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ArtigosEngenharias

Avaliação da tenacidade ao impacto de juntas soldadas deaço inoxidável AISI 304 utilizando ensaios CHARPY

Autor: Marcos Alexandre Fernandes - Engenharia MecânicaProfessor Orientador: Dr. Maurício de Carvalho Silva

Faculdade Politécnica de Jundiaí

Resumo

O presente trabalho teve como objetivocomparar a influência de diversas temperaturasem relação à energia absorvida em ensaios deimpacto Charpy de aços inoxidáveis AISI 304,em duas condições: a) estudo do metal base; b)estudo do metal soldado. Para tanto,determinou-se a energia absorvida no ensaio deimpacto Charpy do tipo A, utilizando corpos-de-prova de seção quadrada de 10mm de ladoe comprimento 55mm. O ensaio foi conduzidoem cinco temperaturas diferentes: -196ºC, -100ºC, -50ºC, - 10ºC, 25ºC. Para os corpos-de-prova soldados, utilizou-se o processo MAGcom temperaturas, voltagem e amperagemdiversas, retirando desta forma seis corpos-de-prova para análise da tenacidade da zonaafetada pelo calor (ZAC), através da mediçãoda energia de impacto absorvida.

Com isto, foi possível comparar ocomportamento do aço AISI 304 em várias

situações de trabalho, no primeiro momentoverificando somente a energia absorvida emvárias temperaturas e no segundo, submetendoo mesmo aço a um processo de soldagem comtemperaturas finais entre 365ºC e 425ºC.

Com este trabalho, foi possível concluirque devido aos altos gradientes de temperatura,a quantidade de energia absorvida na zonaafetada pelo calor (ZAC), foi baixa, ou seja, aresistência ao impacto foi inferior aoapresentado nos materiais sem efetuar oprocesso de soldagem. Já nos materiais sem oprocesso de soldagem, conclui-se que a maiorresistência ao impacto acontece no sentidolongitudinal à direção de laminação do materialAISI 304.

Palavras-chave: Ensaios de impactoCharpy, energia absorvida, soldagem.

Introdução

Em 1896 o setor de física dolaboratório da empresa Krupp, em Essen naAlemanha, passou a ser chefiado pelo Dr.Breno Straub. Em 1906 o primeirometalurgista, Dr. Eduard Maurer, começoua trabalhar neste setor. Maurer desenvolveuum trabalho experimental em Paris na áreade tratamentos térmicos de aços, como tese

de doutorado, em 1908 em Aachen. Entre1908 e 1910, Straub e Maurer trabalharamcom aços ao cromo e cromo-níquel, sendoque em 1910 introduziram os aços contendo35% de níquel e 13 a 14% de cromo. Em 17de outubro de 1912, a empresa Krupp deuentrada no setor de patentes do impérioalemão em Berlim ao pedido de patente DRP.

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Anuário2005304126 (“Fabricação de objetos que exigem

alta resistência à corrosão...”). Esta patentefoi pouco depois, em 20 de dezembro de1912 completada por outra DPR. 304159.Nasciam os aços inoxidáveis austeníticosV2A (V de Versuch, que significaexperiência, e A de Austenit) contendo 20%de cromo, 7% de níquel e 0,25% decarbono.[1]

A empresa Krupp foi a primeira acomercializar aços inoxidáveis. Até o fimdo primeiro semestre de 1914, ela já haviafornecido à fábrica de anilina e soda BASF,18 toneladas de V2A.[1]

A indústria química e as aplicaçõesem altas temperaturas tinham então à suadisposição uma nova classe de materiaismais adequada para suas instalações emmeios agressivos. Osnúmeros de produçãodeixam muito claro oimpacto que estesm a t e r i a i srepresentaram. Em 1934produzia se 56.000toneladas e em 1953 aprodução mundialultrapassou um milhãode toneladas. Entre 1950e 1980, a produção deaços inoxidáveisaumentou cerca de 20vezes; cerca de 2/3 destaprodução eram de açosi n o x i d á v e i sausteníticos.[1]

O descobrimentodos aços inoxidáveissignificou um grandeavanço nodesenvolvimento demateriais resistentes àcorrosão e à oxidação.Os aços inoxidáveiseram, todaviasuscetíveis à chamada corrosãointergranular causada pelo empobrecimentoem cromo nas regiões adjacentes aoscontornos de grãos devido à precipitação decarboneto nestes locais. Para solucionar este

problema, reduziu-se o teor de carbono eadicionou-se elementos com maior afinidadepelo carbono do que o cromo. Com isto,evita-se a formação de carbonetos de cromonas regiões citadas. [1,2]

A ampla utilização dos açosinoxidáveis austeníticos deve-se a umacombinação favorável de propriedades, taiscomo: resistência a corrosão e à oxidação,resistência mecânica a quente,trabalhabilidade e soldabilidade. [1,2]

O desenvolvimento dos açosinoxidáveis é contínuo e, atualmente, asnormas de cada país apresentam dezenas decomposições diferentes desenvolvidas paraaplicações e exigências específicas,conforme figura 1, para os aços da normaamericana AISI.[1]

Conta-se que os primeirosexploradores do Ártico enfrentaram grandesdificuldades para levar a cabo sua missão,porque os equipamentos de que dispunhamnaquela época não suportavam as baixas

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temperaturas típicas das regiões polares.[3]

Pesquisadores ingleses, franceses ealemães foram os primeiros a observar essefato e a desenvolver ensaios quepermitissem avaliar o comportamento dosmateriais em função da variação detemperatura. O objetivo era averiguar ocomportamento dos materiais em baixastemperaturas.[3]

Ao ensaiar os metais ao impacto,verificou-se que há uma faixa detemperatura relativamente pequena na quala energia absorvida pelo corpo-de-prova caiapreciavelmente. Esta faixa é denominadatemperatura de transição. O intervalo detransição é influenciado por certascaracterísticas como: tratamento térmico,tamanho de grãos, encruamento, impurezas,elementos de liga, processos de fabricação,orientação do corpo-de-prova. Para osmetais com estrutura cristalina CFC (cúbicade face centrada), como cobre, alumínio,níquel, aço inoxidável austenítico etc., nãohá temperatura de transição, ou seja, osvalores de impacto não são influenciadospela temperatura. Por isto, esses materiaissão indicados para trabalhos em baixíssimastemperaturas, como por exemplo, tanquescriogênicos. Estes materiais também sãoaplicados em equipamentos das industriasquímicas, farmacêuticas, têxtil, do petróleo,do papel e celulose, nos equipamentoshospitalares, permutadores de calor,válvulas e peças de tubulações, etc. [2,3,4] (*As figuras que ilustram esses equipamentos, seguemanexas.)

Em diversas destas aplicações énecessário o uso de operação de soldagem.A soldagem é o principal processo industrialde união de metais. Processos de soldageme processos afins, são também largamenteutilizados na recuperação de peçasdesgastadas e para aplicação derevestimentos de características especiais,freqüentemente de aço inoxidável sobresuperfícies metálicas. Esta grande utilizaçãose deve a diversos fatores e, em particular,à sua relativa simplicidade operacional.Apesar de sua utilização ampla, processosde soldagem e processos afins afetam

mecânica, térmica e metalurgicamente, emgeral de uma forma intensa, o materialsoldado, assim como, regiões vizinhas aesta. Como resultado, podem ocorrer nesteslocais alterações de microestrutura e decomposição química, o aparecimento de umelevado nível de tensões residuais, adegradação de propriedades (mecânicas,químicas, etc.) e a formação dedescontinuidades.[5]

Durante os ciclos térmicosexperimentados na soldagem,principalmente na zona afetada pelo calor(ZAC) e, dependendo do tempo depermanência no intervalo de temperaturasentre 650ºC - 950ºC, podem ser precipitadasfases intermetálicas, como a fase sigma, queprejudicam as propriedades mecânicas e aresistência à corrosão destes materiais. Alémdisso, na zona bruta de fusão e vizinhanças,pode-se notar a formação de ferrita delta comestrutura cristalina CCC (Cúbica de fasecentrada).[4,6]

Quando a soldagem é realizada empasses múltiplos, a probabilidade deexistência dessas fases aumentam, pois asmesmas podem ser formadas durante oprimeiro passe e crescer ou formar novasfases nos passes subseqüentes. A maioria dosestudos feitos tem sido desenvolvidos nazona afetada pelo calor, principalmente naregião mais próxima da linha de fusão.[4,6]

Em alguns casos, trincas podem surgirno metal base adjacente à linha de fusão apóssoldagem. Esta forma de fissuração é muitomenos comum do que a fissuração da zonafundida podendo ocorrer na soldagem comelevado grau de restrição ou de seçõesrelativamente espessas (acima de 20mm) decertos tipos de aços inoxidáveis,particularmente os que contêm nióbio. Astrincas formadas podem ser intergranulares,iniciando-se na zona afetada pelo calor(ZAC) ou nas regiões não misturadas eparcialmente fundida e se propagar para zonaafetada pelo calor (ZAC). Alternativamente,as trincas podem se iniciar na superfície dapeça adjacente à margem da solda e sepropagar internamente na direção normal àsuperfície ou seguindo o contorno

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Anuário2005da solda.[5,6]

As condições térmicas na soldagemestão caracterizadas por altos picos detemperatura, altos gradientes localizados detemperatura e rápidas flutuações destastemperaturas. Essas mudanças têm grandesefeitos metalúrgicos, que para seremestudados, é preciso estabelecer os ciclostérmicos em cada ponto da solda paraconhecer a natureza de fenômenos que essesciclos geram. Por exemplo, na zona afetadapelo calor (ZAC) o balanço microestruturalé determinado pelas condições deaquecimento e resfriamento, pelatemperatura máxima atingida e pelo tempode permanência nessa temperatura. [4,7]

O processo MAG - GMAW “GÁSMETAL ARC WELDING” é utilizado parajuntas mais espessas, aferindo uma maiorprodutividade. Trabalha-se, comumente,com corrente contínua. Transferência Spray(com gás de proteção de Ar com cerca de2% O2), e por curto circuíto (com misturasAr - CO2 ou Ar-He-O2-CO2) podem serusadas. Arames tubulares para soldagemdestes aços já são comuns.[5,8]

Os aços inoxidáveis austeníticos sãorelativamente simples de soldar, comexceção dos que contém adição de enxofrepara usinagem fácil. Esses aços apresentamcoeficiente de expansão térmica maior(cerca de 45%), maior resistência elétrica emenor condutividade térmica dos que osaços baixo carbono. Nos aços com teor decarbono superior a 0,06%, carbonetospodem ser precipitados nos contornos degrão da zona afetada pelo calor (ZAC),durante o ciclo térmico de soldagem,prejudicando a resistência à corrosão.[5,9]

Consumíveis de aço inoxidável(principalmente austenítico) sãocomumente usados na soldagem de outrostipos de aços, na união de aços inoxidáveiscom outros aços e na fabricação derevestimentos protetores contra a corrosãoou contra diversos tipos de desgastes. NoBrasil, eletrodos para soldagem desses açossão normalmente designados com base nasnormas da American Welding Society(AWS, normas A5.4, 5.9 e 5.22). Nestas

normas, os eletrodos são designados peloprefixo E (eletrodo), ER (arame ou vareta),ET (arame tubular), EC (arame composto ou“metal cored”) ou EQ (fita) seguido peladesignação do grau do metal depositadosegundo a AISI e, em alguns casos, pelosufixo L (para material de baixo teor decarbono, em geral inferior a 0,03 %), H (paraalto teor de carbono, em geral, entre 0,04 e0,08%) e LR (para baixo teor de elementosresiduais).

Objetivos

Este trabalho tem como objetivos:Realizar um estudo da influência de

diversas temperaturas em relação à energiaabsorvida em ensaio de impacto CHARPYtipo A, verificando assim no primeiromomento, a energia absorvida em váriastemperaturas e, no segundo momento,submetendo o mesmo aço a um processo desoldagem, avaliando a tenacidade ao impactode juntas soldadas de aço inoxidável AISI304, comparando com os resultadospreviamente relatados na introdução.

Material e métodos

Aços e Corpos-de-prova

As normas internacionais geralmenteespecificam a posição da retirada dos corpos-de-prova, nos produtos siderúrgicos, pois aregião de onde eles são retirados bem comoa posição do entalhe tem fundamentalimportância sobre os valores obtidos noensaio. Neste trabalho, retirou-se corpos-de-prova tanto no sentido longitudinal como notransversal ao sentido de laminação. [3,10]

A composição química do açoinoxidável austenítico AISI 304 que foiutilizado no presente trabalho estáapresentada na Tabela 1.

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A partir de uma chapa retangular lisacom 12,5mm de espessura, 250mm delargura e 500mm de comprimento foramextraídas trinta amostras de seção quadradade 10mm de lado e comprimento 55mm,sendo quinze amostras no sentidolongitudinal e quinze amostras no sentidotransversal de laminação da chapa. Aorientação do entalhe no metal base naforma de um V, para o ensaio de Charpytipo A apresentou um desvio docentro do entalhe com relaçãoao centro do corpo-de-provainferior a 0,13mm, num valormédio de posição do entalhe de27,63mm. Conforme ilustrado nas figuras2 e 3 a amostra foi preparada para o ensaio,conforme norma ASTM E23-02a.[11]

Foi retirado tambémquatro corpos-de-provaquadrados, cuja as medidaspara o ensaio no metal soldadofoi de quatro amostras com

100mm, sendo duas destas amostras comchanfros tipo ½ V a 45º, efetuando assimuma soldagem neste material pelo processoMAG utilizando consumíveis de soldagem(arames e gases) cuja a composição químicaestá apresentada na Tabela 2 e 3respectivamente. A figura 4 ilustra os corpos-de-prova extraídos.

Métodos

O processo de soldagem utilizado foio MAG - GMAW “GÁS METAL ARCWELDING” cujo os parâmetros desoldagem e equipamentos utilizados estão

Figura 4: Quatro corpos-de-prova aço inoxidávelaustenítico, com entalhe de charpy tipo A sem oprocesso de soldagem.

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Anuário2005especificados na Tabela 4. E na figura 5

pode-se observar a execução do processode soldagem.

Processo: MAG - GMAWData da soldagem: 17/06/2005.Equipamento: ESAB - LAB 400Número do equipamento: 015Validade da calibração: junho de 2005.Termômetro: MinipaTAG: TE 003Calibração: 09/05. / Relatório: 1025/05.

Após a soldagem foi retirado de cadacorpo-de-prova três amostras com seçãoquadrada de 10mm de largura e 55mm decomprimento. O entalhe foi feito na zonaafetada pelo calor (ZAC) na forma de umV, com desvio do centro do entalhe em

Figura 5 - Soldador executando soldagem no açoinoxidável austenítico - 304.

relação ao centro do corpo-de-prova inferiora 0,13mm, num valor médio de posição doentalhe de 27,63mm. As figuras 6 e 7ilustram o corpos-de prova cuja a preparaçãofoi baseado na norma ASTM E23-02a.[11]

Figura 6 - Corpos-de-prova soldados aço inoxidávelaustenítico com o entalhe tipo A para ensaio deCharpy na zona afetada pelo calor (ZAC).

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Os primeiros trinta corpos-de-provaretirados inicialmente da chapa retangularlisa com 12,7mm de espessura, 250mm delargura e 500mm de comprimento foitomado como referência o sentido delaminação do material, longitudinal etransversal. Esses corpos-de-prova foramsubmetidos a um resfriamento por dezminutos nas temperaturas de –196ºC, -100ºC, -50ºC, -10ºC e 25ºC.

O método de ensaio utilizado foiCharpy tipo A baseado na norma ASTME23-03a. Para a realização dos ensaios, foiutilizado o equipamento LBM 016 com umpêndulo de impacto de 750 J (LousenhausenPSW 75 Kg).[11]

Os seis corpos-de-prova retirados daschapas submetidos ao processo de soldagemforam ensaiados da mesma maneira, porém,foram executados na temperatura ambiente,não sendo submetido a nenhum processo deresfriamento.

Resultados

Os valores de máxima energiaabsorvida obtidos no material AISI 304, emdiversas temperaturas de trabalho sem oprocesso de soldagem e tomando comoreferência os dois sentidos de laminação,estão apresentados na tabela 5.

Os resultados para os corpos-de-provaque foram soldados pelo processo (MAG)nas temperaturas de 365ºC e 425ºC, deenergia absorvida na zona afetada pelo calor(ZAC) estão na Tabela 6.

Devido a redução drástica da energiade impacto absorvida na zona afetada pelocalor (ZAC), quando comparado ao metalbase, foi executado o ensaio de metalografiapara averiguar as fases formadas na zonaafetada pelo calor (ZAC) e vizinhanças. Asfiguras 8 à 12 mostram as regiões aonde foiexecutado a metalografia, assim como, asmicroestruturas encontradas em cada região.

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Após a constatação da formação deferrita delta nas regiões B e C, ou seja, nazona afetada pelo calor (ZAC) e no metal desolda (MS), utilizando o equipamentoferritoscópio, obtive em percentual, aquantidade de ferrita delta apresentada emcada região.

Diante das situações de baixa energiaabsorvida após soldagem e a formação deferrita delta foi utilizado o diagrama deSchaeffler para se estimar a microestruturae as características de uma solda resultantede um determinado procedimento. Na figura13 apresento o diagrama de Schaeefflermostrando as regiões de desenvolvimento deproblemas típicos na soldagem de açosinoxidáveis.

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Conclusões

Com os resultados obtidos, é possívelrelacionar as seguintes conclusões:

5.1 Após a prática do ensaio decorpos-de-prova (sem soldar) Charpy tipoA do aço inoxidável austenítico AISI 304em diversas temperaturas percebe-se osvalores de tenacidade ao impacto para adireção longitudinal são maiores do que paraa direção transversal. Os valores médios são300J e 160J respectivamente.

5.2 Após a prática do ensaio deCharpy tipo A do aço inoxidável austeníticoAISI 304, submetido ao processo desoldagem, em altas temperaturas os valoresde impacto absorvido são baixíssimos (entre14 e 24J) demonstrando que os parâmetrosutilizados para este aço, apresentado nestetrabalho, teve fundamental influência nosresultados obtidos.

5.3 Concluindodesta forma que, oprocesso de soldagemnestes aços inoxidáveisaustenítico, devido otempo de permanênciaem altas temperaturas,prejudica a tenacidadeao impacto do material,se for comparado ovalor de energiaabsorvida pela zonaafetada pelo calor(ZAC) com o metalbase. Esta reduçãodrástica na energia deimpacto absorvidapode ser atribuída àferrita formada duranteo processo desoldagem, localizadana região de grãosgrosseiros da ZAC.

5.4 No diagramade Schaeffler aonde osvalores são calculadosentre o cromo e oníquel equivalente ometal base (MB)

apresentou uma microestrutura austenítica+ martensítica, já o metal de solda (MS)ficou próximo a região 2, onde écaracterizada pela formação de ferrita deltaapós aquecimento entre 300ºC e 500ºC.Estas formas de precipitação causam, emgeral, uma redução na dutilidade etenacidade do material.

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Figura 13 - Diagrama de Schaeffler entre o metal base (MB) e ometal de solda (MS)

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Anexos

1. Ilustração de equipamentos de aços ino-xidáveis AISI 304.