Universidade Federal de Minas Gerais Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais Introduo Metalurgia da Soldagem Paulo J. Modenesi Paulo V. Marques Dagoberto B. Santos Belo Horizonte, maro de 2011 Nota de Apresentao: Asoldagemomaisimportanteprocessoindustrialdefabricaodepeasmetlicas. Processos de soldagem ou processos afins so tambm utilizados na recuperao de peas desgastadas,paraaaplicaoderevestimentosdecaractersticasespeciaissobre superfcies metlicas e para corte. O sucesso da soldagem est associado a diversos fatores e, em particular, com a sua relativa simplicidade operacional. Por outro lado, apesar desta simplicidade,nosepodeesquecerqueasoldagempodesermuitasvezesumprocesso traumtico para o material, envolvendo, em geral, a aplicao de uma elevada densidade de energia em um pequeno volume do material, o que pode levar a alteraes estruturais e de propriedades importantes dentro e prximo da regio da solda. Odesconhecimentoouasimplesdesconsideraodasimplicaesdestacaracterstica fundamentalpoderesultaremproblemasinesperadose,emalgunscasos,graves.Estes problemaspodemserefletirtantoematrasosnafabricaoouemgastosinesperados, quandooproblemaprontamentedetectado,oumesmoemperdasmateriaise, eventualmente, de vidas, quando o problema levado s suas ltimas consequncias. Almdeaspectosmetalrgicos,aengenhariadesoldagemenvolveconhecimentosem diferentesreascomoafsica,qumica,eletricidadeeeletrnica,mecnica,higienee segurana. Estes aspectos no sero considerados neste texto. Estetextofoidesenvolvidocombaseemdiferentesdisciplinasministradaspelosautores nos cursos de Graduao em Engenharia Metalrgica e de Ps-graduao em Engenharia MetalrgicaedeMinasdaUniversidadeFederaldeMinasGerais.Oscaptulos1e3 foram escritos em conjunto pelos professores P. J. Modenesi e P. V. Marques, o captulo 2 foiescritoporP.J.ModenesieD.B.Santos,oscaptulos4a8porP.J.Modenesieo captulo 9 por D. B. Santos. Os autores agradecem a todos que, ao longo de vrios anos, colaborarame,tambm, quelesquevenhamacolaborarcomsugestese crticasparao aperfeioamento deste trabalho. Paulo J Modenesi Sumrio 1. Introduo 1.1. Mtodos de unio dos metais 1.2. Definio de soldagem 1.3. Pequeno histrico da soldagem 1.4. Formao da junta soldada 1.5. Processos de soldagem 1.6. Escopo da metalurgia da soldagem 1.7. Referncias bibliogrficas 2. Fundamentos de metalurgia fsica 2.1. Introduo 2.2. Estrutura cristalina 2.3. Diagrama de fases 2.4. Aspectos cinticos 2.5. Metalurgia fsica dos aos 2.5.1. Solidificao dos aos 2.5.2. Diagrama de equilbrio Fe-C 2.5.3. Estrutura dos aos resfriados lentamente 2.5.4. Distribuio dos elementos de liga nos aos 2.5.5. Influncia dos elementos de liga sobre os campos o e do diagrama Fe-C 2.5.6. Aspectos cinticos 2.5.7. Tratamento trmico dos aos 2.6. Referncias bibliogrficas 3. Fluxo de calor em soldagem 3.1. Introduo 3.2. Balano trmico na soldagem por fuso 3.3. Estudo terico do fluxo de calor 3.4. Mtodos experimentais 3.5. O ciclo trmico de soldagem 3.6. Influncia dos parmetros operacionais 3.7. Mtodos para o clculo da velocidade de resfriamento 3.8. Macroestrutura de soldas 3.9. Referncias bibliogrficas 4. Efeitos Mecnicos do Ciclo Trmico 4.1. Introduo 4.2. Tenses Residuais em Soldas 4.2.1. Origem 4.2.2. Distribuio 4.2.3. Determinao Experimental 4.2.4. Consequncias 4.2.5. Controle e Alvio de Tenses Residuais 4.3. Distoro de Soldas 4.3.1. Tipos 4.3.2. Efeito das Propriedades do Material na Distoro 4.3.3. Controle e Correo da Distoro 4.4. Bibliografia 5. Influncias metalrgicas no metal fundido 5.1. Introduo 5.2. Interaes metal-gs 5.3. Interaes metal-escria 5.4. Diluio e formao da zona fundida 5.5. Solidificao da poa de fuso 5.6. Referncias bibliogrficas 6. Influncias metalrgicas no metal base e no metal solidificado 6.1. Introduo 6.2. Formao da zona termicamente afetada 6.3. Tenses residuais e distoro 6.4. Fragilizao da zona termicamente afetada 6.5. Referncias bibliogrficas 7. Fissurao em juntas soldadas 7.1. Aspectos gerais 7.2. Trincas associadas com a solidificao 7.3. Trincas por liquao na zona termicamente afetada 7.4. Trincas por perda de dutilidade (ductility dip cracking) 7.5. Trincas pelo hidrognio 7.6. Decoeso lamelar 7.7. Tipos de fissurao em servio 7.8. Ensaios de fissurao 7.9. Referncias bibliogrficas 8. Aspectos do comportamento em servio de soldas 8.1. Introduo 8.2. Fratura frgil 8.3. Fratura por fadiga 8.4. Corroso de juntas soldadas 8.5. Referncias bibliogrficas 9. Tcnicas metalogrficas para soldas 9.1. Introduo 9.2. Macrografia 9.3. Micrografia 9.4. Tcnicas que envolvem feixes de eltrons 9.5. Exemplos de aplicao 9.6. Referncias bibliogrficas Captulo 1 Introduo Metalurgia da Soldagem -1.1 1 - INTRODUO A soldagem o mais importante processo industrial de fabricao de peas metlicas. Processos de soldagem e processos afins so tambm utilizados na recuperao de peas desgastadas, para a aplicao de revestimentos de caractersticas especiais sobre superfcies metlicas e para corte. Osucessodasoldagemestassociadoadiversosfatorese,emparticular,comasuarelativa simplicidade operacional. Por outro lado, apesar desta simplicidade, no se pode esquecer que a soldagempodesermuitasvezesumprocessotraumticoparaomaterial,envolvendo,em geral, a aplicao de uma elevada densidade de energia em um pequeno volume do material, o que pode levar a importantes alteraes estruturais e de propriedades dentro e prximo da regio da solda. Odesconhecimentoouasimplesdesconsideraodasimplicaesdestacaracterstica fundamentalpoderesultaremproblemasinesperadose,emalgunscasos,graves.Estes problemas podem se refletir tanto em atrasos na fabricao ou em gastos inesperados, quando o problemaprontamente detectado,ou mesmoemperdasmateriaise,eventualmente,devidas, quando o problema levado s suas ltimas consequncias. 1.1 - Mtodos de Unio dos Metais Osmtodosdeuniodosmetaispodemserdivididosemduascategoriasprincipais,isto, aquelesbaseadosnoaparecimentodeforasmecnicasmacroscpicasentreaspartesaserem unidaseaquelesbaseadosemforasmicroscpicas(interatmicasouintermoleculares).No primeiro caso, do qual so exemplos a parafusagem e a rebitagem, a resistncia da junta dada pelaresistnciaaocisalhamentodoparafusoourebite,maisasforasdeatritoentreas superfcies em contato. No segundo caso, a unio conseguida pela aproximao dos tomos e molculasdaspartesaseremunidas,oudestaseummaterialintermedirio,atdistncias suficientementepequenasparaaformaodeligaesqumicasprimrias(metlica,covalente ouinica)ousecundrias(ligaodeVanderWaals).Comoexemplosdestaltimacategoria citam-se a soldagem, a brasagem e a colagem. 1.2 - Definio de Soldagem Umgrandenmerodediferentesprocessosutilizadosnafabricaoerecuperaodepeas, equipamentoseestruturasseencaixanotermoSOLDAGEM.Classicamente,asoldagem consideradacomoummtododeunio,porm,muitosprocessosdesoldagemouvariaes destes so usados para a deposio de material sobre uma superfcie, visando a recuperao de peasdesgastadasouparaaformaodeumrevestimentocomcaractersticasespeciais. Diferentesprocessosintimamenterelacionadoscomosprocessosdesoldagemsoutilizados para o corte de peas metlicas. Os aspectos trmicos destas operaes de recobrimento e corte so bastante semelhantes aos de soldagem e, por isso, muitos pontos abordados naMetalurgia da Soldagem so vlidos para estas operaes. Apresentam-se, abaixo, diferentes definies propostas para soldagem: "Processo de juno de metais por fuso". (Deve-se ressaltar que no s metais so soldveis e que possvel soldar metais sem fuso). Metalurgia da Soldagem -1.2 "Operaoquevisaobterauniodeduasoumaispeas,assegurando,najuntasoldada,a continuidade de propriedades fsicas, qumicas e metalrgicas". (Aqui,otermo"continuidade"temumsignificadosimilaraodacontinuidadedasfunes matemticas). "Operao que visa obter acoalescncia1 localizada, produzida pelo aquecimento at uma temperatura adequada, com ou sem a aplicao de presso e de metal de adio." (EstadefiniomeramenteoperacionaleaadotadapelaAWS-AmericanWelding Society). "Processodejunodemateriaisnoqualasforasdeunioestabelecidasentreaspartes sendounidassodenaturezasimilarquelasexistesnointeriordasparteseresponsveis pela prpria existncia destas como materiais slidos (isto , as foras de ligao qumica)". (Estadefiniocolocaasoldagemeabrasagemjuntasdiferenciaestesdoisprocessosda colagem,poisestabaseadaemforasdeligaodediferentetipoparaaformaoda junta). 1.3 - Pequeno Histrico da Soldagem Embora a soldagem, na sua forma atual, seja basicamente um processo recente, commenos de 150 anos de aplicao, alguns processos, tais como a brasagem e a soldagem por forjamento, tmsidoutilizadosdesdepocasremotas.Existe,porexemplo,noMuseudoLouvre,um pingente de ouro com indicaes de ter sido soldado e que foi fabricado na Prsia por volta de 4000 AC. Oferro,cujafabricaoseiniciouemtornode1500AC,substituiuocobreeobronzena confecodediversosartefatos.Oferroeraproduzidoemfornosporreduodireta2e conformado por martelamento na forma de blocos com um peso de poucos quilogramas. Quando peas maiores eram necessrias, estes blocos eram soldados por forjamento, isto , o material era aquecidoaorubro,colocava-seareiaentreaspeasemartelava-seataformaodasolda. Comoumexemplodautilizaodesteprocesso,cita-seumpilardecercadesetemetrosde altura e mais de cinco toneladas existente ainda hoje na cidade de Delhi, na ndia. Asoldagemfoitambm usada,naantiguidadeenaidademdia,paraafabricaodearmase outros instrumentos cortantes. Isto ocorreu porque o ferro obtido por reduo direta tem um teor decarbonomuitobaixo(inferiora0.1%),nosendo,portanto,endurecvelportmpera.Por outro lado, o ao, com um teor maior de carbono, era um material escasso e de alto custo, tendo deserfabricadoapartirdacementaodetirasfinasdeferro.Assim,ferramentaseram inicialmente fabricadas em ferro com tiras de ao soldadas nos locais de corte e endurecidas por tmpera.Espadasdeelevadaresistnciamecnicaetenacidadeforamfabricadasnooriente mdio,naantiguidade, utilizando-se um processo semelhante, noqual tiras alternadasdeaoe ferro eram soldadas entre si e deformadas por compresso e toro. O resultado era uma lmina com uma fina alternncia de regies de alto e baixo teor de carbono. 1SegundoaAWS,coalescnciasignificacrescimentoconjuntooucrescimentoemumnicocorpodos materiais sendo soldados. 2Neste processo, o minrio de ferro era misturado com carvo em brasa e soprado. Desta forma, o xido de ferro era reduzido pelo carbono, produzindo-se ferro metlico sem a fuso do material Metalurgia da Soldagem -1.3 Comoseviu,asoldagemfoi,duranteesteperodo,umprocessoimportantenatecnologia metalrgica,principalmente,devidoadoisfatores:(1)aescassezeoaltocustodoaoe(2)o tamanho reduzido dos blocos de ferro obtidos por reduo direta. Esta importncia comeou a diminuir com o desenvolvimento de tecnologia para a fabricao de grandes quantidades de ferro fundido no estado lquido, atravs de utilizao da energia gerada em rodas d'gua, nos sculos XII e XIII, e com o desenvolvimento do alto forno nos sculos XIV eXV.Comisto,afundiotornou-seumprocessoimportantedefabricao,enquantoa soldagemporforjamentofoisubstitudaporoutrosprocessosdeunio,particularmentea rebitagemeparafusagem,maisadequados,naquelapoca,parauniodepeas.Asoldagem permaneceu como um processo secundrio de fabricao at o sculo XIX. A partir deste sculo, a tecnologia de soldagem comeou a mudar radicalmente, principalmente pelo desdobramento das experincias de Sir Humphrey Davy (1801-1806) com o arco eltrico, com a descoberta do acetileno por Edmund Davy e com o desenvolvimento de fontes produtoras de energia eltrica que possibilitaram o aparecimento dos processos de soldagem por fuso(1.1). Aprimeirapatentedeumprocessodesoldagem,obtidanaInglaterraporNikolasBernadose Stanislav Olszewsky em 1885, foi baseada em um arco eltrico estabelecido entre um eletrodo de carvo e a pea a ser soldada. Este processo ilustrado na figura 1.1. Porvoltade1890,N.G.Slavianoff,naRssia,eCharlesCoffin,nosEstadosUnidos, desenvolveram independentemente a soldagem a arco com eletrodo metlico nu (isto , que no possui um revestimento capaz de estabilizar o arco e fornecer um meio de proteo contra o ar atmosfrico).AtofinaldosculoXIX,osprocessosdesoldagemporresistncia,por aluminotermiaeagsforamdesenvolvidos.Em1907,OscarKjellberg(Sucia)patenteiao processo desoldagemaarcocomeletrodorevestido.Emsuaformaoriginal,esterevestimento eraconstitudodeumacamadadecal,cujafunoeraunicamenteestabilizaroarco. Desenvolvimentos posteriores tornaram este processo o mais utilizado no mundo. Figura 1.1. Sistema para soldagem a arco com eletrodo de carvo de acordo com a patente de Bernados. Metalurgia da Soldagem -1.4 Nesta nova fase, a soldagem teve inicialmente pouca utilizao, estando restrita principalmente execuodereparosdeemergncia,ataeclosoda1grandeguerra,quando,devidos necessidades da poca, a soldagem passou a ser utilizada mais intensamente como processo de fabricao. Apartirda,asoldagemsedesenvolveurapidamente.Osprocessosusadosatentoforam aperfeioados, novos processos foram desenvolvidos e novos equipamentos e tecnologias foram incorporadossoldagem.Paralelamente,desenvolvimentosemoutrasreas,comoa eletrotcnica, a eletrnica e a metalurgia tambm contriburam para o avano da soldagem. Nosltimosanos,tcnicasmodernasdeinstrumentaoecontroletambmforamabsorvidas pela soldagem, juntamente com os desenvolvimentos na rea de robtica e informtica. Modelos tericoseprincipalmenteempricostmsidousadosparaumamelhorcompreensodos fenmenosassociadossoldagem.Tudoistopossibilitouodesenvolvimentodesistemascom maiorgraudemecanizaoeautomaoe,atmesmo,capacidadedetomadadedecisoe alteraodosparmetrosdesoldagem,duranteoprocesso,independentementedooperador. Estesnovosequipamentossetornarammenoresemaiseficientes,commenorcustode fabricao e manuteno. Osconsumveisparasoldagemtambmevoluram,sendoadaptadosparaaplicaoaosnovos materiaiseequipamentos,deformacadavezmaisrpidaeeficiente,contribuindoparauma diminuionostemposecustosdasoperaesdesoldagem.Oresultadofinalumgrande aumentonaqualidadeeprodutividadecommenordependnciadehabilidademanualdo soldador. Atualmente,maisde50diferentesprocessosdesoldagemtmalgumautilizaoindustrialea soldagemomaisimportantemtodoparaauniopermanentedemetais.Estaimportncia aindamaisevidenciadapelapresenadeprocessosdesoldagemeafinsnasmaisdiferentes atividades industriais, incluindo desde segmentos de baixa tecnologia (a indstria serralheira, por exemplo) at aqueles de elevada tecnologia e complexidade (as indstrias nuclear e aeroespacial, porexemplo).Comoconsequncia,tem-seobservado,aolongodasltimasdcadas,uma necessidadeconstantepornovostiposdeaoedeoutrasligasmetlicascomuma soldabilidade3 adequada para novas e mais exigentes aplicaes. 1.4 - Formao da junta soldada Deformasimplificada,pode-seconsiderarqueumapeametlicaformadaporumgrande nmerodetomosdispostosemumarranjoespacialcaracterstico(estruturacristalina,veja captulo2).tomoslocalizadosnointeriordestaestruturasocercadosporumnmerode vizinhos mais prximos, posicionados a uma distncia r0, na qual a energia do sistema mnima, figura 1.2. 3 Capacidade de um material ser soldado, nas condies impostas em uma dada estrutura corretamente projetada, e de se comportar adequadamente em servio. Metalurgia da Soldagem -1.5 DistnciaEnergiaro Figura 1.2. Variao de energia potencial para um sistema composto de dois tomos em funo da distncia de separao entre eles. Nestasituao,cadatomoestemsuacondiodeenergiamnima,notendendoaseligar com nenhum tomo extra. Na superfcie do slido, contudo, esta situao no se mantm, pois os tomosestoligadosaumnmeromenordevizinhos,possuindo,portantoummaiornvelde energiadoqueostomosnoseuinterior.Estaenergiapodesereduzircasoostomos superficiaisseliguemaoutros.Assim,aproximando-seduaspeasmetlicasaumadistncia suficientementepequena,ostomosdassuperfciesdestaspodem,emprincpio,interagir, levando formao de uma ligao permanente, isto , uma solda seria formada entre as peas, como ilustrado na figura 1.3. Este tipo de efeito pode ser obtido, por exemplo, colocando-se em contato ntimo dois blocos de gelo. Solda Figura 1.3. Formao terica de uma solda pela aproximao das superfcies das peas. Entretanto,sabe-sequeistonoocorreparaduaspeasmetlicas,excetoemcondiesmuito especiais. A explicao est na existncia de obstculos que impedem uma aproximao efetiva das superfcies at distncias da ordem de r0. Estes obstculos podem ser de dois tipos bsicos: Assuperfciesmetlicas,mesmoasmaispolidas,apresentamumagranderugosidadeem escala microscpica e sub-microscpica, tabela 1.I e figura 1.4. Mesmo uma superfcie com um acabamento cuidadoso apresenta irregularidades da ordem de 50 nm (5x10-8 m) de altura, isto , cerca de 200 camadas atmicas. Isto impede uma aproximao efetiva das superfcies, o que ocorre apenas em alguns poucos pontos de contato, de modo que o nmero de ligaes formadas insuficiente para garantir qualquer resistncia para a junta. Metalurgia da Soldagem -1.6 200 camadasatmicas ou500 ngstrons Figura 1.4. Representao esquemtica da superfcie metlica limpa. Assuperfciesmetlicasestonormalmenterecobertasporcamadasdexidos,umidade, gordura,poeiraeoutrosmateriaisoqueimpedeumcontatorealentreassuperfcies, prevenindoaformaodeligaes.Estascamadasresultamexatamentedomaiornvel energticodasuperfciemetlicae,napresenadaatmosfera,tendemaseformar rapidamente (tabela 1.II). Tecnologicamente,doismodosprincipaissoutilizadosparasuperarestesobstculosque,por sua vez, originam os dois grandes grupos de processos de soldagem: Processos de soldagem por presso se baseiam na aplicao de presses elevadas de forma adeformarplasticamenteassuperfciesmetlicaspermitindoaaproximaoatmicaa distnciasdaordemder0.Emgeral,aspeassoaquecidaslocalmenteparafacilitarasua deformao. Esta forma de soldagem mostrada esquematicamente na figura 1.5. Tabela 1.IFaixas de rugosidade mdia em funo do tipo de acabamento superficial. Processo de AcabamentoRugosidade Mdia (m) Super acabamento0,05 -0,2 Afiao0,05 -0,4 Polimento0,1-0,8 Esmerilhamento0,1-1,6 Torneamento com diamante0,1-0,4 Torneamento0,4-6,3 Perfurao0,4-6,3 Mandrilagem0,8-3,2 Fresagem0,8-6,3 Perfilamento1,6- 12,5 Tabela 1.IITemponecessrio paraa formaodeumacamadamonomoleculardegs em uma superfcie metlica em funo da presso do ar(1.2). Presso (mm Hg)Tempo (s)Presso (mm Hg)Tempo (s) 7602,4x10-910-61,8 1001,8x10-810-718 101,8x10-710-8180 10-21,8x10-410-91,8x103 10-50,18 Metalurgia da Soldagem -1.7 xidosPressoPresso Figura 1.5. Soldagem por presso (esquemtica). Processosdesoldagempor fusoconsistemnaaplicao localizadadecalornaregiode unio para a sua fuso e do metal de adio (quando este for utilizado), produzindo a ligao pela solidificao do metal fundido e, portanto, a destruio das interfaces, figura 1.6. Metal de AdioCalorMetal de baseSolda Figura 1.6. Soldagem por fuso (esquemtico). 1.5 - Processos de Soldagem Algunsdosprocessosdesoldagemdemaiorimportnciatecnolgicaserodiscutidos simplificadamenteaseguir.Paraumaapresentaomaiscompletadestes,recomenda-se consultar literatura tcnica(1.3-1.10). 1.5.1 - Processos de Soldagem por Presso Este primeiro grupo inclui, entre outros, os processos de soldagem por ultrassom, por frico, por forjamento, por resistncia eltrica, por difuso e por exploso. Diversos destes processos, como asoldagemporresistnciae,maisrecentemente,oprocessodesoldagemporfricocom mistura (Friction Stir Welding, FSW), tm enorme importncia tecnolgica. Nestesprocessos,aunioobtidaprincipalmentepeladeformaodomaterialconfinada, preferencialmente,emumaregiorestritasvizinhanasdajunta.Paraisto,emvriosdesses processos, essa regio aquecida em relao ao restante das peas. Nos processos de soldagem por resistncia, isto conseguido pela passagem de uma corrente eltrica elevada em funo de uma maior resistncia eltrica no contato entre as peas e/ou das condues de extrao de calor Metalurgia da Soldagem -1.8 na junta. Nos processos de soldagem por frico, o calor gerado pelo atrito entre as superfcies das peas colocadas em movimento relativo e a deformao final pela aplicao, imediatamente ainterrupodomovimentoentreaspeas,deumaforadecompresso.Noprocessode soldagem por frico com mistura, em especial, o aquecimento e a deformao so conseguidos atravsdeumaferramentaespecialque,emrotao,foradacontraeentreaspeas(figura 1.7). Figura 1.7. Soldagem por frico com mistura (representao esquemtica). Nosprocessosdesoldagempordeformao,emgeral,astemperaturasatingidaspelamaterial so inferiores quelas atingidas na soldagem por fuso. Desta forma, as alteraes de estrutura e propriedadesmaissignificativas(e,geralmente,commaiorpotencialdecausarefeitosmais negativos)ocorremnasoldagemporfuso.Comoestegrupoenglobaosprocessosdemaior importncia na atualidade, os processos de soldagem por presso no sero mais discutidos neste captulointrodutrio.Estesercomplementadocomumaapresentaoresumidadas caractersticas dos processos de soldagem por fuso mais importantes. Metalurgia da Soldagem -1.9 1.5.2 - Processos de Soldagem por Fuso Devido ao grande nmero de processos de soldagem por fuso, estes so normalmente separados em subgrupos. Uma classificao muito til e utilizada agrupa os processos de acordo com o tipo defontedeenergiausadaparafundiraspeas.Atabela1.IIImostraalgunsprocessosde soldagem por fuso e suas caractersticas principais. Dentre os processos de soldagem por fuso, aqueles que utilizam o arco eltrico como fonte de energia so os mais utilizados industrialmente e, por isso, sero discutidos rapidamente a seguir. Tabela 1.IIIProcessos de soldagem por fuso(1.11). PROCESSO FONTES DE CALOR TIPO DE CORRENTE E POLARIDADE AGENTE PROTETOR OU DE CORTE OUTRAS CARACTERSTICAS APLICAES Soldagem por eletro-escria Aquecimento por resistncia da escria lquida Contnua ou alternada EscriaAutomtica/Mecanizada. Junta na vertical. Arame alimentado mecanicamente na poa de fuso. No existe arco Soldagem de aos carbono, baixa e alta liga, espessura > 50 mm. Soldagem de peas de grande espessura, eixos, etc. Soldagem ao Arco Submerso Arco eltricoContnua ou alternada. Eletrodo + Escria e gases geradosAutomtica/mecaniz. ou semi-automtica. O arco arde sob uma camada de fluxo granular Soldagem de aos carbono, baixa e alta liga. Espessura > 10 mm. Posio plana ou horizontal de peas estruturais, tanques, vasos de presso, etc. Soldagem com Eletrodos Revestidos Arco eltricoContnua ou alternada. Eletrodo + ou - Escria e gases geradosManual. Vareta metlica recoberta por camada de fluxo Soldagem de quase todos os metais, exceto cobre puro, metais preciosos, reativos e de baixo ponto de fuso. Usado na soldagem em geral. Soldagem com Arame Tubular Arco eltricoContnua. Eletrodo + Escria e gases gerados ou fornecidos por fonte externa. Em geral o CO2 O fluxo est contido dentro de um arame tubular de pequeno dimetro. Automtico ou semi-automtico Soldagem de aos carbono com espessura > 1 mm. Soldagem de chapas Soldagem MIG/MAG Arco eltricoContnua. Eletrodo + Argnio ou Hlio, Argnio + O2, Argnio + CO2, CO2 Automtica/mecaniz. ou semi-automtica. O arame slido Soldagem de aos carbono, baixa e alta liga, no ferrosos, com espessura > 1 mm. Soldagem de tubos, chapas, etc. Qualquer posio Soldagem a Plasma Arco eltricoContnua. Eletrodo - Argnio, Hlio ou Argnio + Hidrognio Manual ou automtica. O arame adicionado separadamente. Eletrodo no consumvel de tungstnio. O arco constrito por um bocal Todos os metais importantes em engenharia, exceto Zn, Be e suas ligas, com espessura de at 1,5 mm. Passes de raiz Soldagem TIGArco eltricoContnua ou alternada. Eletrodo - Argnio, Hlio ou misturas destes Manual ou automtica. Eletrodo no consumvel de tungstnio. O arame adicionado separadamente. Soldagem de todos os metais, exceto Zn, Be e suas ligas, espessura entre 1 e 6 mm. Soldagem de no ferrosos e aos inox. Passe de raiz de soldas em tubulaes Soldagem por Feixe Eletrnico Feixe eletrnico Contnua.Alta Tenso. Pea + Vcuo (10-4mm Hg)Soldagem automtica. No h transferncia de metal. Feixe de eltrons focalizado em um pequeno ponto. Soldagem de todos os metais, exceto nos casos de evoluo de gases ou vaporizao excessiva, a partir de 25 mm de espessura. Indstria nuclear e aeroespacial. Soldagem a Laser Feixe de luzArgnio ou HlioComo acimaComo acima. Corte de materiais no metlicos Soldagem a Gs Chama oxi-acetilnica Gs (CO, H2, CO2, H2O) Manual. Arame adicionado separadamente Soldagem manual de ao carbono, Cu, Al, Zn, Pb e bronze. Soldagem de chapas finas e tubos de pequeno dimetro Soldagem com Eletrodos Revestidos (Shielded Metal Arc Welding - SMAW) um processo noqualacoalescnciadosmetaisobtidapeloaquecimentodestescomumarcoestabelecido entre um eletrodo especial revestido e a pea. O eletrodo formado por um ncleo metlico ("alma"), recoberto por uma camada de minerais e/ou outros materiais (revestimento). A alma do eletrodo conduz a corrente eltrica e serve como metal de adio. O revestimento gera escria e gases que protegem da atmosfera a regio sendo soldada e estabilizam o arco. O revestimento pode ainda conter elementos que so incorporados Metalurgia da Soldagem -1.10 solda, influenciando sua composio qumica e caractersticas metalrgicas. A figura 1.8 ilustra o processo e a tabela 1.IV mostra suas vantagens, limitaes e aplicaes. O equipamento necessrio ao processo consiste de porta-eletrodo, cabos e fonte de energia, que pode ser de corrente contnua (CC) ou alternada (CA) dependendo do tipo de eletrodo e material sendo soldado. Poa de FusoSoldaMetal deBaseEscriaProteopor GsEletrodoRevestido Figura 1.8. Soldagem com eletrodos revestidos. Tabela 1.IVVantagens, limitaes e aplicaes da soldagem com eletrodos revestidos. Vantagens e limitaesAplicaes Equipamento simples, porttil e barato.Soldagem de produo, manuteno e em montagens no campo. No necessita fluxos ou gases externos.Soldagem de aos carbono, baixa e alta liga. Pouco sensvel presena de correntes de ar.Soldagem de ferro fundido. Processo extremamente verstil em termos de materiais soldveis. Soldagem de alumnio, nquel e suas ligas. Facilidade para atingir reas de acesso restrito. Aplicao difcil para materiais reativos. Produtividade relativamente baixa. Exige limpeza aps cada passe de soldagem. Soldagem GTAW (Gas Tungsten Arc Welding - GTAW) ou, como mais conhecida no Brasil, TIG(TungstenInertGas)umprocessonoqualacoalescnciadosmetaisobtidapelo aquecimento destes por um arco estabelecido entre um eletrodo no consumvel de tungstnio e a pea.Aproteodoeletrodoedazonadasoldafeitaporumgsinerte,normalmenteo argnio,oumisturadegasesinertes(AreHe).Metaldeadiopodeserutilizadoouno.A figura 1.9mostra esquematicamente o processo e a tabela 1.V mostra suas vantagens, limitaes e aplicaes. Metalurgia da Soldagem -1.11 Poa de FusoSoldaMetal deBaseTochaMetal deAdioGs deProteo Figura 1.9. Soldagem GTAW. A soldagem GTAW pode ser manual ou mecanizada. O processo GTAW considerado o mais controlveldosprocessosdesoldagemaarco.Assuasprincipaisvariveisso:correntede soldagem, composio, dimetro e forma do eletrodo, composio do gs de proteo e metal de adio.Oequipamentobsicodoprocessoconsistedefontedeenergia(deCCparaamaioria das ligas metlicas), tocha com eletrodo de tungstnio, fonte de gs de proteo (Ar ou He) e um sistema para a abertura do arco (geralmente um ignitor de alta frequncia). Tabela 1.VVantagens, limitaes e aplicaes da soldagem GTAW. Vantagens e limitaesAplicaes Excelente controle da poa de fuso.Soldagem de preciso ou de elevada qualidade. Permite soldagem sem o uso de metal de adio. Soldagem de peas de pequena espessura e tubulaes de pequeno dimetro. Pode ser usado para soldar a maioria dos metais. Execuo do passe de raiz em tubulaes. Produz soldas de alta qualidade e excelente acabamento. Soldagem de ligas especiais, no ferrosas e materiais exticos. Gera pouco ou nenhum respingo. Exige pouca ou nenhuma limpeza aps a soldagem. Permite a soldagem em qualquer posio. Produtividade relativamente baixa. Custo de consumveis e equipamento relativamente elevado. Soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding - GMAW) um processo de soldagem a arco que produzacoalescnciadosmetaispeloaquecimentodestescomumarcoeltricoestabelecido entre um eletrodo metlico contnuo (e consumvel) e a pea (figura 1.10). A tabela 1.VI mostra as vantagens, limitaes e principais aplicaes do processo. Metalurgia da Soldagem -1.12 Poa de FusoSoldaMetal deBaseTochaGs deProteo Eletrodo Figura 1.10. Soldagem GMAW (esquemtica). Tabela 1.VIVantagens, limitaes e aplicaes da soldagem GMAW. Vantagens e limitaesAplicaes Processo com eletrodo contnuo.Soldagem de ligas ferrosas e no ferrosas. Permite soldagem em qualquer posio.Soldagem de carrocerias e estruturas de veculos. Elevada taxa de deposio de metal.Soldagem de tubulaes, etc. Elevada penetrao. Pode, em princpio, soldar diferentes ligas metlicas. Exige pouca limpeza aps soldagem. Processo exige, em geral, menos habilidade do soldador que a soldagem SMAW. Processo de ajuste mais difcil e sensvel que o processo SMAW. Equipamento relativamente caro e complexo. Pode apresentar dificuldade para soldar juntas de acesso restrito. Proteo do arco sensvel a correntes de ar. Pode gerar elevada quantidade de respingos. A proteo do arco e poa de fuso obtida por um gs ou mistura de gases. Se este gs inerte, oprocessotambmchamadodeMIG(MetalInertGas).Seogsforativo,oprocesso chamado de MAG (Metal Active Gas). O processo normalmente operado de forma semi-automtica e apresenta elevada produtividade. Atransfernciademetalatravsdoarcosed,basicamente,portrsmecanismos:aerosol (spray), globular e curto-circuito, dependendo de parmetros operacionais, tais como o nvel de corrente, sua polaridade, dimetro e composio do eletrodo, composio do gs de proteoe comprimento do eletrodo. Oequipamentobsicoparaesteprocessoconsistedetochadesoldagem,fontedeenergiade corrente constante, fonte de gs e alimentador de arame. Metalurgia da Soldagem -1.13 Soldagem com Arame Tubular (Flux Cored Arc Welding - FCAW) um processo no qual a coalescncia dos metais obtida pelo aquecimento destes por um arco entre um eletrodo tubular contnuoeapea.Oeletrodotubularapresentainternamenteumfluxoquedesempenhaas funes de estabilizar o arco e ajustar a composio da solda. O processo apresenta duas variaes principais: soldagem auto-protegida, em que o fluxo interno fornece toda a proteo necessria na regio do arco, e soldagem com proteo gasosa, em que a proteofornecidaporumgs,semelhanteaoprocessoGMAW.Emambasasformas,o processonormalmenteoperadonaformasemi-automtica,utilizandobasicamenteomesmo equipamentodoprocessoGMAW.Atabela1.VIImostraasvantagens,limitaeseprincipais aplicaes do processo. Tabela 1.VIIVantagens, limitaes e aplicaes da soldagem FCAW. Vantagens e limitaesAplicaes Elevada produtividade e eficincia.Soldagem de aos carbono, baixa e alta liga. Soldagem em todas as posies.Soldagem de fabricao e de manuteno. Custo relativamente baixo.Soldagem de partes de veculos. Produz soldas de boa qualidade e aparncia.Soldagem de montagem no campo. Equipamento relativamente caro. Pode gerar elevada quantidade de fumos. Necessita limpeza aps soldagem. SoldagemaArcoSubmerso(SubmergedArcWelding-SAW)umprocessonoquala coalescnciadosmetaisproduzidapeloaquecimentodestescomumarcoestabelecidoentre um eletrodo metlico contnuo e a pea. O arco protegido por uma camada de material fusvel granulado (fluxo) que colocado sobre a pea enquanto o eletrodo alimentado continuamente. O fluxo na regio prxima ao arco fundido, protegendo o arco e a poa de fuso e formando, posteriormente, uma camada slida de escria sobre o cordo. O fluxo fundido ajuda a estabilizar o arco e desempenha uma funo purificadora sobre o metal fundido. Como o arco ocorre sob a camada de fluxo, ele no visvel, da o nome do processo. A figura 1.11 ilustra o processo e a tabela 1.VIII mostra as suas vantagens, limitaes e principais aplicaes. Oequipamentonecessrioparaoprocessoconsistenormalmentedefontedeenergia, alimentadordearame,paineldecontrole,tochadesoldagem,portafluxoesistemade deslocamento da tocha, que normalmente feito de forma mecanizada. Poa de FusoSoldaMetal deBaseEscriaFluxoEletrodo Figura 1.11. Soldagem a Arco Submerso (esquemtica). Metalurgia da Soldagem -1.14 Tabela 1.VIIIVantagens, limitaes e aplicaes da soldagem a arco submerso. Vantagens e limitaesAplicaes Alta velocidade de soldagem e elevada taxa de deposio. Soldagem de aos carbono, baixa e alta liga. Produz soldas uniformes e de bom acabamento superficial. Soldagem de nquel e suas ligas. Ausncia de respingos e fumos.Soldagem de membros estruturais e tubos de grande dimetro. Dispensa proteo contra radiao uma vez que o arco no visvel. Soldagem em fabricao de peas pesadas de ao. Facilmente mecanizado.Soldagem de recobrimentos, manuteno e reparo. Elevada produtividade. Soldagem limitada s posies plana e filete horizontal. Aporte trmico elevado pode prejudicar propriedades da junta em alguns casos. Necessidade de retirada de escria entre passes. 1.6 - Escopo da Metalurgia da Soldagem Peloqueseapresentouataqui,pode-senotarqueaoperaodesoldagemcausaalteraes localizadasebruscasdetemperaturanomaterialsendosoldado.Estasalteraes,porsuavez, podemprovocarmudanasestruturaise,consequentemente,naspropriedadesdomaterial.Em geral,estasalteraessedonaformadeumadegradaonaspropriedades,oquepodeter importantesimplicaesnafuturautilizaodapeasoldada.Existemduasmaneirasdese enfrentaresteproblema.Aprimeiradesenvolvermateriaisquesejammenossensveis soldagem, isto , melhorar a "soldabilidade" dos materiais. A segunda controlar a operao de soldagem(e,possivelmente,executaroperaescomplementares)demodoaminimizar,ou remover, a degradao de propriedades da pea. Ametalurgiadesoldagemvisaestudaroefeitodaoperaodesoldagemsobreaestruturae propriedades dos materiais para: Obter informaesqueauxiliemnodesenvolvimento denovosmateriais menos sensveis soldagem. Determinarosparmetrosoperacionaisdesoldagemdemaiorinfluncianasalteraesda estruturaepropriedadesdomaterial.Alternativamente,odesenvolvimentodeoperaes complementares,sejaparaminimizaradegradaodepropriedades,sejaparareverteresta degradao, pode ser procurado. A figura 1.12 ilustra este processo. Metalurgia da Soldagem -1.15 Parmetros Operacionais:Corrente, tenso, velocidade, etc.Consumveis: gs, arame, fluxo, etc.Ciclo trmicoVelocidade de aquecimento ede resfriamento, temperatura depico, propriedades do material, etc.Geometria da solda:Largura, penetrao,rea, diluio, etc.Microestrutura: Zonasfundida e termicamenteafetada, etc.Propriedades mecnicasqumicas, eltricas, etc.Tenses eDeformaes Figura 1.12. Escopo da metalurgia de soldagem. 1.7 - Referncias Bibliogrficas: 1.MILLERELECTRICWeldingandtheWorldofMetals.MillerElectricManufacturing Company, Appleton, USA, 1969, 31p. 2.NIKOLAEVG.,OLSHANSKY,N.AdvancedWeldingProcesses.MIRPublishers, Moscou, 1977, 245p. 3.MARQUES, P. V. Soldagem Fundamentos e Tecnologia. Editora UFMG, Belo Horizonte, 2005, 362p. 4.QUITES,A.M.IntroduoSoldagemaArcoVoltico.Soldasof,Florianpolis,2002, 352p. 5.OKUMURA,T.,TANIGUCHI,C.EngenhariadeSoldagemeAplicaes.LTC,Riode Janeiro, 1982, 461p. 6.DRAPINSKI, J. Elementos de Soldagem. Mc Graw-Hill, So Paulo, 1978, 280p. 7.WAINER, E. Soldagem, Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais, So Paulo, 1979, 720p. 8.CARY, H. B. Modern Welding Technology. 4 edio, Prentice-Hall, Upper Saddle River, USA, 1998, 736p. 9.WAINER, E., BRANDI, S. D. e MELLO, F. D. H de. Soldagem - Metalurgia e Processos., Edgard Blucher, So Paulo, 1992, 494p. Metalurgia da Soldagem -1.16 10.MACHADO,I.G.Soldagem&TcnicasConexas:Processos.Editadopeloautor,Porto Alegre, 1997, 477p.11.LANCASTER, J.F., Metallurgy of Welding, George Allen & Unwin, Londres, 1987, pp. 9-11. 12.PARMAR, R.S. Welding Processes and Technology, Khanna Publishers, Delhi, 1995, 760p. Captulo 2 Fundamentos de Metalurgia Fsica Metalurgia da Soldagem -2.1 2 - FUNDAMENTOS DE METALURGIA FSICA 2.1 - Introduo A maioria dos metais de alguma importncia tecnolgica encontrada na natureza na forma de compostos, principalmente xidos e sulfetos, e diferentes operaes precisam ser realizadas para asuareduoerefino.Estasoperaesfrequentementeenvolvemafusoeresultamemum produto intermedirio, na forma de uma pea fundida ou lingote. Por exemplo, o processo mais comumparaaobtenodosaosenvolveareduodominriodeferropelomonxidode carbono, em um alto forno, resultando em uma liga impura de ferro e carbono (ferro gusa), a qual refinada sobre um jato de oxignio em um convertedor. Nesta operao, o oxignio queima o excesso de carbono, enquanto a escria formada ajuda a retirar elementos nocivos, como enxofre efsforo,dobanho.Aofinaldoprocesso,elementosdeligaedesoxidantespodemser adicionados e operaes complementares de refino realizadas para ajustar a composio final do material.Esteentovazadoe,apssuasolidificao,obtm-seumlingote,ouplaca,que submetidoaumconjuntodeoperaesdeconformaomecnicaetratamentostrmicos, visandoaobtenodeumprodutofinalcomforma(chapa,barra,perfil,etc),dimensese propriedadesdesejadas.Paramaioresdetalhessobreesteextensoassunto,recomenda-se consultar a literatura tcnica especializada(2.1,2.2). Os tratamentos trmicos e mecnicos aplicados a um produto intermedirio no visam apenas a obteno de uma pea final de formato e dimenses desejadas. Objetivam, tambm, controlar e otimizarsuaspropriedades.Istoporque,aocontrriodesistemaslquidosegasosos,muitas propriedadesdosslidosestodiretamenterelacionadascomaestruturaresultantedos processamentos anteriores sofridos pelo material, isto , de sua histria. A figura 2.1 ilustra este efeito para um ao com 0,8% de carbono, aps aquecimento a 900C, durante uma hora. Pode-se observar que, neste caso, as condies de resfriamento podem causar uma variao de 300% na resistncia deformao plstica do material. Figura 2.1. Variao do limite de escoamento com a velocidade de resfriamento para um ao SAE 1080, inicialmente aquecido a 900C por uma hora. 0.01 0.1 1 10 100 1000 1000002505007501000Lim. de Escoamento (MPa)Vel. de Resfriamento (oC/s) Metalurgia da Soldagem -2.2 Otermoestruturamuitogeralecompreendedesdeaspectosgrosseiros,comdimenses superioresacercade0,1 mm(macroestrutura),atdetalhes daorganizao internadostomos (estruturaeletrnica).Paraanalisararelaoestrutura-propriedades,ametalurgiafsica interessa-se,principalmente,peloarranjoeinteraodostomos(estruturacristalina)que compem as diversas fases de uma liga e pelo arranjo, interaes e dimenses de diversas partes (gros)destasfases(microestrutura).Diversaspropriedadesmecnicas,fsicasequmicasdas ligasmetlicaspodemserestudadasaestesnveis.Atabela2.Iilustraosdiferentesnveis estruturais com exemplos de detalhes comumente observados nestes nveis. Tabela 2.INveisestruturais,exemplosdetcnicasusuaisdeestudoededetalhesque podem ser observados(a). Nvel Estrutural Dimenses Aproximadas Exemplos de Tcnicas de Estudo Detalhes Comuns Macroestru- tura > 100mMacrografia, RadiografiaSegregao, trincas, camadas cementadas. Microestru- 100m a 0,1m Microscopia tica (MO), microscopia eletrnica de varredura (MEV) Tamanho de gro, microconstituintes, microtrincas. tura0,1m a 0,1nm Microscopia eletrnica de transmisso (MET) Precipitados submicroscpicos, clulas de deslocaes Estrutura Cristalina 1nm a 0,1nm Difrao de raios XClulas unitrias, parmetros de rede, defeitos cristalinos Estrutura Eletrnica < 0,1nmEspectroscopia de emisso ticaNveis atmicos, defeitos eletrnicos Observaes:(a)Esta tabela apenas ilustrativa e a separao adotada dos nveis estruturais arbitrria. (b)1m = 0,001 mm, 1nm = 0.001 m. (c)Diversos dos termos citados so discutidos ao longo do presente captulo. Este captulo tem como objetivo propiciar uma viso geral dos fundamentos de metalurgia fsica de modo a facilitar a compreenso dos captulos seguintes. O significado dos diferentes termos que definem caractersticas ou propriedades mecnicas de um material sero, contudo, supostos comoconhecidos.Paraumadiscussomaisexaustivadesteassuntorecomenda-seconsultara literatura(2.1-2.14). 2.2 - Estrutura cristalina Aoseobservarnomicroscpiometalogrficoaseodeummetalpuro,polidaeatacada convenientemente, pode-se notar que este formado por gros separados entre si por contornos degros(figura2.2).Nonvelatmico, osgros soformadospor umarranjodetomosque podeserdescritopelarepetio,nastrsdimenses,deumaunidadebsica(clulaunitria), isto , um agrupamento de um pequeno nmero de tomos com uma configurao caracterstica. Estearranjodetomosformaaestruturacristalinadomaterial.Existemdiferentestiposde estruturascristalinas,caracterizadasporsuasclulasunitrias.Agrandemaioriadosmetais, contudo, existe em uma, ou mais, de trs estruturas bsicas: Cbica de Corpo Centrado (CCC), Cbica de Face Centrada (CFC) e Hexagonal Compacta (HC), figura 2.3. A tabela 2.II mostra a estrutura cristalina de alguns metais puros comuns. Metalurgia da Soldagem -2.3 PeaMicroestruturaMacroestruturaGroEstrutura CristalinaGrode GroContorno Figura 2.2. Representao esquemtica de uma pea de um metal puro indicando os diferentes nveis estruturais. CFC CCC HCa aac Figura 2.3. Estruturas cristalinas mais comuns dos slidos metlicos. As dimenses a e c so os parmetros de rede. Tabela 2.IIEstrutura cristalina de alguns metais puros. Estrutura CristalinaExemplos CCCFe (abaixo de 910C), Cr, V, Mo, W, Nb CFCFe (entre 910 e 1390C), Al, Ag, Au, Cu, Ni, Pt H CZn, Mg, Be, Zr, Hf Otipodeestruturacristalinaconferediversascaractersticasparticularesaumdadometal.Por exemplo,aquelesquesecristalizamnosistemaCFCtendemaapresentar,maisfortementedo queosdemais,caractersticastpicasdemetais,isto,apresentam,emgeral,elevadas ductilidade,tenacidadeecondutividadestrmicaeeltrica.Almdisto,estesmetaistendema no apresentar mudana de comportamento mecnico dctil para frgil quando a temperatura reduzida.Algunsmetaismudamdeformacristalinaemfunodatemperaturaepresso.Esta Metalurgia da Soldagem -2.4 caracterstica apresentada, por exemplo, pelo ferro, sendo de enorme importncia tecnolgica porpossibilitararespostadosaosatratamentostrmicos.Napressonormal,oferrotem estruturaCCCabaixode910C(ferroo).Entre910Ce1390C,esteelementotemestrutura CFC (ferro ) e, entre 1390C e 1538C, volta a ter estrutura CCC (ferro o). A 1538C, o ferro se funde. Embora os metais puros sejam eventualmente utilizados industrialmente, muito mais comum se trabalharcomligas,quesoformadaspelamisturadeummetalcomumoumaiselementos diferentes,metlicosouno(elementosdeliga).Poroutrolado,aquasetotalidadedasligase mesmososmetaisconsideradoscomo"puros"contmquantidadesvariveisdeelementos residuais, ou impurezas. A presena de elementos de liga e de impurezas pode causar alteraes importantes nas propriedades do metal. Por exemplo, a presena de carbono no ferro (ao) ou de zinconocobre(lato)tendeaaumentararesistnciamecnicaeadurezaeareduzira condutividade trmica. Umelementodeliga(ouumaimpureza)podepermaneceremsoluoslidanaestrutura cristalina do elemento principal ou pode causar o aparecimento de novas fases. Fase uma parte homognea do sistema (no presente caso, a liga metlica) cuja composio e propriedades fsicas equmicassoidnticasaolongodoseudomnio,oqualestseparadodasoutraspartesdo sistemaporumasuperfciededivisovisvel,chamadainterface2.7,2.8.Porexemplo,emuma mistura de gua e gelo, a gua uma fase e o gelo outra. Para os problemas de metalurgia fsica, contudo, esta definio geralmente muito rgida, pois, nas condies de ausncia de equilbrio global, variaes de composio qumica, por exemplo, podem existir dentro do domnio de uma fase. Emumasoluoslida, tomosdoelementodeligadedimensessemelhantesaostomosdo elementoprincipalpodemsubstituirestesemposiesdaredecristalina(soluoslida substitucional, figura 2.4.a). Este o caso de ligas de cobre com at 35% Zn. Caso as dimenses atmicas do elemento de liga sejam suficientemente pequenas, eles podem ocupar os interstcios (vazios)daestrutura,formandoumasoluoslidaintersticial(figura2.4.b).ocasodo carbono ou nitrognio no Fe . (a) (b) Figura 2.4. Tipos de soluo slida: (a) intersticial e (b) substitucional. Em muitas situaes, quando a quantidade de um elemento de liga exceder um valor (limite de solubilidade) para uma dada temperatura, uma nova fase tende a se formar. A quantidade relativa das diferentes fases de um material, a morfologia e arranjos destas, junto com as dimenses dos seus gros so caractersticas fundamentais da microestrutura do material. A possibilidade de se alterar(oucontrolar)estascaractersticasdegrandeimportnciatecnolgicadevidoj Metalurgia da Soldagem -2.5 mencionadarelaoestrutura-propriedades.Assim,agrandevariaonolimitedeescoamento apresentado pelo ao SAE 1080 na figura 2.1 est diretamente ligada a este fato. Adescriodaestruturacristalinaapresentadaatomomentoforneceumaimagem extremamente esttica dos metais e incapaz de explicar diversas de suas caractersticas como, por exemplo, a deformao plstica. Na verdade, a estrutura dos metais apresenta imperfeies naformaderupturasdesuaorganizaocristalina(defeitos).Estasimperfeiespodemser divididasempontuais,lineares,superficiaisevolumtricoseafetam,dediferentesformas,o comportamento dos metais. Alguns defeitos cristalinos mais importantes so descritos a seguir: Lacunas:umdefeitopontualcausadopelaausnciadeumtomodeumstiocristalino quedeveriaestarocupado.Estetipodedefeitoimportantenotransportedematriano interior do cristal (difuso em volume). Intersticial: um defeito pontual representado pela presena de um tomo em uma posio do cristal que no deveria ser ocupada (interstcio). Deslocao(discordncia):umdefeitolinearqueacomodadesarranjosnasligaes qumicasdevidoaomovimentorelativo(porcisalhamento)deumaregiodocristalem relao a outra. Uma discusso mais detalhada deste importante conceito pode ser encontrada na literatura(2.6). Deve-se, contudo, enfatizar que deslocaes exercem um papel fundamental na deformao plstica dos metais e que interaes destas com lacunas, tomos intersticiais, outrasdeslocaesecontornosdegrosofundamentaisparaexplicarocomportamento mecnico de diferentes materiais. Contorno degro: asuperfciedeseparaoentregrosadjacentessendo,portanto,um defeito superficial e resulta das diferenas de orientao cristalina entre os gros. 2.3 - Diagrama de fases Diagramas binrios de fases definem as regies de estabilidade das fases que podem ocorrer em umsistemausualmentesobpressoconstante,tendo,comoordenada,atemperaturae,como abcissa, a composio. Estes diagramas so muito importantes no estudo de ligas metlicas, pois indicamasfasesesperadasaumadadatemperaturaparaumacomposioespecfica.Estas relaes so vlidas, contudo, somente para condies de equilbrio. Um sistema simples de dois componentes aquele em que se forma uma nica fase slida alm dolquido(sistemaisomorfo),equepodeserexemplificadopelosistemadeequilbrioCu-Ni (figura 2.5). A rea acima da linha lquidus corresponde regio de estabilidade do lquido e a rea da linha slidus representa a regio de estabilidade do slido. Entre estas duas regies, as duas fases coexistem em equilbrio. Na figura 2.5, o ponto x corresponde a uma liga que contm 20% em peso de cobre e 80% de nquel. Para a temperatura de 500C, a liga se encontra na regio da fase slida, a qual possui a mesma estrutura cristalina do Cu e do Ni (CFC). Observada ao microscpio metalogrfico, esta liga ter um aspecto semelhante a um metal puro. Suas propriedades, contudo, tendero a serem diferentes das propriedades do nquel e cobre puros. Ela apresentar maior resistncia mecnica e menores condutividades trmica e eltrica, alm de ter brilho e cor diferentes. Metalurgia da Soldagem -2.6 Figura 2.5. Diagrama de equilbrio cobre-nquel (esquemtico). Ser analisada, agora, a solidificao de uma liga com 70% Cu a partir de 1300C (figura 2.6). Se umcadinhocontendoumpoucodestaligafordeixadoresfriarlentamente,asolidificao quandoatemperaturacairabaixodalinhalquidus,isto,penetrarnaregiobifsica.Nesta regio,ascomposiesdasduasfasessofixasacadatemperaturaesodeterminadaspelas intersees da isoterma (horizontal) com as fronteiras das fases (no presente exemplo, as linhas sliduselquidus).Assim,osprimeiroscristaisaseformaremteroacomposiodopontoa (figura 2.6), possuindo um menor teor de cobre que a composio mdia da liga. A medida que a temperatura diminui, a quantidade de lquido se reduz e a do slido aumenta e suas composies variam, respectivamente, ao longo das linhas b-n-d e a-m-c. Na temperatura dos pontos c e d, a solidificao estar terminada, com o ltimo resduo lquido tendo a composio do ponto d. Na regio bifsica, as quantidades relativas de cada fase dependem exclusivamente da temperatura e composio da liga (Regra da Alavanca): 1001 221 % =de Composio de ComposioMdia Composio de ComposioFase (2.1) 1001 212 % =de Composio de Composiode Composio Mdia ComposioFase (2.2) 0 20 40 60 80 100400600800100012001400Linha SlidusLquidoLinha LquidusSlido eLquidoSlidoxTemperatura (oC)Teor de Cu (%) Metalurgia da Soldagem -2.7 50 60 70 80 90 10011001200130062%78%ycmdnbaTeor de Cu (%) Figura 2.6. Detalhe do diagrama Cu-Ni. Por exemplo, na figura 2.6, para uma temperatura de 1200C e 70%Cu, tem-se: % 50 10062 7870 78100 % = = =m ny nSlido % 50 10062 7862 70100 % = = =m nm yLquido Sistemasisomorfossocorremquandoosseuscomponentesformamsoluoslidapara qualquercomposio.Namaioriadoscasos,haversomenteumintervalorestritodesoluo slidae,frequentemente,fasesecompostosintermediriosseroformados.Aformaode soluoslidaemtodaafaixadecomposiesspossvelemsoluessubstitucionaise, nestas, somente em alguns casos restritos, onde os componentes: apresentam diferena de tamanho atmico inferior a 15%, possuem a mesma estrutura cristalina, no apresentam diferena aprecivel de eletronegatividade, e tm a mesma valncia qumica. Se qualquer uma destas regras (Regras de Hume-Rothery) no for satisfeita, duas ou mais fases slidasdeveroexistirnodiagrama.Umexemplodediagramacomsoluoslidalimitadae coexistnciadeduasfasesslidasmostradonafigura2.7.Estediagramaapresentaareao Euttica, que uma reao invariante na qual um lquido de composio fixa (b) se transforma, a uma temperatura constante (Te), em duas fases slidas de composies tambm fixas (a e c). Ocorre, em Te, para qualquer liga cuja composio esteja entre a e c. Considerando-se,agora,oresfriamentoapartirdoestadolquido(pontoI,figura2.7),deuma liga de composio C0, a solidificao se inicia pela formao de gros da fase |, enriquecidos docomponenteB,quandoaverticalABCcortaalinhalquidusepenetranaregiobifsica (| + L).Amedidaqueatemperaturacai,ascomposiesdolquidoede|variam, Metalurgia da Soldagem -2.8 respectivamente, ao longo das linhas lquidus e slidus e as quantidades relativas das duas fases podem ser calculadas pela regra da alavanca. Por exemplo, no ponto II, tem-se: %LC CC C=2 02 1100(2.3) % % |= 100 L(2.4) A liga formada, neste ponto, por uma mistura de um lquido de composio C1 e cristais de | de composio C2 (ver representao esquemtica II na figura 2.7.b). IIIIIIabcB AC1C0C2% em peso de BLquido (L)+L o +L |o + |o|TemperaturaTeLL|ConstituinteEuttico(a)(b)I II III Figura 2.7. (a) Diagrama binrio euttico e (b) representao esquemtica da formao da microestrutura, durante um resfriamento a partir da fase lquida, de uma liga de composio C0. Quandoatemperaturaeutticaatingida, todoo lquidoremanescentesesolidificacomouma mistura das fases o e |. O slido resultante desta reao um constituinte euttico. Ao final da solidificao, o material ser constitudo por gros de | formados acima da temperatura euttica (constituinte proeuttico) e pelo constituinte euttico (representao III na figura 2.7.b). Os diagramas de equilbrio so, sem dvida, ferramentas valiosas no estudo da constituio das ligasmetlicas.Contudo,assuaslimitaesdevemserrealadas,emparticular,ofatodestes diagramasmostraremfasesexistentesemcondiesdeequilbriotermodinmico.Oestadode Metalurgia da Soldagem -2.9 equilbrio o estado final ideal para processos naturais e pode ser representado matematicamente porumpontodemnimonaenergialivre(G)dosistemaatemperatura(T)epresso(P) constantes, isto : dGTP ,= 0(Condio de Equilbrio)(2.5) Seumsistemapuderexistir,aumadadatemperatura,emduasformascomdiferenteenergias livres, este sistema tender a se transformar completamente na fase de menor energia (isto , esta fase age como um atrator para o sistema). Por exemplo, temperatura e presso normais, tem-se para um sistema composto de alumnio, oxignio e alumina: mol kcal G O Al O Al / 377 2 / 3 23 2 2 = A + (2.6) O valor negativo de AG (energia livre da alumina menor) implica na tendncia da reao ocorrer paraadireita,isto,nosentidodaoxidaodoalumnio.Aenergialivredeumsistema definida como: G H TS = (2.7) onde H, entalpia, representa a energia total do sistema na forma de energias cintica e potencial e dotrabalhorealizadopeloambientesobreosistemaeotermoTS,temperaturaxentropia, representa a energia do sistema necessria para a sua existncia como tal. 2.4 - Aspectos Cinticos Embora o estado de equilbrio seja um atrator para os processos naturais, ele frequentemente no atingidopelosmateriaiscomumenteutilizadosemengenharia.Porexemplo, peasdeaoou alumniopodempermanecerpormuitosanosemcontatocomooxignioatmosfricosemse transformaremcompletamenteemxidos.Garrafaseoutrosutensliosdevidro(materialque pode ser considerado como um lquido base de slica que foi resfriado muitos graus abaixo de suatemperaturadesolidificao),confeccionadosnaantiguidade,podemserencontradoshoje, praticamente inalterados sem sinais de cristalizao. Uma transformao envolve frequentemente otransportedematrianosistema(mudanasdecomposio),orearranjodaorganizao atmica(mudanadeestruturacristalina,porexemplo),variaesdevolume,criaode interfaces,etc.Aocorrnciadealgunsdesteseventospodedificultar(isto,agircomouma barreira)aocorrnciadatransformao,tornandonecessrioumtempomaisoumenoslongo paraestasecompletar.Assim,acinticadeevoluodeumaestruturaumaspecto complementar do estudo de suas transformaes. Uma discusso muito simplificada de alguns destes aspectos pode ser feita para a solidificao de um metal puro. A figura 2.8 mostra, esquematicamente, as energias livres das fases slida e lquida de um metal puro em funo da temperatura. AtemperaturaTe,ondeasenergiaslivresdoslidoedolquidoseigualam,corresponde temperatura de equilbrio das duas fases (AG = 0). Acima desta temperatura, o lquido a fase maisestvel(GLGS).Adiferenade energiaentreasduasfasesaforamotriz,aumadadatemperatura,paraatransformaoda fase menos estvel na mais estvel. Metalurgia da Soldagem -2.10 G AEnergia Livre, GTemperatura, TT -T AeTeGlGs Figura 2.8. Variao da energia livre em funo da temperatura das fases lquida e slida de um metal. Idealmente, assim que a temperatura cai abaixo da temperatura de solidificao, o metal lquido poderiasetransformaremslido.Narealidadeistonoocorre.Aprobabilidadedetodosos tomosdolquido,emumdadoinstante,assumiremsuaposionaredecristalinadoslido extremamentepequena.Assim,asolidificaotendeaseiniciarpelaformaodepequenas partculas (ncleos) de slido separadas do lquido por uma interface. Desta forma, para o incio da solidificao, o lquido deve ser super-resfriado, isto , resfriado de forma aprecivel abaixo datemperaturadesolidificao,paraqueaforamotrizexistentepossacompensaraenergia necessria criao da interface entre o ncleo e o lquido. Aformaodeumncleonomeiodometallquidochamadadenucleaohomognea. Entretanto, a nucleao tende a ocorrer normalmente nas superfcies de um molde, em partculas deoutrasfases(incluses),etc,sendochamada,nestescasos,denucleaoheterognea.Em transformaesnoestadoslido,porexemplo,nadecomposiodoFeemFeo,anucleao tendeaocorrerheterogeneamenteapartirdoscontornosdegro.Umavezformado,oncleo tende a crescer s custas da fase instvel. Assim,avelocidadeglobaldeumatransformaodependerdasvelocidadesdenucleaoe crescimento. As velocidades de nucleao e de crescimento tendem, em geral, a crescer com o afastamento da temperatura de equilbrio, devido ao aumento da fora motriz. Contudo, para as transformaesqueocorremnoresfriamento,quandoosuper-resfriamentoformuitogrande,a mobilidade dos tomos dentro de um material (difuso) pode se tornar extremamente pequena e dificultartantoanucleaoquantoocrescimento,reduzindoportantoavelocidadede transformao (figura 2.9). Em resumo, pode-se afirmar que: Velocidadederesfriamentobaixa(ouumsuper-resfriamentopequeno)fazcomquea transformao ocorra lentamente e com o crescimento de um pequeno nmero de ncleos. Metalurgia da Soldagem -2.11 Velocidadederesfriamentoelevada(ouumsuper-resfriamentomaior)resultaemuma transformaomaisrpidadevidosmaioresvelocidadesdenucleaoecrescimento.A estrutura tende a ser mais fina, isto , com menor tamanho de gro. Velocidadederesfriamentoexcessivamenteelevada,levandorapidamenteomaterialat temperaturas suficientemente baixas, pode suprimir a transformao descrita acima e a fase instvel pode permanecer inalterada por longos perodos de tempo ou sofrer um outro tipo de transformao, para uma fase diferente da prevista pelo diagrama de equilbrio. Temperatura de EquilbrioTemperaturaVelocidades de Nucleao (N),Crescimento (G) e Global (V)NVG Figura 2.9. Diagrama mostrando esquematicamente a variao das velocidades de nucleao, crescimento e global de uma transformao em funo da temperatura(2.9). As escalas para as diferentes velocidades so arbitrrias. 2.5 - Metalurgia Fsica dos Aos Osaossobasicamenteligasdeferroecarbono,cujoteordeveserinferiora2%empeso, contendo ainda diversos outros elementos residuais de seu processo de fabricao ou adicionados intencionalmentevisandoaobtenodecertaspropriedades.Compreendemogrupodeligas mais usadas pelo homem, pela abundncia de matria prima bsica, relativa facilidade de refino, baixocustoevastagamadepropriedadesobtidaspelaadiodeelementosdeligaepelo controledesuaestruturaportratamentostrmicosemecnicos.Emparticular,sotambmos materiaismaisutilizadosemestruturassoldadas.Nestaseo,osconceitosdiscutidos resumidamente nas sees anteriores sero aplicados no estudo dos aos. Metalurgia da Soldagem -2.12 2.5.1 - Solidificao dos aos A solidificao dos aos um processo complexo e suas caractersticas afetam a estrutura e as propriedadesdeumapeadeaofundido.Seusefeitospersistem,inclusive,numapea conformada e tratada termicamente. Asolubilidadedosgasesnoaolquidodiminuiacentuadamentemedidaqueometal resfriadoatointervalodetemperaturaondecomeaatransioentreolquidoeoslido. Duranteasolidificaodelingotes,osgasessoliberadosemquantidadesdependentesdas originalmentepresentesnoaolquido.Oprincipalcomponentegasosoooxignioque,na formadeFeO,reagecomoC,produzindoCO.Osgases,queevoluemnasporesainda lquidasdolingote,podemseraprisionadosnasinterfacesslido-lquido,produzindobolhas gasosas (blowholes). A adio de elementos desoxidantes ao ao lquido diminui a quantidade de oxigniodissolvidoeograudedesoxidaodeterminaquatrotiposdeaos:acalmado,semi-acalmado, capeado e efervescente, figura 2.10. Figura 2.10. Estrutura dos lingotes. (a) acalmado, (b) semi-acalmado, (c) capeado e (d) efervescente. A linha pontilhada indica a altura original do ao lquido. Aoacalmado(figura2a):nelenoseformanenhumaquantidadedegs.Suasuperfcie superior levemente cncava e, diretamente abaixo do topo, existe uma cavidade de rechupe interrompida intermitentemente. Em geral, estes aos so vazados em lingoteiras com cabea quentedetiporefratrio,paraconfinaracavidadederechupeaomassalote,que posteriormente cortado. Aosemi-acalmado(figura2b):neleevoluiumaquantidadereduzidadegases,mas suficienteparacompensartotalmenteacontraodevolumedevidasolidificao.A presso ferrosttica exercida pelo ao lquido impediu a formao de bolhas na parte inferior do lingote. Ao capeado (figura 2c): a evoluo de gs no incio da solidificao foi muito intensa, mas asuaintensidadefoireduzidatapando-sealingoteiraeaumentando-seassimapresso ferrosttica. Ao efervescente (figura 2d): a reao de efervescncia ocorreu intensa e livremente e a sua contraodevolumedevidasolidificaofoicompensadapelaformaodebolhas. Superficialmenteolingoteapresentaumacamadamuitopura,entretantooseucentro caracterizado pela segregao mais intensa de elementos como o carbono, fsforo e enxofre. Metalurgia da Soldagem -2.13 Atualmente,praticamentetodooaoproduzidosolidificadoporlingotamentocontnuo.Para ser usado neste processo, o ao deve estar acalmado e, por consequncia, as outras formas acima citadas so raramente encontradas. Contudo, particularmente se as condies de proteo durante a soldagem no forem adequadas, a reao de efervescncia poder ocorrer na poa de fuso. Amacroestruturadelingotesdeaosacalmadosapresentatrszonasdistintascomdiferentes morfologias de gro (figura 2.11). Essas zonas so: ZonaCoquilhada:Forma-sejuntodaparededalingoteiraoumolde.Aproximidadeda paredegaranteumaextraofortedecalore,destaforma,umsuper-resfriamentoelevado. Assim,ocorredeumgrandenmerodenmerodencleosduranteasolidificaoque favorecem a formao, nesta regio, de pequenos gros equiaxiais orientados ao acaso. Zona Colunar: Forma-se aps a anterior, quando o super-resfriamento se torna pequeno e a nucleaodenovosgrospraticamentecessa.Apresentagrosalongadosedispostos paralelamente direo do fluxo de calor durante a solidificao. Zona Equiaxial Central: formada por gros equiaxiais e normalmente maiores que os da zona coquilhada. Figura 2.11. Seo longitudinal de um lingote, mostrando as trs zonas de solidificao. 2.5.2 - Diagrama de equilbrio Fe-C O estudo da constituio e estrutura das ligas de ferro (aos e ferros fundidos) deve comear com o diagrama de equilbrio Fe-C. As caractersticas bsicas deste sistema (figura 2.12) influenciam atocomportamentodosaosmaiscomplexos,ouseja,asfasesdodiagramaFe-Cpersistem nestesaos,sendo,entretanto,necessrioexaminarosefeitosdoselementosdeligasobrea formaoepropriedadesdestasfases.OdiagramadeequilbrioFe-Cforneceumconjuntode informaes fundamentais para o conhecimento e compreenso dos aos carbono e aos ligados na sua imensa variedade. Metalurgia da Soldagem -2.14 As fases representadas neste diagrama so: lquido, austenita (), ferrita (o e o) e cementita Fe3-C. A austenita a soluo slida intersticial de carbono no ferro (CFC), a ferrita a soluo slidadocarbononoferrooeo(CCC)eacementitaumcarbonetodeferrodeestrutura ortorrmbica. Asolubilidadedocarbonomaiornaaustenitadoquenaferrita.Porexemplo,a727C,a austenitapodedissolver0,77%Ceaferritasomente0,02%C(pontosindicadosporSePna figura2.12,respectivamente).Estadiferenapodesercompreendida,comparando-seas dimensesdosinterstciosdoferro(1,48)edoferroo(0,38),quepodemserocupados pelos tomos de carbono, com dimetro de 1,54. Para ocupar uma posio intersticial no ferro o, um tomo de carbono precisa distorcer muito mais violentamente a sua estrutura cristalina. Carbono (%atmica) Figura 2.12. Diagrama de equilbrio metaestvel Fe-Fe3C(2.10).. Afigura2.12,emborasuaabcissacorrespondaporcentagemdecarbono,representaum diagramametaestvelFe-Fe3C.Ocarbonetocementitamenosestvelqueagrafitaeo diagramadeequilbrioverdadeirooFe-C.Entretanto,ocarbononaformadegrafitaocorre Metalurgia da Soldagem -2.15 apenasemferrosfundidos(2a4%C),sendomuitodifcildeserencontradonosaos.Deste modo, do ponto de vista prtico do comportamento dos aos, o diagrama metaestvel Fe-Fe3C aquele usualmente utilizado. O diagrama Fe-Fe3C apresenta trs reaes invariantes, caracterizadas pelos pontos: perittico, a 0,17%C e 1495C (H), euttico, a 4,30%C e 1147C (C) e eutetide, a 0,77%C e 727C (S). A reao perittica (ponto H, figura 2.12) ocorre a 1495C, em aos com at 0,5%C resfriados a partirdoestadolquido.Umaquantidadeinicialdeferritaoformadamedidaqueo resfriamento progride. Ao se atingir a temperatura perittica, o lquido remanescente e a ferrita reagem formando a austenita pela reao: CCC CoL% 17 , 01495% 09 , 0 % 53 , 0 o + (2.8) Nesta, a seta nos dois sentidos indica que, no aquecimento, a reao ocorrer no sentido oposto, isto,aaustenitasetransformaremlquidoeferrita.Afigura2.13mostraaregioperittica ampliada do diagrama Fe-Fe3C. Figura 2.13. Regio perittica do diagrama Fe-Fe3C. A reao euttica (ponto C da figura 2.12) ocorre quando o lquido se transforma em austenita e cementita (reao euttica). Ela ocorre a 1147C, durante a solidificao de ligas contendo de 2 a 6,67%C.Estasligascorrespondemaosferrosfundidoseoconstituinteformadonareao denominado ledeburita (figura 2.14). A equao da reao a seguinte: C Fe LCCCo3 % 21147% 3 , 4+ (2.9) A reao eutetide ocorre a 727C, para um teor de carbono na austenita de 0,77% (ponto S da figura 2.12). A equao (2.10) descreve esta reao. o0 77%7270 02% 3 , , CCCoFe C + (2.10) Metalurgia da Soldagem -2.16 O constituinte resultante desta reao chamado perlita, que possui uma estrutura caracterstica formada por uma matriz de ferrita contendo lamelas de cementita regularmente espaadas. Figura 2.14. Ferro fundido branco hipoeutetide formado por perlita (reas escuras maiores) e por ledeburita (fundo claro de cementita com pequenas regies escuras de perlitada). Ataque: cido nital. 1000x. 2.5.3 - Estrutura dos aos resfriados lentamente De acordo com o seu teor de carbono, os aos podem ser divididos em trs grupos: aos hipoeutetides, com teor de carbono inferior a 0,77%, aos eutetides, com teor de carbono em torno de 0,77% e aos hipereutetides, com teorde carbono superior a 0,77%. Um ao com 0,45%C, aquecido a 900C, apresenta uma estrutura austentica, que a fase estvel aestatemperatura,segundoodiagramaFe-Fe3C(figura2.12).Seesteaoforresfriado lentamenteapartirdestatemperatura,aoalcanaralinhaGS(775C),osprimeiroscristaisda faseocomearoaserformados.medidaqueoaoseresfria,maisferritaseformaea quantidade de austenita diminui. Quando a temperatura de 727C alcanada, a austenita remanescente se transforma em ferrita e cementita,deacordocomareaoeutetide,dandoorigemperlita.Apsestareao,o materialno sofremaisnenhumaalteraosignificativaemseuresfriamentoatatemperatura ambiente.Assim,asuamicroestruturafinalserconstitudadeferritapr-eutetide(formada antesdareaoeutetide)eperlita.Afigura2.15amostraamicroestruturadeumao hipoeutetde na qual as regies claras so ferrita pr-eutetide e as escuras so perlita. Umaocomcercade0,8%C,resfriadolentamenteapartirdaaustenita,apresentar,na temperatura ambiente, uma microestrutura constituda essencialmente por perlita (figura 2.15b). Um ao com 0,95%C, quando resfriado lentamente a partir da regio austentica, ter a cementita comoconstituintepr-eutetide.Acementitacomeaaseformarquando,noresfriamento,a linha SE alcanada (800C). Na sequncia do resfriamento, mais cementita se forma enquanto a quantidade de austenita diminui. Na temperatura de 727C, a austenita se transforma em perlita. temperaturaambiente,oaoserconstitudodecementitapr-eutetide,localizada geralmente nos antigos contornos de gro da austenita, e por perlita (figura 2.15c). Metalurgia da Soldagem -2.17 500x (a) 500x (b) 1000x (c) Figura 2.15. Microestruturas de aos carbono resfriados lentamente. (a) ao com 0,45%C, (b) ao com 0,8%C e (c) ao com 0,95%C. Ataque: Nital 2%. Metalurgia da Soldagem -2.18 As estruturas descritas so formadas para condies de resfriamento tais que as transformaes ocorramnoequilbrio.medidaqueavelocidadederesfriamentoaumentada,as transformaes tendem a se afastar do equilbrio e a granulao se torna mais fina. As lamelas de perlitaficammenosespaadasentresieaquantidaderelativadosconstituintesvaria,no podendosermaiscalculadapelaregradaalavanca.Seavelocidadederesfriamentofor suficientemente grande, uma nova fase, no prevista pelo diagrama de equilbrio, ser formada. A microestrutura final depender da velocidade de resfriamento, da composio qumica do ao, do tamanho de gro da austenita e de sua homogeneidade(2.10). Estes aspectos sero discutidos na seo 2.5.6. 2.5.4 - Distribuio dos elementos de liga nos aos A distribuio dos elementos nos aos depender de sua tendncia inerente de participar de uma soluo slida, ou de formar um composto, uma fase intermediria ou mesmo uma incluso no metlica. Para que um elemento se distribua em uma ou mais fases necessrio que haja tempo suficiente para sua movimentao dentro do ao, seja na fase lquida ou slida. Esta distribuio dependetambmdapresenaedaconcentraodeoutroselementos.Destemodo,somente tendnciageraisdedistribuiodosdiversoselementosdeliganoaopodemsermostradas (Tabela 2.III) e estas podem ser tomadas como uma aproximao geral do comportamento destes elementos no ao. Ostomosdecarbono,nitrognio,oxignio,hidrognioeboropossuemraiosatmicos pequenosemrelaoaoferroeformamcomestesoluoslidadotipointersticial.A solubilidade destes elementos limitada pela grande distoro que provocam na rede cristalina e, emalgunscasos,pelasuaafinidadequmicacomoferroououtroelementodeliga(Tabela 2.IV). Tabela 2.IIITendncias gerais de distribuio dos elementos qumico no ao(2.11). ElementosEm soluoslida naferritaCombinado emcarbonetosEm inclusesnometlicasEm compostosintermetlicosNquel NiSilcioAlumnioZircnioMangansCromoTungstnioMolibdnioVandioTitnioNibioFsforoEnxofreTi(C,N)SiAlZrMnCrWMoVTiNbPSMnCrWMoVTiNbAlOZrOMnSCrOMnOVOTiO(Mn, Fe)SZrS2 32xxxyyNiSi3NiAl3AlNx yZrNx yyVNx yTiNx y Metalurgia da Soldagem -2.19 Tabela 2.IVSolubilidade em % atmica dos elementos intersticiais no ferro o e no ferro . Elemento Raio atmico Fe - oFe - ()Solub. mxima (%) Temperatura (C) Solub. mxima (%) Temperatura (C) C0,770,095727 8,71148 N0,720,4059010,3 650 O0,600,7-1,3x10-4906?? H0,461-2x10-29055x10-21400 B0,980,02915?? Carbonoenitrogniosooselementosqueapresentamasmaioressolubilidades.Abaixa solubilidadedooxigniosedevesuatendnciadeformarxidosmaisestveisdoquea soluoslida.Ohidrogniotemfortetendnciaapermanecernaformamolecular(H2), apresentando solubilidade muito baixa no ferro. O boro, por sua vez, um elemento que tem um raioatmicograndeparaseposicionaremuminterstcioepequenoparaocuparumaposio substitucional. Sua solubilidade no ferro muito baixa. Os elementos metlicos cromo, nquel, mangans e outros possuem raios atmicos prximos do raiodoferro,podendosubstituirtomosdestenasuaredecristalina,formandosolues substitucionais.Asolubilidadedesteselementosdependedaestruturacristalinadoferro,da temperaturaedapresenadeoutroselementos.ElementoscomoCreSipossuemgrande solubilidade no ferro o, enquanto que o nquel se dissolve bem no ferro . A solubilidade de um elementoqualquertendegeralmenteaaumentarcomatemperatura.Algunselementospodem formar (ou tentar formar) outras fases ou compostos em certas faixas de temperatura. Compostos intermediriosefasesordenadaspodemseformaremcertosaosligadosemfunodesua "histria", causando alteraes em suas propriedades, como um aumento de dureza ou perda de ductilidade. A presena de elementos em soluo slida tende a aumentar a dureza e resistncia mecnica de umafase(endurecimentoporsoluoslida).Afigura2.16mostraoefeitoendurecedorde alguns elementos na ferrita. Nos aos estruturais utilizados comumente, o aumento de resistncia mecnica por soluo slida pequeno frente a outros mecanismos como o refino da estrutura ou a formao de fases mais duras. Quandoaafinidadedoelementodeligapelocarbonoforsuperiordoferro,carbonetos diferentes da cementita podem ser formados. Estes podem influenciar o comportamento do ao, melhorando,porexemplo,asuaresistnciamecnicaaaltatemperaturaousuaresistncia abraso.Obviamente,estaseoutraspropriedadesdoaosoafetadaspelaquantidade, composio, forma e dimenses dos carbonetos. Nquel,silcioealumniotmmenorafinidadepelocarbonoqueoferro.Poroutrolado mangans,cromo,molibdnio,tungstnio,tntalo,vandio,titnioenibiopossuemmaior afinidade, aumentando do mangans para o nibio. Com exceo do mangans, que capaz de se combinar na cementita, os demais elementos formadores de carboneto se dissolvem somente em pequena quantidade nesta e tendem a formar outros tipos de carbonetos. Metalurgia da Soldagem -2.20 Figura 2.16. Endurecimento por soluo slida devido a vrios elementos na ferrita(2.11). Osaospodemconteraindaumapequenaquantidadedematerialnometlico,distribudona formadepartculaspequenasedispersas(incluses).Estas,emummaterialcomercial,so normalmente partculas de certos minerais tais como xidos complexos, silicatos e sulfetos, que se formam nas etapas finais do processamento do ao lquido, como resultado da diminuio da solubilidadedediversasimpurezascomareduodatemperaturaeasolidificaodoao. Dispersesmuitofinasdeinclusesnometlicas,assimcomodispersesfinasdenitretosde alumnio, podem reduzir o crescimento excessivo de gros que tende a ocorrer quando o ao aquecidoatemperaturasmuitoelevadas(acimade1000Cporexemplo).Poroutrolado, disperses grossas no so desejveis, pois tendem a prejudicar as propriedades mecnicas. 2.5.5 - Influncia dos elementos de liga sobre os campos o e do diagrama Fe-C Os elementos de liga podem alterar o diagrama Fe-C de duas formas principais: expandindoocampoefavorecendoapresenadaaustenitanumintervalomaiorde temperaturas e numa faixa ampla de composio, contraindoocampoefavorecendoaformaodeferritaemumaamplafaixade composio e em um maior intervalo de temperaturas. Os elementos que agem da primeira forma so conhecidos como estabilizadores da austenita, ou gamagneos, enquanto os ltimos so os estabilizadores de ferrita ou alfagneos. Os diagramas de equilbrio destes elementos com o ferro podem ser divididos em quatro classes principais: Classe 1 - Campo aberto (figura 2.17a): Os principais elementos deste grupo so nquel e mangans,mastambmfazempartecobalto,rdio,smio,etc.Quandoemaltas concentraes,esteselementostendemaestabilizaraaustenitamesmotemperatura ambiente. Estes elementos provocam um abaixamento das temperaturas de transformao A3 e A1. Metalurgia da Soldagem -2.21 Classe 2 - Campo expandido (figura 2.17b): Carbono e nitrognio so os elementos mais importantesdestegrupo.Ocampoaustenticoexpandido,massuafaixadeexistncia interrompidapelaformaodecompostos.Ouro,zincoecobretambmfazempartedeste grupo. Classe3-Campofechado(figura2.17c):Silcio,alumnio,berliofsforoealguns elementosformadoresdecarbonetocomoTi,V,MoeCrfazempartedestegrupo.Estes elementosaumentamaestabilidadedaferrita(CCC),tendendoatornaroscamposaed contnuos. Classe 4 - Campo contrado (figura 2.17d): Fazem parte deste grupo elementos como B, Ta, Nb e Zr. A contrao do campo austentico acompanhada pela formao de compostos. Figura 2.17. Classificao dos diagramas de fase do ferro com diferentes elementos de liga: (a) campo aberto, (b) campo de expandido, (c) campo de fechado, (d) campo de contrado(2.11). Umaformaconvenientedeilustraroefeitodeumelementodeliganocampoaustenticodo sistemaFe-Cprojetar, noplanoFe-C,oscontornosdessescampos(para teorescrescentesde umelementoparticular)deumsistematernrio.Afigura2.18ilustraoefeitodotitnioedo cromo. De acordo com esta figura, 1%Ti suficiente para eliminar o campo, enquanto o teor necessrio de Cr de 20%. Metalurgia da Soldagem -2.22 Figura 2.18. Efeito do Ti e do Cr no campo (2.11). 2.5.6 - Aspectos cinticos OestudododiagramadeequilbrioFe-Cdesenvolvidonassees2.5.2e2.5.3fornece informaes bsicas sobre as transformaes no estado slido que podem ocorrer em um ao (em particularatransformaodaaustenitanoresfriamento,queademaiorinteresseprtico). Entretanto, as transformaes descritas ocorrem em condies de equilbrio ou prximas deste. Paraisto,avelocidadederesfriamentodevesersuficientementebaixaparaqueotempo disponvelpermitaasrepartiesdeelementosdeligaeasmudanasdeestruturacristalina associadas com a transformao. medida que a velocidade de resfriamento se torna maior, as transformaes tendem a ocorrer a menores temperaturas, demandando um tempo maior (devido reduo da velocidade de difuso). Desta forma, a transformao passa a ocorrer em condies cadavezmaisdistantesdasdeequilbrio.Comoresultado,ocorremmudanasnamorfologia, dimensesearranjodosgrosoupartculasdasfasesformadas(Fe-oecarboneto)e, eventualmente,aformaodestaspodesersuprimida,deacordocomosprincpiosgeraisde cintica discutidos na seo 2.4. Avariaodolimitedeescoamentodeumaoeutetideemfunodesuavelocidadede resfriamento(figura2.1)podeserassociadacomasalteraesqueocorrememsua microestrutura. Com velocidade de resfriamento extremamente baixa, a transformao eutetide ocorre aps super-resfriamento pequeno e em condio prxima do equilbrio. A microestrutura resultantegrossa,constitudadeumamatrizferrticacompartculasdecarboneto.Este constituinte, esferoidita, torna o ao macio e pouco resistente. Com velocidade de resfriamento ligeiramente superior, perlita grosseira formada. A transformao se inicia a temperaturas cada vez menores e, como resultado da maior taxa de nucleao e a menor velocidade de difuso do carbono,amicroestruturasetornacadavezmaisfina.Esterefinodaestruturaendurecee aumenta o limite de escoamento do ao. Finalmente, quando a velocidade de resfriamento atinge valor suficientemente elevado, a austenita super-resfriada violentamente sem que ocorra a sua transformaoemferritaecarboneto.Estatransformaoficasuprimidaeumanovafase (martensita) pode ser formada. Metalurgia da Soldagem -2.23 A martensita uma fase metaestvel, no prevista pelo diagrama de equilbrio Fe-C e se forma porumcurtomovimentosimultneodegruposdetomos(isto,pordeformaolocalizada), devido enorme instabilidade da austenita. Esta fase tem uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (semelhante estrutura CCC, mas com uma de suas arestas maior que as outras duas), uma morfologia de lminas ou agulhas, quando observada ao microscpio metalogrfico, e o constituinte de maior dureza dos aos comuns (figura 2.19). Devido s suas caractersticas, atransformaomartensticaocorreinstantaneamente(atumacertaextenso)abaixodeuma temperaturatpica(temperaturadeinciodeformaodemartensita,Mi),quedependeda composio qumica do ao. Esta temperatura pode ser estimada atravs de frmulas empricas como, por exemplo(2.10): Mi (oC) = 539 - 423%C - 30,4%Mn - 17,7%Ni - 12,1%Cr - 7,7%Mo(2.11) A quantidade de martensita formada a uma dada temperatura fixa para um dado ao e, quanto mais baixa, maior a quantidade de martensita formada. Pode-se definir assim, para um aode umacertacomposio,umatemperaturaemqueaestrutura,apsumresfriamento suficientementerpido,completamentemartenstica(temperaturaMf).Estatemperatura tambm pode ser estimada por frmulas empricas, por exemplo: Mf (oC) = 346 - 474%C - 33%Mn - 17%Ni - 21%Mo(2.12) Afigura2.20mostraesquematicamenteavariaodamicroestruturaemfunodavelocidade de resfriamento, para um ao hipoeutetide. Figura 2.19. Martensita em um ao baixo carbono. Ataque: Nital. 200x. Existemdiagramasquefornecemasfaseseconstituintesformadosemumao,emfunode suascondiesderesfriamentoapartirdocampoaustentico.Estesdiagramaspodemser baseados em transformaes a temperatura constante (aps o material ser resfriado rapidamente a partirdocampoaustenticoatatemperaturadeinteresse),conhecidoscomodiagramasTTT (Tempo,TemperaturaeTransformao)ouemtransformaesdesenvolvidasduranteum resfriamento contnuo, diagramas TRC (Transformao em Resfriamento Contnuo). Estesdiagramassoexperimentais,obtidosapartirdeamostrasdeumdadoao,queso aquecidosatumatemperaturanocampoaustenticoeque,apspermaneceremnesta Metalurgia da Soldagem -2.24 temperaturaporumcertotempo,soresfriadosdeacordocomotipodediagrama.A transformaodaaustenitapodeseracompanhadapelaanlisemetalogrficadeamostras resfriadas rapidamente, aps seguirem a forma desejada de resfriamento por diferentes perodos detempo,ouatravsdamedidadevariaescomotempodepropriedadesfsicas(ououtras caractersticas) dependentes da estrutura do ao, como por exemplo a liberao de calor (anlise trmica), a resistividade eltrica, etc. Ferrita+PerlitaFerrita+PerlitaMartensitaVelocidades de Resfriamento MaioresMicroestrutura:Esferoidita Figura 2.20. Microestrutura de um ao hipoeutetide em funo de sua velocidade de resfriamento a partir do campo austentico. (esquemtica). A figura 2.21 mostra um diagrama TTT de um ao hipoeutetide. Este diagrama marcado pela presena de curvas em forma de "C", que indicam o incio (curvas mais a esquerda) e o final da transformao da austenita. Por exemplo, a 600C, a austenita comea a se transformar em ferrita apscercade2segundos.Aps4segundos,aformaodeferritainterrompidaeinicia-sea formaodeperlita.Apscercade15segundos,atransformaoestterminadaea microestruturafinaldomaterialconstitudadecercade15%deferritae85%deperlita.O tempodetransformaomnimo(avelocidadedetransformaomxima)parauma temperaturaemtornode530C.Acimadestatemperatura,osprodutosdatransformaosoa ferrita proeutetde e a perlita e, para temperaturas mais baixas, aparece o constituinte conhecido comobainita(figura2.22).Esta,damesmaformaqueaperlita,umagregadodeferritae carbonetos,apresentando,entretanto,algumascaractersticasprximasdamartensita.Ela formada, basicamente, por lminas ou agulhas de ferrita com uma fina disperso de carbonetos. Emaoscarbono,ascurvasdetransformaodaperlitaedabainitasesobrepemdandoa impressodeumascurva(figura2.21).Emaosligados,estascurvaspodemseseparar, resultando em um diagrama TTT com duas famlias de curvas de transformao (figura 2.23). Outro aspecto importante que pode ser observado comparando-se as figuras 2.21 e 2.23 que o tempodetransformaotendeaaumentarcomoaumentodoteordeliga.Estacaracterstica implicaemumamaiorfacilidadenatransformaodaaustenitaemmartensitaemaosmais ligados.Outrosfatoresqueafetamatransformaodaaustenitasoagranulaoesua homogeneidade.Estruturasaustenticasmaisgrossasemaishomogneas,quepodemresultar, por exemplo, da austenitizao em temperatura excessivamente elevada e/ou por um perodo de tempo longo, tendem a sofrer uma transformao mais lenta. Metalurgia da Soldagem -2.25 Figura 2.21. Diagrama TTT de um ao hipoeutetide (0,44%C, 0,22%Si, 0,66%Mn, 0,15%Cr)(2.12). Figura 2.22. Microestrutura de um ao baixo carbono constituda basicamente de bainita e martensita (fundo claro). Ataque: Nital. 200x. Metalurgia da Soldagem -2.26 Figura 2.23. Diagrama TTT de um ao baixa liga (0,35%C, 0,23%Si, 0,65%Mn, 1,10%Cr, 0,18%Cu, 0,23%Ni, 0,05%Mo)(2.12). A utilizao do diagrama TTT limitada porque este prev as fases formadas a uma temperatura constante.Ostratamentostrmicosnormalmenteutilizadospromovematransformaoda austenita atravs de resfriamento contnuo. Para a previso das fases que sero formadas nestas condiesforamdesenvolvidososdiagramasTRC.Estesdiagramasregistramo desenvolvimento de transformaes medida que a temperatura decresce, para diferentes taxas de resfriamento. A figura 2.24 apresenta o diagrama TRC do ao cujo diagrama TTT mostrado na figura 2.21. Acompanhando,porexemplo,acurvaderesfriamentomaislento,observa-sequeestapassa pelasregiesdeformaodaferritaedaperlita.Assim,quandooaoalcanaratemperatura ambiente, ter sua microestrutura formada por estes dois constituintes e apresentar uma dureza Vickers de 195HV. Diversosdestesdiagramas,paradiferentescomposiesdeaoseferrosfundidos,foram construdos e podem ser utilizados para a previso da microestrutura destes materiais em funo das condies de resfriamento. Metalurgia da Soldagem -2.27 Figura 2.24. Diagrama TRC de um ao hipoeutetide (0,44%C, 0,22%Si, 0,66%Mn, 0,15%Cr)(2.12). 2.5.7 - Tratamento trmico dos aos Tratamentos trmicos podem ser definidos como processos em que um metal, no estado slido, submetidoaum ou mais ciclosdeaquecimentoeresfriamentoparaalterar, deforma desejada, uma ou mais de suas propriedades(2.14). Os aos podem ser submetidos a diferentes tratamentos trmicos visando um dos seguintes objetivos(2.13): removerastensesinduzidaspelotrabalhoafrioouremoverastensesoriginadaspor resfriamento no uniforme de peas aquecidas; diminuir a dureza e aumentar a ductilidade; aumentar a dureza, a resistncia mecnica e a resistncia ao desgaste; aumentaratenacidadedeformaacombinarumaaltaresistnciatraoeumaboa ductilidade, permitindo suportar choques de maior intensidade; melhorar a usinabilidade; melhorar as propriedades de corte de ferramentas e alterar as propriedades eltricas e magnticas. Os principais tratamentos trmicos dos aos so: Tmpera: consiste no aquecimento de uma pea at a sua completa austenitizao, seguido deseuresfriamentoaumavelocidadesuficientementerpidaparacausaraformaode martensita. Isto usualmente conseguido por imerso em banho de salmoura, gua ou leo. Devido maior inrcia para a transformao dos aos mais ligados, estes so mais facilmente Metalurgia da Soldagem -2.28 temperveis. Assim, por exemplo, enquanto peas "espessas" de ao inoxidvel martenstico (com 12%Cr) so temperadas at o centro (onde a velocidade de resfriamento menor) com resfriamentoaoar,peasdemesmadimensodeaocarbono(porexemplo,SAE1045) podem no ser temperadas no centro por resfriamento em gua. A tmpera pode causar um aumento significativo na dureza e resistncia dos aos, particularmente daqueles com maior teor de carbono (figura 2.25). Este aumento de resistncia , contudo, acompanhado por uma perda proporcional de ductilidade. Figura 2.25. Dureza de aos carbono em funo do teor de carbono e da microestrutura(2.11). Revenimento: pode ser realizado aps a tmpera com o objetivo de reduzir a fragilizao do ao, s custas de uma certa perda de dureza. Isto conseguido atravs da decomposio da martensita(queumafasemetaestvelecomumaestruturacristalinaintensamente distorcidapelostomosdecarbonoemsoluoslida)emumadispersodecarbonetos numamatrizferrtica.Otratamentorealizadoaumatemperaturainferiortemperatura eutetideeaperdadedurezaaumentausualmentecomatemperaturaeotempode revenimento(figura2.26).AoscomadiesdeelementoscomoCr,V,MoeNbpodem sofrerendurecimentosecundrio(precipitaodecarbonetosfinoseduros)duranteo revenimento e ter um comportamento diferente (figura 2.27). Recozimento:Este tratamentotemcomo objetivoobternomaterialumaestruturaprxima do equilbrio. Uma forma de recozimento consiste em austenitizar o ao e em seguida resfri-lo lentamente, usualmente dentro do prprio forno. Outra o recozimento de recristalizao, queaplicadoaummaterialencruado(deformadoplasticamenteafrio).Duranteeste tratamento,omaterialsofrerecristalizao,isto,asuaestruturadeformada,dura,com grandequantidadededefeitoscristalinos(principalmentedeslocaes)e,portanto,afastada do equilbrio, substituda por uma estrutura com uma quantidade muito menor de defeitos e sem deformao atravs da nucleao e crescimento de novos gros. Aps o recozimento, o ao tende a se tornar macio, dctil e fcil de ser cortado e dobrado. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.22004006008001000Estrutura esferoidizadaEstrutura perltica (resf. ao ar)Estrutura martenstica (temperado)Dureza VickersTeor de carbono (%) Metalurgia da Soldagem -2.29 Figura 2.26. Variao da dureza em funo da temperatura de revenimento para o ao SAE 1080(2.13). Figura 2.27. Variao da dureza em funo da temperatura de revenimento para o ao ferramenta AISI M2(2.13). Normalizao: Este tratamento consiste em austenitizar o material e em seguida resfri-lo ao ar,e,portanto,deumaformamaisrpidaquenotratamentoanterior.Anormalizao usualmente utilizada para a obteno de uma estrutura mais fina e mais dura do que a obtida norecozimentoe,tambm,paratornaraestruturamaisuniformeouparamelhorara usinabilidade. Alviodetenses:Consistenoaquecimentodoaoaumatemperaturainferiorsua temperaturaeutetideetemcomoobjetivocausararelaxaodetensesinternasno material, resultantes de processos de conformao mecnica, soldagem, etc. 150 300 450 600203040506070Dureza RCTemperatura (C)100 200 300 400 500 600 7005055606570Tempo de revenimento (horas)1,010100Dureza RCTemperatura (C) Metalurgia da Soldagem -2.30 2.6 - Referncias Bibliogrficas: 1.VOLSKI, E.S. Theory of Metallurgical Processes. Mir, Moscou, 1978. 360p. 2.GILCHRIST, J.D. Extraction Metallurgy. Pergamon Press, Oxford, 1980. 456p. 3.VAN VLACK, L.H. Princpios de Cincias dos Materiais. 5 edio, Editora Campus, So Paulo, 1984. 567p. 4.GUY, A.G. Cincia dos Materiais. Ed. USP, So Paulo, 1980. 435p. 5.CAHN, R.W. Physical Metallurgy. North Holland Co. Amsterd, 1970. 6.REED-HILL,R.E.ABBASCHIAN,R.PhysicalMetallurgyPrinciples,3ed.PWS Publishing Company, Boston, 1994. 926p. 7. MOFFAT, W.G. et al. Cincia dos Materiais. vol. 1. LTC, Rio de Janeiro, 1972. 8.GERASIMOV, Y.A. et al. Physical Chemistry. Mir, Moscou, 1974. 9.BROPHY,J.H,ROSE,R.M.,WULLF,J.CinciadosMateriais.vol.2.LTC,Riode Janeiro, 1972. 10.HONEYCOMBE,R.W.K.,BHADESHIA,H.K.D.H.Steels-Microstructuresand Properties. 2 ed. Edward Arnold, Londres, 1995. 324p. 11.BAIN, E.C., PAXTON, H.W. Alloying Elements in Steel. ASM, Metals Park, 1966. 12.MAX-PLANKINSTITUTE,AtlaszurWrmebehadlungderStle.VerlagStahleisen M.B.H., Dusseldorf, 1961. 13.SMITH, J.D. Heat Treatment of Steel. In: Heat Treater's Guide. ASM, Metals Park, 1982. 14.AVNER, S.H. Introduccin a la Metalurgia Fsica. Mc Graw-Hill, Mxico, 1975. 559p. Captulo 3 Fluxo de Calor em Soldagem Metalurgia da Soldagem -3.1 FLUXO DE CALOR EM SOLDAGEM 3.1 - Introduo: Namaioriadosprocessosdesoldagem,ajuntaprecisaseraquecidaatumatemperatura adequada.Nasoldagemporfuso,particularmente,trabalha-secomfontesdecalor(oarco eltrico ou uma chama, por exemplo) de elevada temperatura (1.000 a 20.000oC), concentradas (superfciedecontatocomajuntadepoucosmilmetrosquadrados)e,portanto,deelevada intensidade (tabela 3.I), as quais, ao serem deslocadas ao longo da junta, resultam na formao da solda pela fuso e solidificao localizadas da junta. Tabela 3.IIntensidade da fonte de calor para diferentes processos de soldagem(3.1). Processo de SoldagemIntensidade da Fonte (GW/m2) Eletrodo Revestido (SMAW)0,005 - 0,5 Processo MIG/MAG (GMAW)0,005 - 0,5 Soldagem Plasma (PAW)0,005 50 Feixe de Eletrons/Laser (EBW/LBW)50 5000 Obs: 1 GW = 1x109 W Esta transferncia de calor da fonte para a junta causa alteraes de temperatura na solda e nas regiesadjacentesdometalbase,quedependemdaformacomqueocalordifundidoparao restante do material sendo soldado. Por sua vez, estas variaes de temperatura causam, alm da fuso e solidificao do cordo de solda,variaesdimensionaisealteraesmicroestruturaislocalizadasquepodemresultarem efeitos indesejveis, tais como: Tenses residuais e distoro; Deteriorao de propriedades mecnicas (dutilidade, tenacidade, resistncia mecnica, etc); Formao de trincas devido a (a) e (b); Deteriorao de propriedades fsicas, qumicas, etc. Emcondiesprticas,aintensidadedeumafontedecaloremsoldagemnopodeser facilmente medida. Um parmetro alternativo, de uso mais comum, a Energia de Soldagem, (H),queaquantidadedeenergiageradapelafontedecalorporunidadedecomprimentoda junta: vPt Lt qLqH = = =//(3.1) onde q a calor gerado pela fonte, L o comprimento da junta, t o tempo de s