Avaliação do comportamento mecânico de ferros fundidos nodulares e cinzentos constituídos por similares microestruturas de matriz obtidas por diferentes tratamentos térmicos

Abstract

Os ferros fundidos cinzentos e nodulares são materiais tradicionais que apresentam excelente combinação de propriedades específicas, relativa facilidade de produção e custos. A melhoria de desempenho destes materiais pode se dar através da melhor distribuição, tamanho e morfologia das grafitas, além da uniformidade da microestrutura da matriz. Diversas são as possibilidades de obtenção de matrizes a partir de tratamentos térmicos. Apesar de não se tratar de intervenções térmicas inéditas, muitas dessas ainda são passiveis de melhorias. Além de contribuir para um melhor entendimento da influência dos tratamentos térmicos sobre o desempenho dessa importante classe de materiais, este trabalho buscou estabelecer uma relação entre as resistências mecânicas destes dois ferros fundidos, com matrizes relativamente similares, tentando distinguir a influência da morfologia das grafita (em nódulos ou em veios) sobre a resposta a carregamentos mecânicos. Neste contexto, a resistência à flexão em três pontos, de amostras fabricadas tanto a partir de ferros fundidos cinzentos quanto nodulares foi avaliada após os tratamentos térmicos de recozimento, normalização, têmpera e revenimento, austêmpera, martêmpera e têmpera e partição e também no estado bruto de fundição (estado de entrega). Foram utilizados ferros fundidos previamente fabricados e caracterizados, austenitizados a 880°C em forno mufla ao ar e submetidos a tratamentos tanto próximo ao equilíbrio (resfriamento ao forno e ao ar) quanto distantes do equilíbrio a partir de resfriamentos acelerados em banhos de sais a 375°C e em óleo aquecido a 170°C. As amostras tratadas, além da resistência à flexão em três pontos, foram avaliadas em termos de dureza HB, microdureza HV da matriz, microscopia ótica e fractografia por MEV. Os resultados obtidos, permitiram estabelecer a relação da resistência à flexão entre ferros fundidos nodulares e cinzentos em condições de matriz similar, e avaliar as tendências de comportamento para cada classe de ferro fundido sob as diferentes matrizes obtidas. A pesquisa demonstrou que, embora os tratamentos térmicos modifiquem eficazmente as propriedades da matriz, a morfologia da grafita é o fator intrínseco dominante na determinação da resistência à flexão final.

Gray and ductile cast irons are traditional materials that exhibit an excellent combination of specific properties, relative ease of production, and cost. The performance improvement of these materials can be achieved through better distribution, size, and morphology of graphite, in addition to matrix microstructure uniformity. There are various possibilities for obtaining matrices through heat treatments. Although these are not unprecedented thermal interventions, many of them are still susceptible to improvements. Furthermore, innovative heat treatment routes are generally rarely applied to gray cast irons. In addition to contributing to a better understanding of the influence of heat treatments on the performance of this important class of materials, this work sought to establish a relationship between the mechanical strengths of these two cast irons, with relatively similar matrices, attempting to distinguish the influence of graphite morphology (in nodules or flakes) on the response to mechanical loadings. In this context, the three-point flexural strength of samples manufactured from both gray and ductile cast irons was evaluated after heat treatments of annealing, normalizing, quenching and tempering, austempering, martempering, and quenching and partitioning, in addition to the as-cast state. Previously manufactured and characterized cast irons were used, austenitized at 880°C in an air muffle furnace and subjected to treatments both near equilibrium (furnace and air cooling) and far from equilibrium through accelerated cooling in salt baths at 375°C and in heated oil at 170°C. The treated samples, in addition to three point flexural strength, were evaluated in terms of HB hardness, matrix HV microhardness, optical microscopy, and fractography by SEM. The obtained results allowed for establishing the relationship of flexural strength between ductile and gray cast irons under similar matrix conditions, and for evaluating the behavior trends for each cast iron class under the different obtained matrices. The research demonstrated that, although heat treatments effectively modify the matrix properties, graphite morphology is the dominant intrinsic factor in determining the final flexural strength.