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Metalografia-Tamanho de Grão de Alumínio e sua Ligas

aluminio barker - 1 Tamanho de Grão

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
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.
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.
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 Aço 20MnCr5. Fragilização por Carbonetos

Medida de Tamanho de Grão em Camada Cemetada. Ataque: Tepol. Aumento 100x

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.

ciclo de vida do produto
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.

Análise de falhas. Metalografia da superfície do corpo de prova cementado por via gasosa.
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.

Análise de falhas. Grãos com crescimento anormal forma medidos com média acima de 60µm.
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.

Análise de falhas. Microscopia Eletrônica de Varredura. Superfície de falha com presença de fratura frágil com propagação da fratura intergranular
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.

Busca mais informações sobre Métodos de Análise de Falha, veja mais em nossos cursos aqui.

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Metalografia Tamanho de Grão ASTM E112 (Como Calcular)

Metalografia_Aço_Carbono_Tamanho_Grão_Ferrítico

METALOGRAFIA TAMANHO DE GRÃO AUSTENÍTICO EM AÇOS

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
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
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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Medição de Tamanho de Grão em Ligas de Alumínio (Keller’s)

aluminio keller tamanho grao - 2 Tamanho de Grão

Objetivo

Medição de tamanho de grão em liga de alumínio fundida. Revelar os contornos de grão da amostra.

Reagente Kellers

O reagente Kellers é uma ótima opção para revelar o tamanho de grão de ligas não ferrosas, como por exemplo ligas de alumínio.

Material Liga de Alumínio A356

Liga de Alumínio A356 Injetada sob pressão. Sem tratamento térmico posterior.

Liga típica de uso na fabricação de componentes mecânicos como bombas, injetores, ferramentas, carcaças estruturais e outras peças com requisitos de resistência mecânica elevada e de baixo peso.

Técnica Metalográfica

Macroestrutura Tamanho de Grão em Liga A356

Microscópio: Estereoscópio Ótico

Iluminação: Direta

Medição de tamanho de grão por Macrografia da seção da peça injetada após ataque. Contornos de grão visíveis. Ataque: Reagente Kellers
Macrografia da seção da peça injetada após ataque. Contornos de grão visíveis para medição de tamanho de grão. Ataque: Reagente Keller’s. Aumento: 10x.

Comentários

O ataque com reagente Keller´s é muito utilizado na revelação de grãos de ligas fundidas de alumínio para medição de tamanho de grão. Tem grande aplicabilidade em ligas fundidas por gravidade e ligas fundidas por injeção de baixa pressão. Para ligas com precipitados ou com alguma deformação plástica, este ataque não seria recomendado.

Links Úteis

ASTM E407 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys

ASTM E340 Standard test method for macroetching metals and alloys

ASTM E381 Standard method of macroetch testing steel bars, billets, blooms and forgings

ISO 4969 Steel — Etching method for macroscopic examination

TestMat – Como calcular tamanho de grão, ASTM E112

TestMat – Serviços em Metalografia e Macrografia

TestMat – Cursos em Caracterização de Materiais (Metalografia e Macrografia)