MINISTRIO DA EDUCAO E DO DESPORTO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Escola de Engenharia Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais-PPGEM

EFEITO DO MOLIBDNIO NO COMPORTAMENTO EM FADIGA TRMICA DE FERROS FUNDIDOS VERMICULARES

Simone Motyczka Ott

Dissertao para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais

Porto Alegre

1999

MINISTRIO DA EDUCAO E DO DESPORTO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Escola de Engenharia Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais-PPGEM

EFEITO DO MOLIBDNIO NO COMPORTAMENTO EM FADIGA TRMICA DE FERROS FUNDIDOS VERMICULARES

Simone Motyczka Ott Engenheira Metalrgica

Trabalho realizado no Centro de Tecnologia da Escola de Engenharia da UFRGS, dentro do Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais - PPGEM, como parte dos requisitos para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia

rea de Concentr~o: Metalurgia de Transformao Porto Alegre

1999

11

Esta Dissertao foi julgada adequada para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia, rea de concentrao em Metalurgia de Transformao e aprovada em sua forma final, pelo Orientador e pela Banca Examinadora do Curso de Ps-Graduao.

Orientador: Prof. Dr. Marios Dias Diehl (in memoriam) Co-orientador: Prof. Dr. Telmo Roberto Strohaecker

Banca Examinadora:

Prof. Dr. Telmo Roberto Strohaecker/PPGEM - UFRGS

Prof. Dr. Wilson Lus Guesser/FEJ - UDESC

Prof. Dr. Amo Mller/PPGEM UFRGS

Prof. Dr. Carlos Alberto Mendes Moraes/PPGEM - UFRGS

Prof. Dr. Marco Antnio dos Santos- UFPB

Prof. Dr. Telmo R. Strohaecker Coordenador do PPGEM

m

IV

Dedico aos meus pais Arnaldo e Leocadia, minha irm Mnica,

ao Engenheiro Sandro Oriza e ao Prof. Marlos Diehl (in memoriam).

AGRADECIMENTOS

A todos que colaboraram direta ou indiretamente na elaborao deste trabalho, o meu reconhecimento.

Ao Prof. Dr. Eng. Marlos Dias Diehl (in memorian) pelo estmulo, dedicao e esforo pessoal proporcionado.

Ao Laboratrio de Fundio do Centro de Tecnologia da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

A Fundio Tupy pelo apoio e produo dos corpos de prova"

Ao Professor Telmo Roberto Strohaecker.

Ao Engenheiro J acob Reimer pelas valiosas contribuies.

Aos Professores Amo Mller e Iduvirges Loudes Mller.

Ao Laboratrio de Metalurgia Fsica da Escola de Engenharia da UFRGS, principalmente ao Engenheiro Sandro Griza.

Aos colegas Mrcia Dias e Cintia Petry pelas sugestes e observaes.

A todos os colegas do Centro de Tecnologia.

Aos colegas da empresa Hidro Jet, em especial ao loboratorista Marcus Marcelo Alves da Silva.

Aos alunos de Iniciao Cientfica: Leoneros Acosta e Carlos.

Ao CNPq e a FAPERGS, pelo auxlio financeiro concedido na forma de bolsas de estudos.

Aos contribuintes.

v

SUMRIO LISTA DE FIGURAS .... ., ............................................................. "" ...... ,. ............... VIII LISTA DE TABELAS ........................................................... ., .................................. XII LISTA DE EQUAES .......................................................................................... XIII LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS ................................. ,. ..................... XIV RESUMO .................................................................................................................... XV ABSTRACT .............................................................................................................. XVI

1 # / JNTRODUA-0 fllllllliiiiW!iJIIIII ~IIIIIIIIUliiiiiJ ms 1111111111 !li Dlll!llil:llli m !lllllll illllilll! 111111 m g !l tHl!iii!IQ II!II!ISauHll ~ lll!ll!ll a s11 Wlilll iill:l ill t'l ~ lfllllll" 11 i!! r1!!1 !'l!'l ~ 11 e .l!!l!'li!Z!i.!BIIIlllllii ili illlllm i'l s a m Olll 17 ~ ,

2 REVISAO BIBLIOGRAF-ICAEIIIIllilllliDIII!Iillllillllliall!lllliiiiDI:'lliiBI!illllllllitlllrJli!!'.llllll!lil!lllllllilili!l!llrl/JliQI'll!lSiro'lu!i;I~Fli!!!ifltllfl~!':llilllll:liiliilli!ilia!IIUlllilll:llilll!i!Rlaawm20

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7

Variveis Metalrgicas dos Ferros Fundidos .................................................................................... 20 Generalidades ................................................................................................................................ 20 Microestruturas .............................................................................................................................. 22 Composio Qumica ............................................................................................... ,. ........ ,. ......... 23 Carbono Equivalente ..................................................................................................................... 24 Elementos de Liga ................................................................................................ ,. .................. ,..,. 25 Espessura da Seo ......................................................................................................................... 27 Tratamento do Banho Metlico ..................................................................................................... 28

2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4

Propriedades Mecnicas dos F erros Fundidos " .. .. oo .. 31 Resistncia Trao ...................................................................................................................... 31 Resistncia Fadiga .......................................................................................... ,...,..,. ................ " .. 32 Mdulo de Elasticidade ................................................................................................................. 33 Influncia da Forma da Grafita nas Propriedades .......................................................................... 34

2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6

Propriedades dos Ferros Fundidos sob Temperaturas Elevadas ........... ., ................... m ................. 37

2.3.6.1 2.3.6.2 2.3.6.3 2.3.6.4

Condutividade Trmica ................................................................................................................. 37 Coeficiente de Dilatao Linear e Expanso Trmica ................................................................... 39 Oxidao e Estabilidade Microestrutural ...................................................................................... 40 Resistncia em Elevadas Temperaturas ......................................................................................... 43 Mdulo de Elasticidade ................................................................................................................. 44 Influncia da Composio Qumica .............................................................................................. 44

Propriedades Mecnicas ............................................................................................................ 44 Mdulo de Elasticidade ......................................................... ,. .............. ., .................................. 46 Condutividade Trmica ............................................................................................................. 47 Resistncia Oxidao .............................................................................................................. 4 7

2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.4.8 2.4.9

Fadiga Tnnica em Ferros Fundidos ................................................................................................. 49 Fadiga Trmica .............................................................................................................................. 49 Distoro, Fissuramento e Trincamento ......................................................................................... 50 Tipos de Fadiga Trmica e Faixas de um Ciclo Trmico .............................................................. 51 Tenso Trmica ............................................................................................................................. 52 Parmetros Determinantes na Fadiga Trmica .............................................................................. 53 O Ciclo Trmico e a Influncia da Temperatura ........................................................................... 54 Ensaios de Fadiga Trmica ............................................................................................................ 56 Influncia da Composio Qumica na Fadiga Trmica ................................................................ 58 Propriedades Requeridas de um Fundido para Resistir a Fadiga Trmica ...... " ............................ 64

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL cellllll\ll!lW!lii!IDEJt;~&l!lasli3r!!aM;Illalilmllllil!!!ll!llle!l'lllillllmwlillll'!lliiW~!III!If!laafieml!l!!!.illlli!-SJW!aPill!;lllli>FIIMille66 3.1 Material Escolhido .............................................................................................................................. 66

VI

3.2

3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4

4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3

Obteno dos Corpos de Prova .......................................................................................................... 67

Desenvolvimento da Metodologia para os Testes de Fadiga Tnnica ............................................ 69 Formato dos Corpos de Prova ...................................................... ., ........ ., ..................................... 69 Mtodos de aquecimento e Resfriamento ...................................................................................... 70 Aparato para o Teste ...................................................................................................................... 71

Preparao dos Corpos de Prova Para o Ensaio ....................... ,. .............. " ... , ................................. 71

Instrumentao e Aqnisio de Dados ................................................................................. ., ........... 73

Parmetros do Ensaio ......................................................................................................................... 73

O Ensaio Trmico Propriamente Dito ........................ ,. ............. ., ...................................................... 74

Caracterizao do Material ................................................................................................................ 7 5 Composio qumica ..................................................................................................................... 75 Microestrutura ............................................................................................................................... 76 Anlise por Eltrons Secundrios ....................................................... ,. ......................................... 79 Propriedades Mecnicas .................................................................... ., .......................................... 81

Resultados dos Testes de Resistncia Fadiga Trmica ............................. >< ......... ., ......................... 82 Caracterizao dos Ciclos Trmicos .............................................................................................. 82 Resultados dos Testes de Fadiga Trmica .................................. ., ................................................. 83 Anlise Metalogrfica e Registros Fotogrficos dos Resultados ................................................... 85

5.1 Composio Qumica ............................................................. ,., ..... '" ................................................ 92

5.2 Condies dos Testes ........................................................................................................................... 94

5.3 Geometria dos Corpos de Prova ........................................................................................................ 94

7 SUGESTES PARA PRXIMOS TRABALHOS ............................ ,..,., ............ 97

VII

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Desenho esquemtico do crescimento da grafita que ocorre no sistema estvel euttico austenita-grafita: a) grafita lamelar b) grafita esferoidal c) grafita compacta. [SJ .................................................. 21

Figura 2: Micro~rafias tpicas de ferros fundidos cinzentos, nodulares e vermiculares. Microestrutums 1) sem ataque! 1 e 2) com ataque profundol131 .................... "" .................................... ., ................................... 23

Figura 3: Precipitao de Mo2C em um ao Fe-4 Mo-0,2, revenido em 5h 600"C.U!ll ................................ 26 Figura 4: Efeito do molibdnio na resistncia trao para o ferro fundido vermicular em relao ao

ferro fundido cinzento perltico. !81 ........................................................................... ., ................................. 26 Figura 5: 11 Curva em S 11 do magnsio revelando um plat para o ferro fundido vermicular como uma

fu ~ d ' . [ll] 30 nao o magnes1o. .............................................................................................................................. . Figura 6: Microestrutura de ferros fundidos nodulares com diferentes graus de nodularizao. a) 99%

grafita nodular, b) 80% grafita nodular e c) 50% grafita nodular. Aumento 36X.181 .................. ~ .,. 35 Figura 7: Influncia do grau de nodularizao em algumas propriedades para os ferros fundidos

~ -nodulares. ..................................................................................................... ., ..... 35

Figura 8: Relao entre o grau de nodularizao e o mdulo de elasticidade.rsJ ...... ., ................................... 35 Figura 9: Efeito da percentagem de grafita nodular na condutividade trmica de ferros fundidos

vermiculares. [ZSJ ........................................................................................................................................... 36 Figura 10: Variao do comportamento da expanso trmica em ferro fundido cinzento, uodular e

vermicular, com matriz variando de predominantemente ferritica at predominantemente perltica, em funo da temperatura. [Z6J .................................................................................................................... 40

Figura 11: Resultados quanto ao inchamento e perda da casca em temperaturas de 600C, em peas espessas de ferro fundido cinzento e vermicuBar. [211 ...................... ., ......................................................... 42

Figura 12: Efeito da temperatura no limite de resistncia trao de diversos tipos de ferros fundidos.U143 Figura 13: Mdulo elstico: a) ferro fundido cinzento perJtico; b) ferro fundido nodular; c) ferro fundido

com grafita compacta. Todos como uma funo da tenso de trao e temperatura. !261 ..................... 44 Figura 14: Limite de resistncia trao em temperaturas elevadas para o ferro fundido nodular. [?/1/ll .... 46 Figura 15: Mdulo de elasticidade como funo da temperatura e variaes de ligas para ferros fundidos

cinzentos. !301 .................................................................................................................................................. 46 Figura 16: Diminuio da condutividade trmica do ferro puro (ferrita) com adio de elementos de liga.

[ZS) ooooefi990G>9&eeeeoooea-ooo"'"'ot;o"'"'"'e"'ooe~0o6o&(loo~!lle8 .. 47 Figura 17: Resultados de testes de oxidao superficial a 650C para ferros fundidos cinzentos e nodulares

com diferentes teores de silcio. [241 .............................................................................................................. 48 Figura 18: Desempenho quanto fadiga trmica de ferros fundidos duzentos, nodulares e de grafita

compactao- [3,26] eeo-Dee8eee8888800808881118888"'881i106>.e0888$00!11GI"800080888&80880008Gifl.(>fl>$CI$980Q(IOe0(1oe*>l>eoeeeeoooeoo.:ti>Ofii>OO uO Figura 25: Resultados do teste de fadiga trmica constrangido, submetido a ciclos entre 100 e 540C, com

indicao pontual do teor de ferrita. [341 ..................................................................................................... 61 Figura 26: Resultados do teste de fadiga trmica constrangido, submetido a ciclos entre 100 e 500C com

indicao pontual do teor de ferrita. [341 ............................................................... ., .................................... 61 Figura 27: Correlao da vida em fadiga trmica com o contedo de molibdnio e slido.r341 ..................... 63 Figura 28: "Panela coberta" utilizada no processo de vermicularizao ... ., , .............................................. 68 Figura 29: Dimenses do corpo de prova bruto de fuso ................................................................................ 69 Figura 30: Esquema do corpo de prova para ensaio de fadiga trmica usinado ........ "" ................................ 70 Figura 31: Esquema do aparato desenvolvido para os testes de fadiga trmica ............................................ 71 Figura 32: Devido a simetria a regio escura a regio arbitrada para a soldagem do termopar no corpo

de prova, na face oposta os rebaixos de usinagem .................................................................................... 72 Figura 33: Esquema dos corpos de prova usinados sem e com chanfro nos cantos deixados pela usinagem

dos rebaixos circulares centrais. Os chanfros apresentaram profundidade de lmm ......................... ,.. 72

VIU

Figura 34: Esquema da vista lateral do dispositivo para o teste de fadiga trmica, indicando a distnda entre o maarico e a posio do corpo de prova (d) e o tamanho do cone da chama (c) ........................ 74

Figura 35: Microestrutura tpica apresentada pelos corpos de prova do material A. Observa-se a formao de parte da grafita em ndulos. H uma distribuio randmica de pequenos pontos pela matriz contendo titnio. Sem ataque, magnificao 200X ............................................ M ..................................... 76

Figura 36: Observando-se a microestrutura correspondente ao material B, verifica-se que este apresentou uma quantidade um pouco maior de grafita em ndulos e apresentou, tambm, o titnio distribudo uniformemente na matriz. Sem ataque, magnificao 200X ............. , ..................................................... 77

Figura 37: Esta imagem mostra a micrografia tpica encontrada no material C. Alm da grafita em forma de vermes apresenta tambm formao de grafita em forma de ndulo e pontos de titnio em toda matriz. Sem ataque, magnificao 200X ................................................................................................... 77

Figura 38: Na micrografia do material A com ataque qumico para revelao da matriz observa-se o contorno do gro ferritico e presena de perJita e carbonetos em alguns contornos de gro. Ataque com nital2 %, magnificao 200X .............................................................................................................. 77

Figura 39: Observamos a microestrutura apresentada pelo material B, verifica-se que a quantidade de perlita e carbonetos superior a apresentada pelo material A. Ataque com nitaJ 2%, magnificao 200XoeooooeoeooooooooooooooooeeeoooeeoooooDIIOo"'"'"'"'"oeeooeo&&l'liHII>e&II>O&O'!Io&OQ-I'l,.,..,,.~.,,.,.O .. .:.e~li>eO&"'"'""'"'""'"o&e"'"""H(rooe"fl.,.,.,,..,. .. ., 78

Figura 40: A micrografia do material C apresenta-se muito semelhante ao do materiaD A, contorno do gro ferritico em destaque e presena de pedita e carbonetos em alguns contornos de gro. Ataque com nita12 %, magnificao 200X .............................................................................................................. 78

Figura 41: A primeira imagem apresenta uma regio da matriz do material C contendo perlita e carbonetos. Na segunda imagem temos a varredura da amostra, onde os pontos brancos so sinais do elemento molibdnio detectado pela microssonda na varredura que coincidem com os carbonetos . 80

Figura 42: Imagem em detalhe de perlita e carbonetos indicando o local sobre o carboneto, onde foi realizado a anlise pontual pela microsonda ......................................................... ., ................................. 80

Figura 43: Espectro referente a anlise pontual realizada no carboneto da figura 42. O eixo X apresenta energia em ke V e o eixo Y a intensidade relativa de raio X ............................................. ,. ..................... 81

Figura 44: Ciclos de aquecimento e resfriamento do teste de fadiga trmica desenvolvido, com temperaturas entre 50 e 500C ............................................................................................................... , . 82

Figura 45: Relao do nmero de ciclos trmicos mdios necessrios para o surgimento de trinca pela temperatura mxima do ciclo, para cada material, indicando a disperso ............................................ 84

Figura 46: Relao do nmero de ciclos trmicos mdios necessrios para o surgimento de trinca pelo teor

Figura 47: Relao entre o nmero de ciclos mdios necessrio para falha e a influncia do chanfro nos

Figura 48: Aspectos tpicos de um corpo de prova aps ensaio de fadiga trmica. Apresenta em algumas regies colorao azulada caracterstica de material que recebe tratamento trmico e, regies com colorao "acobreada" decorrente da oxidao gerada na etapa de resfriamento. Corpo de prova

Figura 49: Aspecto de trinca unindo os dois rebaixos de usinagem apresentada por nm corpo de prova do material C, aps 31 ciclos trmicos com temperatura mxima do ciclo de 550C. Superffde polida aps o ensaio, corpo de prova com canto vivo da usinagem .................................................................... 86

Figura 50: Outro aspecto de uma trinca unindo os rebaixos de usinagem, desta vez a trinca apresenta um caminho de propagao bem sinuoso. Verifica-se que a trinca propaga no s na superncie como tambm na parede lateral deixada pela usinagem. Material A aps 17 ciclos trmicos com temperatura mxima de 500C, corpo de prova com canto vivo de usinagem ., ................................... 86

Figura 51: Microestrutura apresentada por um corpo de prova do material A aps ensaio de fadiga trmica. No apresentou alterao quanto as quantidades de perUta e carbonetos, em relao ao material bruto de fuso. Ataque nital 2 %, magnificao 200X .......... .oo ................................................ 87

Figura 52: Micrografia de um corpo de prova do material B aps ensaio de fadiga trmica. Tambm manteve a microestrutura do material bruto de fuso. Ataque nital2 % 9 magnificao 200X ........... 81

Figura 53: Esta imagem mostra que tambm o material C no apresentou alterao mic:roestrutural. Ataque nital 2 %, maguificao 200X ....................................................................................................... 87

Figura 54: Aspecto da fratura de um corpo de prova do material B, que resistiu a 27 ciclos, em um ensaio com temperatura mxima do dclo de 500C. A faixa clara elptica indica onde cessou a propagao da trinca. Aumento 14X .............................................................................................................................. 88

Figura 55: Fractografia apresentada pe.lo material C, aps 30 cicios, com temperatura mxima de 550C. A fratura propagou-se por toda espessura. Aumento 12,5X ................................................................... 89

Figura 56: Observando esta fractografia do material A verifica-se que a propagao deu-se apenas nos dois cantos usinados, caracterizada pelas zonas mais escuras, aps 18 ciclos, com temperatura mxima do ciclo de 500C. Aumento 14X ................................................................................................. 89

IX

Figura 57: Aspecto da fratura de um corpo de prova do material B, que resistiu a 17 ciclos, com temperatura mxima do ciclo de S50C. A fratura apresenta uma propagao no uniforme. Aumento 12X . .............................................................................................................................................. 89

Figura 58: Aspecto da superficie oxidada da trinca, material C, aps 24 ciclos trmicos com temperatura mxima de SS0C. Verifica-se ua extremidade superior da trinca desprendimento da carepa 90

Figura 59: Aspectos da fratura do material A, que apresentou trinca passante de uma face a outra aps 17 ciclos trmicos com temperatura mxima de 500C. Na primeira imagem, com menos aumento, podemos identificar bordas de cisalhamento (b), e quase clivagem (c). J na segunda imagem com mais aumento, encontramos facetas frgeis (a) e tambm bordas de cisalhamento (b) .................................. 90

Figura 60: Estas imagens mostram aspectos da fratura apresentada pelo material B, com bordas de cisalhamento (b), para menor aumento e quase clivagem (c) e facetas frgeis (a), para a imagem com mais aumento. Este corpo de prova apresentou trinca superficial aps 27 ciclos trmicos com temperatura mxima de 500C . ................................................................................................................. 91

Figura 61: Fractografias de um corpo de prova do material C, que apresentou trinca superficial aps 22 ciclos trmicos com temperatura mxima de SS0C. Analisando estas imagens encontramos bordas de cisalhamento (b), para menor aumento e quase cvagem (c) e facetas frgeis (a), para a imagem com maior aumento ..... - 91

X

LISTA DE TABELAS

Tabela I: Valores tpicos de limite de resistncia trao (L.R..T.), limite convencional de escoamento 0,1% (L.E.) e alongamento (A) para ferros fundidos.!ll ...... , ................................ 32

Tabela ll: Limite de resistncia trao (L.R. T.), limite de escoamento (L.E.), alongamento (A) e limite de fadiga (L.F.) para ferros cinzentos, nodular e com grafita compacta.[lJ ............. , 33

Tabela ID: Condutividade trmica da grafita e de alguns microconstituintes dos ferros fundidos vermiculareso [ZS] eO$!HI~0e0009&$0eeeoll!>iHJOe0800&SeOee&lt(;l0ol!>C~0$0&ilio9&01!leoDO&Ii>&eeO@IItiJGeiUJ~0fHHHl>i~&IHHI6~$""''HHli~@&~QCQIH~OIIUf!il68$1!1(l$Q!f0e@@l)lflii:JCi!(lQ00fl05 37

Tabela IV: Condutividade trmica de vrios ferros fundidos em funo da temperatura. 18261 38 Tabela V: Coeficientes de dilatao linear a partir de 26,6"'C, para temperaturas de 100 a 700C

de ferros fundidos cinzentos, com grafita compacta e nodularY1 .......... , .............................. ,. 39 Tabela VI: Resistncia trao em funo da temperatura para diversas composies de ferros

fundidos. [26] eeee&ee0000000$00008000001!UHUI&0000800.0H~ISHlf>0CHl@llie~0GOOI:liiH&&It66!1>QG$$CQl>

LISTA DE EQUAES

Equao 1: Carbono Equivalente ....................................................................................................... 24 Equao 2: Tenso Trmica .......................................................... ,. ............... "' ................................ 52 Equao 3: Tenso Trmica Simplicada ......................................................................... ,. ................. 53 Equao 4: Nmero de Ciclos Trmicos .................................................. ,, ..... ., ................................. 60

XII

LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS

A - alongamento

ASTM - American Foundryman Society ABNT - Associao Brasileira de Normas Tcnicas CE - carbono equivalente DIN- Deutsches lnstitut fr Normung E- mdulo de elasticidade (mdulo de Young) F - fator de forma

FC - ferro fundido cinzento

FE - ferro fundido

GLP - gs liqefeito de petrleo L.E. - limite convencional de escoamento

L.F - limite de fadiga

L.R.T.- LRT- LR-limite de resistncia trao

Log -logaritmo na base 10

MEV - microscpio eletrnico de varredura

N - nmero de ciclos trmicos

a- tenso

E - deformao

a - coeficiente linear de expanso trmica

v - coeficiente de Poisson

a th - tenso trmica

AT - diferena de temperatura

XIII

RESUMO

O ferro fundido vermicular um material de destaque para aplicaes em componentes que esto sujeitos a choques e variaes trmicas. mesmo apresenta boa combinao de propriedades tipo condutividade trmica, resistncia e tenacidade. Desta forma, a disponibilidade de informaes sobre a influncia de diferentes composies qumicas sobre o comportamento diante de exigncias trmicas, vem contribuir para consolidar o uso deste material em componentes automotivos.

No caso do ferro vermicular, a resistncia ao surgimento de trincas por solicitaes trmicas pode ser melhorada com adies de elementos de liga como: cromo, molibdnio, vandio e outros.

Ferros fundidos vermiculares com diferentes teores de molibdnio e silcio so investigados neste trabalho. Corpos de prova na forma de discos finos (4mm) foram submetidos a trs diferentes gradientes de temperatura (50 450, 500, e 550"C). Investigou-se, ainda, a influncia de cantos vivos deixados pela usinagem dos corpos de prova.

Para os ensaios de ciclagem trmica foi desenvolvido um ensaio que consiste em aquecer uma das faces do corpo de prova por chama, submetendo a outra face ao

resfriamento por jato d'gua at a temperatura de 50C.

Resultados mostram que o mtodo desenvolvido para a realizao do ensaio foi eficiente para avaliar as variveis em questo. Pode-se concluir a partir dos resultados que o molibdnio aumenta a resistncia fadiga trmica. A temperatura mxima do ensaio determinante para a vida em fadiga trmica e materiais ensaiados em ciclos

com temperatura at 450C resistiram duas vezes mais que materiais ensaiados em

ciclos com temperatura at 550C, e por fim, corpos de prova com o canto vivo amenizado tiveram um desempenho de 1,5 2,6 vezes melhor que os com o canto vivo pronunciado.

XIV

ABSTRACT

The compacted grapite iron is a suitable material for application on components subject to thermal shock and thermal variation. This material shows a good combination o f properties like thermal conductivity, strength and toughness. By this way, the availability o f information about the influence o f chemical composition over performance under thermal conditions, contributes to consolidate the use of this material in automotive components.

In case of compacted graphite iron, the resistance to crack initiation due to thermal solicitation can be improved by the addition of alloying elements like: chromium, molybdenum, vanadium and others.

Compacted graphite irons with different contents of molybdenum and silicon were investigatted in this work. The specimens in shape of thin disks (4mm) were submitted to three different thermal gradients, from 50 to 450, 500 and 550C. Also, the influence of the sharp edges left after machining of specimens was investigated.

A procedure was developed for the thermal cyclic tests, consisting in warming one of the faces of the specimen with a heating flame while keeping the other (face) cooled by a water jet to a temperature of 50C.

The results show that the method devoloped for the execution of the test was efficient to evaluate the variables in question. The results indicate that the molybdenum improves thermal fatigue resistance. The maximum temperature of the test is decisive for life in thermal fatigue, and material tested on temperatures up to

450C resisted twice more than the material tested on temperatures up to 550C. Finaly, specimens wih smooth edges had a performance 1,5-2,6 times better than specimens with sharp edges.

XV

1 INTRODUO

Quando componentes so usados em ambientes onde ocorrem mudanas de temperatura ou quando diferentes temperaturas so impostas em alguma parte destes componentes, produzindo um aquecimento no uniforme, ocorre uma solicitao trmica que pode resultar em deformaes plsticas ou elsticas e na formao de trincas caracterizando uma solicitao denominada de fadiga trmica. Logo, componentes submetidos a estes meios tm sua vida limitada e, constantemente, tm que ser substitudos.

Existem muitos componentes na indstria automotiva produzidos em ferros fundidos que so susceptveis a falhas devido, principalmente, as suas condies de trabalho, como aquecimentos prolongados e resfriamentos bruscos ou cclicos. Por isso

toma-se importante conhecer elementos que, incorporados em diferentes teores, possam reduzir o aparecimento da ruptura por fadiga trmica, visando a integridade estrutural do material diante destas condies.

Exemplos tpicos de componentes fundidos submetidos a solicitaes trmicas

so: tambores de freio, coletores de gases de combusto, lingoteiras, moldes para vidros (glass mold), cilindros de laminao, entre outros[1 1. Sabe-se que no caso de componentes automotivos que trabalham em altas temperaturas decorrentes dos gases de combusto, so alcanadas temperaturas na faixa de 480-540C[21. Em alguns casos, o aquecimento parcial do componente forma um gradiente trmico que caracteriza um processo severo de solicitao trmica.

De acordo com a bibliografia consultada, o desempenho de ferros fundidos sob solicitaes trmicas cclicas depende de vrios fatores. Entre estes as propriedades do material, como mdulo de elasticidade, condutividade trmica, coeficiente de expanso trmica, resistncia fluncia, resistncia relaxao de tenses e da composio qumica. Elementos de liga como cromo, molibdnio, nquel, estanho, silcio entre outros, vm a influir nestas propriedades. Depende, ainda, das condies do ciclo trmicoP1, temperatura mxima atingida no ciclo, das velocidades de

17

aquecimento e resfriamento (severidade dos ciclos trmicos). Finalmente, o desempenho dos materiais tambm depende da geometria da pea.

Neste sentido o ferro fundido vermicular apresenta uma particularidade mpar na rea de resistncia fadiga trmica. Esta classe apresenta uma tenacidade fratura superior dos cinzentos (intermediria entre os cinzentos e nodulares) e condutividade trmica superior aos nodulares (intermediria entre os cinzentos e nodulares ). A explicao para estas propriedades intermedirias, reside no fato do vermicular apresentar uma grafita mais contnua do que nos nodulares mas to pontiaguda como nos cinzentos.

Da parceria com a indstria surgiu o interesse em estudar o comportamento de ligas de ferros fundidos vermiculares diante de solicitaes trmicas. O fato dos coletores de gases de combusto serem produzidos a partir deste material e estarem sujeitos a flutuaes de temperaturas, tornou ainda mais interessante a pesquisa deste material.

O objetivo deste trabalho estudar o comportamento de diferentes teores de silcio e molibdnio no comportamento em fadiga trmica do ferro fundido vermicular. Estudar tambm a influncia da temperatura mxima dos ciclos e da geometria dos

corpos de prova na vida em fadiga trmica.

Para atingir o objetivo foi desenvolvido um mtodo de ensaio para avaliar a resistncia fadiga trmica, utilizando para o aquecimento a queima do gs liqefeito de petrleo e, para o resfriamento, jato de gua temperatura ambiente.

Os resultados mostram que a metodologia desenvolvida para avaliao da resistncia fadiga trmica em ferros fundidos foi sensvel diante das variveis em questo: teor de molibdnio e silcio, condies do teste (temperatura mxima) e geometria da pea.

18

Os resultados indicam, tambm, que composies com alto molibdnio

apresentam caractersticas superiores s composies sem ou com baixo molibdnio,

quando em fadiga trmica.

19

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2. 1 Variveis Metalrgicas dos Ferros Fundidos

2.1.1 Generalidades

Os ferros fundidos so ligas do sistema Fe-C-Si[5J, Solidificam segundo o sistema estvel euttico austenita~grafita[56l e apresentam em sua estrutura grande parte do carbono parcialmente livre, na forma de grafita, e uma menor parte no estado combinado, na forma de carbonetos (Fe3C)[7J.

As propriedades dos ferros fundidos, que solidificam acordo com o sistema

estvel, dependem da microestrutura e, portanto, da forma, quantidade, distribuio e

tamanho da grafita alm da constituio da matriz metlica. Esses ferros fundidos so classificados de acordo com a forma da grafita presente na microestrutura:[l,?J

. Ferro Fundido Cinzento: grafita na forma de lamelas (veios)

. Ferro Fundido Nodular: grafita na forma de ndulos (esferoidal)

. Ferro Fundido Vermicular: grafita na forma de compacta (vermes)

Na solidificao do euttico estvel nos ferros fundidos, a grafita o constituinte de mais complexa nucleao, sendo o processo heterogneo. As partculas

que atuam como centros efetivos para a nucleao da grafita nos ferros fundidos

cinzentos, nodulares e com grafita compacta, so essencialmente as mesmas, provavelmente com diferente importncia relativa no processo para cada um desses materiais[6J. A obteno de diferentes formas de grafita se verifica na etapa de crescimento. PJ

A estrutura cristalogrfica da grafita nos ferros fundidos hexagonal, sendo os tomos de carbono fortemente ligados nos planos basais, enquanto a energia de ligao entre as camadas consecutivas desses planos muito menor. Os planos prismticos

20

possuem elevada energia, sendo neles preferencialmente adsorvidas as impurezas,

entre as quais os elementos superficialmente ativos como o oxignio e o enxofreY1

A grafita lamelar caracteriza-se pela predominncia de crescimento na direo a

(perpendicular ao plano prismtico) enquanto a esferoidal apresenta crescimento espiral na direo c (perpendicular ao plano basali11,figura 1.

c

c

L A A

a) b) c) Figura 1: Desenho esquemtico do crescimento da grafita que ocorre no sistema estvel euttico

austenita-grafita: a) grafita lamelar b) grafita esferoidal c) grafita compacta. rsl

A grafita lamelar bastante interconectada, formando-se para pequenos super-

resfriamentos frente da interface, enquanto a nucleao da grafita nodular ocorre

para maiores super-resfriamentosl1l.

O euttico dos ferros fundidos cinzentos cooperativo, com crescimento

simultneo das duas fases. Nos ferros fundidos nodulares, o euttico divorciado,

tendo a nucleao inicial da grafita que cresce em contato direto com lquido,

formando a austenita em estgio posterior um invlucro em tomo da grafita. [I,9J

A grafita compacta constitui uma estrutura de transio, apresentando

crescimento tanto na direo a quanto na direo c, figura 1, sendo interconectada como a grafita lamelar, mas apresentando menor freqncia de ramificao e

evidenciando extremidades mais arredondas e relao comprimento-espessura muito

menor que a grafita em veiosl1l. A microestrutura do vermicular, por sua vez,

intermediria entre o ferro cinzento e o nodular. Na contagem de clulas eutticas, para um mesmo teor de carbono, o ferro vermicular apresenta, geralmente, de 100 a

21

150 clulas por milmetro quadrado e nos ferros cinzentos esse nmero da ordem de 50. Portanto, fica evidente que os vermculos tm dimenses menores que as lamelas do ferro cinzento[lOJ_[lJ

2.1.2 Microestruturas

2.1.2.1 Formas da Grafita

As diferentes formas da grafita so classificadas segundo a norma ASTM A

247. A microestrutura caracterstica para o ferro fundido cinzento a grafita em forma de veios, forma VII. Para o ferro fundido nodular a grafita em forma de ndulos,

formaL

A microestrutura caracterstica do ferro fundido vermicular a grafita em forma de vermes, especificada pela norma ASTM A-842/85 com, no mnimo, 80% de grafita

da forma IV (ASTM A 247), at 20% de grafita em ndulos e isenta de grafita lamelar. A quantificao da porcentagem de grafita, para qualquer dos trs tipos de ferros

fundidos pode ser realizada utilizando o mtodo de contagem manual, semi-

automtico ou automtico. P11213l

Talvez a melhor maneira de discutir as diferenas de microestrutura entre o

ferro cinzento, o nodular e o vermicular seja comparando as micrografias sem e com ataque profundo, mostradas na figura 2 a seguir.[lO,lZ]

A dissoluo seletiva da matriz de ferro deixa intacta a rede de grafita, com a

tcnica de ataque profundo. Estas micrografias (figura 2) mostram claramente os cantos agudos e as superfcies lisas das lamelas de grafita no ferro cinzento. A

orientao a esmo e a natureza interconectada destas lamelas resultam numa rede de

grafita quase contnua. Em contraste, as partculas de grafita no vermicular tm cantos

arredondados e superfcies speras e irregulares, sendo tambm interconectados. [lOJ

22

1) a) cinzento c) vermicular

1- 50~Jm -1 2) a) cinzento b) nodular c) vermicular

Figura 2: Micrografias tpicas de ferros fundidos cinzentos, nodula:res e vermicuiares. Microestruturas 1) sem ataque181 e 2) com ataque profundor131,

2.1.2.2. Matriz

As estruturas que possivelmente podem constituir a matriz dos diversos tipos de ferros fundidos so: ferrita, perlita, austenita, martensita~ bainita, steadita e carbonetos. [SJ

2.1.3 Composio Qumica

Os elementos que mais influem na estrutura dos ferros fundidos so o carbono e o silcio. O carbono determina a quantidade de grafita que ser formada e o silcio apresenta um alto potencial grafitizante, favorecendo a decomposio do carboneto de ferro (Fe3C). Sua presena, independente do teor de carbono, pode fazer um ferro

23

fundido tender para cinzento ou para o branco. O mangans, sempre presente, tem efeito oposto ao do silcio, isto , estabiliza a cementita (Fe3C) e assim contrabalana, de certo modo, a ao grafitizante do silcio. A rigor o mangans nos ferros fundidos, tanto quanto nos aos, adicionado para impedir a formao de sulfeto de ferro; entretanto, como na prtica h sempre um excesso de mangans, este atua como estabilizador da perlita. Da o seu efeito oposto ao do silcio e a sua utilidade para produzir estrutura com matriz predominantemente perltica, sobretudo em peas fundidas volumosas. [?J

Os outros elementos, impurezas normais, fsforo e enxofre, no ttQ: uma ao muito significativa sob o ponto de vista de tendncia grafitizante. O fsforo por sua vez forma com o ferro e o carbono a steadita. [7]

2.1.4 Carbono Equivalente

Carbono equivalente, CE, uma relao entre carbono, silcio e fsforo, conforme a equao 1:

CE = %C + (%Si + % P)/3 Equao 1

Uma estrutura de ferro fundido pode ser interpretada com base num diagrama "pseudo-binrio"- onde em vez de carbono considera-se o "equivalente em carbono" que, numa primeira aproximao, pode ser tomado como sendo igual ao teor de carbono mais um tero do teor de silcio e fsforo, equao 1. Isso devido ao fato de que estes elementos atuam como o carbono, mas com um poder relativo cerca de 3 vez~s menor. [141

O aumento do CE implica em aumento da ocorrncia de grafita esferoidal para os ferros fundidos vermiculares[ISJ e incentiva a flotao de grafita em sees mais espessas. A diminuio do CE, favorece a tendncia de formao de carbonetos. [l6J

24

Um alto contedo de carbono, o que obviamente significa alto CE, resulta em aumento na condutividade trmica, diminuio do mdulo de elasticidade e, apesar de diminuir a resistncia mecnica[4J, leva a um aumento das propriedades de peas submetidas a ciclos trmicosP5l.

Para Pieske et alll15J, os ferros fundidos nodulares e vermiculares tm propriedades mecnicas menos dependentes do CE que os ferros fundidos cinzentos,

2.1.5 Elementos de Liga

A adio de elementos de liga para conferir ou acentuar propriedades dos ferros fundidos uma prtica industrial antiga e conhecida para todas as famlias de ferros fundidos. Todos os elementos de liga tendem a aumentar a resistncia trao e a

dureza, sendo os elementos mais eficientes, nesse sentido, o vandio, o molibdnio e o cromo.[7J

De modo geral a ao dos elementos de liga na formao de carbonetos ocorre de duas maneiras: por alteraes na temperatura euttica estvel e metaestvel, ou por segregao de elementos formadores de carbonetos para as regies intercelulares. P33

O molibdnio, juntamente com o mangans, cromo e vandio so classificados como estabilizantes de carbonetos pois retardam a precipitao de grafita e aumentam a tendncia de formar carbonetos. Assim, a adio destes elementos tem o seu uso limitado em peas fundidas de parede fina. [141

Costa et alli[l?] estudaram o efeito do molibdnio no ferro fundido branco verificando que este elemento promove a formao de carbonetos na solidificao. Para teores superiores a 4% esse elemento est presente em carbonetos do tipo Mo6C,

enquanto at porcentagens da ordem de 3%, os carbonetos so Mo7C3 e Mo2C, apresentando-se este ltimo geralmente sob forma de partculas isoladas.

25

Honeycombe[lSJ apresenta micrografias dos carbonetos de molibdnio em aos, por anlise de lmina fina em Microscpio Eletrnico de Transmisso, mostrando que estes carbonetos so extremamente pequenos, em torno de O, 1 J.lm, conforme figura 3.

Figura 3: Precipitao de Mo2C em um ao Fe-4 Mo-0,2, revenido em Sh 600 CP81

Normalmente em ferros fundidos o molibdnio adicionado em teores de 0,2% a 0,8%[141. O molibdnio afeta a matriz, com refino da perlita, aumenta a temperabilidade do ferro fundido e melhora as propriedades mecnicas temperaturas elevadas. [7,9J. A influncia do elemento molibdnio na resistncia trao pode ser

vista na figura 4.[SJ

205.___....__...__...._ _ _,_ _ __, o 0.2 G.4 0.6 0.8 u

Contedo de Molibdnio (%)

Figura 4: Efeito do molibdnio na resistncia trao para o ferro fundido vermicular em relao ao ferro fundido cinzento perltico.l81

Costa et alli[l?J estudaram, ainda, o efeito do molibdnio para diferentes velocidades de resfriamento, para o ferro fundido branco vericando que, mantida

constante a velocidade de resfriamento, materiais com maior percentagem de

molibdnio apresentam estrutura mais refinada e contendo carbonetos.

26

Outros elementos como cobre, estanho e alumnio podem ser utilizados para o aumento da relao entre perlita e ferrita [1 91. Particularmente, Pieske et alli[15] verificaram que, apesar do efeito perlitizante nos ferros fundidos vermiculares, elementos como estanho e antimnio provocam queda nas propriedades mecnicas por provocar o aparecimento de grafita secundria. Quanto ao antimnio foram observadas mudanas na morfologia da grafita, com o aparecimento de ramificaes laterais e afinamento das extremidades. Novamente, a melhor quantidade destes elementos, para uma matriz especfica, depende da espessura da seo.

Carmo e CostaP9J relatam, ainda, que os carbonetos formados pela adio de titnio no s prejudicam a resistncia como aumentam a dureza e reduzem a usinabilidade.

2.1.6 Espessura da Seo

Com a diminuio da seo, a velocidade de solidificao aumenta, resultando

em um refinamento da estrutura, como tambm na quantidade, tamanho e forma da

grafita e na estrutura da matriz. Em sees muito finas pode ocorrer a formao de

carbonetos que vm a aumentar a dureza, diminuindo a usinabilidade e aumentando a fragilidade. [S]

A espessura da seo do componente produzido determina teores mximos e mnimos de diversos elementos qumicos. O resfriamento acelerado nas paredes 'externas e finas vai resultar numa nodularidade mais elevada do que nas sees mais grossas, para o caso do ferro fundido vermicular. [201

27

2.1. 7 Tratamento do Banho Metlico

2.1.7.1. Ferro Fundido Cinzento

Para a produo da grafita lamelar o banho metlico passa pela etapa de inoculao .

. Inoculao: A inoculao de ferros fundidos consiste na adio ao banho lquido de compostos, em geral contendo silcio, Fe-Si (75% de silcio), instantes antes do vazamento, com a finalidade de aumentar a nucleao da liga fundida, em certos casos, promover tambm a formao de perlita durante o resfriamento no estado slido e controlar o coquilhamento em reas de alta velocidade de solidificao, como em sees finas e cantos. [141

O processo de inoculao aumenta o nmero de clulas eutticas, diminui o super-resfriamento, reduz a velocidade de crescimento das clulas eutticas e afeta, tambm, a morfologia das dendritas pr-eutticas austenita. Em conseqncia permite que sejam controladas mais efetivamente as caractersticas dos ferros fundidos e tambm que sejam obtidas melhores propriedades mecnicas.

A tcnica de inoculao tem tambm efeito sobre a efetividade do inoculante. recomendado adicion-lo no jato de metal lquido, no momento transferncia do metal do forno para a panela de vazamento, de preferncia pelo menos durante cerca de 50% do tempo de enchimento da panela com metal lquido,

2.1.7.2. Ferro Fundido Nodular

O ferro fundido nodular obtido em duas etapas: dessulfurao e produo de grafita nodular (nodularizao ), seguido da inoculao.

28

. Nodularizao: a grafita na forma esferoidal pela adio de determinados elementos no metal fundido, como o magnsio, crio e outros, de modo a produzir a forma da grafita desejada. Por isto so conhecidos como ligas nodularizantes. O nodularizante normalmente colocado no fundo da panela de reao ou vazamento e o metal fundido rapidamente derramado sobre a liga. Qualquer que seja a tcnica usada, h uma reao violenta que ocasiona fervura: o magnsio vaporizado e o vapor atravessa o ferro lquido, diminuindo o seu teor de enxofre e oxignio, propiciando a formao da grafita esferoidaL [7]

Inoculao: Imediatamente aps a nodularizao ocorre a etapa de inoculao de forma semelhante que ocorre no ferro fundido cinzento. Isto a adio de F

O contedo de magnsio final necessrio para produzir a grafita esferoidal encontra-se, normalmente, entre 0,04 e 0,06%. No entanto valores acima de 0,035% j podem trazer efeitos satisfatrios. Se o magnsio ficar abaixo desta faixa pode ocorrer grafita compacta nos ferros fundidos nodulares. Para a produo de grafita compacta a faixa de magnsio residual fica entre 0,015 e 0,025%. [SJ

DawsonlllJ relata que o processo de transio da forma da grafita de lamelar para vermicular e finalmente para nodular bem conhecido como sendo uma funo do grau de modificao propiciado pelo magnsio. Historicamente esta transio tem sido representada pela chamada "Curva em S" do magnsio, figura 5, aqual indica que existe um plat estvel para o ferro vermicular entre o ferro cinzento e o ferro nodular comum. A maior parte da literatura, ainda segundo Dawson, sugere que o ferro vermicular tem um plat estvel entre 0,005 e 0,010% do magnsio "ativo". ressaltado o magnsio ativo porque, apesar da "Curva em S" ser essencialmente correta, ela no leva em conta as reaes entre o magnsio e os elementos dissolvidos no ferro, particularmente o oxignio e o enxofre, que consumiriam mais ou menos magnsio deslocando, ento, a curva para a direita ou esquerda, respectivamente.

100

ao

-~ ...._, 60

\~ ~ 40 -=

"' 20 Ve~er (i o

0.000 0.010 0.030 0.040

Magnsio total (%)

Figura 5: "Curva em S" do magnsio revelando um plat para o ferro fundido vermicular como uma funo do magnsio. [llJ

30

2.2 Propriedades Mecnicas dos Ferros Fundidos

Sabe-se que a morfologia, tamanho, distribuio e quantidade da grafita e a matriz tm influncia sobre as propriedades mecnicas, principalmente na resistncia

trao e no mdulo de elasticidade. f89l

As propriedades de maior interesse para os ferros fundidos cinzentos so a resistncia ao desgaste, resistncia trao, dureza, mdulo de elasticidade e a usinabilidade, esta ltima uma caracterstica de destaque. fl4J

Os nodulares so os ferros fundidos que apresentam elevada resistncia

mecnica, ductilidade e tenacidade mesmo no estado bruto de fuso, em decorrncia

da presena de partculas isoladas de grafita esferoidal, possuindo menor

condutividade trmica, capacidade de amortecimento de vibraes e usinabilidade.fll

Os ferros fundidos com grafita compacta, em virtude da forma de sua grafita,

tm resistncia mecnica, ductilidade e tenacidade mais elevadas que os cinzentos,

enquanto a condutividade trmica, a capacidade de amortecimento de vibraes e a usinabilidade so superiores s dos nodularesf91. flJ

2.2.1 Resistncia Trao

A resistncia trao uma propriedade importante para os ferros fundidos. Os L

diferentes tipos de ferros fundidos cinzentos so classificados de acordo com a sua resistncia trao. J para os ferros fundidos nodulares a classificao dos diferentes tipos baseia-se alm da resistncia trao, na resistncia ao escoamento e no alongamento. O ferro fundido vermicular recebe classificao semelhante ao do nodular. [81

31

As propriedades mecnicas trao para diferentes ferros fundidos so apresentadas por Fuller e Santoslll na tabela

Tabela I: Valores tpicos de limite de resistncia trao (L.R.T.), limite convencional de escoamento 0,1% (L.E.) e alongamento (A) pa:ra ferros fundidos. UJ

F erro Fundido L.R.T. (MPa) L.E. 0,1% (MPa) A(%) Cinzento Perltico 250 71

composio prxima ao euttico, com cerca de 3,50% C e 2,20% de grafita compacta na microestrutura.Pl

com mais de 90%

Tabela ll: Limite de resistncia trao (L.R. T.), limite de escoamento (L.E.), alongamento (A) e limite de fadiga (L.F.) para ferros cinzentos, nodular e com grafita compacta.111

F erro Fundido L .R. T. (MP a) L.E. (MPa) A.(%) L.F. (MPa) Cinzento Perltico 267 1,3 116 Nodular Ferrtico-Perltico 673 422 2,8 287 Grafita Compacta Ferrtico 337 263 2,0 158 Grafita Compacta Perltico 404 323 2,0 180

-------

Observando a tabela li verifica-se que o limite de fadiga do ferro fundido com

grafita compacta de matriz perltica 1,55 vezes maior que o obtido para o ferro

fundido cinzento perltico, sendo essa mesma relao da ordem de 0,63 quando

comparado ao limite de fadiga do ferro fundido nodular perltico .. Observa-se, ainda,

que o ferro fundido vermicular ferrtico apresenta limite de fadiga em torno de 12%

menor que o relativo matriz perltica, sendo esse resultado 1,36 vezes maior que o

referente ao ferro fundido cinzento perlticoYl

2.2.3 Mdulo de Elasticidade

Segundo Dieter[ZZJ, o mdulo de elasticidade tambm conhecido como mdulo de Y oung, uma medida de rigidez do material, a razo tenso e deformao no regime linear. Quanto maior o mdulo de elasticidade, menor a deformao elstica resultante da aplicao de uma determinada solicitao ao

O mdulo de elasticidade dos ferros fundidos cinzentos depende efetivamente

da quantidade e morfologia da grafita presente. Aumentando-se a quantidade de grafita

atravs de um acrscimo de CE, por exemplo, ocorre uma diminuio sensvel do

mdulo de elasticidade. Para o ferro fundido cinzento os valores dessa propriedade

situam-se entre 74 e 152GPaJ231

33

Segundo a norma DIN 1693, o mdulo de elasticidade nodulares situa-se na faixa de 162 e 182GPaY3l

ferros fundidos

Para o ferro fundido vermicular a faixa do mdulo de elasticidade encontra-se entre 138 e 165GPa. A variao resulta da variao na forma e quantidade da grafita e estrutura da matriz. Valores altos de mdulo de elasticidade so obtidos com aumento do grau de nodularizao, em sees finas e com uma matriz perHtica. [24]

2.2.4 Influncia da Forma da Grafita nas Propriedades

A quantidade e forma da grafita nos ferros fundidos nodulares e vermiculares, formada durante a solidificao no pode ser alterada por tratamentos posteriores. Todas as propriedades mecnicas e fsicas caractersticas de cada classe de ferro nodular e vermicular so resultantes de grafita predominante na forma esferoidal ou compacta, respectivamente. Qualquer variao nas quantidades e na forma da grafita, em ambos materiais, ir causar desvios nos valores destas propriedades[9]. Por exemplo, comum na produo dos ferros fundidos nodulares obter-se fundidos com grau de nodularizao de 90%, ou seja 90% da grafita na forma esfrica (estruturas com nodularizao acima de 80% so aceitveis em vrias aplicaes). A figura 6 ilustra microestruturas contendo grafita nodular estimada em teores 99, 80 e 50%.[8]

Todas as propriedades relacionadas com a resistncia trao e ductilidade variam com o grau de nodularizao. As figuras 7 a 9, a seguir, ilustram a variao das propriedades mecnicas, do mdulo de elasticidade e. da condutividade trmica, em funo da quantidade de grafita nodular. [8,15,251

34

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Figura 6: Microestrutura de ferros fundidos nodulares com diferentes graus de nodularizaao. a) ~% grafita nodular, b) 80% grafita nodular e c) 50% grafita nodular. Aumento 36X. 1

&00 8

500 7 6

f 400 t!1 :a 5 g -o 300 4

Figura 9: Efeito da percentagem de grafita nodular na condutividade trmica de ferros fundidos vermiculares. 1251

36

2.3 Propriedades dos Ferros Fundidos sob Temperaturas Elevadas

2.3.1 Condutividade Trmica

A condutividade trmica fortemente influenciada pela microestrutura e pela quantidade e forma da grafita. A estrutura e a composio qumica da matriz tambm exercem influncia, juntamente com a temperatura[81625261.

A condutividade trmica est associada capacidade de transferncia de calor devido a gradientes trmicos. Ela diminui com o aumento da temperatura para os metais[27J.

Tendo em vista que a condutividade trmica da grafita de trs a cinco vezes maior do que a matriz do ferro. Um aumento na condutividade trmica obtido com o aumento da quantidade de grafita livre, claro que a quantidade relativa de ferrita e perlita na matriz tambm contribui nessa definio. Segundo Dawson[261 para que os dados de condutividade trmica tenham significado, devem ser acompanhados do

carbono equivalente, da morfologia da grafita e da estrutura da matriz. Na tabela

/IP1315l so apresentados dados, dos constituintes individuais do ferro fundido, enquanto a tabela !08261 mostra os valores para os trs tipos de ferros fundidos em funo da temperatura.

Tabela ill: Coadutividade trmica da grafita e de alguns microcoastituintes dos ferros fnadidos vermiculares. 113151

Microconstituintes Grafita-Eixo C (Nodular)

Grafita-Eixo A (Basal) (Vermicular)

Ferrita Perlita

Cementita

Condutividade Trmica (W!mC) O -100C 500C 1000C

84 239-419 84-126 42-63

71-80 50 7

37

42 44

24

Tabela IV: Condutividade trmica de vrios ferros fundidos em funo da temperatura. [S,Ztil

Tipo de Estrutura Condutividade Trmica (W/m k) Ferro da matriz CE 20C lOfPC 200C 300C 400C 500C

Cinzento perlita 3,8 51 49 47 45 43 40 perlita 4,0 53 51 47 43 39 perlita 4,2 32 35 33 31 29

Nodular ferrita 4,4 36 37 38 36 35 perlita 4,4 30 31 32 31 30

Vermicular per li ta 4,2 41 44 38 35 ferrita 4,3 46 46 45 44 42

A condutividade trmica dos ferros fundidos cinzentos aumenta com o aumento da quantidade, espessura e comprimento da grafita livreo Os dados da tabela IV

indicam que o ferro fundido cinzento tem valores consideravelmente maiores que o nodular em todas as temperaturas. Para o ferro fundido nodular uma matriz perltica apresenta valores de condutividade trmica 20% menores que para uma matriz ferrtica em uma mesma temperatura. [SJ

Observa-se, ainda, na tabela IV que, assim como para os nodulares, a

condutividade trmica do vermicular atinge um mximo, aproximadamente a 200C,

diminuindo continuamente para maiores temperaturas. entanto os ferro fundidos cinzentos evidenciam um comportamento que difere sob este aspecto dos nodulares e com grafita compacta, uma vez que apresentam diminuio elevao da temperatura j a partir de 100C.[26l

condutividade com a

Desta forma para algumas microestruturas a condutividade trmica do ferro

vermicular ferrtico excede a do cinzento perltico na temperatura aproximadamente 350C. Tambm evidente, a partir dos dados apresentados, que a condutividade trmica do vermicular cerca de 25 a 30% maior do que a dos nodulares. Isto pode ser

'

explicado pelo fato de que, assim como a grafita lamelar, a grafita compacta interconectada. [2SJ

38

2.3.2 Coeficiente de Dilatao Linear e Expanso Trmica

A dilatao linear a medida do aumento das dimenses lineares com o aumento da temperatura. O coeficiente de dilatao linear permite comparar a dilatao linear de diferentes materiaisl291. A tabela V mostra dados de coeficientes de dilatao linear para ferro cinzento, nodular e vermicularY1

Tabela V: Coeficientes de dilatao linear a partir de 26,6 o c, para temperaturas de 100 a 700C de ferros fundidos cinzentos, com grafita compacta e nodular.l1l

Propriedade Ferro Temperatura ('C) Fundido 100 200 300 400 500 600 700 Coeficiente Cinzento 10,40 11,65 11,99 12,75 13,17 13,45 15,64 Dilatao Nodular 10,40 11,65 11,99 12,75 13,17 13,45 14,08

Linear(x10-6C) Vermicular 10,40 11,65 11,99 12,75 13,17 13,45 14,08

Conforme esta tabela o coeficiente de dilatao linear apresenta valores constantes para temperaturas de at 600C para os ferros fundidos cinzentos, nodulares e com grafita vermicular. Os ferros fundidos cinzentos, a partir desta temperatura, apresentam um maior acrscimo que os ferros nodulares e com gra:Qta vermicular. [l 1

chamado de expanso trmica o aumento linear das dimenses de um corpo devido a um incremento na temperatural291. A expanso trmica medida pelo coeficiente de expanso linearl26l, que dependente da estrutura da matriz do fundido. Matrizes ferrticas e martensticas tm um coeficiente de expanso ligeiramente elevado se comparado com matrizes perlticas. Valores para ferros austenticos podem ser cada vez maiores, dependendo da percentagem de nquell301. No entanto, a estrutura da grafita tem pouco efeito sobre esta propriedade.

Para ferros fundidos nodulares, a expanso complexa por causa da transformao que ocorre envolvendo a soluo e precipitao da grafita, grafitizao da perlita e formao da austenita acima de 700C. Adicionalmente, ocorrem expanses irreversveis devido ao crescimento decorrente da oxidaol191.

39

Com relao expanso do ferro fundido vermicular, o volume reduzido da

grafita aumenta o comprimento mdio de trajeto de difuso do carbono, o que definitivamente toma o vermicular menos sensvel ao aumento de temperatura. [26291

Dawson[26l relata que os coeficientes de expanso linear para todos os trs ferros fundidos so iguais para o intervalo de temperatura entre 20 e 700C. Um resultado

mais realstico mostra uma faixa estreita de variao, pois o comportamento da

expanso uma funo da estrutura da matriz. Para fins de projeto, contudo, as diferenas na expanso trmica de todos os ferros fundidos com grafita podem ser

consideradas iq-elevantes. A variao da expanso trmica como funo da

temperatura para os mesmos trs tipos de ferros fundidos mostrada na figura 10.

Temperatura (C) ,-., o 200 400 600 800 i 20 ~

~ o

eiS - t,) 30 a

" ft ~ 15 8-

1 f ~ 20 ~ 10 >-1 n

~ " 4) S -t,) """"' 'fi ~ 8 5 10 o n

o 400 '* 1200 1600

'-'

Temper~ (0F) Figura 10: Variao do comportamento da expanso trmica em ferro fundido cinzento, nodular

e vermicular, com matriz variando de predominantemente ferrtica at predominantemente perltica, em funo da temperatura.l261

2.3.3 Oxidao e Estabilidade Microestrutural

Para ferros fundidos cinzentos, a oxidao interna ocorre ao longo da grafita, sendo muito danoso ao material, j que acarreta a sua fragilizao e a diminuio de

40

sua condutividade trmica. A oxidao interna , tambm, responsvel por alguma

expanso que pode ocorrer, a qual acelerada durante o ciclo trmico.[4l

A decomposio da perlita logicamente traz o enfraquecimento dos ferros

perlticos. Tambm produz crescimento quando toda perlita convertese em ferrita

mais grafita. O ferro fundido nodular no sofre influncia da oxidao apresentando-se

mais adequado para o uso a altas temperaturas em relao aos ferros fundidos cinzentos. [41

No entanto, para Riposan et alliP1l, o ferro fundido vermicular apresenta lento

processo de corroso em comparao ao ferro fundido cinzento, devido favorvel

distribuio da estrutura. A morfologia do ferro vermicular mostra que a invaso do

oxignio na estrutura da matriz durante a oxidao pouco superior que a registrada

para o nodular. Em ambientes muito propcios oxidao, a diferena entre o ferro

vermicular e o nodular muito pequena.

Como j mencionado, as partculas de grafita do ferro fundido vermicular so menores do que as lamelas de ferro cinzento. Assim, a oxidao superficial da grafita

no penetra to profundamente como no cinzento. Isto , tendo como base o volume

unitrio, h menos partculas de grafita no vermicular do que no cinzento. Deste modo,

menos partculas de grafita interceptam a superfcie plana para permitir que a oxidao se propague. [2BJ

Beckert e Duram[ZlJ relatam que peas espessas de ferro fundido vermicular submetidas a temperatura de 600C por um perodo de 32 semanas, apresentaram uma

menor expanso trmica e uma maior resistncia a perda da carepa formada em

relao ao cinzento nas mesmas condies, como pode ser visto no grfico da figura 11.

41

,....._

1.5 N

~ ...:.:: ..._,

~ 1.0 "' ~ u -8

~ 0.5 "+:I = o Cl

Tempo (semanas) Figura 11: Resultados quanto ao incbamento e perda da casca em temperaturas de

600C, em peas espessas de ferro fundido cinzento e vermicular.l211

Segundo Rehrig[41, a taxa de oxidao duplica se a temperatura for aumentada de 450C para 500C e dobra novamente se aumentada para 550C. Se for dado um

incremento de temperatura para 650C, a taxa de oxidao tem um incremento de um

fator 8.

A estabilidade microestrutural de um fundido de fundamental importncia

para uso em elevadas temperaturas, conferindo maior resistncia degradao do componente diante da solicitao trmica. [291

Experincias mostram que a oxidao e a decomposio da perlita em ferros no ligados ocorrem em torno de 400C. Adies de cromo, estanho ou cobre podem trazer uma estabilidade estrutural a 450C. Estes elementos de liga garantem estabilidade em curtos tempos de exposies a temperaturas acima de 550C. Acima de 550C, ferros no ligados apresentam decomposio aps 100 horas e ligados com cromo (cerca de 0,7% Cr) apresentam decomposio aps 1000 horas)41

Gundlach[281 relatou que alguns autores observaram alteraes estruturais para ferros no ligados e ligados expostos por 100h temperatura de 540C. J quando

42

expostos a 650C por lOOh praticamente ocorre uma completa decomposio da perlita para ferros no ligados, sendo a decomposio no muito expressiva para ferros ligados com 1% de molibdnio e, ainda, pouqussima decomposio aps lOOh para ferros ligados com 0,6% de Cr-Mo.

A decomposio estrutural tambm detectada pela diminuio do limite de resistncia e diminuio da dureza durante elevados tempos de exposio dos fundidos a altas temperaturas. (321

2.3.4 Resistncia em Elevadas Temperaturas

' A diminuio da resistncia trao com o aumento da temperatura atribuda ao alvio de tenses (relaxao de tenses nas temperaturas mais baixas), transformao da perlita residual em ferrita nas temperaturas intermedirias e

transformao da perlita em austenita em temperaturas mais altas (ver tambm as tabelas VIJ e VIII, que encontram-se a seguir)Y1

A variao do limite de resistncia trao com a temperatura mostrada na figura 12, para um ferro fundido cinzento (3,48% C e 2,2% Si, FC-250), um ferro fundido nodular (3,88% C e 2,95% Si, FE-42012) e um ferro fundido com grafita compacta (3,45% C e 2,45% Si, L.R. = 380-420MPa, A=3-4% ). [lJ

80

F.F Nodular .;9 o = (~ < -~lo< ~e. 40 ... F.F Grallta Compacta CJ o -oe, B"" - ... se-- 20 :.::l '"" F.F Cinzento

10

o o 200 400 600 800 1.000

Temperatura (OC)

Figura 12: Efeito da temperatura no limite de resistncia trao de diversos tipos de ferros fundidos. lll

43

2.3.5 Mdulo de Elasticidade

Devido no proporcionalidade do diagrama tenso x deformao (a x E), no caso dos ferros cinzentos, a aplicao de tenses de trao ou compresso resultam em uma imediata diminuio no mdulo de elasticidade. Porm, tanto o vermicular como o nodular possuem alguma ductilidade e, assim, exibem uma faixa de proporcionalidade. Isto significa que ambos possuem um verdadeiro mdulo elstico a altas temperaturas. Para o nodular e o vermicular, o mdulo elstico permanece constante at um certo limite de tenso de trao dependente da temperatura e, depois disso, diminui de uma forma linear. Este comportamento ilustrado na figura 13. Para o ferro vermicular o mdulo de elasticidade menos afetado pelo aumento da temperatura. [261

uo

l:tt'

o ... "'3 "O ,. O :::: ..,

' 100 Joct -

n; a.

~ o

.!:! ti llf i o

~ o :E

ttll ....

lllf

170

!tO 100

ISO

140

1311

1211

110

100

100 100 JOO .WO - -Tenso de Trao (MPa) Tenso de Trao (MPa) Tenso de Trao (MPa)

a) b) c) Figura 13: Mdulo elstico: a) ferro fundido cinzento perltico; b) ferro fundido nodular;

c) ferro fundido com grafita compacta. Todos como uma funo da tenso de trao e temperatura. 1261

2.3.6 Influncia da Composio Qumica

2.3.6.1 Propriedades Mecnicas

Dawsonl26l relata que vrios autores tm conduzido estudos sobre a resistncia trao e o limite de escoamento dos ferros fundidos em funo da temperatura. Este mesmo autor compilou os resultados de resistncia trao em diferentes temperaturas para diferentes composies qumicas. Estes resultados aparecem nas tabelas VI e VII.

44

interessante notar o efeito do molibdnio tanto no ferro fundido nodular quanto no vermicular.

Tabela VI: Resistncia trao em funo da temperatura para diversas composies de ferros fundidos.1261

Tipo de %de Tipo Comentrio Resistncia Trao (MP a) Ferro Nodul Matriz Qumico(%) 20C 200C 450C 540C 700C

Cinzento o OF-lOOP 4,1 CE 260 185 100 OF-lOOP 0,052 Mg 665 332

Nodular 100 95F-5P 2,5 Si/0,4 Mo 435 120 100 95F-5P 2,5 Si/0,6 Mo 460 120 10 30F-70P 40$ 385 340 310 15 52F-48P 0,06 Ti 413 350 381 75 15 73F-27P 0,07Ti 386 331 282 8 65F-35P 0,15 Ti 370 180

Vermi- 5 5F-95P 0,17 Ti 400 220 75 cular 10 92F-8P 0,19 Ti 300 165

9 91F-9P 0,18Ti/0,43 Mo 410 240 8 OF-lOOP 0,18 Ti/0,5 Mo 540 370 9 5F-95P 0,18 Ti/0,9 Mo 585 430

Tabela Vll: Resistncia ao escoamento (0,2%) em funo da temperatura de diversos ferros fundidos.1261

Tipo de %de Tipo Comentrio Tenso de Escoamento (MPa) Ferro Nodul Matriz Qumico(%) 20C 200C 450C S40C 700C

Cinzento o OF-100P 4,1 CE 210 155 100 OF-100P 0,052 Mg 420 ' 230

Nodular 100 95F-5P 2,5 Si/0,4 Mo 290 97 100 95F-5P 2,5 Si/0,6 Mo 312 98 10 30F-70P 300 265 245 180 10 70F-30P 320 265 240 235 8 65F-35P 0,15 Ti 305 130

Vermi- 5 5F-95P 0,17 Ti 320 180 cular 10 92F-8P 0,19 Ti 260 124

9 91F-9P 0,18 Ti/0,43 Mo 320 200 8 OF-100P 0,18 Ti/0,52 Mo 435 265 9 5F-95P 0,18 Ti/0,9 Mo 435 260

A influncia de elementos como silcio e molibdnio na resistncia trao em

temperaturas elevadas pode ser visto na figura 14.

45

Temperatura eq Figura 14: Limite de resistncia trao em temperaturas elevadas para o ferro fundido

nodular.f?//1/J

2.3.6.2 Mdulo de Elasticidade

O molibdnio melhora as propriedades mecnicas em temperaturas elevadas, dentre estas propriedades est o mdulo de elasticidade. Gundlach[30J relata que o mdulo de elasticidade sofre influncia tambm das combinaes de Cr-Mo e Cr-Mo-Sn, conforme mostra afigura 15.

100

o 100 200 300 400 500 600 Temperatura ("C)

Figura 15: Mdulo de elasticidade como funo da temperatura e variaes de ligas para ferros fundidos cinzentos. l30J

46

2.3.6.3 Condutividade Trmica

A condutividade trmica dos ferros nodulares e vermiculares consideravelmente influenciada pela composio qumica, como j dito. Silcio, nquel e alumnio apresentam uma forte influncia. Gundlach[28J mostra a influncia de vrios elementos na condutividade trmica do ferro puro, conforme figura 16. Todos formam uma soluo slida com o ferro e baixam a condutividade trmica, sendo que o alumnio e o silcio exercem maior influncia.

1.0

~ -~ Q 0:.8

~ B

..... 0.5

.5 H

~ 0.4 s .a

-8 o

0.2

u o o l 1 3 o 5 lO 15

Porcentagem de Liga

Figura 16: Diminuio da condutividade trmica do ferro puro (ferrita) com adio de elementos de liga. 1281

2.3.6.4 Resistncia Oxidao

O silcio pode vir a auxiliar na resistncia oxidao. Um alto contedo deste elemento, cerca de 4%, autnenta a temperatura de estabilidade da ferrita e incentiva a resistncia oxidao[33l. Quando o contedo de silcio elevado nos ferros fundidos, a composio da carepa muda de essencialmente xidos de ferro para silicatos de ferro. Ocorre uma alta resistncia ao transporte de tomos de oxignio para o interior do metal a partir da superfcie e para a difuso de tomos de metal para fora da superfcie[241, diminuindo a taxa de oxidao, como ilustra a figura 17.

47

.:uf 32

.30

.28! .2e : 211

.22 ~ .20

O.. .lS Q .16

"'Q u .s .12 J:! .10

c!5 .08 .06 .04 .02

4.0% Si

= 4.9% s,

S.7% Si 0~----_.----~~----~------~----~~ 100 200 300 400 soo

Tempo(h) Figura 17: Resultados de testes de oxidao superficial a 650 o c para ferros fundidos cinzentos e

nodulares com diferentes teores de silcio. !241

48

2.4 Fadiga Trmica em Ferros Fundidos

2.4.1 Fadiga Trmica

Fadiga uma condio em que a falha resulta da aplicao de tenses alternadas ou flutuantes. Fadiga trmica, por sua vez, origina-se condies em que a tenso resultante de expanses ou contraes trmicas restringidas. [221

Tal fadiga pode ainda ser causada por um rpido aquecimento ou resfriamento, o que impe s partes do componente gradientes de temperatura expressivos. Alteraes na microestrutura, alteraes de volume e oxidao interna e externa podem estar associadas com as tenses induzidas pelas diferentes temperaturasr291. A

fadiga trmica est associada s propriedades do material, s condies do ciclo trmico e geometria da pea.

Vrias so as propriedades que influem na magnitude das tenses trmicas geradas em condies de fadiga trmica. Entre elas podem ser includas o alvio tenses, o coeficiente de expanso trmica, o mdulo elstico, a condutividade trmica, a resistncia oxidao e a resistncia fluncia. Sendo a fluncia um fenmeno dependente do tempo, ento o perodo de aquecimento do ciclo passa a ter uma influncia significativa na magnitude das tenses trmicas. condutividade trmica tambm dependente do tempo, portanto as taxas de aquecimento do ciclo afetam a distribuio da temperatura no componente, afetando consequentemente a distribuio das tenses trmicas. [34]

Por definio a relaxao de tenses o processo que permite a diminuio, com o tempo, da tenso que atua sobre o corpo que foi submetido a uma quantidade fixa de deformao. [Z2]

49

2.4.2 Distoro, Fissuramento e Trincamento

As conseqncias de aplicaes repetidas de aquecimentos e resfriamentos rpidos a componentes so geralmente a ocorrncia de distoro, formao de fissuras e/ou trincas. O fissuramento definido como a formao de pequenas trincas na superfcie da pea fundida que, eventualmente, podem se propagar para causar a ruptura, enquanto o trincamento constitui a ruptura atravs de uma trinca maior que, s vezes, pode ocorrer aps poucos ciclos de solicitao, enquanto em outros casos se verifica aps um longo perodo. [31

A figura 18 apresenta o desempenho fadiga trmica de ferros fundidos cinzentos, nodulares e com grafita compacta. [31

t AUMENTO DA RESISTNCIA A DISTORO

t AUMENTO DA RESISTENCIA A TRINCAS

l AUMENTO DA RESISTENCIA A FORMAO

Estrutura de Makil F Fewtica P Pittl!lica FP Femlu;a Pitrlilica

p

F FP

p

F p

Sem formao de 11incas maion~s F

Sero ocorrncia de fissura antes do tnncamento

p

DE FISSURAS ~...-....,.,.,~~1.-..J~--'~~~_....--~~~__,

Figura 18: Desempenho quanto fadiga trmica de ferros fundidos cinzentos, nodulares e de grafita compacta. [3,26]

Os resu~tados da figura 18 evidenciam que os ferros fundidos com grafita compacta apresentam maior resistncia distoro que os nodulares, sendo esta, no entanto, inferior apresentada pelos ferros fundidos cinzentos. A resistncia formao de trincas nos ferros fundidos com grafita compacta mais elevada que a dos ferros fundidos cinzentos, sendo que o ferro com grafita compacta ferrtica tambm superior ao nodular perltico. No que se refere resistncia formao de

50

fissuras, os ferros fundidos com grafita compacta apresentam melhor desempenho que os cinzentos, enquanto os nodulares, notadamente o perltico, apresentam resistncia

mais elevada. A resistncia fadiga trmica para uma mesma forma de grafita varia

com a matriz metlica, como tambm observa-se na figura 18. Assim, a resistncia distoro maior nos ferros fundidos perlticos que nos ferrticos, enquanto estes

ltimos so os que possuem mais elevada resistncia formao de trincas e fissuras. f31

2.4.3 Tipos de Fadiga Trmica e Faixas de um Ciclo Trmico

A falha que ocorre durante o ciclo trmico pode ser desenvolvida de trs formas

distintasf41:

1. Aparecem trincas primeiramente no lado quente do fundido,

desenvolvendo-se atravs da microestrutura e podendo, eventualmente, propagar ao

longo da seo do material. Este o tipo mais comum de falha nos ferros fundidos

cinzentos.

2. ocorrem severas distores dimensionais. Esta a falha mais comum em

ferros fundidos nodulares. ,

3. Trincas severas ocorrem de uma extremidade a outra da seo em poucos ciclos trmicos. Esta falha indica que a especificao do material no apropriada para

este uso.

Ocorrem, ainda, a oxidao interna e externa e alteraes na forma, influindo na

estabilidade dimensional, como j mencionado anteriormente. f41

Existem trs faixas distintas que descrevem o ciclo trmicof41:

1. Em temperatura baixa: Danos ocorrem somente pela solicitao mecnica.

51

2. Em temperatura intermediria: Nesta regio somam-se solicitao mecnica a oxidao e a decomposio da perlita, dependendo da composio qumica do fundido e do tempo de exposio.

3. Em temperatura elevada: Regio onde a temperatura mxima excede temperatura de transformao. Esta regio est sujeita a parcial ou completa austenitizao e retransformao para martensita, bainita, perlita em ferrita mais grafita, dependendo da taxa de resfriamento. Ocorre alta tenso? deformao dimensional e acelerada oxidao.

2.4.4 Tenso Trmica

As tenses que produzem falha por fadiga a temperaturas elevadas no so, necessariamente, provenientes de fontes mecnicas. falha por fadiga pode ser

provocada por tenses trmicas flutuantes sob condies em que no so produzidas tenses de origem mecnica. As tenses trmicas aparecem quando as variaes de

dimenses de um componente, resultantes do aumento de temperatura, so impedidas de ocorrer devido a algum tipo de restrioP8J

Todos os tipos de falhas causadas pela tenso trmica so resultado restrio expanso e contrao trmica, causada pela diferena de temperatura dentro do fundido ou do conjunto. Esta tenso em escala microscpica ou macroscpica , provavelmente, responsvel tambm pela oxidao observada durante o ciclo trmico. Importantes parmetros que influem na tenso trmica esto relacionados de acordo com a equao que segue[4l:

oth =[(a E AT) I ( 1 ~v)] F onde:

o th - tenso trmica

a - coeficiente de expanso trmica

E - mdulo de Y oung (elstico)

52

Equao2

AT - diferena de temperatura

v - razo de Poisson

F - fator de forma Ou de forma simplificada, segundo DieterlZZJ

ath =aE AT Equao3

Na anlise da equao 2 fica evidente um aumento da tenso trmica residual com o aumento da temperatura e, tambm, a importncia do mdulo de elasticidade e

expanso trmica do material. Ainda, o desempenho dos fundidos de acordo com a tenso trmica residual o mesmo que com o mdulo elsticol4l.

Roehrigl41 registra que a falha ocorre no perodo de resfriamento do ciclo trmico e em temperaturas relativamente baixas, porque nestas baixas temperaturas

que a mxima tenso ocorre. claro que a tenso de compresso desenvolvida no lado quente durante o aquecimento balanceada pela tenso de trao no lado frio. na regio com tenses de trao que geralmente ocorrem as falhas.

2.4.5 Parmetros Determinantes na Fadiga Trmica

Inicialmente trs propriedades influem na magnitude da fadiga trmica. O

primeiro o mdulo de elasticidade (evidente nas equaes 2 e 3). O segundo a resistncia relaxao de tenses, pela deformao plstica ou fluncia em elevadas temperaturas. O ltimo parmetro a condutividade trmica, pois este define os gradientes de temperatura. O coeficiente de expanso trmica tambm influi na magnitude da tenso trmica mas virtualmente o mesmo nos ferros fundidos cinzentos e nodulares no ligados ou com baixa liga. [41

Somam-se a estas propriedades as condies dos ciclos trmicos. Segundo Rehrigl4l h uma complexa interao entre a condutividade trmica, propriedades

53

mecnicas, temperatura mxima do teste e condies de resfriamento e aquecimento.

Portanto a fadiga trmica tambm influenciada pela eficincia do resfriamento

(velocidades e taxas de aquecimento e resfriamento) e pela diferena de temperatura (temperatura mxima), uma vez que determinam a temperatura mxima do lado aquecido quando h um aquecimento no uniforme.

O desempenho relativo de fundidos em relao vida em fadiga trmica varia

de acordo com as condies dos testes. Quando altas taxas de resfriamento so aplicadas, os dados experimentais mostram que a condutividade e o baixo mdulo

elstico so mais importantes. Consequentemente, ferros cinzentos de alto carbono

(3,6-4,0% C) so superiores aos demais ferros fundidos. [4161

Quando taxas intermedirias de resfriamento ocorrem, os ferros fundidos nodulares ferrticos e vermiculares tm maior resistncia ruptura, mas esto sujeitos a distores. Quando baixas taxas de resfriamento so predominantes, os nodulares perlticos de alta resistncia ou nodulares ligados com silcio e/ou molibdnio so

melhores para resistir ruptura e distoro. I4161

Dawson1261 enfatiza que a composio qumica tambm tem grande importncia

na resistncia fadiga trmica, pois influi nas propriedades do material.

2.4.6 O Ciclo Trmico e a Influncia da Temperatura

Sabe-se que a severidade do ciclo trmico determinada pela diferena de

temperaturas, pela mxima temperatura atingida no ciclo e pelas taias de resfriamentoi41.

Um aumento na temperatura mxima de aquecimento ocasiona dois efeitos

principais: primeiro o aumento na diferena de temperatura (maior d T) e, segundo,

54

uma deformao plstica em nveis de tenso mais baixa. Longos tempos de exposio elevadas temperaturas tm efeito similar. [41

Testes de laboratriof4'34l indicam que para cada 50C de incremento na temperatura mxima, o risco de falha dobra. Segundo Shea[35l o nmero de ciclos que precedem a falha varia inversamente com a temperatura. As tabelas VIII e /X[34l, a seguir, apresentam resultados de testes de fadiga trmica constrangida com corpo prova circular, onde fica clara a influncia da variao da temperatura. Para uma variao de 40C, tem-se uma variao expressiva do nmero de ciclos mdios.

Tabela Vlll: Resultados dos testes de fadiga trmica constrangida, para cidos trmicos entre 100 e 500C.[341

Classe de F erro Fundido

Cinzento ligado Ni-Cu-Mo Cinzento sem liga Vermicular ligado Cu-Sn Vermicular ligado Cu

Nmeros de Ciclos para a Falha Individual Mdia

1210,978,1437 1208 98,258,309,189 214

1665 1665 702,630,619 650

Tenso Trmica Mxima,MPa

132 155 252 259

Tabela IX: Resultados dos testes de fadiga trmica constrangida, para ddos trmkos entre 100 e 540C.r341

Classe de F erro Fundido

Cinzento ligado Ni-Cu-Mo Cinzento sem liga Vermicular ligado Cu-Mo Vermicular ligado Cu-Mo-Sn Vermicular ligado Cu-Sn Vermicular ligado Cu

Nmeros de Ciclos para a Falha Tenso Trmica Individual Mdia Mxima, MPa 211, 188 199 164

48, 51, 75 58 183 --------------~----1187, 1509, 2727 1808 265

1171,654,1284 1036 237 567,717,671 652 262 237,287,297 268

Ainda, em se tratando de elevadas temperaturas acima de 500C, ocorre a

oxidao interna e externa e a decomposio da perlita, que reduzem a resistncia fadiga trmica. Acima de 720C a transformao austentica tambm contribui para a reduo da vida do fundido. [41

55

2.4. 7 Ensaios de Fadiga Trmica

O teste de fadiga trmica constrangido citado anteriormente e apresentado por Zeigler et alli[9J, Gundlachl2830l e Park et allil3436l, diferencia~se dos demais apresentados pela bibliografia[2'4'8'9'19262931-361 por estar apto a monitorar, atravs de uma clula de carga, as tenses trmicas desenvolvidas num corpo de prova durante os sucessivos

aquecimentos e resfriamentos, alm das respectivas tenses de compresso e trao. A

fadiga trmica constrangida utiliza corpos de prova m.;inados a partir de barras de

30mm de dimetro, chegando a um corpo de prova com as dimenses indicadas na

figura 19. No teste de fadiga trmica constrangido o corpo de prova fica posicionado entre duas chapas estacionrias rgidas. O aquecimento por induo com mdia

freqncia (450kHz) e a gua temperatura ambiente que passa pela serpentina, nas extremidades do corpo, provoca o resfriamento, conforme a figura controlada por um termopar posicionado em um furo centraL

25,4-

A temperatura

Figura 19: Corpo de prova para teste de fadiga trmica constrangida, com dimenses finais em mm. [9,JZJ

56

-----~- de Resfriamento

---r -----.;--

Clula de

Figura 20: Aparato para teste de fadiga trmica constrangida. [9321

Roehring[4] e Ziegler et alli[9l, por sua vez, apresentaram um mtodo de teste onde o corpo de prova na forma de disco fino (figura 21), colocado em um carrossel e submergido em gua at atingir a altura da canaleta. A ligao os dois furos

aquecida por induo at 650C. Aps o aquecimento, o corpo de prova mantido na

gua temperatura ambiente at resfriar. A trinca ocorre entre os furos.

Figura 21: Corpo de prova para teste de fadiga trmica. Dimenses em mm.[491