5 Apostila Petrobrás - Metalurgia

REVISO 04 MARO/ 2007

CURSO DE INSPETOR DE SOLDAGEM NVEL 1METALRGIA / CONTROLE DE DEFORMAO e

METAIS DE BASE (APOSTILA V)

NOME DO PARTICIPANTE

CURSO DE INSPETOR DE SOLDAGEM NVEL 1

CAPTULO 1 METALRGIA

CAPTULO 2 CONTROLE DE DEFORMAO

CAPTULO 3 METAIS DE BASE

Elaborao: Manuel Saraiva Clara e Claudinei Ferreira

CAPTULO 1

METALRGIA

2 CETRE- Curso de Inspetor de Soldagem Nvel 1

ndice 1 INTRODUO ........................................................................................................................... 4 2 ESTRUTURAS CRISTALINAS.................................................................................................. 5

2.1 Cbica de face centrada (CFC)................................................................................................6 2.2 Cbica de corpo centrado (CCC) .............................................................................................6 2.3 Hexagonal compacta (HC) .......................................................................................................7 2.4 Tetragonal de corpo centrado (TCC)........................................................................................7

3 ALOTROPIA DO FERRO........................................................................................................... 8 4 LIGAS METLICAS FASES................................................................................................... 9

4.1 Soluo slida ........................................................................................................................10 4.2 Composto qumico..................................................................................................................11 4.3 Mistura Mecnica....................................................................................................................12

5 NUCLEAO........................................................................................................................... 12 5.1 Formao e Crescimento de Gro .........................................................................................12 5.2 Contorno de gro....................................................................................................................14

6 IMPERFEIES CRISTALINAS E MOVIMENTOS ATMICOS............................................ 14 6.1 Discordncias .........................................................................................................................15 6.2 Difuso....................................................................................................................................16

7 DIAGRAMA DE FASE ............................................................................................................. 16 7.1 Regra da Alavanca .................................................................................................................24

8 QUADRO RESUMO................................................................................................................. 27 9 DIAGRAMAS FORA DO EQUILBRIO.................................................................................... 27

9.1 Curvas TTT tempo, temperatura e transformao..............................................................27 9.2 Curvas CCT transformao sob resfriamento contnuo......................................................37

10 CONSIDERAES METALRGICAS DURANTE A SOLDAGEM........................................ 39 11 APORTE TRMICO E ENERGIA DE SOLDAGEM ................................................................ 42 12 FLUXO DE CALOR.................................................................................................................. 43

12.1 Ciclo trmico da soldagem .....................................................................................................43 12.2 Repartio Trmica ................................................................................................................46 12.3 Fatores de influncia ..............................................................................................................46

13 ELABORAO DA ZONA FUNDIDA ..................................................................................... 47 13.1 Volatilizao............................................................................................................................47 13.2 Reaes Qumicas .................................................................................................................48 13.3 Precipitao de compostos de soluo slida e fases pr-fusveis .......................................49

14 SOLIDIFICAO DA ZONA FUNDIDA................................................................................... 50 14.1 Processo de Epitxia..............................................................................................................50 14.2 Crescimento Competitivo .......................................................................................................51 14.3 Tcnica Passe Simples e Multi-passe....................................................................................51

15 FISSURAO .......................................................................................................................... 52 15.1 Fissurao a frio .....................................................................................................................52 15.2 Fissurao a quente ...............................................................................................................56 15.3 Fissurao Lamelar ................................................................................................................56 15.4 Fissurao por corroso sob tenso ......................................................................................57

16 PR-AQUECIMENTO E PS-AQUECIMENTO...................................................................... 58


17 ORIGEM DAS TENSES RESIDUAIS.................................................................................... 58

17.1 Analogia das Barras Aquecidas .............................................................................................59 17.2 Repartio Trmica ................................................................................................................60

18 TRATAMENTOS TRMICOS .................................................................................................. 60 18.1 Alvio de Tenses ...................................................................................................................60 18.2 Recozimento...........................................................................................................................61 18.3 Normalizao..........................................................................................................................61 18.4 Tmpera .................................................................................................................................62 18.5 Revenimento/Revenido ..........................................................................................................63

19 SOLDABILIDADE - PARTICULARIDADES E CARACTERSTICAS DOS AOS ................ 64 19.1 Aos carbono..........................................................................................................................64 19.2 Aos de baixa liga...................................................................................................................64 19.3 Aos de mdia liga .................................................................................................................65 19.4 Aos inoxidveis .....................................................................................................................66 19.5 Aplicaes dos aos inoxidveis ............................................................................................67 19.6 Aos inoxidveis Austenticos ................................................................................................67 19.7 Aos Inoxidveis Ferrticos.....................................................................................................68 19.8 Aos Inoxidveis Martensticos ..............................................................................................69

20 DIAGRAMA DE SCHAEFFLER............................................................................................... 69 21 REFERNCIAS ........................................................................................................................ 72 Elaborado por: Prof. Eng. Manuel Saraiva Clara e M. Eng. Claudinei Ferreira Reviso: Prof. Eng. Manuel Saraiva Clara


1 INTRODUO A metalurgia da soldagem estuda o comportamento dos metais durante a soldagem, os efeitos da soldagem sobre a estrutura, sobre as propriedades dos metais e para o desenvolvimento de novas ligas metlicas e/ou para elaborar um melhor procedimento de soldagem. O estudo da metalurgia fsica dos metais de extrema importncia uma vez que as propriedades fsico-qumicas dos metais, e especialmente as propriedades mecnicas e metalrgicas so sobremaneira influenciadas pela estrutura cristalina e pela estrutura metalogrfica. As estruturas cristalinas so as responsveis por fenmenos como difusibilidade trmica, coeficiente de expanso trmica, dureza e etc, sendo que, em alguns casos, possvel explicar algumas das propriedades dos materiais atravs do conhecimento de sua estrutura cristalina. Todos os metais possuem caractersticas que precisam ser consideradas com muito cuidado antes da soldagem, pois se forem desprezadas podemos ter como resultado: trinca, porosidade, e uma solda que no atende aos requisitos de resistncia mecnica e descontinuidades aceitveis, ou num caso mais extremo uma juno de dois ou mais defeitos que tenham como conseqncia a ruptura da junta soldada, quando em servio. importante para o profissional da rea de soldagem ter conhecimento, ainda que superficial, do comportamento estrutural e metalrgico dos metais a serem soldados, e para isto necessrio entender as transformaes que ocorrem ao nvel atmico e metalogrfico em um dado metal, sendo estes fenmenos dependentes de tempo, temperatura e transformao. Os processos metalrgicos que ocorrem durante a soldagem so semelhantes aos que ocorrem durante a fabricao da maioria dos produtos siderrgicos e metlicos, sendo eles: Fuso e solidificao; Acmulo de tnses e contrao; Oxidao, contaminao e purificao refino; Correo do banho metlico atravs da introduo de elementos de liga que auxiliam

as propriedades desejadas; Mudanas de temperatura, mudana de fase; Desgaseificao, etc.


Porm, estes processamentos metalrgicos apresentam uma desvantagem, todos esses fenmenos ocorrem num tempo que varia de alguns segundos a no mximo alguns minutos. Portanto so condies fora do equilbrio. Isto nos mostra como necessrio atender s exigncias requeridas por um procedimento de soldagem para que se obtenha uma solda de qualidade que atenda aos requisitos dos cdigos/normas de projeto. 2 ESTRUTURAS CRISTALINAS Os metais so slidos cristalinos, onde seus tomos no estado slido esto arranjados numa ordem de longo alcance de maneira a formar uma estrutura cristalina. Isto ocorre pois seus tomos se organizam num arranjo espacial repetitivo e que surge de forma progressiva durante o processo de solidificao. Os tomos vibram apenas em torno de suas posies de equilbrio, posies fixas na rede cristalinas. No estado lquido os metais no possuem arranjo atmico, porm a medida que a temperatura do metal lquido em dado processo de resfriamento se aproxima do ponto de solidificao vai-se formando um certo arranjo atmico numa ordem de curta distncia em que a estrutura apresenta-se bastante similar a do slido. Ento, o metal comea a solidificar-se e a formar um arranjo atmico especfico para aquele metal ou liga metlica, que naquela temperatura e velocidade de resfriamento lhe peculiar. Esse aspecto ser mais detalhado quando do estudo dos diagramas de equilbrio ou diagramas de fase. Dessa maneira, a estrutura cristalina formada atravs da repetio ou formao peridica de um arranjo de tomos, ainda que distantes uns dos outros - distncia interatmica. As estruturas cristalinas mais comuns e seus respectivos metais esto listados na tabela 1.

CFC CCC HC Ferro Cromo Titnio

Alumnio Ferro Zinco Chumbo Molibdnio Cobalto Cobre Tungstnio Cdmio Nquel Tntalo Zircnio Ouro Vandio Magnsio

Platina Titnio - Cobalto Niobio -

Tabela 1 Metais e suas estruturas cristalinas


O estudo das estruturas cristalinas dos metais facilitado atravs da configurao de clulas unitrias apresentadas em forma do menor paraleleppedo referenciado a 3 eixos coordenados que representam a simetria da estrutura. Os tomos so apresentados como esferas rgidas cujo os centros coincidem com os vrtices/faces deste paraleleppedo chamado celula unitria. Alguns tomos podem tambm ocupar outras posies, tambm de equilbrio na rede cristalina. Entre diversas, as principais estruturas cristalinas para os metais so: Cbica de face centrada (CFC); Cbica de corpo centrado (CCC); Hexagonal compacta (HC); Tetragonal de corpo centrado (TCC). 2.1 Cbica de face centrada (CFC) Na estrutura cristalina cbica de face centrada, a clula unitria possui formato de um cubo e os tomos esto localizados no centro de cada uma das faces deste cubo (um tomo por face) e um tomo por vrtice do cubo (um tomo por vrtice), conforme indicado na figura abaixo.

Figura 1 Estrutura cbica de face centrada

Possui 4 tomos por clula unitria (1/8 x 8) + (1/2 x 6) = 4. Apresenta o maior nmero de planos de maior densidade atmica, de tal modo que os metais que apresentam este sistema tm maior tenacidade que os metais do sistema CCC.

2.2 Cbica de corpo centrado (CCC) Na estrutura cristalina cbica de corpo centrado, a clula unitria possui formato de um cubo e os tomos esto localizados nos vrtices do cubo (um tomo por vrtice) e um tomo localizado no centro do cubo, conforme indicado na figura a seguir.


Figura 2 - Estrutura Cbica de corpo centrado

Possui 2 tomos por clula unitria: (1/8 x 8) + 1 = 2 2.3 Hexagonal compacta (HC) Na estrutura cristalina hexagonal compacta, a clula unitria possui formato de um prisma hexgonal e os tomos esto localizados nos vrtices deste hexgono (um tomo por vrtice), um tomo localizado no centro de cada uma das duas bases (superior e inferior) do prisma hexagonal, e trs tomos localizados no centro de cada prisma triangular alternados (formando um plano entre as faces superior e inferior do prisma hexagonal), conforme indicado na figura abaixo.

Figura 3 - Estrutura Hexagonal Compacta

Possui 6 tomos por celular unitria: [ (1/6 x 12) + (1/2 x 2) + (1 x 3)] = 6.

2.4 Tetragonal de corpo centrado (TCC) Na estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado, a clula unitria possui formato tetradrico (prisma reto de base quadrada), onde os tomos esto localizados nos vrtices deste tetraedro (um tomo por vrtice) e um tomo localizado no centro do tetraedro, conforme indicado na figura abaixo. A clula unitria tetradrica se difere da estrutura cbica por possuir um dos eixos (eixo c) alongado. A martensita, uma microestrutura obtida atravs do resfriamento rpido da austenita (Fe ) apresenta esta configurao de clula unitria.


Figura 4 - Estrutura Tetragonal de Corpo Centrado

3 ALOTROPIA DO FERRO A alotropia a caracterstica de um elemento qumico apresentar duas ou mais estruturas cristalinas, dependendo da temperatura e presso. Transformao alotrpica a mudana de uma variedade alotrpica em outra e envolve ganho ou perda de energia. O elemento Ferro (Fe) puro apresenta as seguintes variedades alotrpicas: Constituintes alotrpicos do elemento Fe

Constituinte Temperatura Forma alotrpica Estrutura Cristalina

Ferrita At 910C Ferro CCC Austenita De 910C at 1390C Ferro CFC

Ferrita Delta De 1390C at 1534C Ferro CCC

Analisando a Figura 5, verificamos as transformaes abaixo: Lquido Slido (Austenita ou Ferrita Delta) Ferrita delta Austenita Austenita Ferrita Austenita Ferrita e Cementita Austenita Cementita + Perlita


Figura 5 Grfico esquemtico de transformao de fase

4 LIGAS METLICAS FASES Quando elementos qumicos, metlicos ou no so adicionados ao metal puro (elemento solvente), temos uma liga metlica. o caso, por exemplo, do Carbono no Ferro. As ligas ferrosas com at 2,06% de carbono so denominadas aos; as ligas ferrosas com 2,06% de Carbono ou mais se denominam ferros fundidos. O elemento puro Ferro o solvente enquanto o Carbono o elemento soluto. A estrutura cristalina principal a do Ferro puro, j que o elemento com maior teor. Uma conseqncia imediata de adio dos tomos de soluto (Carbono), isto , tomos de natureza diferente na estrutura cristalina do metal puro (Ferro) a distoro da estrutura cristalina. Caso esta distoro torne mais difcil o deslocamento dos tomos, a liga metlica formada estar mais resistente.


Por definio, fase toda poro fsica ou qumicamente homognea de um sistema, delimitada por uma superfcie de separao chamada interface; por exemplo: gelo e gua. Em metalurgia, no entanto esta definio extremamente rgida, j que na ausncia de equilbrio podem ocorrer variaes de composio qumica no domnio da fase. As fases podem se apresentar como:

Soluo Slida; Composto Qumico; Mistura Mecnica.

4.1 Soluo slida Temos uma soluo slida quando o elemento soluto adicionado passa a fazer parte integrante da fase slida, respeitando o limite de solubilidade cristalina do solvente mistura homognea. Analogamente, os metais considerados como puros, (metal comercial), na realidade contm elementos residuais ou impurezas que tendem a alterar suas caractersticas originais. Soluo slida substitucional Ocorre quando um tomo do soluto substitui um tomo do solvente na estrutura cristalina at atingir o limite de solubilidade slida sem alterar significativamente o arranjo cristalino do solvente, figura 6. Os tomos apresentam dimenses semelhantes e os elementos possuem normalmente a mesma estrutura cristalina. O limite de solubilidade slida varia com a temperatura e essa variao pode ser vista atravs dos diagramas de equilbrio ou de fase.

Soluo slida intersticial Ocorre quando pequenos tomos do soluto se localizam nos interstcios entre tomos maiores do solvente, figura 7.


Figura 6 Soluo slida substitucional Figura 7 Soluo slida intersticial

Um exemplo bem conhecido a soluo slida de carbono (C) no Ferro Gama (Fe) estrutura CFC denominado austenita, com mxima solubilidade de 2,06% de C a 1147C e estvel acima de 723C, com teor de C variando conforme a composio da liga Fe-C ou Fe-Fe3C e com a temperatura. tenaz, apresentando boa resistncia mecnica e dutilidade. Da mesma forma a soluo slida de C no Fe denominada ferrita (Fe), apresenta mxima solubilidade de 0,025% de C a 723C, apresenta baixa dureza e resistncia trao e boa dutilidade, podendo ser prejudicada por um tamanho excessivo de gro, bem como pela sua morfologia.

Figura 8 - Ferrita

4.2 Composto qumico uma fase constituda por tomos entre dois ou mais elementos qumicos numa proporo constante, isto , com uma composio qumica constante a qualquer temperatura e no domnio da fase. Nas ligas ferrosas temos a cementita (Fe3C) com 6,67% de C, estrutura cristalina ortorrmbica com 12 tomos de Fe e 4 tomos de C por clula unitria. Apresenta dureza de aproximadamente 800 HB e bastante frgil. capaz de dissolver outros elementos (Mn, Cr, Mo etc.) dando origem a carbonetos complexos.


4.3 Mistura Mecnica o constituinte formado por 2 fases que se interagem mecanicamente segundo o processo e cintica de sua formao. Cada fase permanece com suas caractersticas individuais enquanto que as do constituinte so proporcionais fase mais preponderante. Vista ao microscpio metalogrfico apresenta-se geralmente na forma de lamelas. A perlita , no caso dos aos, uma mistura mecnica de 88% de Ferrita (Fe) e 12% de cementita (Fe3C) formada a partir da decomposio da austenita (Fe) com 0,8% de C. Em condies de equilbrio (resfriamento bem lento) essa transformao se d a temperatura eutetide (A1), correspondendo a 723 C no diagrama de fase Fe-Fe3C.

Figura 9 - Perlita

5 NUCLEAO 5.1 Formao e Crescimento de Gro Como j comentado anteriormente os metais lquidos no possuem estrutura cristalina, seus tomos esto distribudos aleatoriamente, em funo do seu estado fsico (temperatura e presso). Para que ocorra o processo de solidificao necessrio que haja um super resfriamento do metal. A partir da a solidificao ocorre em duas etapas: nucleao e crescimento de cada ncleo cristalino. A solidificao de um metal ou liga a partir do estado lquido pode ser descrito como um processo embrionrio, pois a partir desses embries slidos que os primeiros ncleos ou germes cristalinos so formados. Os embries slidos aparecem no meio lquido a medida que o metal ou liga se aproxima da temperatura de solidificao. A partir dos embries estveis os ncleos so formados; a etapa da nucleao dita homognea.


Todavia, na prtica, os ncleos se formam preferencialmente nas superfcies mais exteriores do metal, que esto juntas a parede do molde ou lingoteira; assim como sobre substncias puras no metlicas ou metlicas de mais alto ponto de fuso.

Para um dado volume de metal medida que a poro solidificada aumenta, a poro lquida diminui de forma proporcional, ento passo a passo novos tomos da fase lquida vo se agregando ao metal solidificado anteriormente com a mesma orientao e estrutura cristalina estabelecida pela primeira poro de metal solidificado. a etapa de crescimento. Formam-se as dendritas com seus eixos principal, secundrio, etc.

Figura 10 Crescimento Competitivo

A figura 10 ilustra o fenmeno conhecido como crescimento competitivo de gros, no qual ocorre um crescimento preferencial dos gros cuja direo de crescimento so perpendiculares linha isoterma, aqui representada pela linha pontilhada. Vale a pena lembrar que a solidificao de um metal puro difere da solidificao de uma liga, onde vrios elementos solutos esto presentes. Dessa forma, cada ncleo cresce ao longo de direes preferenciais, at ser obstrudo pelo crescimento do ncleo dos outros vizinhos. Neste instante cessa o crescimento dando origem aos diferentes gros ou cristais, em cujo interior os tomos encontram-se arranjados segundo a mesma estrutura cristalina e o mesmo espaamento atmico do que nos outros gros, conforme a clula unitria representativa do metal. Quando todo lquido j se transformou em slido, o crescimento dos gros favorecido pela permanncia em temperaturas elevadas.


5.2 Contorno de gro Contorno de gro o limite ou fronteira entre gros. Os gros so formados a partir dos ncleos iniciais, que ao crescerem, encontram outros ncleos que tambm cresceram, ento criado um limite entre eles, o qual denominado contorno de gro. Os contornos de gro so considerados imperfeies cristalinas, porque eles representam interrupes no arranjo uniforme dos tomos. Os tomos ao longo do contorno apresentam um maior nvel energtico energia potencial que os tomos do interior de cada gro, tornando-os mais reativos e com maior poder de difuso. Tamanho de gro e propriedades mecnicas As propriedades mecnicas dependem fortemente do tamanho de gro do metal. Um metal que apresenta tamanho de gro pequeno ter melhor resistncia trao a temperatura ambiente, pois os contornos de gro tendem a inibir a deformao de gros individuais quando o material submetido a esforos de tenso. Porm, em temperaturas elevadas, sendo a movimentao atmica favorecida principalmente nos contornos de gro e em reas tensionadas a resistncia do material ser menor. Como resultados so preferidos materiais com tamanho de gro pequeno para aplicaes em baixas temperaturas e temperatura ambiente. Por outro lado materiais com tamanho de gro grande (grosseiro) so desejveis para servio em temperaturas elevadas. Metais e ligas metlicas com tamanho de gro pequeno geralmente possuem melhor resistncia trao, melhor tenacidade e melhor resistncia fadiga.

6 IMPERFEIES CRISTALINAS E MOVIMENTOS ATMICOS Imperfeies cristalinas A estrutura cristalina no to perfeita quanto possa parecer primeira vista; ela apresenta uma srie de imperfeies.

a) Defeitos localizados: tomos deslocados, falta de tomos (lacunas) etc.


b) Defeitos em linha: quando envolve a aresta de um plano extra de tomos; so as discordncias. Estas tm grande importncia no mecanismo de deformao plstica e em estruturas sujeitas a fadiga. Decorrem principalmente do processo de solidificao do metal, bem como de deformaes e tenses residuais impostas ao metal.

c) Imperfeies de contorno: superfcie externa e contorno de gro quando ocorrem entre cristais (gros) adjacentes ou na superfcie externa dos cristais ou da pea.

Apesar de um material possuir uma ou mais fases presentes, ele contm muitos gros com diferentes tamanhos, orientaes e formato mais ou menos irregulares devido ao processo de solidificao e pela presena de gros vizinhos. Cada gro de um metal puro possui a mesma estrutura cristalina e o mesmo espao atmico do que nos outros gros. Portanto gros so cristais individuais, onde os tomos do metal esto arranjados segundo um nico modelo e uma nica orientao, caracterizada pela clula unitria. Cada gro resulta de um processo de nucleao e crescimento dos primitivos embries cristalinos, processo esse que ocorre durante a solidificao do metal, mudana de fase ou refino de gro. Nos contornos de gro podem ser encontrada elevada concentrao de impurezas, prejudicando certas propriedades mecnicas, por exemplo: dutilidade e tenacidade. Isto cria condies favorveis nucleao de uma nova fase nas transformaes no estado slido da mesma forma que favorece a difuso. 6.1 Discordncias Como j citado, os defeitos em linha so chamados de discordncias. Estas podem ser em cunha, em hlice etc., e se caracterizam pela falta de planos atmicos no reticulado cristalino. Existe um campo de tenses elsticas ao redor das discordncias, ocorrendo o seu movimento (deslocamento) quando so aplicados esforos externos. Desse modo no processo de deformao as discordncias podem se movimentar na estrutura cristalina at atingir a superfcie do cristal, onde pode ocorrer o seu aniquilamento ou empilhamento.


Figura 11 - O esforo para arrastar um tapete menor, restringindo-se a regio em movimento.

6.2 Difuso Difuso o fenmeno que ocorre no estado slido em etapas, atravs do transporte de matria (energia e massa) pela movimentao dos tomos na estrutura cristalina. um processo ativado termicamente. Para que este transporte ocorra, necessria a existncia de interstcios e energia suficiente para que o tomo possa se movimentar para uma nova posio de equilbrio. Esta energia decorre da maior vibrao dos tomos obtida, por exemplo, pelo aumento de temperatura ou aplicao de um campo magntico. Para que a difuso ocorra necessrio que tenha tomos de soluto em soluo slida numa matriz de tomos de solvente (soluto o material que est sendo dissolvido na matriz), essa soluo pode ser substitucional ou intersticial como j visto anteriormente. Quando o tomo deixa sua posio de estabilidade no reticulado cristalino e desloca-se para outra posio, em seu lugar pode ficar um vazio (lacuna) ou sua posio pode ser ocupada por qualquer outro tomo. Como o aumento da temperatura do metal no estado slido gera um aumento de vibrao dos tomos na sua posio de equilbrio, quanto maior a temperatura maior ser a difuso, ou seja; um processo normalmente ativado termicamente.

7 DIAGRAMA DE FASE Os diagramas de fase so construdos a partir da interao da energia livre de Gibbs, nas condies do equilbrio termodinmico (resfriamento bem lento) do sistema dos elementos envolvidos.


Os diagramas de fase apresentam as mais variadas formas a depender dos elementos em soluo, considerando-se presso e volume constante e variando a temperatura. As denominaes mais comuns so: isomorfo, euttico, etc. podendo ainda ser binrio, ternrio ou quaternrio, a depender da quantidade de elementos puros envolvidos. O diagrama de fase que tem maior importncia para o estudo dos aos e ferros fundidos so os diagramas Fe-C e Fe-Fe3C. Antes porm, vamos conceituar o que ferro, ao e ferro fundido. Ferro ou ferro puro, o elemento qumico de nmero atmico 56, o qual praticamente no tem aplicao na indstria. O ao uma liga de ferro e carbono, sendo os limites de carbono situados entre 0,008% e 2,06%. Entretanto devido aos processos de obteno, o ao contm em sua composio os seguintes elementos: Silcio (Si), Mangans (Mn), Fsforo (P) e Enxofre (S), os quais, dentro dos percentuais normais, pouco interferem no diagrama de equilbrio. O ferro fundido, tambm uma liga de ferro e carbono, sendo o limite mnimo de carbono considerado a partir de 2,06%, isto , logo aps o limite mximo do ao. O limite mximo do Carbono no ferro fundido considerado como 6,67%, porm, a maioria das ligas apresenta carbono na faixa entre 2,1% e aproximadamente 4,5%. Um fato que deve ser levado em considerao que os aos deixam de ser uma liga Fe-C para serem enriquecidos com outros elementos qumicos em sua composio. Nestas condies podemos considerar dois tipos fundamentais de aos: aos carbono e aos liga. Independente destes dois tipos, os aos ainda se classificam em outras categorias: aos para construo mecnica, aos para beneficiamento, aos para cementao, aos para ferramentas (aos rpido, para trabalhos a quente e para trabalho a frio) e os aos inoxidveis (ferrticos, martensticos, austenticos, etc). Normalmente os aos so especificados por uma srie de normas: ASTM, SAE, DIN, AISI, ABNT, etc. Os ferros fundidos tambm se dividem em diversos tipos como: cinzento, mesclado, branco, nodular, malevel, etc. Tambm so especificados e classificados de acordo com uma srie de normas: SAE, ISO, ASTM, DIN, etc.


O diagrama de equilbrio, trata da liga Fe-C para teores de carbono de zero at 6,7% C. O valor de 6,7% de carbono representado, porque o carbono forma com o ferro o composto qumico Fe3C (cementita), que contm aproximadamente 6,7% de carbono. Acima deste percentual pouco se conhece, e alm disto, as ligas acima de 4,5% de carbono apresentam pouco ou nenhuma aplicao industrial. O diagrama meta estvel Fe-Fe3C, est baseado na liga Fe-C, mas permite tambm, que se tenha uma idia das seqncias das transformaes de fase de ligas complexas. Lembramos, que os aos na maioria das aplicaes industriais, possuem outros elementos qumicos em sua composio. O ferro fundido tambm tem como base no uma liga binria Fe-C, mas uma liga ternria de ferro, carbono e silcio, sendo que o silcio provoca alteraes no diagrama Fe-Fe3C, dependendo do seu percentual. Para melhor entendimento dos fenmenos que alteram a microestrutura dos aos e ferros fundidos, pode-se analisar as transformaes do ferro e a ao do carbono sobre essas transformaes, tendo-se por base o diagrama de equilbrio Fe-Fe3C.

Figura 12 Diagrama de Equilbrio Ferro-Cementita


Diagrama de Equilbrio Ferro-Cementita

Observando-se o diagrama, veremos que na linha base ou linha abscissa, esto gravados da esquerda para a direita, os percentuais de carbono entre zero a 6,7%. O ponto 6,7% corresponde a um teor de 100% do microconstituinte cementita. A frmula da cementita Fe3C, que composta por 3 tomos de ferro e 1 tomo de carbono. O peso atmico do ferro 56 g/mol e do carbono 12 g/mol. Tm-se portanto:

56 X 3 = 168 (peso atmico de 3 tomos de ferro) 12 X 1 = 12 (peso atmico de 1 tomo de carbono) 168 + 12 = 180 (peso atmico total) 180 168 = 12 que dividido por 180 igual a 0,067 ou em porcentagem 6,7%


Na linha vertical do ponto zero ou linha ordenada, esto marcadas as temperaturas de 500C at 1600C. Entre este sistema de coordenadas, esto as linhas que, indicam o estado em que se encontra um ao em cada momento de temperatura para qualquer percentual de carbono. A parte superior do diagrama, constituda pelas linhas ABCD (linha liquidus) e AECF (linha solidus), corresponde ao intervalo em que ocorrem a passagem do estado lquido para o slido. Abaixo da linha solidus do diagrama, corresponde as reaes que ocorrem no estado slido. Entre GSE e PSK tem-se a zona crtica onde ocorrem as principais tranformaes no estado slido para os aos. Iniciaremos as explicaes com o ferro puro, que corresponde ao ponto 0% de carbono. Inicialmente, com a temperatura de 500C no ponto 0%, nada ocorre; sabemos que, nas temperaturas mais baixas, teremos o ferro alfa, que cbico de corpo centrado e magntico na temperatura ambiente at 768C. Ao atingir 768C, o ferro perde seu magnetismo pois ocorreu uma redisposio dos eltrons, no ocorrendo alterao alotrpica, continuando o reticulado cristalino como ferro alfa (CCC) no magntico. Contudo, marca-se este ponto no diagrama com a letra "M", e d-se o nome de ponto "A2," (O ferro puro no passa na temperatura de transformao "A1"). Continuando o aquecimento, ao atingir 910C, a estrutura cristalina transforma-se de cbica de corpo centrado, para a disposio cbica de face centrada (Ponto G), isto , a estrutura cristalina do ferro alfa, transforma-se em estrutura cristalina de ferro gama. O ponto de temperatura de 910C, assinalado pela letra "G", denomina-se "ponto A3". Nos aos o aspecto da austenita (soluo slida de carbono no ferro gama) ao microscpio o de pequenos cristais sobrepostos, diferindo dos gros de ferrita (soluo slida de carbono no ferro alfa), como podemos observar abaixo.

Ferrita Austenita

Figura 13 - Diferena entre as estruturas ferrtica e austentica


Seguindo-se com o aumento da temperatura, nada mais ocorre antes de atingirmos os 1390C, a no ser, uma maior vibrao atmica e um crescimento dos gros austenticos. Porm, ao chegarmos temperatura de 1390C, a estrutura cristalina de face centrada, retorna novamente para o reticulado de corpo centrado, isto , a estrutura cristalina do ferro gama, transforma-se em estrutura cristalina de ferro delta (). Neste ponto assinala-se a letra "N" e d-se o nome de ponto de transformao "A4". A estrutura cristalina do ferro delta, permanece at os 1538C, quando ento o ferro se funde e perde as disposies cristalinas. Marca-se este ponto do diagrama com a letra "A". Resfriando-se o ferro desde o estado lquido, apresentar-se-o as mesmas transformaes ao inverso, exatamente nos mesmos pontos como citado anteriormente. O ferro puro quase no tem aplicao industrial, mas as suas transformaes alotrpicas, servem de referncia para as transformaes de todos os outros tipos de ferros e aos como veremos a seguir. Antes de prosseguirmos com outros exemplos de transformaes de fase em ligas binrias ferro-carbono, analisemos melhor o diagrama de equilbrio. As curvas ou linhas "ABCD" e "AECF", correspondentes s passagens entre estado lquido e slido, possuem uma semelhana com as linhas "GSE" e "PSK", correspondentes s transformaes que ocorrem no estado slido. O ponto "C", na parte superior do diagrama, a 1147C, indica o mais baixo ponto de fuso ou solidificao de uma liga com 4,3% de carbono, chamada de liga "euttica". Por sua vez, o ponto "S", na parte inferior do diagrama, a 723C, indica o ponto mais baixo de uma transformao slida de uma liga com 0,8% de carbono chamada de liga "eutetide" em face a semelhana do ponto "C". Portanto, todas as ligas de ferros fundidos compreendidos entre 2,06% e 4,3% de carbono, so chamadas de "hipoeutticas" e as de carbono superior a 4,3% de "hipereutticas". Da mesma forma todos os aos com teor de carbono entre 0,008% e 0,8% C, so chamados de "hipoeutetides" e os com teor de carbono entre 0,8% at 2,06%, so chamados de "hipereutetides". Prosseguindo com as explicaes sobre o diagrama de equilbrio Fe-Fe3C, consideremos como exemplo, o resfriamento de um ao hipoeutetide com 0,35% de carbono em sua composio. Acompanhar no diagrama de equilbrio reduzido (abaixo).


Figura 14 Diagrama de Equilbrio Ferro-Cementita (campo dos aos)

Acima da linha "AC", linha de lquidus, o ao com 0,35% carbono estar totalmente lquido. Ao cruzar a linha "AC inicia-se a formao dos primeiros cristais slidos de ferro delta em meio massa lquida. Estes cristais slidos aumentam gradativamente em quantidade e em tamanho, at o ao atingir a linha "AE", linha de slidus. Ao cruzar a linha "AE", o ao ento, estar inteiramente solidificado na estrutura gama ou "austenita" e assim permanecer at atingir limite superior da zona crtica na linha "GS" ou linha "A3". At este momento toda a austenita conter 0,35% de carbono dissolvido no ferro gama, e se apresentar estrutura cristalina cbica de face centrada. Ao ultrapassar a linha "A3", o ferro gama comea a se transformar gradativamente em ferrita.


Como ferrita (ferro alfa) s pode manter em soluo uma quantidade mnima carbono, o carbono excedente vai enriquecendo a austenita remanescente. A medida que o resfriamento prossegue mais tomos de carbono se difundem e mais ferrita vai se formando nos contornos de gros da austenita prvia, enquanto que o carbono excedente enriquece cada vez mais a austenita restante. A variao do teor de carbono na austenita dada pela linha de solubilidade GS e na ferrita pela linha GP (linha solvus). Como exemplo, supomos um ponto "X1" a uma determinada temperatura desta zona crtica, entre as linhas "A3" e "A1". A exata composio de ferrita e austenita desta fase em equilbrio: correspondente a esse ponto, dada pela interseco de uma linha horizontal que passe por este ponto X1, com as linhas "GP" de um lado, determinando o teor de carbono na ferrita, e "GS do outro lado, com o teor de carbono na austenita. Continuando, no decorrer do processo com resfriamento lento, ao atingir a linha "PS" 723C, linha crtica inferior ou linha "A1" o ao apresenta uma certa quantidade de ferro alfa, ou ferrita, com 0,025% C e de uma certa quantidade de austenita com teor de carbono igual a 0,8%. A ferrita assim formada situa-se no contorno dos gros da austenita. Chamamos a ateno, que a linha "A1" se inicia no ponto "P com o teor de carbono a partir de 0,025%. Prosseguindo com o acima exposto, o ao com 0,35% de carbono ao atingir a linha "A1", 723C, apresentar a mxima quantidade de ferrita que poderia separar e o restante ser constitudo de austenita com 0,8% de carbono. Ao cruzar a linha "A1" entretanto, o ferro com arranjo CFC como austenita, passa para ferro com arranjo CCC, pois abaixo de 723C no pode mais existir austenita em condies de equilbrio. Esta passagem da austenita remanescente em perlita (ferro alfa + cementita) ocorre a temperatura constante (A1) de modo progressivo de tal forma que o constituinte desta ltima transformao ser constitudo por duas fases que se alternam em forma de lamelas de ferrita ( ferro alfa) e cemetita (Fe3C). A ferrita e o Fe3C, chamado de Cementita, que nessas condies se formaram, se dispem de um modo caracterstico, aparentemente em lamelas, extremamente delgadas, distribudas alternadamente, muito prximo uma das outras, numa forma lamelar tpica, chamada de "perlita". Esta uma mistura mecnica de duas fases: Ferrita alfa + Cementita.


Figura 15 Estrutura Perltica (Perlita)

Abaixo de 723C, linha "A1", at a temperatura ambiente, no ocorrer mais qualquer alterao estrutural. Resumindo, os aos hipoeutetides, cujo teor de carbono mximo de 0,8%, so constitudos temperatura ambiente, aps resfriamento lento, de ferrita nos contornos dos gros e perlita no interior dos gros. As quantidades de ferrita e perlita variam segundo o percentual de carbono. Mais carbono, mais perlita. Menos carbono, menos perlita e mais ferrita.

Figura 16 Estrutura Ferrtica-Perltica (Ferrita+Perlita)

7.1 Regra da Alavanca Podemos calcular a constituio microestrutural, quantidade de cada fase, desse ao com 0,35% de carbono, aplicando a regra da alavanca ou dos segmentos inversos para cada temperatura. % ferrita = X1 . n . 100 (%) % austenita = X1 . m .100 (%) mn mn Consideremos agora como exemplo, o resfriamento de um ao hipereutetide com 1,4% de carbono em sua composio. Voltando ao diagrama de equilbrio reduzido, o ao com a temperatura acima da linha "AC", tambm estar totalmente lquido.


Ao cruzar a linha "AC" e reduzir gradativamente a temperatura at atingir a linha "SE", linha superior da zona crtica chamada de linha "Acm", este ao tambm repetir todo o comportamento do ao com 0,35% de carbono visto anteriormente, com alterao apenas das temperaturas nos pontos das transformaes.

Assim at atingir a linha "ACM", o ao totalmente constitudo de austenita com 1,4% de carbono dissolvido no ferro gama. Ao cruzar a linha "Acm", os gros de austenita comeam a liberar carbono, o qual sob a forma de Fe3C, cementita, vai depositar-se no contorno do gro austentico (austenita prvia). A medida que o resfriamento prossegue, cada vez mais os gros austenticos se empobrecem de carbono e aumentando a quantidade de cementita no contorno dos mesmos. A uma determinada temperatura por exemplo, 815C, entre as linhas "Acm" e "A1", ponto Y1, as fases em equilbrio so cementita (Fe3C) com o carbono igual a 6,7%, e austenita com a composio correspondente ao ponto incidente da linha horizontal nesta temperatura, com a linha "Acm", 0,95% de carbono. Prosseguindo o resfriamento, ao atingir a temperatura de 723C, teremos Fe3C e austenita de composio eutetide, isto , austenita com 0,8% de carbono. Ao cruzar a linha "A1", toda a austenita, que est com 0,8% C, ir se transformar em perlita, ocorrendo a mesma formao lamelar semelhante a anterior (ao com 0,35%C). A austenita transforma-se em perlita e a Fe3C permanece sob a forma de cementita no contorno dos gros perlticos. Assim, abaixo de 723C, linha "A1", at a temperatura ambiente, todos os aos hipereutetides sero constitudos de perlita no gro e cementita nos contornos de gro.

Perlita+Cementita

Figura 17 - Estrutura constituda de perlita com cementita no contorno de gro


Aqui tambm, podemos aplicar a regra da alavanca para obter a composio microestrutural de cada fase na liga. Finalmente, ainda dentro da classificao dos aos, analisemos no diagrama de equilbrio reduzido, as transformaes ocorridas com um ao eutetide C=0,8%. Igualmente, acima da linha "AC" estar totalmente lquido. Entre as linhas "AC" e "AE", formam-se os cristais slidos de austenita. Ao cruzar a linha "AE", o ao eutetide estar totalmente solidificado na estrutura austentica, igualmente como ocorre com os aos hipoeutetide e hipereutetide.

Porm, na seqncia do resfriamento, o ao eutetide no cruza a linha "A3" e nem a linha "Acm", isto , ele atinge o ponto de encontro destas duas linhas com a linha "A1. Portanto, o ao eutetide depois de solidificado, no sofre qualquer transformao de fase at atingir a temperatura de 723C, linha "A1". Ao cruzar a linha "A1", toda a austenita transformar-se- em perlita, nas mesmas condies e razes, como ocorrem com os aos hipoeutetide e hipereutetide, j explicadas anteriormente nos exemplos com aos de 0,35% e 1,40% de carbono. Nessas condies, todo o ao com a composio correspondente ao ponto eutetide, quando sofrer um resfriamento lento, ser constitudo na temperatura ambiente, exclusivamente de perlita. A microestrutura do ferro puro e de todas as ligas binrias de ferro-carbono de 0% at 2,06% de carbono, com a temperatura acima da linha superior crtica A3 e Acm, "austenita" e abaixo da linha inferior crtica A1 at a temperatura ambiente, a seguinte:

Ferrita C mximo 0,025 % a 723C e aproximadamente 0,008%C a 20C. Ao hipoeutetide C entre 0,08% e 0,8% = ferrita e perlita Ao eutetide C igual a 0,8% = perlita Ao Hipereutetide C entre 0,8% e 2,06% = perlita e cementita. Austenita uma soluo slida de carbono no ferro gama, que apresenta uma estrutura de gros poligonais irregulares. No magntica e s estvel nos aos carbono comuns, acima da linha "A1", 723C. Em aos inoxidveis especiais, aos austenticos ao cromo-nquel, apresenta-se na temperatura ambiente e possui boa resistncia mecnica com excelente tenacidade em funo da composio qumica do ao e do tamanho de gro. Ferrita, a soluo slida de carbono no ferro alfa. Contm traos de carbono em soluo e apresenta uma estrutura de gros equiaxiais. de baixa dureza e resistncia trao, porm, de elevado alongamento e boa dutilidade.


Cementita, o carboneto de ferro (Fe3C) contendo 6,7% de carbono. Apresenta-se sob a forma de finas lminas no gro perltico ou no contorno do mesmo. muito dura e quebradia, sendo nos aos de alto carbono, responsvel pela elevada dureza e resistncia, assim como pela sua baixa dutilidade. Perlita, a mistura mecnica de 88% de ferrita alfa com 12% de cementita, na disposio de lminas muito finas, igual ou menor do que um micron, dispostas alternadamente. A perlita possui propriedades mecnicas intermedirias entre as da ferrita e da cementita. a existncia dessas transformaes que nos permite aumentar ou reduzir a dureza dos aos pelo uso de tratamentos trmicos, como veremos a seguir. 8 QUADRO RESUMO

Ao Teor de Carbono

Microestrutura na temperatura ambiente Fases presentes

Hipoeutetide < 0,8 % Ferrita + Perlita Eutetide = 0,8 % Perlita (100%)

Hipereutetide > 0,8 % Perlita + Cementita

Ferrita e

Cementita

Fase Descrio

Ferrita Soluo slida de carbono em ferro no sistema cbico de corpo centrado (ferro alfa ). Austenita soluo slida de carbono em ferro gama ).

Perlita (2 Fases)

Constituinte eutetide do sistema metaestvel ferro-carboneto de ferro, apresentando-se como um agregado lamelar de ferrita e cementita.

Cementita Composto qumico - carboneto de ferro -, de frmula Fe3C e teor de carbono de 6,67%. Pode ainda conter pequenos teores de elementos como mangans, cromo e outros, formando carbonetos complexos.

9 DIAGRAMAS FORA DO EQUILBRIO 9.1 Curvas TTT tempo, temperatura e transformao Nos tratamentos trmicos, indispensvel saber as fases em que se encontra o ao nas diferentes faixas de temperatura do processo e o desvio que ir ocorrer nas transformaes, em funo das velocidades de aquecimento e principalmente na velocidade de resfriamento do ao.


Em face decorrncia desses fenmenos fsicos (aquecimento / resfriamento) e a fim de possibilitar-nos o controle das transformaes estruturais dos aos, usamos um outro diagrama chamado de "Curva TTT" Tempo Temperatura Transformao. Para outras taxas de resfriamento, que no as taxas do diagrama de equilbrio Fe-Fe3C, utilizamos as curvas fora do equilbrio. Estas curvas tambm so chamadas de diagramas de transformao isotrmica que descrevem os constituintes microestruturais resultantes da transformao da austenita instvel a uma temperatura particular (abaixo de A1) para um ao de composio qumica determinada. Resumindo, curva TTT o diagrama que relaciona o tempo em uma temperatura constante onde ocorrem as diversas transformaes nos aos no estado slido. Quando um ao eutetide for aquecido at o campo austentico e a seguir resfriado lentamente at a temperatura de 723C, a microestrutura resultante conter apenas perlita. Esta estrutura s poder ocorrer quando houver tempo suficiente, permitindo aos tomos se difundirem naquele novo arranjo. O principal mecanismo responsvel por esse acontecimento a difuso. Quanto mais alta a temperatura, maior mobilidade atmica os tomos tero dentro da estrutura. Aos que so termicamente tratados para produzir perlita geralmente tem maior dutilidade e menor dureza. Todavia quando se resfria a austenita mais rapidamente, ocorrem mudanas significativas nesta transformao para uma determinada liga de ao. Primeiro, a transformao ocorrer a uma temperatura mais baixa (menor que A1). Adicionalmente, a microestrutura resultante modificada e a dureza e a resistncia trao do ao aumentam significativamente, com uma diminuio correspondente em dutilidade e alongamento. Tomemos por exemplo um ao eutetide. Este ao apresenta uma nica temperatura crtica a 723C (A3 e Acm coincidem com A1). Abaixo dessa temperatura, teramos somente perlita se as condies de resfriamento fossem extremamente lentas (diagrama de equilbrio). Com velocidades de resfriamento da austenita cada vez maiores, a temperatura crtica de transformao, que no caso seria indicada por A1 a 723C, ser cada vez mais baixa. Com um leve aumento na velocidade de resfriamento, a temperatura de transformao ser um pouco menor, produzindo assim uma perlita mais fina, ou seja, uma perlita com espaamento menor entre as lamelas. Esta estrutura ligeiramente mais dura que a perlita grosseira e um pouco menos dtil.


O produto resultante da transformao nessas condies, at certa velocidade de resfriamento, ainda ser perlita, porm, com caractersticas estruturais e propriedades mecnicas, dependentes da temperatura de transformao. Com velocidades de resfriamento mais altas e mais baixas temperaturas de transformao, j no ocorre a formao de perlita, em contrapartida forma-se bainita. A bainita possui um arranjo acicular de finas agulhas de carboneto de ferro em uma matriz de ferrita. Bainita tem maior resistncia trao e dureza e menor dutilidade quando comparada a perlita, e muito difcil sua observao ao microscpio tico, sendo necessrio um olho muito treinado e aumento adequado. Se a taxa de resfriamento e a quantidade de carbono so suficientemente altas, a uma temperatura mais baixa de transformao, ir aparecer junto ou no com as transformaes anteriores, uma nova transformao, dando origem a um constituinte totalmente diferente, denominado martensita. Para isso necessria uma quantidade mnima de carbono no ao, para que ocorra a transformao em martensita, e tambm por isso que os aos com teor de carbono abaixo de 0,29% so os preferveis para a soldagem, uma vez que a possibilidade de formao de martensita baixa, ou quase nula. A formao da martensita um processo sem difuso; pois a taxa de resfriamento to alta que impede sua ocorrncia, ou seja, os tomos no tm tempo para se mover e nem espaamento atmico adequado. A austenita, quando submetida a taxas de resfriamento muito altas, sofre tmpera, pois o fenmeno de difuso praticamente extinto. Como conseqncia, o carbono fica aprisionado dentro da clula unitria CCC que deformada para uma estrutura tetragonal de corpo centrado. A martensita uma soluo supersaturada de carbono em ferro alfa deformada tetragonalmente com dureza e fragilidade elevadas. Possui reticulado tetragonal de corpo centrado, resultante da distoro do reticulado cbico de corpo centrado provocado pelo excesso de carbono. A martensita das ligas ferro-carbono ferromagntica. Importantes consideraes sobre o diagrama TTT Para a velocidade de resfriamento que tangencia o cotovelo da linha de incio de transformao da austenita, d-se o nome de "velocidade crtica de resfriamento", a qual de grande importncia nos tratamentos trmicos. Partindo dos fenmenos fsicos acima descritos, que na prtica dos tratamentos trmicos, elevamos a temperatura de um ao at a sua transformao em uma determinada estrutura (ferro gama) e controlamos a velocidade de resfriamento, para que se obtenha a microestrutura final desejada e em decorrncia as caractersticas desejadas.


Um outro fato que ocorre tambm, que com o aumento da velocidade de resfriamento, as transformaes alm de atrasarem o seu incio, elas tambm levam um tempo maior para se completarem. No exemplo do ao eutetide acima citado, j foi comentado no diagrama de equilbrio, que a sua transformao de ferro gama em ferro alfa + cementita na temperatura de 723C se processaria integralmente nessa temperatura se a velocidade de resfriamento fosse considerada infinitamente lenta. Repetindo, o ao eutetide (com 0,8% de carbono em sua composio) a uma temperatura acima de 723C ter a sua estrutura formada exclusivamente de austenita, a qual se transformar em perlita a uma temperatura imediatamente inferior aos 723C, se o processo de resfriamento for infinitamente lento. Para melhor entendermos uma curva TTT, passaremos a analisar as transformaes isotrmicas que ocorrem com um ao eutetide, ou melhor, usando amostras de ao eutetide devidamente austenitizados. Vamos analisar o que ocorre se resfriarmos rapidamente estas amostras at diversas temperaturas e mantivermos estas temperaturas constantes, at que se processe toda a transformao da austenita. Antes, porm, analisando o diagrama da figura 18, encontramos na linha abscissa o tempo em escala logartmica e na ordenada as temperaturas. A linha horizontal na parte superior do diagrama representa a linha inferior da zona crtica do diagrama de equilbrio Linha A1, a 723C. A linha em forma de "C" marcada com "I", define a linha de incio de transformao da austenita instvel, isto o tempo necessrio para que a transformao da austenita se inicie. A linha tambm em forma de "C" marcada com "F", define o tempo necessrio para que a transformao da austenita se complete. Finalmente, a cerca de 220C a linha "Mi" e mais abaixo a cerca de 110C a linha "Mf, indicam o aparecimento e o trmino da transformao martenstica, cuja transformao independente do tempo e das curvas em "C", ficando as suas porcentagens crescentes a partir de "Mi" e com a totalidade da transformao em Mf.


Figura 18 Curva TTT de um ao eutetide

Atravs do diagrama podemos acompanhar as estruturas resultantes das transformaes em diferentes temperaturas. Seguindo com a anlise das transformaes, e para um melhor entendimento, traamos sobre o diagrama TTT acima, trs exemplos de transformaes isotrmicas, isto , transformaes que ocorrem a uma temperatura constante. No primeiro exemplo, tomamos uma amostra de ao eutetide devidamente austenitizada na faixa de 800C e a resfriamos bruscamente at os 650C numa velocidade menor do que dois segundos e a mantemos constante nessa temperatura. A transformao ir iniciar somente aps o 8,4 segundos e concluda no 2 minuto, levando a operao de transformao um tempo aproximado de 1 minuto e 52 segundos. O constituinte final resultante perlita grosseira. Como segundo exemplo, resfriamos a nossa amostra dos 800C at 550C em menos de 1 segundo. Da mesma forma a mantemos em temperatura constante.


A transformao inicia em 1 segundo e conclui-se um pouco antes de 8 segundos, levando um tempo total de menos de 7 segundos e resultando como constituinte final perlita fina mais dura e resistente do que a do exemplo anterior. No terceiro exemplo, resfriaremos a amostra dos 800C at 280C em menos de 1 segundo. A transformao se inicia em menos de 1 minuto e se conclui com mais de 30 minutos, levando um tempo superior a 30 minutos para a total transformao. O constituinte final bainita acicular com dureza superior s amostras anteriores. Observa-se nos trs exemplos acima, que logo abaixo da temperatura crtica, o tempo de transformao grande, isto , demora para iniciar e completar, e esta demora cada vez menor medida que decresce a temperatura at cerca dos 550C. Porm, a partir dos 550C para baixo, aumentam novamente os tempos de incio e concluso de transformao. Prximo dos 220C, quando ento ocorre a linha "Mi" tem incio a formao da matensita que termina em Mf prximo ao 110C. Concluindo, observamos que o menor tempo de uma transformao, ocorre nas proximidades dos 550 C e que a partir dessa temperatura, tanto para cima at prximo da linha "Al", como para baixo at a linha "Mi", os tempos de transformao isotrmica aumentam gradativamente. Entretanto, at o momento comentamos somente sobre as transformaes isotrmicas ocorridas em uma curva TTT. As curvas TTT diferem de ao para ao. Quanto s transformaes que mais interessam sob o ponto de vista prtico, so as que ocorrem quando a temperatura decresce continuamente, visto que as operaes de tratamento trmico envolvem transformaes que normalmente ocorrem com resfriamento contnuo. Faz-se necessrio o uso de outro diagrama: Diagrama CCT ou Curvas de Resfriamento Continuo. No exemplo a seguir, a representao esquemtica de um diagrama TTT, apresenta uma srie de curvas de resfriamento contnuo.


Figura 19 Curva TTT esquemtica de um ao eutetide

A linha "A" do exemplo mostra um ao resfriado muito lentamente dentro de um forno, cuja estrutura comea a se transformar em perlita ao atingir a temperatura da linha "I" e se completa ao cruzar a linha "F". Essa perlita lamelar e de baixa dureza. Com o resfriamento mais rpido ao ar, representado na linha "B", a estrutura do ao ainda resultar em perlita, porm, mais fina e mais dura do que a anterior. Utilizando uma velocidade de resfriamento ao ar soprado, maior do que a anterior, representada pela linha "C" a transformao que inicia em "I" e ainda se completa na linha "F", resulta numa perlita mais fina e mais dura ainda do que as anteriores. Na quarta representao, linha "D", com o resfriamento em leo mais rpido do que os anteriores, a transformao da austenita iniciada na linha "I" no chega a se concluir, isto , no cruza a linha de transformao final "F", ficando a transformao perltica interrompida. Ao atingir a linha Mi, o restante da austenita que no chegou a se transformar em perlita ou bainita, comea a transformar-se em martensita, terminando essa transformao quando a temperatura atingir a linha Mf.


A estrutura resultante dessa velocidade de resfriamento ser constituda de perlita, bainita e martensita simultaneamente. Finalmente na representao da linha "E", com o resfriamento muito rpido em gua, verifica-se que esse resfriamento no toca a curva isotrmica, de modo que no h transformao da austenita em estruturas dteis, mas simplesmente em estrutura martenstica, quando a temperatura cruzar as linhas "Mi" e "Mf". Portanto, os aos resfriados mais rapidamente apresentam maior dureza. Podemos notar tambm no diagrama representado, a existncia de uma velocidade de resfriamento, curva "T", que tangencia o cotovelo da curva "I" de transformao. Essa velocidade de resfriamento contnuo chama-se "velocidade crtica de resfriamento", sendo desnecessrio resfriar o ao mais rpido do que ela, para obtermos estruturas martensticas. Por outro lado, velocidades excessivamente rpidas de resfriamento podem ocasionar danos como empenamentos das peas e at o aparecimento de trincas. Definindo, "Velocidade Crtica de Resfriamento", e a menor velocidade de resfriamento de um ao que produzir uma microestrutura totalmente martenstica. Como j mencionado anteriormente, as curvas TTT diferem de ao para ao, isto , elas possuem caractersticas distintas em funo da composio qumica de cada ao. Como exemplo, observamos as duas curvas TTT, da figura 20 abaixo, sendo uma de ao hipoeutetide e a outra de hipereutetide.

Figura 20 Curva TTT de um ao hipoeutetide e de um ao hipereutetide


As curvas dos aos que no so o ao eutetide diferem em primeiro lugar pela posio do incio da temperatura crtica superior, linha "A3". No ao eutetide, a linha "A3" coincide com a linha "A1" a 723C. Nota-se tambm, o aparecimento de mais uma curva acima das curvas em "C" de transformao: linha "F1" nos aos hipoeutetides, a qual indica a separao inicial da ferrita quando o ao entra na zona crtica durante o resfriamento lento e linha "Ci", nos aos hipereutetides, a qual indica a separao inicial da cementita quando este ao entra tambm na zona crtica durante o resfriamento mais ou menos lento. Comparando-se os dois diagramas acima, destaca-se ainda o deslocamento das curvas de transformao em "C" para a esquerda nos aos com menos carbono e para a direita nos aos com maior teor de carbono comparado com o ao eutetide; alm disso, as temperaturas de transformao martenstica, indicadas pelas linhas "Mi" e "Mf", so mais elevadas nos aos com menor teor de carbono do que o ao eutetide. Esta um das razes pelas quais os aos carbono e sem elementos de liga, com teores baixo de carbono, so mais difceis de formarem microestruturas totalmente martensticas, embora aplicando-se uma velocidade de resfriamento extremamente elevada. Assim como o carbono altera a posio das linhas de transformao no diagrama TTT, conforme sua porcentagem no ao, existem outros fatores que tambm influenciam na posio dessas curvas, tais como: a composio qumica do ao, o tamanho de gro da austenita, o grau de homogeneidade da austenita mesmo com baixas velocidades de resfriamento, como podemos observar nos dois diagramas da figura 20. Quanto composio qumica, todos os elementos de liga, com exceo do cobalto, deslocam as curvas de transformao "C" para a direita, alterando as temperaturas de transformao da martensita. Esse fenmeno ocorre, porque quando o ao est na temperatura acima da zona crtica, acima da linha "A3", praticamente todos os elementos de liga se dissolvem na austenita, isto , se encontram em soluo slida no ferro gama. Durante o resfriamento, quando o ao se encontra na zona crtica, alguns elementos tendem a ficar dissolvidos no ferro alfa e outros que tendem a formar carbonetos. Portanto, quando o ao entra na zona crtica durante o resfriamento, os elementos de liga procuram se dispor de acordo com a sua tendncia, dissolvendo-se na ferrita, ou formando carbonetos, ou permanecendo na austenita instvel. Essas reaes sero tanto mais complexas e numerosas, quanto maior for a porcentagem e a quantidade de elementos de liga na composio do ao.


Quanto mais complexas e numerosas, maior ser o tempo necessrio para se iniciarem e finalizarem essas reaes, de forma a atrasarem o incio e o fim das transformaes da austenita instvel. Esse fato ir ocasionar o deslocamento das curvas do diagrama TTT para a direita como j foi mencionado acima. A conseqncia mais importante desse deslocamento, a maior facilidade de se obter a estrutura totalmente martenstica, mesmo com baixas velocidades de resfriamento como podemos observar nos dois diagramas da figura 21.

Figura 21 Curva TTT de um ao SAE 4140 e de um ao SAE 4340. Com relao ao tamanho de gro da austenita, observa-se que quanto maior for o tamanho do gro austentico, tanto mais para a direita se deslocam s curvas de transformao, resultando no atraso do incio e fim da formao da perlita/bainita. A razo que a formao de perlita inicia nos contornos dos gros austenticos e quanto maior for o tamanho de gro, mais tempo levar a transformao para se completar.

Figura 22 - Influncia do tamanho do gro austentico na transformao da austenita


Nota-se na representao acima, que dentro de um determinado tempo, enquanto o gro menor apresenta a transformao total em perlita, nos gros maiores, a mesma ainda no se completou. Assim, um ao com granulao austentica grosseira dificulta a formao da perlita, mas facilita a obteno da martensita, devendo, contudo ser evitada, pela simples razo que a granulao grosseira diminui a tenacidade do ao, provoca maiores empenamentos, facilita a formao de trincas, gera tenses internas podendo ainda manter a austenita retida. O tamanho do gro austentico cresce quando o ao levado a temperaturas muito acima da temperatura crtica superior, linha A3, ou mantido acima da temperatura crtica por um tempo demasiadamente longo, ou ainda, pelas duas razes, tempo e temperatura acima do necessrio para a total transformao da austenita. Por ltimo, a homogeneidade da austenita, tambm interfere sobre a posio das curvas TTT / CCT. Quanto mais heterognea for a austenita pela presena por exemplo de carbonetos residuais ou reas localizadas ricas em carbono, mais para a esquerda se deslocam as curvas de transformao da austenita, favorecendo a formao da perlita e dificultando a obteno da martensita. Portanto, para um tratamento correto de tmpera, o ao deve ser o mais homogneo possvel. Concluindo, assim como as curvas TTT / CCT diferem de ao para ao, convm ressaltar ainda, que as curvas para um determinado ao sofrem variaes regulares de uma corrida para outra corrida. 9.2 Curvas CCT transformao sob resfriamento contnuo As curvas de Transformao sob Resfriamento Contnuo (Continuous Cooling Transformation em ingls), apresentam as mudanas que ocorrem durante o resfriamento contnuo a partir da austenita. Esse tipo de diagrama e o diagrama TTT se complementam tornando-se ferramenta til para o metalurgista e para o inspetor de soldagem. A figura 23 mostra o diagrama CCT de um ao eutetide.


Figura 23 - Diagrama CCT de um ao eutetide

Este diagrama mostra os constituintes microestruturais como uma funo da transformao com base na temperatura e no tempo. So apresentadas vrias velocidades de resfriamento para ilustrar como o diagrama utilizado. Os produtos de transformao resultantes dependem das regies pelas quais as curvas de resfriamento passam e quanto tempo se leva para as curvas de resfriamento atravessarem essas regies. Como exemplo, a curva "A" passa apenas pelo campo de transformao de austenita em martensita resultando em uma estrutura 100% martenstica. A uma velocidade de resfriamento mais lenta, caracterizada pela curva D os componentes microestruturais resultantes sero principalmente ferrita e teores de bainita e martensita, uma vez que a martensita s pode se transformar a partir da austenita. Qualquer austenita que se transforma em ferrita ou bainita no pode se transformar posteriormente em martensita.


10 CONSIDERAES METALRGICAS DURANTE A SOLDAGEM A soldagem proporciona mudanas significativas na temperatura do metal de base e tambm na velocidade de resfriamento do metal de solda, ento necessrio entender que a soldagem favorece a ocorrncia de diversas transformaes metalrgicas tanto no metal de solda como na zona afetada termicamente. A figura 24 mostra a relao entre as temperaturas de pico (temperatura mxima para cada ponto na ZTA) exibidas em vrias regies da junta soldada e o diagrama de equilbrio ferro-carboneto de ferro.

Figura 24 Correlao entre temperaturas de pico em uma junta soldada e as fases presentes no diagrama de equilbrio Fe-Fe3C

Como pode ser visto, dependendo do ponto estar dentro ou adjacente zona fundida / solda, podem ser obtidas vrias estruturas metalrgicas. Dentro da solda, na regio submetida a temperaturas mais altas, o metal se resfria do estado lquido pelas regies de transformao de fase muito rapidamente. A ZTA (zona afetada termicamente) a regio no metal de base adjacente zona fundida (solda), que submetida a temperaturas que variam da temperatura de fuso do metal de base at temperaturas em que ocorre a ltima transformao de fase e/ou recristalizao no metal que esta sendo soldado. Mudanas nas condies de soldagem podem ter um efeito muito significativo na formao das diversas fases presentes nessa regio (ZTA) aps o resfriamento total, face as diferentes velocidades de resfriamento. Algumas das condies de soldagem que podem produzir mudanas incluem o processo de soldagem a energia de soldagem, o uso de pr e ps aquecimento, a espessura, o detalhe da junta, a condutividade trmica, etc.


Por exemplo, medida que a energia de soldagem aumenta, diminui a velocidade de resfriamento. O uso de um eletrodo de menor dimetro, corrente de soldagem mais baixas, e velocidades de soldagem (avano) maiores conjuntamente, ou separados, iro diminuir a energia trmica e aumentar a velocidade de resfriamento. Nenhuma solda por fuso pode ser realizada sem acumular um gradiente trmico no metal de base. A difuso de calor para o metal de base fortemente influenciada pela temperatura da poa de fuso e pela velocidade de soldagem. Soldagem com alta potncia e alta velocidade reduz o gradiente trmico. Num ponto da ZTA logo alm da borda da poa de fuso a temperatura aumenta rapidamente a um nvel prximo ao da poa de fuso e diminui rapidamente produzindo um efeito como o de tmpera. Em aos essa regio torna-se austentica durante o aquecimento e pode conter o constituinte duro e frgil, conhecido como martensita quando se resfria. Essa regio desenvolve gros grosseiros (regio de crescimento de gro), porm um pouco mais alm, onde a temperatura no foi to alta, entrando na faixa acima da temperatura de transformao, mas no atingindo a regio austentica, o tamanho de gro menor (regio de refino de gro). Mais alm ainda, no h alterao no tamanho de gro, mas o calor suficiente para reduzir a dureza dessa regio e eliminar at certo ponto os efeitos de qualquer encruamento (regio intercrtica). Efeitos metalrgicos similares so tambm observados na regio adjacente, aps cortes com aporte trmico. Em materiais endurecveis por soluo slida como ligas de alumnio, por exemplo, a regio prxima poa de fuso torna-se efetivamente solubilizada por tratamento trmico e ter sua dureza aumentada com o tempo ou com um tratamento trmico subseqente a baixas temperaturas, causando endurecimento por precipitao. Em materiais que no sofrem transformao, como os aos, nem endurecem por soluo slida, como ligas de alumnio tratveis termicamente, os efeitos do calor so mais simples, sendo aplicados principalmente para reduzir a dureza e para a eliminao completa ou parcial do encruamento. Raramente a condio de soldagem to simples como foi descrita acima porque os metais de base so freqentemente imperfeitos quando observados detalhadamente, sendo tambm possvel para a poa de fuso introduzir hidrognio na zona termicamente afetada.


Esta , portanto, uma regio potencial de defeitos e seu comportamento em um material qualquer um aspecto importante da considerao de soldabilidade. Soldabilidade, no entanto, uma propriedade do material que no pode ser definida precisamente porque varia com o processo empregado e com a maneira como o processo utilizado. Materiais com soldabilidade ruim podem ser soldados satisfatoriamente desde que seja tomado muito cuidado na seleo do consumvel, no controle da soldagem e na inspeo final. Isso freqentemente significa muitos testes antes da produo e naturalmente um aumento nos custos. Temperabilidade Temperabilidade a facilidade com que um metal endurece ao ser resfriado rapidamente da temperatura de austenitizao, ou seja, sua tendncia para formar martensita. Outros elementos de liga tambm contribuem na temperabilidade em maior ou menor grau. Carbono equivalente O carbono equivalente uma expresso emprica que usada para determinar o efeito combinado de elementos de liga na temperabilidade de um determinado ao. Um exemplo de um carbono equivalente tpico (C.E.) mostrado abaixo.

4%

13%

5%

15%

6%% MoCuCrNiMnCCE +++++= - Equao 1

OBS.: Esta frmula foi desenvolvida pelo IIW (Internacional Institute of Welding Gr-Bretanha), e tem sua validade restrita aos aos carbono e aos baixa liga, que no contm mais que 0,5%C, 1,5%Mn, 3,5%Ni, 1%Cr, 1%Cu, e 0,5%Mo. Determinado o carbono equivalente, podemos prever a faixa aproximada de temperatura de pr-aquecimento em funo da tabela abaixo.

Carbono Equivalente Temperatura de pr-aquecimento At 0,45 Opcional

0,45 a 0,60 95 a 205C Acima de 0,60 205 a 370C

Utilizando estas informaes, possvel tomar uma deciso preliminar sobre qual temperatura seria mais satisfatria para uma determinada aplicao. Outros fatores afetaro esta deciso, mas este o ponto de partida.


A espessura do metal de base tem tambm um efeito na taxa de resfriamento, geralmente a soldagem de metais de base mais espessos resfriam mais rapidamente que metais com espessuras menores. A maior capacidade de absoro de calor, associado com maior espessura, produz taxas de resfriamento maiores para o metal de solda. Assim, quando maiores espessuras so soldadas, vrios requisitos de soldagem, como pr-aquecimento e controle de temperatura de interpasse, podem ser especificados para reduzir a taxa de resfriamento, melhorando assim as propriedades mecnicas resultantes da ZTA. 11 APORTE TRMICO E ENERGIA DE SOLDAGEM O calor lquido adicionado (contribuio de calor na solda ou calor transferido) pode ser calculado, atravs da equao abaixo, para qualquer processo de soldagem a arco, este depende da corrente de soldagem, da tenso de arco, da eficincia do processo e da velocidade de trabalho, medida ao longo do eixo longitudinal da junta. A frmula do calor lquido adicionado mostrada abaixo.

Corrente de soldagem (A) x tenso de arco (V) x 60 x Cliq = Velocidade de Soldagem (mm/min.)

Processo Eficincia Trmica (%) Laser e feixe de eltrons 5-20 0,05-0,2

TIG 30-60 0,3-0,6 Plasma 50-60 0,5-0,6

MIG 70-80 0,7-0,8 Eletrodo revestido 90 0,9

Arco submerso 90 0,9 Na equao acima, a contribuio de calor (ou calor lquido adicionado) expressa em joules por milmetro (J/mm), e a velocidade de soldagem em milmetros por minuto (mm/min). A unidade joule tambm pode ser expressa como watts por segundo. Ento, o nmero 60 usado para converter os minutos na velocidade de soldagem em segundos. Pode ser solicitado ao inspetor de soldagem para monitorar a contribuio de calor de soldagem afim de controlar as propriedades e a microestrutura resultantes do aquecimento na ZTA. Outro item com efeito significativo sobre a microestrutura resultante da ZTA o pr-aquecimento.


Em geral, o pr-aquecimento proporcionar a reduo da taxa de resfriamento do metal de solda e da ZTA, obtendo melhoria da ductilidade. Quando no usado pr-aquecimento, a ZTA relativamente estreita e com dureza elevada. Em alguns casos, dependendo da composio da liga pode ocorrrer a formao de martensita, o que pode ser indesejvel. Com a utilizao do pr-aquecimento a ZTA mais larga e a dureza resultante significativamente mais baixa devido a lenta taxa de resfriamento que permite a formao de ferrita, perlita, e possivelmente bainita em vez de martensita. Esta exigncia est principalmente relacionada a necessidade de reduo da velocidade de resfriamento na ZTA e produzir microestruturas com as propriedades desejveis. Outro fator importante para a soldagem de um ao seu carbono equivalente. O carbono, dentre os elementos, o de maior efeito sobre a temperabilidade do ao. Quanto maior o contedo de carbono, mais tempervel ser o ao. 12 FLUXO DE CALOR Devido a diversidade de fontes de energia usadas em soldagem, que poderiam ser relacionadas a intensidade da fonte de energia, isto , como o calor atinge e penetra no material base, para fundi-lo, ou para criar condies para facilitar a interao atmica no caso de processos sem fuso de metal de base. H grandes diferenas quanto aos efeitos trmicos numa junta soldada, gerada pelo processo de soldagem utilizado ou pelo procedimento adotado. Ao utilizarmos o arco eltrico como fonte de energia, deve-se ter em mente que:

a elevada concentrao de energia que provoca bruscas variaes de temperatura, fuso do metal base e do metal de adio, variaes dimensionais e microestruturais, tenses residuais etc, podem provar trincas.

o jato plasma, no interior do arco eltrico agita a poa de fuso. a transferncia do metal de adio se d numa atmosfera apropriada e protetora. a espessura relativa do metal de base face a intensidade da fonte, ocasiona uma

distribuio de calor bidimensional (chapa fina) ou uma distribuio tridimensional (chapa grossa).

12.1 Ciclo trmico da soldagem Devido grande gama de fontes de calor usadas na soldagem h grandes diferenas entre esses processos relacionadas as caractersticas trmicas assim como as conseqncias dessas caractersticas.


Conhecendo a temperatura alcanada possvel interpretar os fenmenos metalrgicos que so o resultado de um efeito trmico. Alm da condio de temperatura, h uma ou mais condies de tempo, relativo ao aquecimento ou resfriamento. Para interpretar fenmenos que surgem durante a operao de soldagem a um determinado ponto da operao necessrio saber o ciclo trmico da solda, i.e. a variao de temperatura em funo do tempo t. A curva abaixo corresponde ao que ocorre num determinado ponto de uma solda com a passagem do calor, inclusive nos fornece algumas informaes sobre a magnitude de variveis, isto :

Temperatura mxima alcanada; Tempo a que a solda ficou submetida acima de uma determinada temperatura; Taxa de resfriamento a que a pea foi submetida.

Figura 25 - Curva de Ciclo Trmico.

Assim uma vez determinado um ponto, a magnitude de variveis associadas com o ciclo de calor nos d acesso para o conhecimento ou antecipao de fenmenos metalrgicos que surgem naquele ponto, como modificaes estruturais ou de transformaes que ocorrem durante o aquecimento ou o resfriamento. Consideramos um ponto A situado a uma certa distncia do centro da solda e pela sua localizao em relao a espessura do metal de base. Durante a soldagem haver um fluxo de calor sobre o ponto A em relao ao tempo que pode ser visto na figura 25.


Diferentes ciclos trmicos representam a evoluo da temperatura na ZTA ao longo do tempo, durante e aps a soldagem, ocasionando alteraes microestruturais e consequentemente variaes quanto s propriedades mecnicas e caractersticas de resistncia corroso. O ciclo trmico far o ponto A nos fornecer algumas informaes importantes:

a mxima temperatura alcanada pelo ponto A - max Tempo de permanncia acima de uma determinada temperatura Ts velocidade de resfriamento VR temperatura considerada da R tempo de resfriamento TR entre as temperaturas, por exemplo: 1 e 2

Desta forma o ciclo trmico possibilita a interpretao e previso das transformaes metalrgicas ao longo da ZTA, quando associado aos diagramas fora do equilbrio, por exemplo, as curvas CCT transformao sobre resfriamento contnuo ou melhor, ainda os diagramas levantados para certas condies especficas de soldagem sobre uma dada liga metlica. A partir de diversos ciclos trmicos correspondentes a vrios pontos do metal de base possvel traar a curva de repartio trmica, ou seja, a variao das mximas temperaturas correspondente a pontos distantes do eixo da solda (centro da solda). Mas se desejarmos ter acesso distribuio topogrfica dessas modificaes ao redor da rea da solda, ns precisamos saber as curvas que traduzem a distribuio de calor e, em particular, a curva conhecida como curva de repartio trmica, que nada mais do que a representao grfica para a variao da temperatura mxima alcanada em cada ponto como uma funo da distncia ao centro da poa de fuso. Como cada fenmeno, como uma primeira condio, caracterizado pela temperatura necessria, ns podemos, devido curva, saber de antemo o local ou o limite exterior da zona onde aquele fenmeno passvel de acontecer. Assim ns temos uma definio bastante geral do que efetivamente vem a ser a ZTA ou Zona Termicamente Afetada que o local onde este fenmeno acontece. Para soldagem de aos, esta expresso est reservada para a zona da solda que foi austenitizada, ou seja, a regio que sofreu transformao metalrgica acima das A3 e Acm que pode corresponder a uma transformao completa ou parcial. tambm possvel conhecer a extenso da ZTA atravs do conhecimento das curvas de repartio trmica.


12.2 Repartio Trmica

A B Figura 26 - Curvas de repartio Trmica

Podemos observar na figura acima, direita, que quanto maior for o tempo de permanncia na faixa de temperatura em que o material permanece austenitizado maior ser a extenso da ZTA. A repartio trmica mantm sua forma ao longo do cordo de solda depois de estabelecido o regime de soldagem. A repartio trmica associada ao diagrama de equilbrio Fe-Fe3C permite determinar a extenso das regies onde ocorrem as transformaes metalrgicas, portanto a extenso da ZTA. Observando a figura 26 podemos concluir que quanto maior for o tempo de permanncia na faixa de temperatura em que a liga (aos) permanece austenitizada, maior ser a extenso da ZTA. Embora ao longo da ZTA ocorram diferentes transformaes microestruturais, na prtica procura-se trat-la em toda sua extenso como sujeita aos fenmenos mais crticos, como por exemplo, a tmpera associada a maiores velocidades de resfriamento ou ao tempo de resfriamento mais lento em relao a duas temperaturas consideradas. Por exemplo, entre T 800-500 C. 12.3 Fatores de influncia Face ao exposto podemos concluir:

quanto maior a distncia X do centro da solda, menor a max atingida e menor a velocidade de resfriamento.

a max e a velocidade de resfriamento so tambm funes das propriedades fsicas do metal ou liga metlica, da distncia x, da espessura do metal base e do detalhe da junta.


para um pr-aquecimento maior e para maior energia de soldagem lquida, tem-se maiores temperaturas mximas (max) e menores velocidades de resfriamento.

para maiores espessuras do metal de base, se tem maiores velocidades de resfriamento at certo limite, que tambm funo da energia de soldagem lquida que por sua vez depende do procedimento de soldagem.

a velocidade de resfriamento tambm funo do detalhe da junta, face aos caminhos de fluxo de calor, por exemplo:

Figura 27 - Alguns caminhos possveis ao fluxo de calor

13 ELABORAO DA ZONA FUNDIDA

Durante o processo de soldagem ocorrem diversos fenmenos causados pela reao entre o metal de solda e os gases presentes. Ocorrem tambm alguns fenmenos causados pela elevada temperatura do arco, pois em alguns processos de soldagem essa temperatura pode chegar a at 15.000 kelvin. O ponto de ebulio, porm, da maioria dos metais em bem inferior a isso, ou seja, o metal que tem maior ponto de ebulio que o Rnio que evapora a 5596C. Listamos abaixo o ponto de ebulio de alguns elementos puros a 1 atm:

Elemento Qumico Ponto de ebulio(C) W 5555 Mn 2061 Cr 2671 Si 3265 Ti 3287 V 3407

Nb 4744 Ni 2913 Fe 2861

13.1 Volatilizao Isso explica, em parte, porque ocorrem perdas por volatilizao, ou seja, ocorrem temperaturas to elevadas em condies termodinmicas to adversas que levam alguns metais sublimao (mudana do estado slido para o gasoso).


Esta sublimao tem como conseqncia a diminuio do teor de elementos de liga no metal de solda, essas perdas so compensadas quando se usa os consumveis de soldagem adequados e que tem sua composio ajustada para evitar que haja diferenas substanciais entre a composio dos metais de base e de solda. Estas diferenas, quando existentes, poderiam influenciar no s nas propriedades mecnicas, mas tambm nas propriedades anticorrosivas e nos mecanismos de desgaste quando se faz revestimentos que visam a aumentar a resistncia abraso do material.

13.2 Reaes Qumicas Reaes qumicas gs-metal Outras perdas ocorridas esto relacionadas com a reao metal gs e algumas delas so regidas pelas equaes abaixo: CO + Mn MnO + C 2CO + Si SiO2 + 2C CO + Fe FeO + C H2O + CO CO2 + H2

Reaes Qumicas escria - metal Essa reao importante pois alm de tornar possvel o aporte de elementos de liga provenientes do revestimento do eletrodo e do fluxo, tanto do arco submerso quanto dos arames tubulares ao metal, tambm permite a transferncia para o metal de solda de elementos desoxidantes como Si e Mn. Estes elementos ajudam a reduzir em alguns casos a porosidade dos aos, e em algumas situaes permitem tambm a adio de elementos dessulfurantes como o caso do Mn em aos suscetveis fissurao quente causada por eutticos de baixo ponto de fuso. Para o caso especfico do Sulfeto de ferro (FeS), quando substitudo por Sulfeto de Mn (MnS) minimiza e em alguns casos elimina por completo a ocorrncia de suscetibilidade ocorrncia da fissurao quente em aos carbono e baixa-liga. S se deve tomar cuidado com o uso concomitante de arames e fluxos de alto Mn usados em soldagem ao arco submerso, pois a reao do arame de alto Mn com o fluxo de alto Mn pode aumentar muito a concentrao de Mn no metal de solda o que pode originar trincas em pontos duros com alta concentrao de Mn, principalmente quando se usa energia de soldagem muito alta associada a uma velocidade de soldagem muito baixa.


13.3 Precipitao de compostos de soluo slida e fases pr-fusveis Outros possveis defeitos na ZTA incluem trincas de liquao causadas pela fuso de constituintes de baixo ponto de fuso presentes nos contornos de gro, resultando em microtrincas que podem posteriormente formar locais de propagao de trincas maiores. Ocorre que o metal de solda ao se solidificar passa por processos metalrgicos que incluem transformao de fase e em alguns casos esses processos podem levar a formao de segregao na ltima parcela do metal de solda. Esta ltima parcela de metal de solda ao se solidificar, alm de estar sujeito a foras de contrao devido ao efeito do resfriamento, tambm ser a ltima parte a ser solidificada, sendo que todo o restante dos elementos que no puderam ser colocados em soluo slida estaro presentes nessa fase. Ento, devido ao efeito da reao euttica ser solicitado ainda quente quando tem suas propriedades mecnicas sob o efeito de fluncia, o que resultar em uma fissura no local que foi resfriado por ltimo e solicitado pelas foras de contrao ao mesmo tempo. Segregaes Como j visto anteriormente as ligas metlicas possuem um limite de solubilizao de um dado elemento em outro, o caso, por exemplo, das ligas ferro carbono em que existe um limite de solubilidade do carbono na ferrita de 0,025% e na austenita de 2,06%. Mecanismo Outras ligas metlicas apresentam este mesmo fenmeno de maneira tal que a medida que uma poro do metal vai se solidificando e no consegue dissolver ou manter em soluo slida uma certa quantia de elementos de liga ou impurezas maior que seu limite de solubilidade. Essa poro de elementos de liga ou impurezas que no conseguiu se dissolver mantida lquida, muitas vezes inclusive porque a maior concentrao de um dado elemento ajuda a diminuir o ponto de fuso da liga. Assim sucessivamente a cada nova poro solidificada a poro lquida remanescente vai sendo enriquecida em elementos que no conseguiram ficar em soluo slida na poro anteriormente solidificada, porm ocorrer um momento em que essa poro tambm necessitar se solidificar e ento essa poro de elementos que no conseguiu se manter em soluo slida se precipitar formando a segregao.


Diluio A diluio do metal de base pelo consumvel de soldagem ocorre no momento da formao da poa de fuso, ou seja, o metal de base que fundido pelo calor do arco eltrico incorporado ao metal de solda, dessa maneira j no ex

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