Metalografia

FUNDAMENTOS DA METALOGRAFIA DOS

AÇOS

Elizeu Ferreira dos Santos

ESTRUTURA CRISTALINA

• O aço compõe-se de átomos arranjados ordenadamente, formando o que se chama de estrutura cristalina.

• Ao conjunto de átomos que ocupam posições fixas e formam uma estrutura dá se o nome de célula unitária.



• As células unitárias organizam-se em três dimensões, apresentando um contorno de agregado de cristais irregulares.

• Um conjunto de células unitárias forma o cristal com contorno geométrico, o qual adquire contornos irregulares pelo seu crescimento passa a chamar se de grão.


• Cada grão é constituído por milhares de células unitárias que são grupos de átomos que se dispõe em posições fixas que dão origem aos reticulados.


• Existem 7 sistemas cristalinos: Triclínico, monoclínico, ortorômbico, Hexagonal, trigonal, tetragonal e cúbico.

• De acordo com a disposição dos átomos, desses originam se desse sistema 14 disposições dos átomos formando os reticulados.




• Os principais reticulados cristalinos, segundo os quais cerca de dois terços dos metais se cristalizam:

• Cúbico de Corpo Centrado (CCC): os átomos se dispõe nos vértices e um no centro de um cubo. Os metais que se cristalizam nessa forma são: ferro na temperatura ambiente (forma alotrópica alfa), cromo, lítio, molibdênio, tântalo, tungstênio entre outros.



• Cúbico de Face Centrada (CFC): os átomos se dispõe nos vértices e nos centros das faces dos cubos. É o caso do ferro acima de 912°C (forma alotrópica gama), alumínio, cobre, chumbo, etc.


• Hexagonal Compacta (HC): apresenta doze átomos nos vértices de um prisma de base hexagonal, dois átomos nos centros das bases e três no seu interior. Ex.: zinco e titânio.

CONSTITUINTES DO AÇO

• Duas amostras de aço ao carbono

• Mesmo tipo de tratamento térmico

• Uma com baixo teor de carbono (0,1%)

• Outra com teor médio de carbono (0,5%),


• Ao observar a amostra de baixo carbono distinguem-se em maior quantidade grãos claros, com pouco carbono, e alguns grãos escuros com bastante carbono.


• Na amostra de médio carbono identificam-se mais grãos escuros do que claros. Portanto, ela contém mais carbono.


• Identificam-se dois constituintes da estrutura do aço: grãos claros, chamados ferrita, e grãos escuros, chamados perlita.

• A ferrita apresenta uma estrutura (CCC). Os átomos que compõem essa estrutura organizam-se bem juntos entre si, de modo que fica difícil a acomodação de átomos de carbono na rede cristalina.


• A estrutura de ferrita consegue acomodar, no máximo, 0,025% de átomos de carbono a 723°C.


• Ao ampliar várias vezes o tamanho do grão escuro, vê-se uma sequencia de linhas ou lâminas claras e escuras. As lâminas claras chamam-se ferrita, e as escuras recebem o nome de cementita.



• A cementita constitui-se de 12 átomos de ferro e 4 átomos de carbono. É, portanto, um carboneto de ferro com dureza elevada e é um dos responsáveis pela dureza do aço. É representada por Fe3C.

• A perlita é formada de lâminas alternadas com 88% de ferrita e 12% de cementita.


DIAGRAMA Fe-C

ALOTROPIA DO FERRO PURO

• A alotropia é a propriedade que certos metais apresentam de possuírem reticulados cristalinos diferentes, conforme a temperatura.

• Na temperatura ambiente, o ferro puro apresenta estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC), denominada ferro alfa (α).

DIAGRAMA Fe-C

• A partir de 912°C a estrutura CCC sofre uma transformação alotrópica para a estrutura (CFC), denominada ferro gama (γ) ou austenita.

• Na temperatura de 1394°C ocorre uma nova transformação alotrópica na qual a estrutura CFC da austenita transforma-se novamente em CCC, denominada ferro delta (δ).

DIAGRAMA Fe-C

• O ferro delta (δ) CCC é estável até a temperatura de 1538°C, que é a temperatura de fusão do Fe puro.

• Acima de 1538°C a estrutura cristalina CCC da ferrita δ torna-se amorfa, sem ordenação cristalina, caracterizando o estado líquido.

• O ferro líquido (L) é estável até a temperatura de 2880°C, temperatura na qual este passa para fase vapor.

DIAGRAMA Fe-C

Existem dois tipos de diagramas Fe-C:

• o diagrama Fe-C estável, que mostra o equilíbrio entre o Fe e a grafita,

• e o diagrama Fe-Fe3C, metaestável, que apresenta o equilíbrio entre o ferro e a cementita (Fe3C).

DIAGRAMA Fe-C

Aços

• Aço eutetóide tem o teor de carbono de 0,77%. (Esta é composição particular encontrada no diagrama de ferro-carbono em que existe a transformação de austenita para ferrita e cementita).

• Aço hipoeutetóide com teor de C entre 0 a 0,77% .

• Aço hipereutetóide com o teor de C entre 0,77% a 2,11%.

Ferros Fundidos

• Ferro fundido eutético – quando o teor de carbono corresponde ao ponto eutético ou seja 4,30 % de C.

• Ferro fundido hipoeutético – quando o teor de carbono esta entre 2,11% a 4,30%.

• Ferro fundido hipereutético – quando o teor de carbono esta acima de 4,30%.

RESFRIAMENTO LENTO DOS AÇOS HIPOEUTETÓIDES

RESFRIAMENTO LENTO DE UM AÇO EUTETÓIDE

RESFRIAMENTO LENTO DOS AÇOS HIPEREUTETÓIDES

PROPRIEDADES DAS FASES E CONSTITU-INTES PRESENTES EM AÇOS AO CARBONO

• Austenita (do nome do metalurgista inglês Robert Austen) - Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 2,11%) no ferro CFC. Em aços ao carbono e aços baixa liga só é estável acima de 727°C. Apresenta resistência mecânica em torno de 150 MPa e elevada ductilidade e tenacidade. A austenita não é magnética.


• Ferrita (do latim "ferrum")- Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 0,022%) no ferro CCC. A ferrita é magnética e apresenta baixa resistência mecânica, cerca de 300 MPa, excelente tenacidade e elevada ductilidade.


• Cementita (do latim "caementum")- Denominação do carboneto de ferro Fe3C contendo 6,7% de C e estrutura cristalina ortorrômbica. Apresenta elevada dureza, baixa resistência, baixa ductilidade e baixa tenacidade.


• A perlita é mistura mecânica das fases ferrita (88% em peso) e cementita (12% em peso) formada pelo crescimento cooperativo destas fases. Apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita e a cementita dependendo do tamanho e espaçamento das lamelas de cementita.

METALOGRAFIA

• A Metalografia consiste do estudo dos constituintes e das estruturas dos metais e suas ligas. A apropriada preparação de amostras para análise metalográfica, para a caracterização dos materiais metálicos requer que um rígido procedimento seja seguido.

MACROGRAFIA

• O exame macrográfico verifica o aspecto de uma superfície após devidamente polida e atacada por um reagente adequado. Por seu intermédio tem-se uma ideia do conjunto, referente à homogeneidade do material, a distribuição e natureza das falhas, impureza e ao processo de fabricação.

MACROGRAFIA

• A analise é feita a olho nu,com lupa ou com utilização de microscópios estéreos que favorecem a profundidade de foco e dão, portanto, visão tridimensional da área observada com aumentos que podem variar de 5x a 64X. Em geral as observações são feitas até 10X.

MICROGRAFIA

• Consiste no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio, onde se pode observar e identificar algumas características dos metais como a granulação do material, a natureza, a forma, a quantidade, e a distribuição dos diversos constituintes ou de certas inclusões. O microscópio ótico é suficiente na maioria das vezes para observação de propósito geral.

Corpo de prova

• Parte do material ou produto com forma e dimensões especifica da superfície a ser analisada podendo está ser embutida ou não.

Corpo de prova embutido

• O embutimento é de grande importância para o ensaio metalograficos, pois alem de facilitar o manuseio de peças pequenas, evita que amostras com arestas rasguem a lixa ou o pano de polimento; bem como o abaulamento durante o polimento. Existem dois tipos de embutimento o embutimento a frio e o embutimento a quente.

Corpo de prova embutido a quente

• No embutimento a quente, a amostra a ser analisada é colocada em uma prensa de embutimento com uma resina, sendo que o mais comumente utilizado é a baquelite; de baixo custo e dureza relativamente alta.

Corpo de prova não embutido

• É o corpo de prova cujas dimensões da superfície a analisar são suficientemente grandes a ponto de não ser necessário o embutimento.

Corte

• Às vezes é necessário particionar o corpo de prova para obterem-se amostras que servirão para análise metalográfica. Operações mecânicas como torneamento aplainamento e outras, impõem severas alterações microestruturais devido ao trabalho mecânico a frio.

Corte

• O corte abrasivo oferece a melhor solução para este seccionamento, pois elimina por completo o trabalho mecânico a frio, resultando em superfícies planas com baixa rugosidade, de modo rápido e seguro.

• O equipamento utilizado para o corte conhecido como policorte, com discos abrasivos intensamente refrigerados.

Embutimento

• A montagem da amostra é realizada para facilitar o manuseio de peças pequenas. O embutimento consiste em circundar a amostra com um material adequado, formando um corpo único. O embutimento pode ser a frio e a quente, dependendo das circunstâncias e da amostra a ser embutida.

Embutimento a frio

• A frio, quando se usam resinas sintéticas de polimerização rápida.

• Este embutimento é feito com resinas auto-polimerizáveis, as quais consistem geralmente de duas substâncias formando um líquido viscoso quando misturadas.

Embutimento a frio

• Esta mistura é vertida dentro de um molde plástico onde se encontra a amostra, polemizando-se após certo tempo. A reação de polimerização, a despeito do nome que é a operação de embutimento a frio tem, é fortemente exotérmica, atingindo temperaturas entre 50 e 120° C, comum tempo de endurecimento que varia de 0,2 a 24 h, dependendo do tipo de resina empregada e do catalisador.

Embutimento a quente

• Quando a amostra é embutida em materiais termoplásticos por meio de prensas, utilizando-se pressão e aquecimento para efetuar a polimerização.

• O método consiste em colocar o corpo de prova com a face que se quer analisar em contato com o êmbolo inferior da máquina de embutimento.

Lixamento

• Operação que tem por objetivo eliminar riscos e marcas mais profundas da superfície dando um acabamento a esta superfície, preparando-a para o polimento.

• Existem dois processos de lixamento: manual (úmido ou seco) e automático.

Lixamento

• A técnica de lixamento manual consiste em se lixar a amostra sucessivamente com lixas de granulometria cada vez menor, mudando-se de direção (90°) em cada lixa subsequente até desaparecerem os traços da lixa anterior.

Lixamento

• A sequencia mais adequada de lixas para o trabalho metalográfico com aços é 100, 220, 320, 400, 600 e 1200.

• Para se conseguir um lixamento eficaz é necessário o uso adequado da técnica de lixamento.

Lixa

• Geralmente, para os trabalhos metalográficos as lixas utilizadas têm como grão abrasivo o óxido de alumínio, em casos especiais, são utilizados o diamante e o carbeto de boro.

• A granulometria é relatada em números. Portanto, o número de grãos abrasivos é definido pela quantidade de grãos mais grossos que passam na malha de uma peneira na área de uma polegada.

Lixa

Polimento

• Operação pós lixamento que visa um acabamento superficial polido isento de marcas, utiliza para este fim pasta de diamante ou alumina.

• Antes de realizar o polimento deve-se fazer uma limpeza na superfície da amostra, de modo a deixá-la isentam de traços abrasivos, solventes, poeiras e outros.

Polimento mecânico

• É quando o mesmo é realizado através de uma Politriz.

• Pode ser manual, quando a amostra é trabalhada manualmente no disco de polimento e automática quando as amostras são lixadas em dispositivos especiais e polidas sob a ação de cargas variáveis.

Polimento mecânico

• O agente polidor mais utilizado para o polimento mecânico é o diamante, devido as suas características de granulometria, dureza, forma dos grãos e poder de desbaste.

Limpeza e secagem

• Antes de a amostra sofrer o ataque, a mesma deve estar perfeitamente limpa e seca, por isso utilizam-se líquidos de baixo ponto de ebulição como o álcool, éter, etc., os quais são posteriormente secados rapidamente através de um jato de ar quente fornecido por uma ventoinha elétrica ou secador.

Limpeza e secagem

• Uma amostra lixada e polida está pronta para o exame macro ou microscópico desde que os seus elementos estruturais possam ser distinguidos uns dos outros.

• Ao incidir a luz sobre a superfície metálica polida faz-se necessário um contraste para distinguirem-se os detalhes de sua estrutura. Tal contraste é obtido por meio do ataque.

Ataque óptico

• O contraste é conseguido variando-se apenas o sistema de iluminação empregado. Os principais métodos são:

• iluminação campo escuro – largamente empregado para observação de fendas, poros, riscos, e inclusões.

• luz polarizada - indica para observação de cristais isotrópicos (sistema cúbico) e anisotrópicos (sistema hexagonal).

Métodos de ataque com modifi-cação da superfície preparada

• Eletrolítico ou anódino – um ataque seletivo para certos tipos de fases do corpo de prova, colocado como ânodo (perda de elétrons) em um determinado eletrólito.

• Potenciostático – um ataque anódino, onde a diferença de potencial é ajustada para que certas fases da amostra sejam evidenciadas de maneira bem definida.


• Físico – baseado na remoção de átomos através da aplicação de energia suficiente para separá-los da rede atômica. A energia pode ser fornecida através de calor (térmico) ou de elevada d.d.p (catódico).

• Térmico (gasoso) – a amostra é aquecida sob vácuo para permitir rápida evaporação dos elementos estruturais energizados.


• Ataque químico – a superfície sofre uma série de transformações eletroquímicas baseadas no processo de óxido-redução, cujo aumento do contraste se deve ás d.d.p. eletroquímico. São formadas células locais onde os constituintes quimicamente pobres atuam como um ânodo, reagindo com o meio de ataque de maneira mais intensa que os mais nobres.


• Ataque por imersão

• Ataque por gotejamento

• Ataque por lavagem

• Ataque alternativo por imersão

• Ataque por esfregação

Reativos

Reativos

Reativos

Exemplos de Macrografia

• O trilho rompeu em serviço. Nota-se nitidamente, nesta seção como a fratura acompanhou o contorno da zona segregada. Ataque: iodo. Tamanho natural.


• Elo de corrente. Seção longitudinal. Ataque: iodo. 1,5 X.


• Solda oxiacetilênica de duas barras laminadas de aço doce. Ataque: iodo. Tamanho natural.

Exemplos de Micrografia

• Aço hipereutetóide. Ataque: picrato de sódio. 200 X


• Ataque:picrato de sódio. 730 X.


• Aço com cerca de 0,5% de carbono esfriado lentamente. Ataque: nítrico. 160 X.


• Aspecto com maior aumento da área delimitada na figura anterior. Ataque: nítrico. 800 X


• 0,1% de C – ferrita + perlita


• 0,4% de C – ferrita + perlita


• 0,8% de C - perlita


• 1,3% de C – perlita + cementita

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