Macrografia

GRUPO DE ESTUDOS SOBRE FRATURA DE MATERIAIS

DEMET/EM/UFOP

MACROGRAFIA

TCNICAS DE ANLISE

ESTRUTURAL

MACROGRAFIA

Definio e objetivos Preparo de corpos-de-prova Exame e interpretao do resultado Tcnica fotogrfica Exemplos de exames macrogrficos

DEFINIO DE MACROGRAFIA

A macrografia consiste no exame do aspecto de uma

pea ou amostra metlica, segundo uma seo plana

devidamente polida e em geral atacada por um reativo

apropriado.

O aspecto assim obtido chama-se macroestrutura.

O exame feito vista desarmada ou com auxlio de

uma lupa.

Gros colunares

em reas com

menor resfriamento

Casca de gros equiaxiais devido

ao rpido

resfriamento (maior

T) prximo das

paredes.

fluxo de

calor

~ 8 cm

Exemplo de macrografia:

estrutura bruta de fuso de um lingote de chumbo

1 mm

Isotrpico

Anisotrpico

Exemplo de macrografia:

placa de Nb-Hf-W com solda por feixe de eltrons

OBJETIVOS DA MACROGRAFIA

Os ensaios macrogrficos so realizados em geral

com o objetivo de:

Verificar de que produto se trata (ao, ferro fundido,alumnio, cobre, etc.;

Constatar a existncia de defeitos inerentes aoprprio metal (porosidade, segregao, bolhas,

estruturas dendrticas gradas, estruturas grosseiras,

descarbonetao superficial, etc.);

Verificar a existncia de: trabalho mecnico deconformao, soldas, tmperas, cementao do ao,

modo de fabricao, etc.;

Pesquisar a causa de fratura de uma pea.

FOTOGRAFIA

EXAME E

INTERPRETAO

DOS RESULTADOS

DE ATAQUE

ATAQUE DA

SUPERFCIE

POLIDA COM

REATIVO

QUMICO

LIXAMENTO E

POLIMENTO

CORTE OU

DESBASTE

ESCOLHA E

LOCALIZAO

DA SEO A

SER ESTUDADA

OBJETIVO

DA

ANLISE

MACROGRAFIA

PREPARO DE CORPOS-DE-PROVA

ADVERTNCIAS PRELIMINARES

Quando um material entregue a um laboratrio de ensaios, a fim de

ser examinado para esclarecer alguma questo, o encarregado de

estudar o assunto deve inteirar-se das seguintes advertncias

preliminares:

saber o que se deseja e qual o objetivo da anlise; verificar se o material trazido e as informaes (histrico) so

suficientes;

especificar regies da pea a serem observadas; proceder a um exame detalhado da pea sob diversos pontos de

vista (aspecto de fratura, existncias de marcas de pancadas,

vestgios de soldas, porosidades, rebarbas, trincas, corroso, etc.),

antes de determinar cortes para confeco de corpos-de-prova.

fotografar a pea antes de iniciar o seu seccionamento.

Escolha de regies para corte GESFRAM/DEMET


ESCOLHA E LOCALIZAO DA SEO A SER

ESTUDADA

A seo escolhida para o estudo macrogrfico em geral obtida por

corte transversal ou por corte longitudinal.

Ser feito de preferncia um corte transversal, se o objetivo for

verificar: natureza do material; homogeneidade da seo; forma e

intensidade de segregaes; posio, forma e dimenses das bolhas;

profundidade de tmpera; profundidade de cementao; se um tubo

inteirio, caldeado ou soldado; etc.

Ser feito de preferncia um corte longitudinal, se o objetivo for

verificar: se uma pea fundida ou laminada; solda de barras;

eventuais defeitos nas proximidades de fratura; extenso de

tratamentos trmicos superficiais; etc.

Forma irregular que s vezes a

segregao pode adquirir, aps

laminao intensa.

Influncia da posio do corte de uma porca sobre seu aspecto macrogrfico.


OBTENO DE UMA SUPERFCIE PLANA E POLIDA NO

LUGAR ESCOLHIDO

A preparao da superfcie compreende duas etapas:

corte ou desbaste;lixamento e polimento.

Corte ou desbaste: feito geralmente com serra ou com cortador de

disco abrasivo, sempre evitando encruamento local excessivo ou

elevao da temperatura.

Lixamento e polimento: feito atritando-se a superfcie da pea sobre

lixas padronizadas, com os mesmos cuidados da etapa de corte.

Com a superfcie no estado final de polimento j se notam por vezes

algumas particularidades, como trincas, grandes incluses,

porosidades, falhas em solda, etc.

Corte e Desbaste GESFRAM/DEMET

Corte e Desbaste

GESFRAM/DEMET

Corte e Desbaste GESFRAM/DEMET

Lixamento GESFRAM/DEMET

Polimento GESFRAM/DEMET


ATAQUE DA SUPERFCIE POR UM REAGENTE

QUMICO APROPRIADO

Quando uma superfcie polida submetida uniformemente ao de

um reativo, certas regies so atacadas com maior intensidade do

que outras. Este contraste provm habitualmente de duas causas:

variao de composio qumica ou de fases presentes. A imagem

assim obtida constitui o aspecto macrogrfico do material.

O contato da superfcie com o reativo pode ser obtido de trs modos:

ataque por imerso;ataque por aplicao;impresso direta de Baumann.

Conforme sua durao e profundidade, classificam-se os ataques em:

lentos ou profundos (min ou h);rpidos ou superficiais (s ou min).

Ataque Qumico GESFRAM/DEMET

Reagentes para

ataque macrogrfico.


PRECAUES

A seguir so dadas algumas precaues que devem ser tomadas

para no conduzir a erros na anlise do aspecto macrogrfico de uma

seo:

durante corte, desbaste ou polimento deve-se evitar encruamentoslocais ou aquecimento da pea;

durante o ataque qumico deve-se agitar a pea para dispersarbolhas que se formam em conseqncia das reaes qumicas

envolvidas;

enxugar bem a pea aps o ataque qumico, quando existirem naface em estudo porosidades, trincas, cavidades.

Profundidade de dano superficial causado por diferentes ferramentas de corte.

Macrografia defeituosa. As faixas escuras so defeitos decorrentes da tmpera local

provocada pelo desbaste da superfcie com esmeril.

Lavagem e Secagem GESFRAM/DEMET

Armazenagem

GESFRAM/DEMET

EXAME E INTERPRETAO DO RESULTADO

DO ATAQUE QUMICO

O que macrograficamente se pode constatar em conseqncia da

ao do reativo qumico resulta do contraste que se estabelece entre

as reas de diferente composio qumica ou as reas de diferente

estrutura. O contraste decorre do fato de que certas regies

escurecem muito mais do que outras.

No caso de aos, com relao composio qumica, escurecem:

as regies com maior teor de carbono; as regies com maior teor de fsforo; as regies com maior teor de incluses no metlicas,

especialmente de sulfetos.

Tambm no caso de aos, as regies com estrutura diferente podem

dividir-se em:

granulaes muito grosseiras; estruturas resultantes de tmpera ou tmpera e revenido; estruturas deformadas plasticamente a frio.

TCNICA FOTOGRFICA

Quando se ataca um corpo-de-prova com um reativo apropriado, a

imagem obtida deve ser fotografada.

A reproduo em tamanho natural geralmente prefervel. Superfcies

pequenas ou detalhes interessantes podero ser fotografados com

ampliao.

A fotografia requer certos cuidados, pois a maneira de iluminar a

superfcie a ser fotografada influi muito no aspecto da imagem obtida.

Existe um ngulo de iluminao e diversos tipos de montagem,

segundo os quais o observador v melhor determinados aspectos que

o reativo colocou em evidncia.

MACROGRAFIA

PARA

CONSTATAR A EXISTNCIA DE DEFEITOS

Seo longitudinal da parte superior de

um lingote, mostrando vazios.

Gancho de ao moldado, mostrando

vazios e porosidades.

Ao AISI 1045 obtido por lingotamento contnuo, corte transversal e longitudinal, revelando

tamanho heterogneo de dendritas, segregao central e trincas.

Barra chata, seo transversal. Segregao deformada pela laminao. Na faixa perifrica

clara notam-se vestgios da estrutura colunar dos gros que se desenvolveram

perpendicularmente s paredes da lingoteira.

Influncia de segregao sobre a resistncia de um trilho. A trinca acompanha a regio onde as

impurezas se agruparam. Fora destas zonas o material apresenta razovel homogeneidade.

Impresso Baumann para identificao de incluses de sulfetos em um ao AISI 4140.

Reaes que devem ocorrer durante a operao:

(Fe,Mn)S(incluso) + H2SO4 H2S + FeSO4 + MnSO4

H2S + 2AgBr(emulso) Ag2S + 2HBr

MACROGRAFIA

PARA

VERIFICAR DETALHES DE FABRICAO

Lingote de ao, fundio convencional.

Lingote de alumnio, fundio convencional.

Lingote de liga de Ni, solidificao unidirecional.

Articulao de ao AISI 4140, revelando

linhas de escoamento provocadas por

forjamento.

Influncia de parmetros de soldagem na forma e na penetrao da solda. (a) Ao C-Mn

soldado com arco gs-metal GMA, com atmosfera de 100% CO2, argnio + 25% CO2,

argnio + 2%O2. (b) Solda de arco submerso usando aporte de calor de 90, 60 e 30 kJ/in.

Solda de berlio. Solda de titnio.

Barra de ao tratada termicamente, com descarbonetao.

Temperabilidade do ao AISI 1060 em funo do

dimetro da barra. As amostras foram

austenitizadas a 829oC, temperadas e revenidas a

149oC.

Engrenagem fraturada de bomba de mquina de ensaios

mecnicos, mostrando regies com tratamentos trmicos

distintos.

Dente de engrenagem de pinho redutor de

bomba de mineroduto, mostrando camada de

cementao.

Seo longitudinal axial de um parafuso cuja rosca foi feita (a) por corte e (b) por forjamento.

(a)

(b)

Enxada calada (A) e tratada termicamente por tmpera (B).

MACROGRAFIA

PARA

ANLISE DE FALHAS

ANLISE MACROSCPICA

Vrios exemplos de lupas com ampliaes de 5 a 100X disponveis em modelos portteis, semi-

portteis e de mesa (laboratoriais).

MANUSEIO DE AMOSTRAS

Superfcies de fratura no adequadamente tratadas: a superfcie A e B pertenciam ao mesmo tirante que

fraturou, mas na amostragem as projees de metal lquido do oxicorte recobriram a superfcie B que

deveria ser exatamente igual ao reverso da superfcie A.

MANUSEIO DE AMOSTRAS

Casos de danificao da superfcie de fratura no processo de falha: (a) eixo de uma esteira transportadora

que sofreu atritos em diversas regies, inclusive na regio de iniciao de trincas (mostrado em

destaque); (b) eixo de uma mquina motriz que apresenta uma srie de riscos devido ao atrito entre

partes aps a fratura final. A regio de incio do processo de fadiga, B regio final de fratura e C

regies descaracterizadas.

LIMPEZA DE AMOSTRAS

As tcnicas de limpeza das superfcies de fratura devem ser tentadas pela

ordem das menos agressivas para as mais agressivas, como por exemplo:

1. sopro de ar seco;

2. limpeza com escova macia (eventualmente pincis);

3. descolagem de sujeiras;

4. limpeza com solventes orgnicos

5. limpeza com detergentes com a assistncia de agitao ultrasnica;

6. limpeza catdica;

7. limpeza por ataque qumico cido ou lcali.

Substncia Aplicao Limitaes Cuidados

guaSubstncia de limpeza geral,

largamente utilizada.

No remove uma srie de

substncias, tais como: leos, graxas,

xidos, etc.

Evitar o contato prolongado com partes

metlicas que podem sofrer oxidao.

QueroseneLimpeza especfica de leos, graxas e

sujeiras muito pesadas.

O produto faz remoo de substncias

que no so solveis no mesmo.

Utilizar EPI s para proteger o corpo do contato,

evitar a inalao prolongada.

Detergentes

e sabes

Limpeza especfica de leos, graxas e

sujeiras pesadas.

Capacidade de limpeza menor do que

os solventes. vezes necessrio

aplicao a quente.

Evitar contato com a pele e, principalmente, com

os olhos.

Solventes em

geral

So utilizados quanto necessria a

remoo de um determinado produto

qumico.

So mais caros e de utilizao mais

perigosa do que o querosene.

Utilizar EPI s para proteger o corpo do contato,

evitar qualquer inalao (usar capela).

Solues

cidas

(H2SO4, HCl,

HCN)

Utilizadas quando necessrio fazer a

retirada de xidos e/ou compostos

aderidos ao material e que no podem

ser dissolvidos.

Estas substncias, alm de retirar a

sujeita das peas, tambm retiram

uma camada das mesmas, podem

atrapalhar a anlise por MEV, por

exemplo.

Utilizar EPI s para proteger do contato, evitar a

inalao (usar capela), utilizar um tempo e

concentrao adequados para a limpeza

especfica da pea (fazer acompanhamento).

lcool

Pode ser utilizado para a limpeza no

lugar da gua. Muitas vezes

empregado para secar a amostra.

O lcool um solvente mais fraco

que a maioria, somente mais eficaz

com certas tintas.

Caso o lcool seja utilizado para secagem, faz-

lo rapidamente para evitar formao de xidos.

Acetona

Pode ser utilizada para a limpeza.

Empregada na secagem de maneira

mais rpida e eficiente que o lcool.

No retira xidos e faz a retirada de

leos e graxas mais lentamente do

que os solventes.

Devido evaporao rapida da acetona, na

limpeza recomendvel um maior cuidado para

evitar a secagem sobre a amostra.

Vernizes

No so utilizados para a limpeza,

mas sim para a manuteno da

qualidade de uma superfcie limpa.

Podem dificultar a anlise posterior

mais detalhada da superfcie

protegida, caso a retirada dos

mesmos seja difcil.

Um verniz mal escolhido pode provocar efeitos

contrrios na pea: oxidao, colorao,

manchas, etc.

LIMPEZA DE AMOSTRAS

Exemplos de superfcies de fratura antes ( esquerda) e depois ( direita) de um adequado

tratamento de limpeza: eixo de um rotor hidrulico.

LIMPEZA DE AMOSTRAS


tratamento de limpeza: tirante de uma panela de transporte de metal.

LIMPEZA DE AMOSTRAS


tratamento de limpeza: eixo de uma bomba.

LIMPEZA DE AMOSTRAS


tratamento de limpeza: parafuso de fixao de uma bomba.

REGISTRO FOTOGRFICO SUPORTE PLANETRIO

REGISTRO FOTOGRFICO - TROMMEL

REGISTRO FOTOGRFICO EIXO DE ROTOR DE BOMBA

REGISTRO FOTOGRFICO PARAFUSOS DE FIXAO DE TAMPA DE BOMBA

REGISTRO FOTOGRFICO PINHO REDUTOR

REGISTRO FOTOGRFICO tcnica de iluminao

Tcnica de iluminao com duas lmpadas incandescentes.

Iluminao de uma superfcie de fratura com (a) duas lmpadas e com (b) uma lmpada.

REGISTRO FOTOGRFICO tcnica de iluminao

Tcnica de iluminao com duas lmpadas incandescentes.

Iluminao de uma superfcie de fratura com (a) uma lmpada paralela e com (b) uma lmpada perpendicular.

REGISTRO FOTOGRFICO anlise localizada

(a) Arranjo tpico de lentes em uma cmara fotogrfica.

(b) Registro fotogrfico localizado de uma superfcie de fratura por fadiga.

REGISTRO FOTOGRFICO estereomicroscpio

Estereomicroscpio tpico para anlise de fratura

e superfcie de fratura por fadiga observada.

INFORMAES OBTIDAS A PARTIR DA ANLISE VISUAL

Coluna rosqueada de uma

prensa, submetida a esforo

cclico por trao, mostrando

uma frente de trinca

principal no centro da pea e

diversas frentes secundrias

de trinca. A raiz dos filetes

era bem aguda, da a

nucleao de trinca em

vrias partes.


Ressalto de uma carcaa de

motor, submetido a

carregamento por fadiga. O

trincamento iniciou-se no

ponto A, e propagou-se na

regio B. Ocorreu uma

parada da trinca (regio de

colorao escura, corroda), e

ento reiniciou-se o

trincamento na regio C.

Neste momento ocorreu a

fratura frgil, regio E. A

pea no fraturou-se

totalmente, pois encontrou

um apoio, at que finalmente

foi rompida em F, por

martelamento.


Virabrequim submetido a carregamento por fadiga. O trincamento iniciou-se em diversos pontos,

reuniu-se em duas frentes e posteriormente em uma nica frente.


Falha da parte cilndrica de uma

cremalheira de caamba, submetida a

carregamento por trao e por flexo

alternada. Duas trincas desenvolveram-

se em pontos diametralmente opostos,

regio A, indicativo de flexo em

ambas direes no plano X-X.

Posteriormente, uma das trincas

progrediu na regio B, e a fratura

ocorreu na seo remanescente.


Eixo de turbina fraturado por flexo

rotativa. A trinca inicia-se no ponto A,

e propaga-se em diversos estgios em

direes distintas. Cada estgio est

relacionado com uma operao de

desempeno realizado no eixo (as datas

referem-se ao ano de desempeno). O

desenvolvimento preferencial da trinca

na direo de movimento dos ponteiros

de um relgio indicou que a direo de

rotao seria contrria aos ponteiros. O

eixo fraturou-se posteriormente em

uma prensa, aps a descoberta do

trincamento.


Superfcie de fratura de um grande

virabrequim de motor de enrolamento

de mina, aps 16 anos de utilizao. As

marcas indicam que duas frentes de

trinca foram originadas no final de

rasgos de chaveta, e propagaram-se de

acordo com as setas. Os rasgos de

chavetas foram confeccionados de

forma quadrada, ocasionando

concentrao de tenses que

proporcionaram a nucleao de trincas.


Superfcie de fratura de um rolo de

guia, pertencente a uma mesa de

banco de serra, um componente

submetido a forte carregamento

com um elemento de choque. A

falha foi devida ao

desenvolvimento de finas trincas

que nuclearam em um filete

usinado no rolo adjacente ao canal

do mancal, servindo como forte

concentrador de tenses. As trincas

rapidamente cresceram, e

provocaram a fratura. Pela grande

rea correspondente ruptura da

pea, pode-se concluir que o

carregamento era elevado.


Superfcie de fratura de um

pisto cilndrico pertencente a

um martelo pneumtico, o

terceiro a falhar similarmente

em apenas um ano. As trincas

foram causadas pelo

desenvolvimento de tenses de

trao, desenvolvidas devido ao

carregamento no-axial,

provavelmente complementadas

por ondas de tenses

compressivas, transformadas

em trao quando refletidas.

Diversos ressaltos radiais na

periferia indicam a nucleao

de muitas trincas, que se juntam

e circundam a regio de fratura

final.


Fratura por vibrao torsional

de um virabrequim de motor a

leo, prximo da manga do

volante, aps dois anos de

servio. O exame microscpico

revelou a presena de inmeras

incluses no metlicas no

material, a partir de onde

nucleou o trincamento.


Falha por carregamento

torsional reverso, originada em

um rasgo de chaveta de um eixo

de um motor eltrico. Este eixo

era utilizado em uma mquina

de lavar roupas, e revertia o

sentido de carregamento a cada

sete segundos. A concentrao

de tenses existente na regio

da chaveta foi a responsvel

pela nucleao de trincas. Uma

das frentes de trincas est

mostrada pelas setas.


Superfcie de fratura por fadiga em um ao do

tipo 4330V. Marcas radiais (chevron) a partir do

canto inferior esquerdo (crculo pontilhado)

indicam a origem da fratura. Setas pretas

indicam a ruptura por cisalhamento na periferia

da pea.


(a) Superfcie de fratura de um tubo de ao,

mostrando no detalhe (b) o ponto de iniciao

do trincamento.


(a) Superfcies fraturadas de corpos de prova CT de alumnio, conforme ensaio de KIC, segundo a

norma ASTM E-399, revelando uma falha inclinada (esquerda) e uma falha plana (direita). As letras

F e M indicam fraturas por fadiga e fratura monotnica. O CP da esquerda (mais fino) apresenta

uma fratura em ngulo indicando um processo de fratura por tenso plana ao contrrio do CP da direita

(mais espesso). (b) Esquema ilustrando o efeito do estado de tenses sobre o tipo de perfil de fratura

do corpo de prova CT.


(a) (b)

(c) (d)

Aspecto de quatro CP s rompidos em ensaio de trao (segundo ASTM E-8M): (a) ao baixo-carbono de

um tirante, as setas brancas indicam regies de fratura em tenso plana e as setas escuras indicam regies

de fratura em deformao plana; (b) ao ARBL de um tubo; (c) ao baixo-carbono de um eixo fragilizado

devido presena de incluses e (d) ferro fundido branco ao cromo para revestimentos antidesgaste.


Aspecto da fratura de uma engrenagem de um grande equipamento industrial: pode-se perceber nas

superfcies de fratura dos dois dentes inmeras ratched marks e marcas de praia, indicativos de um

processo de fratura por fadiga.


Aspecto da fratura de um eixo. Pode-se notar, da mesma forma que na figura anterior, a presena de

inmeras frentes de propagao de trincas por fadiga reveladas pelas ratched marks e marcas de praia.


Falha de uma garra pertencente a uma mquina servo-hidrulica para ensaios mecnicos.

A seta indica a nucleao de trinca por fadiga.


Falha de uma bomba de engrenagens pertencente a uma mquina servo-hidrulica para

ensaios mecnicos.

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