UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

HUGO DOS SANTOS

MECANISMOS DE FRATURA DE FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO A PARTIR DA ZONA CRÍTICA.

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HUGO DOS SANTOS

MECANISMOS DE FRATURA DE FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO A PARTIR DA ZONA CRÍTICA.

Dissertação apresentada para obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnologicas – CCT.

Orientador: Prof. Dr. Wilson Luiz Guesser.

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HUGO DOS SANTOS

MECANISMOS DE FRATURA DE FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO A PARTIR DA ZONA CRÍTICA.

Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais, área de concentração em “Metais” e aprovada em sua forma final

pelo mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas – CCT.

Banca Examinadora:

Dr. Wilson Luiz Guesser – CCT / UDESC (Presidente)

Dr. Cezar Edil Costa – CCT / UDESC

Dr. Hélio Goldenstein – Escola Politécnica / USP

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FICHA CATALOGRÁFICA

S237m

Santos, Hugo dos.

Mecanismos de Fratura de Ferrro Fundido Nodular Austemperado a Partir da Zona Crítica/ Hugo dos Satos; Orientador: Wilson Luiz Guesser - Joinville-SC

123 f.: il ; 30cm Incluem referências.

Dissertação (mestrado) - Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas,

Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2010.

1. Ferro Nodular. 2. Austêmpera. 3. Zona Crítica. 4. Matriz Dual. I. Guesser, Wilson L.. II. Título.

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AGRADECIMENTOS

Ao Professor Dr. Wilson Luiz Guesser pela orientação, indicação do tema e por proporcionar a oportunidade de realização deste trabalho.

À empresa Tupy S.A. por disponibilizar material e estrutura para a realização deste trabalho.

À empresa Bodycote – Brasimet e aos seus colaboradores (Thaís Elise Cunha e Vanessa Nunes) pelo tratamento térmico dos corpos de prova.

À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais – PGCEM, pela oportunidade oferecida.

Ao amigo e Técnico Metalurgista Ivo Baumer pela discussão técnica e ajuda nos esclarecimentos das dúvidas ocorridas durante a execução deste trabalho.

Aos colaboradores da empresa Tupy S.A.: Moacir José Bento e Geraldo L. Pereira.

À minha família, principalmente a minha mulher Lenita Fabijaki que me apoiou e me incentivou nos momentos difíceis.

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RESUMO

SANTOS, Hugo. Mecanismos de Fratura de Ferro Fundido Nodular Austemperado a Partir da Zona Crítica. 2010. 120f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais - Área: Metais) - Universidade do Estado de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2010.

Este trabalho faz parte de uma linha de pesquisa executada na UDESC, que visa entender e comparar o processo de fratura dos ADI duais, tais como, locais de concentração de deformação plástica e de nucleação de trincas, e caminhos de propagação de trinca. Os mecanismos de fratura de dois tipos de ADI duais com diferente fração volumétrica de ausferrita foram comparados com o ADI pleno. As temperaturas de austenitização intercrítica escolhidas foram 790°C e 820°C, e resultaram em ADI duais com 17 e 85% de ausferrita respectivamente. O ADI pleno, no qual foi austenitizado a 900°C, foi utilizado para servir de material de referência. Os três materiais foram austemperados a 360°C por 2h. Verificou-se que para o ADI dual com predominância de ferrita, a nucleação da trinca ocorreu junto à interface grafita/matriz. Conforme aumentou a fração volumétrica de ausferrita na matriz, a nucleação da trinca tendeu a ocorrer junto à inclusão intercelular e em contornos de célula. Além disso, nos ADI duais, a propagação da trinca e a concentração de deformação plástica ocorreu preferencialmente na ferrita. Vale ressaltar que os três materiais apresentaram quantidades de fratura dúctil/frágil equivalentes. As fraturas tinham uma característica predominantemente dúctil, sendo formadas na maioria por alvéolos com algumas regiões de quase-clivagem.

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ABSTRACT

SANTOS, Hugo. Mechanisms of fracture of austempered ductile iron from the critical zone

.

2010. 120f. Dissertation (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais -

Área: Metais) - Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2010.

This work is part of a research project at UDESC, which aims to understand and compare the process of fracture of ADI with dual matrix structure, such as sites of plastic deformation concentration and crack nucleation, and paths of crack propagation. The fracture mechanisms of two types of duals ADI with different ausferrite volume fraction were compared to those of conventional ADI. Intercritical austenitising temperatures chosen were 790°C and 820°C, and resulted in dual ADI with 17% and 85% of ausferrite respectively. The full ADI, which was austenitised at 900°C, was used to serve as reference material. The three materials were austempered at 360°C for 2h. Results showed that in dual ADI with predominantly ferrite, the nucleation of cracks occurred along the interface graphite/matrix. Increasing the ausferrite volume fraction, the nucleation of cracks tended to occur along the inclusions and intercellular boundaries. Moreover, in dual ADI, the crack propagation and concentration of plastic deformation occurred preferentially in the ferrite. With respect to the fracture´s analysis, all materials showed that the quantities of fracture ductile/fragile were equivalent. The fractures had an aspect predominantly ductile, being formed mostly by dimples with some regions of quasi-cleavage.

Key words: Austempered ductile iron (ADI). Dual matrix structure (DMS). Critical zone. Mechanism of fracture.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Micrografias típicas de ferro fundido nodular austemperado, com ataque de nital 5%, conforme a norma ASTM-897: a) da classe ASTM 1; b) da classe ASTM 5. Nódulos de grafita e matriz ausferrítica, sendo que esta é composta por ferrita bainítica (região escura) e austenita de alto carbono (região clara). Fonte: HAYRYNEN, 2002. ... 19 Figura 2.2 – Comparação das propriedades de tração de ferro fundido nodular com vários

tipos de matriz. Fonte: QIT-Fer et Titane Inc, 1990. ... 21 Figura 2.3 – Comparação da tenacidade à fratura e limite de escoamento para ferro fundido

nodular com varias matrizes. Fonte: QIT-Fer et Titane Inc, 1990. ... 21 Figura 2.4 – Relação entre peso por limite de escoamento de diversos materiais (unidade

de peso/unidade de L.E.). A figura mostra os valores máximo e mínimo desta relação. A relação de peso por limite de resistência do ADI é a menor entre os materiais apresentados. Fonte: QIT-Fer et Titane Inc, 1990. ... 22 Figura 2.5 – Ciclo térmico esquemático do processo de austêmpera de ferro fundido

nodular. Fonte HAYRYNEN, 2002. ... 23 Figura 2.6 – Fração transformada e variações microestruturais que ocorrem durante a

austêmpera em ausferrita superior (a) e ausferrita inferior (b). Fonte: VOIGT, 1989 apud Guedes, 1996. ... 25 Figura 2.7 – Diagrama de fases do sistema Fe-C com 2,5% Si, mostrando a linha de

contorno da reação metaestável γ → α acicular + γhc e a temperatura de inicio (Ms) e

fim (Mf) da reação martensítica. Fonte: ROUNS e RUNDMAN, 1987 apud Carmo e Dias, 2001. ... 26 Figura 2.8 – Diagrama Fe-C-Si e curvas de energia livre para as fases ferrita (α), austenita

(γ), e cementita (Fe3C). Fonte: DARWISH e ELLIOTT, 1993 apud Guedes, 1996.27

Figura 2.9 – Efeito das temperaturas de austenitização e austêmpera sobre a janela de processo. Fonte: ELLIOTT, 1997. ... 28 Figura 2.10 – Influência da temperatura de austêmpera na resistência ao impacto, em corpo

de prova sem entalhe, para nodular austemperado com 1,5% Ni e 0,3% Mo. Fonte: HARDING, 1993 apud Carmo e Dias, 2001. ... 29 Figura 2.11 – Influência da temperatura de austêmpera da resistência à fadiga por flexão

rotativa em corpo de prova sem entalhe. Fonte: ELLIOTT, 1997. ... 30 Figura 2.12 – Esquema de um diagrama de equilíbrio de ferro nodular. Os símbolos

representam austenita (γ), ferrita (α) e grafita (G). Fonte: HAYRYNEN, 2002 .... 31

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Figura 2.14 - Influência da temperatura de austenitização sobre a máxima tenacidade a fratura para temperatura de austêmpera ótima. Fonte: RAO e PUTATUNDA, 2003. ... 33 Figura 2.15 – Influência dos elementos de liga no diâmetro máximo para se obter uma

estrutura austemperada, em função da temperatura de austêmpera. Fonte: ELLIOTT, 1988 apud Carmo e Dias, 2001. ... 35 Figura 2.16 – Efeito do Mo, Ni e Cu sobre a temperabilidade de ferro nodular. Fonte:

ELLIOTT, 1997. ... 35 Figura 2.17 – Esquema mostrando a tendência de segregação dos elementos de liga durante

a solidificação. Fonte: HAYRYNEN, 2002. ... 36 Figura 2.18 – Gráfico esquemático mostrando o efeito da segregação na janela de processo.

Fonte: JANOWAK e GUNDLACK, 1983 apud Carmo e Dias, 2001. ... 36 Figura 2.19 – Influência da concentração de Mn na Janela de Processo de um ferro nodular

com 3,6%C, 2.5%Si, 0,25%Mo, 0,25%Cu. Fonte: BAYATI e ELLIOTT, 1999. . 38 Figura 2.20 – Influência da posição das amostras retiradas do bloco Y de ferro nodular

austemperado e densificado sem adição de elemento de liga. (a) Limite de resistência à tração, (b) Limite de escoamento e (c) Alongamento. Nível 1: base do bloco Y (região mais distante do massalote); Nível 5: parte superior do bloco Y; Níveis 2 e 4: regiões intermediárias. Fonte: ELLIOTT, 1997. ... 41 Figura 2.21 – Esquema mostrando o efeito do fósforo e o tempo de austêmpera a 375 °C,

sobre mecanismo de fratura observado nos ensaios de impacto nos seguintes ferros fundidos nodulares: (a) sem elemento de liga; (b) 0,5% Cu; 0,3 % Mo. Fonte: GUEDES, 1996. ... 43 Figura 2.22 – Micrografias típicas de ADI a partir da zona crítica atacadas com nital 2%.

(a) austenitizado a 795°C por 20 min e austemperado a 365°C por 120 min; (b)

austenitizado a 815°C por 20 min e austemperado a 365° por 120 min. Legenda: αb +

γhC: ausferrita (ferrita bainítica + austenita de alto carbono); αp: ferrita pró-eutetóide.

Fonte: SAHIN; ERDOGAN; KILICLI, 2007. ... 45 Figura 2.23 – Comparação de propriedades mecânicas de vários ferros nodulares. Fonte:

DRUSCHITZ E FITZGERALD, 2003. ... 46 Figura 2.24 – Esquema do tratamento térmico para obtenção do ADI a partir da zona

crítica. Fonte: FRANCO, 2008. ... 47 Figura 2.25 – Região de coexistência de austenita + ferrita + grafita, obtida com

tratamentos isotérmicos, em função do teor de silício. Fonte: KILICLI e ERDOGAN, 2007. ... 48 Figura 2.26 – Região de coexistência de austenita + ferrita + grafita, obtida com

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Figura 2.27 – Amostras com microestrutura prévia ferrítica, parcialmente austenitizadas a 770°C por: 1h (a), 2h (b), 3h (c) e 4h (d) e então resfriada em água. Ataque: nital 2%. P: Ferrita proeutetóide; M: Martensita. Fonte: LOPES, 2009. ... 50 Figura 2.28 – Amostras com microestrutura prévia ferrítica, parcialmente austenitizadas a

795°C por: 1h (a), 2h (b), 3h (c) e então resfriada em água. Ataque: nital 2%. Fonte: LOPES, 2009. ... 51 Figura 2.29 – Dependência da fração volumétrica da austenita (martensita em temperatura

ambiente) em função da temperatura da zona crítica. AVF: Fração volumétrica de austenita. Fonte: KILICLI e ERDOGAN, 2006. ... 52 Figura 2.30 – Micrografias da amostra ferrítica bruta de fundição, austenitizada a 815°C

por 20 min e austemperada a 365°C por 120 min. αb+ γhc: ferrita bainítica + austenita

de alto carbono (ausferrita); α p ferrita proeutetóide; α n ferrita nova. Fonte

ERDOGAN; KILICLI; DEMIR, 2006. ... 54 Figura 2.31 – Porcentagem de transformação de austenita base para austenita de alto

carbono e ferrita nova, para materiais com matriz ferrítica bruta de fundição austenitizada a 795°C e 815°C e matriz perlítica bruta de fundição austenitizada a 900°C. Fonte: ERDOGAN; KILICLI; DEMIR, 2006... 54 Figura 2.32 – Curvas tensão deformação de corpos de prova austenitizado por 20 min. em

várias temperaturas e austemperadas a 365°C por 120 min. OBS. A amostra austenitizada plenamente (900°C) ficou 90 min no patamar de austenitização. AFVF: Fração volumétrica de ausferrita. Fonte: KILICLI e ERDOGAN, 2006. ... 55 Figura 2.33 – Comparação das propriedades mecânicas dos ferros fundido nodular com

diversas matrizes. AFVF: Fração volumétrica de ausferrita. Fonte: KILICLI e ERDOGAN, 2006. ... 56 Figura 2.34 – Influência da fração volumétrica da ausferrita sobre o limite de escoamento

convencional e o limite de resistência à tração em nodulares austemperados dentro da zona crítica. Fonte: KILICLI e ERDOGAN, 2006. ... 57 Figura 2.35 – Decoesão do nódulo da matriz através do trincamento do nódulo de grafita.

Fonte: GUESSER, 1993. ... 60 Figura 2.36 – Formação de alvéolo em torno do nódulo de grafita. Fonte: GUESSER,

1993. ... 60 Figura 2.37 – Inicio de formação de trinca junto ao alvéolo em torno do nódulo de grafita.

Fonte: GUESSER, 1993. ... 61 Figura 2.38 – Nucleação e propagação de trincas em contornos de células eutéticas. Matriz

perlítica com carbonetos e fosfetos intercelulares, (2% de ferrita). Fonte: GUESSER, 1993. ... 62 Figura 2.39 – Formação da trinca principal pelo coalescimento das trincas individuais.

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Figura 2.40 – Efeito do número de nódulo sobre probabilidade de falha para fadiga de contato. O aço temperado e revenido SAE 4140 foi utilizado como material de referência. ∆ HNC: alto número de nódulos (1400 nódulo/mm2); 0 NNC: normal número de nódulo (150 nódulo/mm2). a) ADI austemperado a 360°C; b) nodular temperado e revenido. Fonte: DOMMARCO; JAUREGUIBERRY; SIKORA, 2006. ... 65 Figura 4.1 - a) Dimensões do Bloco Y, b) Local que foi cortado o bloco Y [NBR 6916].71 Figura 4.2 - Dimensões dos corpos-de-prova do ensaio de tração [NBR6916]. ... 73 Figura 4.3 - Dimensões dos corpos-de-prova do ensaio de impacto [NBR 6157]. ... 73 Figura 4.4 - Representação esquemática do corpo de prova para o teste de análise da

fratura. Fonte: ELDOKY; VOIGT, 1986. ... 74 Figura 4.5 - Representação esquemática da orientação do carregamento para o teste de

análise da fratura. Fonte: ELDOKY; VOIGT, 1986. ... 74 Figura 4.6 – Foto do corpo de prova para análise dos mecanismos de fratura. Fonte:

GUESSER, 1993. ... 75 Figura 4.7 – Corpo de prova de mecanismo de fratura utilizado neste trabalho. Dimensões

em milímetro. ... 76 Figura 4.8 – Ilustração esquemática do corte transversal do corpo de prova de tração para

avaliar as trincas secundárias próximas da fratura. ... 79 Figura 5.1 – Para corpo de prova de mecanismo de fratura, microestrutura obtida do

tratamento térmico de austêmpera a 360°C por 2 horas de um material austenitizado a uma temperatura de 790°C por 5 horas. Nódulos de grafita e matriz de ferrita e ausferrita. ... 80 Figura 5.2 – Para corpo de prova de mecanismo de fratura, microestrutura obtida do

tratamento térmico de austêmpera a 360°C por 2 horas de um material austenitizado a uma temperatura de 820°C por 5 horas. Nódulos de grafita e matriz de ferrita e ausferrita. ... 81 Figura 5.3 – Para corpo de prova de mecanismo de fratura, microestrutura obtida do

tratamento térmico de austêmpera a 360°C por 2 horas de um material austenitizado a uma temperatura de 900°C por 2 horas. Nódulos de grafita e matriz ausferrítica. 81 Figura 5.4 – Micrografia do material com 17% de ausferrita e 83% de ferrita submetido a

uma carga de compressão de 1520 kgf. Decoesão de nódulos e inicio de formação de trincas na matriz, junto à grafita. ... 84 Figura 5.5 – Micrografia do material com 17% de ausferrita e 83% de ferrita submetido a

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Figura 5.6 – Micrografia do material com 17% de ausferrita e 83% de ferrita submetido a uma carga de compressão de 2306 kg. Trincamento do nódulo acompanhado por intensa deformação plástica na ferrita em torno da grafita. Coalescimento de trincas individuais entre dois nódulos adjacentes, associada a bandas de deformação ao redor da trinca. ... 86 Figura 5.7 – Micrografia do material com 17% de ausferrita e 83% de ferrita submetido a

uma carga de compressão de 2585 kg. Formação da trinca principal. ... 87 Figura 5.8 – Micrografia da região transversal do ensaio de tração do material com 17% de

ausferrita e 83% de ferrita. Alvéolos em torno de nódulos descolados, e presença de trincas secundárias. ... 88 Figura 5.9 – Fractografia do corpo de prova de análise de mecanismo de fratura com a

seguinte matriz: 83% de ferrita e 17% de ausferrita. Fratura predominantemente por alvéolos (D), tendo pequenas regiões de quase-clivagem (F). ... 89 Figura 5.10 – Micrografia do material com 85% de ausferrita e 15% de ferrita submetido a

uma carga de compressão de 2120 kgf. Nucleação de trinca junto a inclusão intercelular e na interface grafita/matriz, entre dois nódulos adjacentes e irregulares. ... 92 Figura 5.11 – Micrografia do material com 85% de ausferrita e 15% de ferrita submetido a

uma carga de compressão de 2603 kgf. Trinca unindo dois nódulos adjacentes (a, b), junto a um nódulo irregular e em possível região intercelular. Deformação plástica na matriz (ferrita) que está na frente da trinca. ... 93 Figura 5.12 – Micrografia do material com 85% de ausferrita e 15% de ferrita submetido a

uma carga de compressão de 2922 kgf. Trincamento de nódulo (a), formação de alvéolos ao redor da grafita servindo de sitio de nucleação de trinca (b) e trinca na ferrita em possível região intercelular. ... 94 Figura 5.13 – Micrografia do material com 85% de ausferrita e 15% de ferrita submetido a

uma carga de compressão de 3315 kgf. Formação da trinca principal. ... 95 Figura 5.14 – Micrografia da região transversal do ensaio de tração do material com 82%

de ausferrita e 18% de ferrita. Nódulos descolados, associado a deformação plástica em torno do nódulo. Presença de trinca secundária a partir da interface grafita/matriz. ... 96 Figura 5.15 – Fractografia do corpo de prova de análise de mecanismo de fratura com a

seguinte matriz: 15% de ferrita e 85% de ausferrita. Alvéolos (predominante) e quase-clivagem. As letras F e D significam fratura frágil e dúctil respectivamente. ... 97 Figura 5.16 – Micrografia do material com 100% de ausferrita submetido a uma carga de

compressão de 2230 kgf. Inicio de formação de trinca junto a inclusão intercelular. ... 100 Figura 5.17 – Micrografias do material com 100% de ausferrita submetido a uma carga de

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trinca em contorno de célula. Nucleação de trinca na interface grafita/matriz, acompanhado de deformação plástica próxima à fratura. ... 101 Figura 5.18 – Micrografias do material com 100% de ausferrita submetido a uma carga de

compressão de 3818 kgf. Descolamento dos nódulos, com formação de trinca em contorno de célula e junto a inclusão intercelular (a, b, d). Trinca na interface grafita/matriz, associada a presença de um nódulo sub-superficial... 102 Figura 5.19 – Micrografias do material com 100% de ausferrita submetido a uma carga de

compressão de 4019 kgf. Formação da trinca principal. ... 103 Figura 5.20 – Micrografia da região transversal do ensaio de tração do material com 100%

de ausferrita. Descolamento dos nódulos e presença de uma trinca secundária em região intercelular razoavelmente afastada da superfície fraturada. ... 104 Figura 5.21 – Fractografia do corpo de prova de mecanismo de fratura com a matriz

totalmente ausferrítica. Alvéolos com pequenas ilhas de quase-clivagem. As fraturas dúctil e frágil são representadas e apontadas na figura pelas letras D e F respectivamente. ... 105 Figura 5.22 – Representação esquemática da microssegregação do Si, C e Mn na

solidificação. Fonte: SCHISSLER e CHOBAUT, 1989 apud Guedes, 1996. ... 107 Figura 5.23 – Diagrama Fe-C-Si e curvas de energia livre para as fases ferrita (α), austenita

(γ), e cementita (Fe3C). Fonte: DARWISH e ELLIOTT, 1993 apud Guedes, 1996.108

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Norma ASTM A897 - ferro fundido nodular austemperado, com propriedades mínimas. Fonte: HAYRYNEN, 2002 ... 20 Tabela 2.2 – Recomendações de elemento de liga para ADI. Fonte: HAYRYNEN, 200237 Tabela 2.3 – Resultados metalográficos e propriedades mecânicas em função do ciclo

térmico de austêmpera empregado. Fonte: KILICLI; ERDOGAN, 2006. ... 52 Tabela 2.4 – Análise quantitativa de amostras inicialmente ferríticas austenitizadas em

temperatura intercrítica de 770°C e 800°C e temperada em água. Fonte: FRANCO, 2008. ... 58 Tabela 2.5 – Propriedades mecânicas e caracterização da fratura de ferros fundidos com

diferentes matrizes. Fonte: VOIGT, 1989. ... 64 Tabela 2.6 – Sumário das porcentagens do modo de fratura encontrado em corpo de prova

de ferro fundido nodular ensaiados em tração, impacto, tenacidade a fratura e fadiga.

(Bloco Y de 1’). Fonte: BERMONT e CASTILLO, 2003. ... 66

Tabela 4.1 - Composição do ferro fundido bruto de fusão utilizado no trabalho. ... 70 Tabela 4.2 – Resumo das análises efetuadas para a realização deste trabalho, com seus

respectivos tipo de corpo de prova, máquina utilizada e local de realização. ... 79 Tabela 5.1 – Resumo com valores médios dos teores de ausferrita e propriedades

mecânicas dos três tipos de corpos de prova utilizados neste trabalho. ... 82 Tabela 5.2 – Comparação dos resultados obtido neste trabalho e entre outros autores sobre

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 18

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19

2.1 FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO (ADI) ... 19

2.1.1 Propriedades Mecânicas. ... 20

2.1.2 Tratamento Térmico ... 22

2.1.3 Variáveis de processo de tratamento térmico ... 28

2.1.4 Efeito dos Elementos de Liga ... 34

2.1.5 Qualidade do material bruto de fusão. ... 40

2.2 FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO A PARTIR DA ZONA CRÍTICA (ADI DUAL) ... 44

2.2.1 Propriedades Mecânicas. ... 45

2.2.2 Tratamento Térmico para Obtenção de ADI a Partir da Zona Crítica... 46

2.2.3 Variáveis de processo de tratamento térmico para obtenção de ADI a partir da zona crítica ... 48

2.3 MECANISMOS DE FRATURA DE FERRO FUNDIDO NODULAR ... 59

3. OBJETIVO DO TRABALHO ... 67

4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ... 68

4.1 VARIÁVEIS ESTUDADAS ... 68

4.2 DETALHES EXPERIMENTAIS ... 69

4.2.1 Fundição, ferritização e usinagem das Amostras. ... 69

4.2.2 Tratamento Térmico ... 71

4.2.3 Ensaios Mecânicos ... 72

4.2.4 Caracterização Metalográfica ... 78

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES. ... 80

5.1 MECANISMOS DE FRATURA... 82

5.1.1 Matriz composta por 85% de ferrita e 15% de ausferrita. ... 83

5.1.2 Matriz composta por 15% de ferrita e 85% de ausferrita. ... 91

5.1.3 Matriz composta por 100% de ausferrita. ... 99

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1. INTRODUÇÃO

O ferro fundido nodular austemperado (ADI) apresenta uma excelente combinação de resistência mecânica e ductilidade, baixo custo de fabricação e flexibilidade de produção dada pelo processo de fundição. Devido a essas características, o ADI vem substituindo o aço forjado na fabricação de peças para o setor automobilístico, ferroviário, agrícola e de mineração.

O tratamento térmico de austêmpera foi desenvolvido para aço, onde a microestrutura obtida foi a bainita, nome dado em homenagem ao descobridor do tratamento térmico. A bainita é formada por plaquetas de ferrita acicular e carbonetos de ferro. Quando se empregou o mesmo tratamento térmico em ferro nodular, observou-se que a microestrutura formada não foi a bainita e sim uma mistura de plaquetas de ferrita acicular e austenita de alto carbono, e a esta microestrutura deu-se o nome de ausferrita.

O ferro fundido nodular de matriz ausferrítica possui baixa usinabilidade quando comparado com ferros fundidos nodular de outras matrizes. Com a finalidade de melhorar a usinabilidade e mantendo níveis satisfatórios de resistência mecânica, pesquisadores desenvolveram uma matriz composta por ferrita proeutetóide e ausferrita. A ferrita proeutetóide é responsável pelo alongamento enquanto a ausferrita pela resistência. Esta microestrutura é obtida através do tratamento térmico de austêmpera em um material que foi austenitizado dentro da zona crítica.

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