Ensaio de Impacto Charpy em Aço Ferramenta

O ensaio em um parágrafo

No ensaio Charpy, uma barra entalhada é apoiada nas duas extremidades e rompida por um único golpe de um pêndulo que atinge o meio do corpo de prova no lado oposto ao entalhe. O corpo de prova rompe no entalhe, as duas metades se soltam e o pêndulo passa entre as duas partes da bigorna. A diferença entre a altura de queda e a altura de subida fornece a energia absorvida na deformação e ruptura do corpo de prova, e a máquina é calibrada para ler essa energia diretamente, adicionando de volta as perdas por atrito e resistência do ar. Este é o carregamento em três pontos. O ensaio Izod usa o mesmo tipo de pêndulo e uma barra entalhada semelhante, mas o corpo de prova é fixo como cantiléver e atingido acima do entalhe, e os dois ensaios não retornam os mesmos números.

O ensaio Charpy com entalhe em V é o ensaio de impacto mais utilizado e mais amplamente especificado na indústria. Suas limitações são conhecidas e são reais: o entalhe é rombudo, o corpo de prova é pequeno e o valor único de energia mistura a iniciação e a propagação da trinca. Ele sobrevive porque é barato, simples e extremamente sensível às coisas que tornam o aço frágil, e porque décadas de correlação com o desempenho em serviço o tornaram um ensaio de aceitação utilizável mesmo onde ele não prevê o comportamento de uma peça em tamanho real.

O corpo de prova e o entalhe decidem o resultado

Existem três corpos de prova Charpy padrão: entalhe em V, entalhe em U e furo de fechadura. A barra com entalhe em V é o corpo de prova primário e o utilizado para aço ferramenta. Os outros dois são usados em algumas indústrias, entre elas a de fundidos de aço, mas o furo de fechadura e o entalhe em U foram reconhecidos já em 1945 como fornecendo temperaturas de transição inadequadas porque o entalhe é rombudo, e a restrição e a triaxialidade que eles geram são consideravelmente menores que as de uma barra com entalhe em V. Uma temperatura de transição medida em um corpo de prova com furo de fechadura não é uma temperatura de transição com entalhe em V.

As tolerâncias de usinagem no corpo de prova não são uma formalidade. A barra tem que ser quadrada, e retificar faces opostas paralelas não a torna quadrada. O entalhe é a característica mais crítica de todo o corpo de prova: sua forma e tamanho têm que ser mantidos exatamente conforme a norma, seu acabamento tem que ser liso mas não polido, e vale a pena examiná-lo com alguma ampliação com um microscópio estereoscópico ou um comparador óptico, onde um gabarito de entalhe em V pode ser sobreposto. Entalhes em V são cortados em máquinas de brochamento dedicadas ou em uma fresadora com fresa de topo. Um furo de fechadura é perfurado em baixa velocidade para que calor e encruamento não sejam introduzidos, e a ranhura é então cortada sem deixar a ferramenta atingir o fundo do furo. Uma regra se sobrepõe a tudo isso: todo entalhe é feito após qualquer tratamento térmico, porque um entalhe cortado antes do endurecimento não terá a geometria que o ensaio pressupõe.

A orientação é a segunda variável, e em barra forjada ou laminada é a que pega as pessoas de surpresa. Se nada for declarado, o corpo de prova é orientado ao longo da direção de laminação da chapa ou da direção de conformação da peça, com o entalhe perpendicular a essa superfície, que é a orientação que fornece os valores máximos de impacto. Cortar o corpo de prova de modo que o entalhe fique ao longo da direção da fibra, ou cortá-lo transversalmente, altera substancialmente o resultado. Para aço ferramenta fornecido como barra forjada ou laminada, a direção de retirada do corpo de prova Charpy pertence ao certificado de ensaio ao lado do número.

Corpos de prova subdimensionados não escalam diretamente

Barras subdimensionadas existem para o caso em que não há material suficiente para um corpo de prova em tamanho real ou a forma da peça não permite cortar um. Elas devem ser usadas apenas por essa razão. A correlação entre resultados em tamanho real e subdimensionados existe, mas não é direta, razão pela qual as normas especificam valores de aceitação separados para cada tamanho.

Valores mínimos de impacto por tamanho de corpo de prova. Corpos de prova em tamanho real devem ser usados sempre que possível; os tamanhos reduzidos aplicam-se onde não há material suficiente para uma barra em tamanho real.

A temperatura de ensaio faz parte do resultado

Um valor de energia Charpy sem uma temperatura não é um resultado. A menos que algo diferente seja especificado, o ensaio é feito entre 21 e 32 °C (70 e 90 °F), mas a maioria dos ensaios Charpy é feita abaixo disso, porque o comportamento interessante do aço está na transição dúctil-frágil, que para a maioria dos aços ocorre entre a temperatura ambiente e -46 °C (-50 °F). Os ensaios também vão até -196 °C (-320 °F) para serviço criogênico, e mais baixo para trabalho de pesquisa.

O controle de temperatura é onde o procedimento é mais fácil de errar. Até cerca de -59 °C (-75 °F) o meio usual é álcool etílico com gelo seco, que se solidifica a cerca de -68 °C (-90 °F). Os corpos de prova ficam em um recipiente isolado sobre uma grade de tela elevada pelo menos 25 mm acima do fundo para que o líquido de resfriamento circule sob eles, cobertos por pelo menos 25 mm de líquido, com um termômetro ou termopar calibrado lendo a temperatura perto do centro do grupo de corpos de prova e o banho agitado para que a temperatura seja uniforme. As pinças usadas para mover os corpos de prova vão para o mesmo banho, ou elas aquecem o corpo de prova no caminho até a máquina. Os corpos de prova são mantidos dentro de +0 e -1,5 °C (+0 e -3 °F) da temperatura de ensaio por pelo menos cinco minutos, depois removidos um de cada vez e rompidos em cinco segundos. Abaixo de -59 °C é necessário um líquido que não se solidifique, entre eles isohexano ou nitrogênio líquido. O ensaio em alta temperatura usa um óleo agitado de alto ponto de fulgor, com o banho e os corpos de prova mantidos em temperatura em um forno por pelo menos dez minutos.

Quando os resultados são plotados em função da temperatura, a transição aparece como a queda do patamar superior de alta energia para o patamar inferior de baixa energia. Onde a transição é abrupta, a temperatura de transição é fácil de identificar na curva; onde é gradual, que é o caso comum, um nível de energia é especificado em vez disso e o material é tratado como frágil abaixo dele. Um valor de 20 J (15 ft · lbf) é frequentemente usado como esse nível.

Lendo um valor Charpy

Os resultados de impacto são reportados de três maneiras, e as normas permitem mais de uma delas no mesmo corpo de prova porque elas respondem a perguntas diferentes. A energia é o valor mais frequentemente especificado. A porcentagem de cisalhamento e a expansão lateral são obtidas das metades rompidas após o ensaio e descrevem como o corpo de prova falhou em vez de quanta energia ele absorveu, razão pela qual são as medidas usadas quando um resultado Charpy tem que ser correlacionado com um ensaio de tenacidade que usa um corpo de prova diferente e uma taxa de carregamento diferente.

As três formas de reportar um resultado de ensaio Charpy, com os mínimos mais frequentemente especificados para aços. Compilado a partir do texto do artigo.

Três corpos de prova são ensaiados em cada temperatura e a média é o resultado. Quando um mínimo é especificado para aceitação, no máximo um dos três pode ficar abaixo dele, e se um corpo de prova ficar cerca de 6 J (5 ft · lbf) abaixo da média, o material é rejeitado ou reensaiado, caso em que três corpos de prova adicionais devem ser ensaiados e todos devem atender ao mínimo. Os dois limiares que vale a pena ter em mente quando se discute um valor de tenacidade são que energias Charpy de cerca de 14 J (10 ft · lbf) e abaixo provavelmente iniciam uma fratura, e que em torno de 27 J (20 ft · lbf) é onde uma fratura frágil, uma vez iniciada, provavelmente se propaga. Valores bem acima disso são necessários para deter uma trinca em propagação.

O que o ensaio não faz é produzir um número para projeto. A energia Charpy é uma medida comparativa, e as correlações empíricas que a convertem em tenacidade à fratura, K_Ic, são válidas apenas dentro de uma classe limitada de aço e de uma faixa limitada de dados; elas também misturam um entalhe rombudo e uma alta taxa de carregamento em um resultado que está sendo comparado com uma trinca aguda carregada lentamente. São úteis como orientações e sustentam alguns códigos de projeto, mas um valor Charpy não deve ser apresentado como tenacidade à fratura.

O que isso significa para um pedido de aço ferramenta

Um valor de tenacidade publicado para um grau de aço ferramenta é medido em um corpo de prova V-notch de tamanho real, em uma orientação declarada, em uma condição de tratamento térmico declarada e em uma temperatura declarada. Altere qualquer um desses fatores e o número muda, portanto um resultado Charpy só é comparável com outro resultado obtido da mesma forma. As incompatibilidades mais comuns em aço ferramenta são um valor citado para a temperatura de revenimento ótima comparado com uma ferramenta revenida em outro ponto, e um valor medido em uma barra de tamanho real comparado com um resultado de sub-tamanho de um cliente que não conseguiu cortar uma. Quando a tenacidade é usada para escolher entre dois graus, a comparação deve ser no mesmo tamanho de corpo de prova, na mesma orientação e na mesma condição de revenimento. As energias de impacto publicadas para os graus comuns em sua temperatura de revenimento ótima estão reunidas em nosso gráfico de tenacidade ao impacto de aços ferramenta, e a forma como uma deficiência de tenacidade se manifesta em serviço é abordada em Desgaste por Impacto e Lascamento de Ferramentas.

Fonte: ASM Handbook, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. Artigo Impact Toughness Testing (PDF p1352-1392). Os valores mínimos de sub-tamanho são a Tabela 1 desse artigo.