Efeitos da adição de nióbio na microestrutura e análise térmica de solidificação de ferro fundido nodular
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2025-11-24
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A transição energética global impulsiona o desenvolvimento de novos materiais e técnicas capazes de atender às demandas desse mercado emergente, no qual se exige maior desempenho com menor consumo de recursos. O nióbio desponta como um elemento de liga promissor para a produção de ligas de alto desempenho, porém sua aplicação na indústria apresenta desafios tanto para a otimização de processos quanto para a previsão de seus efeitos. Considerando que as condições de solidificação exercem papel decisivo na microestrutura final e que a composição influencia diretamente o perfil de solidificação, compreender essas interações torna-se fundamental. Neste estudo, os efeitos da adição de nióbio em teores crescentes (0,10%m, 0,25%m e 0,43%m) ao ferro fundido nodular foram avaliados por meio de caracterização microestrutural, ensaios mecânicos e análise térmica de solidificação. Uma liga padrão foi produzida e posteriormente refundida com adições calculadas de FeNb, seguida do vazamento de corpos de prova em conjunto com a realização da análise térmica. A análise térmica de solidificação (ATS) revelou correlações diretas entre parâmetros térmicos e desempenho do material. A temperatura de superresfriamento eutético (TSE) na condição inoculada apresentou valor máximo de 1141,5 °C para 0,10%m Nb e mínimo de 1132,4 °C para 0,43%m Nb, variando em 9,1 °C entre as composições. Na condição nodularizada, a TSE variou de 1132,8 °C (0,00%m Nb) a 1129,8 °C (0,43%m Nb). A correlação estatística entre TSE e contagem de nódulos obteve R² = 0,666, indicando que 66,6% da variação na densidade de nódulos pode ser explicada pela TSE, ainda que o valor-p (0,184) não tenha alcançado significância convencional em função do número reduzido de amostras (n = 4). A temperatura solidus (TF) variou de 1084,4 °C (0,43%m Nb) a 1109,8 °C (0,25%m Nb), diferença de 25,4 °C. Essa variação proporcionou alta correlação com a resistência à tração (r = 0,972; R² = 0,945). Em termos de microestrutura, a contagem de nódulos atingiu pico de 138 nód/mm² em 0,10%m Nb (+45% em relação à liga base) e mínimo de 74 nód/mm² em 0,43%m Nb (?22%). A fração perlítica variou de 45% (0,00%m Nb) a 67% (0,10%m Nb), com redução para 37% em 0,43%m Nb. A nodularização manteve-se entre 94% e 97% em todas as composições. Quanto às propriedades mecânicas, o melhor desempenho ocorreu em 0,25%m Nb, com 638,3 MPa de resistência à tração (+15%) e 407,0 MPa de limite de escoamento (+15%), embora o alongamento caísse para 9,9% (?32%). A menor degradação mecânica foi observada em 0,43%m Nb, retornando a 557,3 MPa de UTS (+0,6%) e 13,2% de alongamento (?9%). [resumo fornecido pelo autor]
Resumo
The global shift toward energy transition drives the development of new materials and techniques capable of meeting the demands of this emerging market, where higher performance is required with reduced resource consumption. Niobium represents a promising alloying element for producing high-performance alloys, but its application in industry poses challenges both for process optimization and for predicting its effects. Since solidification conditions play a decisive role in determining the final microstructure, and composition directly influences the solidification profile, understanding these interactions is crucial. In this study, the effects of adding niobium in increasing amounts (0.10%, 0.25% and 0.43%) to nodular cast iron were evaluated through microstructural characterization, mechanical testing, and solidification thermal analysis. A standard alloy was produced and subsequently remelted with calculated additions of FeNb, followed by the casting of test samples while performing thermal analysis. The thermal analysis of solidification (TAS) revealed direct correlations between thermal parameters and material performance. The eutectic undercooling temperature (EUT) in the inoculated condition showed a maximum of 1141.5 °C for 0.10%m Nb and a minimum of 1132.4 °C for 0.43%m Nb, varying by 9.1 °C across the compositions. In the nodularized condition, the EUT ranged from 1132.8 °C (0.00%m Nb) to 1129.8 °C (0.43%m Nb). The statistical correlation between EUT and nodule count achieved R² = 0.666, indicating that 66.6% of the variation in nodule density can be explained by EUT, although the p-value (0.184) did not reach conventional significance due to the small sample size (n = 4). The solidus temperature (Ts) varied from 1084.4 °C (0.43%m Nb) to 1109.8 °C (0.25%m Nb), a difference of 25.4 °C. This variation showed a high correlation with tensile strength (r = 0.972; R² = 0.945). In terms of microstructure, the nodule count peaked at 138 nodules/mm² at 0.10%m Nb (+45% relative to the base alloy) and reached a minimum of 74 nodules/mm² at 0.43%m Nb (?22%). The pearlite fraction ranged from 45% (0.00%m Nb) to 67% (0.10%m Nb), decreasing to 37% at 0.43%m Nb. Nodularity remained between 94% and 97% for all compositions. Regarding mechanical properties, the best performance occurred at 0.25%m Nb, with 638.3 MPa tensile strength (+15%) and 407.0 MPa yield strength (+15%), although elongation dropped to 9.9% (?32%). The least mechanical degradation was observed at 0.43%m Nb, returning to 557.3 MPa UTS (+0.6%) and 13.2% elongation (?9%). [resumo fornecido pelo autor]
Citação
Clebson Atílio Ferreira