosão em campo, Aço inox 316 e aço inox 304.
A soldabilidade também é importante. O AISI 304 está sujeito à sensitização do inox.
O que é a sensitização do aço inox?
É a precipitação de carbonetos de cromo no contorno de grão da austenita após um ciclo térmico de aquecimento do material. Esta precipitação reduz significativamente a resistência à corrosão do material e afeta negativamente as propriedades mecânicas do material. Com a sensitização o aço inoxidável enferruja.
Metalografia Aço inox 316 sensitizado. Prática A ASTM A 262, realizado por Testmat.
Inspeção de recebimento
A sensitização do aço inox pode ser avaliada através da prática ASTM A 262, e pode ser ensaiado pela Testmat. Esta análise garante em grande parte a identificação de problemas que o inox poderá mostrar em campo. Junto com esta análise microestrutural também se recomenda fazer a medição do tamanho de grão da liga. O tamanho de grão terá influência nas propriedades mecânicas e no aumento de dureza nas etapas de conformação á frio. O método para a medição de tamanho de grão é dado pela ASTM E112.
Todo material inox deve ser fornecido na condição solubilizada que elimina a sensitização do inox e evita problemas de corrosão futuros. Deve-se solicitar que a condição de fornecimento (solubilizado ou não) conste no certificado de qualidade que acompanha o material.
