Efeitos mecânicos do ciclo térmico

8/6/2019 Efeitos mecnicos do ciclo trmico

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais

Efeitos Mecnicos do Ciclo Trmico

Prof. Paulo J. Modenesi

Maio de 2008


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Modenesi: Efeitos Mecnicos - 1

Efeitos Mecnicos do Ciclo Trmico

1. Introduo:

A soldagem por fuso caracterizada pelo aquecimento de regies localizadas das peas,

permanecendo o restante destas em temperaturas muito inferiores. As regies aquecidas

tendem a se dilatar, mas esta dilatao dificultada pelas partes adjacentes submetidas a

temperaturas menores, o que resulta no desenvolvimento de deformaes elsticas e

plsticas no material aquecido. Como conseqncia, ao final do processo de soldagem,

tenses internas (tenses residuais) e mudanas permanentes de forma e de dimenses

(distores) ocorrem na pea. Tanto as tenses residuais como as distores podem afetar

de modo importante a utilidade e o desempenho da estrutura soldada, sendo fundamental o

conhecimento de suas caractersticas e de medidas para a sua preveno e controle.

Tenses residuais so aquelas que permanecem na pea quando todas as suas solicitaes

externas so removidas. Essas tenses aparecem freqentemente em peas submetidas a

diferentes processamentos trmicos ou mecnicos (fundio, soldagem, laminao,

forjamento, usinagem, dobramento, tmpera, etc.). Uma das principais causas de seu

aparecimento a ocorrncia, ao longo de uma seo da pea, de deformaes plsticas no

uniformes, o que pode ser causado por efeitos mecnicos ou trmicos. Um exemplo

simples o aparecimento de tenses residuais prximo da superfcie de uma pea

submetida a processos como o esmerilhamento ou jateamento com granalhas que causam o

escoamento plstico do material prximo da superfcie (figura 1). Neste caso, as tenses

compressivas formadas junto superfcie da pea tm um efeito benfico na sua resistncia

fadiga.

Em sistemas compostos por vrios componentes, tenses residuais podem tambm resultar

de foras de reao que se desenvolvem quando os componentes so colocados em

posio. Por exemplo, em uma estrutura parafusada, quando os parafusos so apertados,

tenses se formam nos parafusos e nos componentes presos por eles. Estas tenses

independem de solicitaes externas, podendo ser, portanto, consideradas como tenses

residuais.


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Compresso Trao

Esmeril

z

Figura 1 - Tenses residuais desenvolvidas junto superfcie de uma pea sendo

esmerilhada.

Finalmente, as mudanas de volume associadas com transformaes estruturais do

material podem ser, tambm, responsveis pelo aparecimento de tenses residuais e

distores. Por exemplo, peas temperadas tendem a apresentar tenses residuais de trao

na sua superfcie. Estas aparecem devido ao aumento de volume associado com a

decomposio da austenita que tende a ocorrer, nas regies centrais da pea,

posteriormente transformao das regies localizadas junto sua superfcie (devido

elevada taxa de retirada de calor durante a tmpera, a superfcie de uma pea tende a

resfriar muito mais rapidamente do que a sua parte central).

Uma vez que as tenses residuais existem na ausncia uma solicitao externa, pode-se

afirmar que o sistema auto-equilibrado e a fora e o momento (M) resultantes destas

tenses, em uma dada seo da pea, devem ser nulos, isto :

rr

= dAA

0 , e (1)

dMA

= 0 (2)

Este auto-equilbrio restringe a forma de distribuio de tenses residuais ao longo de uma

seo da pea como ser discutido nas prximas sees.

O aparecimento de tenses residuais e distores em uma estrutura soldada pode gerar

diversos problemas como a formao de trincas, uma maior tendncia para a estrutura

sofrer fratura frgil, falta de estabilidade dimensional e dificuldade no ajuste de peas ou


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esta no puder se expandir ou contrair livremente durante o ciclo trmico, tenses residuais

e/ou distores podem se desenvolver.

Como um exemplo inicial, considere trs barras de um ao de baixo carbono de mesmo

comprimento e seo e unidas em suas extremidades por duas bases, de forma que

nenhuma pode se alongar ou contrair independentemente das outras (figura 2). Se a barra

central (barra 2) for aquecida enquanto as externas forem mantidas a temperatura ambiente,

essa tender a se dilatar, mas ser impedida pelas outras atravs das bases. Assim, tenses

de compresso se desenvolvero na barra central e, nas barras externas, tenses de trao

de magnitude igual metade do valor na barra central, pois, pela equao 1, tem-se:

0332211 =++ AAA

(4a)

onde i e Ai so, respectivamente, a tenso mdia e a rea da seo transversal de cada

barra. Considerando que as reas das sees das barras so iguais (A1 = A2 = A3) e que o

mesmo ocorre com a tenso nas barras externas (1 = 3), tem-se:

2

21

= (4b)

Base

Base

Maarico

Base

Base

Barra 1

Barra 3

Barra 2

(a) (b)

Figura 2 - (a) Conjunto de barras presas nas extremidades. (b) Barra central sendo

aquecida.

A figura 3 ilustra a evoluo da tenso longitudinal mdia na barra central em funo de

sua temperatura. No incio do aquecimento (figura 3, A-B), as tenses e deformaes

resultantes da dilatao da barra central sero elsticas. Como as barras mantm o mesmo

comprimento aproximado, a dilatao trmica tem de ser compensada por deformaes

elsticas, e a seguinte relao deve ser obedecida:


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E

TE

l

t

c

+= (5)

onde E e Et so, respectivamente, os mdulos de elasticidade do material temperatura

ambiente e temperatura (T) da barra central e c e l so os valores de tenso na barracentral e nas barras laterais. Como as barras tm a mesma seo, l = -0,5c, e, assim:

c

t

TE

E E=

+

2

1 2(6)

Quando a tenso na barra central (c) atinge o limite de escoamento, esta barra passa a se

deformar plasticamente (ponto B, figura 3). Considerando um ao com um limite de

escoamento de 250 MPa, E = Et = 210 GPa e = 1,3x10

-5

m/(m

o

C), a temperatura na barracentral para o incio de sua deformao plstica pode ser estimada, com a equao 6, em

cerca de 175oC (considerando T0 = 25

oC).

Figura 3 - Variao da tenso (c) com a temperatura na barra central (figura 2).

Nesta temperatura, a tenso na barra central atinge o seu limite de escoamento e, acima

desta temperatura, ela passa a se deforma plasticamente, isto , de forma irreversvel.

Como o limite de escoamento tende a diminuir com a temperatura, o valor da tenso na

barra central tende a cair medida que a sua temperatura aumenta e a barra sobre uma

maior deformao plstica (curva BC, figura 3). Se o aquecimento interrompido no ponto


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C, a barra central se contrai com a queda da temperatura. Devido s restries impostas

pelas barras externas, as tenses de compresso na barra central so reduzidas e tornam-se

nulas acima da temperatura ambiente (pois, devido sua deformao plstica, a barra se

tornou mais curta do que as externas. Com a continuao do resfriamento, tenses de

trao passam a atuar nela at que o limite de escoamento (agora sob condies de trao)

seja atingido no ponto D. A partir desta temperatura, a barra central passa a deformar

plasticamente at atingir a temperatura ambiente.

Ao final do processo, temperatura ambiente, como resultado de sua deformao plstica,

a barra central ainda ter um comprimento menor do que as externas. Assim, como as

barras esto unidas pelas bases, as diferenas de comprimento entre elas sero acomodadaspor deformaes elsticas que geraro tenses residuais. Na barra central, estas tenses

sero de trao e de valor prximo ao do limite de escoamento do material (figura 3, ponto

E). Nas barras externas, para se manter o equilbrio de foras (equao 1), existiro tenses

de compresso de valor igual metade da tenso na barra central (supondo que as sees

transversais das barras ainda tenham a mesma rea).

Uma situao similar pode ser considerada para uma junta soldada, associando-se a regioda solda com a barra central e as regies mais afastadas do metal de base, com as barras

externas. Por este raciocnio, pode-se esperar, como conseqncia da operao de

soldagem, o desenvolvimento de tenses residuais de trao na regio da solda e de tenses

de compresso no metal de base. A figura 4 compara, esquematicamente, a distribuio de

tenses residuais na montagem das barras com a esperada em uma solda.

A figura 5 ilustra o desenvolvimento de tenses devido ao aquecimento no uniforme deuma junta soldada. Na seo AA', muito distante da poa de fuso e ainda no aquecida pela

fonte de calor, no existem variaes de temperatura e o material ainda est isento de tenses.

Na seo BB', junto poa de fuso, o material aquecido tende a se expandir sendo, contudo,

restringido pelas regies mais frias da pea, gerando, assim, tenses de compresso em

regies prximas ZF e tenses de trao nas regies um pouco mais afastadas. Quando o

seu limite de escoamento atingido, o material aquecido deforma-se plasticamente em

compresso. Na poa de fuso, como o material est no estado liquido, as tenses so nulas.Com o resfriamento e aps a solidificao da solda, o material passa a se contrair, sendo


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novamente impedido pelas regies mais frias e afastadas da solda. Assim, na seo CC'

surgem tenses de trao junto ao cordo e de compresso nas regies mais afastadas. Estas

tenses aumentam de intensidade levando ao escoamento da regio aquecida. Aps o

resfriamento completo, seo DD', as tenses residuais no centro da solda chegam a nveisprximos ao limite de escoamento do material e existe uma distribuio de tenso similar

mostrada na figura 4b.

x

y

y

x

x

y

y

x

(a) (b)

Figura 4 - Comparao entre as tenses residuais desenvolvidas na montagem de trs

barras (a) e as tenses residuais longitudinais formadas ao longo da direo transversal (y)

a uma solda de topo (b).


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SEO

AA'

BB'

CC'

DD'

T = 0Trao

Compresso

y

Temperatura Tenso

TensoResidualT = 0

A A'

B B'

C C'

D D'

y

Solda

Poa de

fuso

Figura 5 - Desenvolvimento de tenses residuais longitudinais durante a soldagem.

2.2. Distribuio:

As tenses residuais, presentes em uma estrutura soldada durante a sua fabricao e seu

uso, so de dois tipos:

1. Tenses residuais produzidas na soldagem de seus membros sem restrio (item 2.1).

2. Tenses de reao resultantes da ligao entre os diversos membros da estrutura e entre

estes e outras estruturas.

A figura 6 mostra esquematicamente a distribuio de tenses residuais longitudinais e

transversais em uma solda de topo. A distribuio de tenses longitudinais foi discutida

anteriormente e pode ser aproximada empiricamente por (Masubuchi, 1980):

( ) X m

y by

be=

1

2 1

2

2

(7)

onde b, a largura do pico de tenses de trao, depende das condies de soldagem e do

material e m a tenso mxima (no centro da solda) cujo valor , em geral, prximo do

limite de escoamento do material.


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A distribuio de tenses transversais (figura 6c) caracterizada, em soldas isoladas por

valores menores de tenses. Contudo, quando a solda faz parte de uma estrutura incluindo

outras partes e soldas, tenses de reao tendem a se somar s tenses de origem trmica

resultando em maiores valores de tenses residuais (linha tracejada na figura 6c). Em

outros tipos de juntas (soldas de vigas em T ou de tubulaes, por exemplo), uma

distribuio mais complexa de tenses residuais tende a se formar em funo das foras de

reao que se desenvolvem pela prpria geometria do componente soldado.

Trao

Compresso

xx

(c)

y

y

TraoCompresso

y(b)

y

xx

y

y

Solda

(a)

x

y

Figura 6 - Distribuio tpica de tenses residuais em uma solda de topo. (a) Sistema de

coordenadas e tenses. (b) Tenses longitudinais. (c) Tenses transversais (linha tracejada:

distribuio de tenses quando a solda faz parte de uma estrutura e est sujeita a tenses de

reao).

Quando o componente soldado apresenta uma grande espessura (superior a cerca de

25mm), as tenses residuais nesta direo (z) e a variao das tenses em outras direes


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com a espessura podem se tornar significativas. A figura 7 ilustra a distribuio das tenses

x, y e z ao longo da espessura de uma solda de 25mm de espessura de ao carbono

depositada com o processo SMAW de acordo com dados de Gunnert (1958).

Figura 7 - Distribuio das tenses x, y e z ao longo da espessura de uma solda.

Estruturas soldadas tendem a apresentar uma distribuio complexa de tenses residuais

que pode ser caracterizada, na regio da solda, por esforos de trao em duas (ou trs)

dimenses. Este estado de tenso tende a dificultar a deformao plstica da regio da

solda podendo favorecer o desenvolvimento de rupturas localizadas (trincas) nessa regio

quando essa apresenta baixa ductilidade ou quando a estrutura colocada em um ambiente

agressivo e/ou submetida a solicitaes severas.

Em resumo, a distribuio de tenses residuais em um componente soldado afetada por

diversos fatores, incluindo as caractersticas do metal de base e da solda ( temperatura

ambiente e a altas temperaturas), a geometria da junta soldada e a sua ligao com outros

componentes e as condies de soldagem (e pela distribuio de temperaturas resultante na

pea durante a soldagem).

A figura 8 ilustra a distribuio de tenses residuais associada com a soldagem de um

remendo (patch) circular em uma chapa furada. O efeito das soldas em lados apostos do

remendo favorece o aparecimento de tenses de trao em todo o remendo.


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Solda

Remendo

r

r

r

r

Figura 8 - Distribuio de tenses residuais na soldagem de um remendo.

A figura 9 mostra distribuies estimadas, atravs de modelos computacionais (Andrews e

outros, 1970), de tenses residuais em soldas de um ao de baixo carbono e de um ao

ligado de elevada resistncia mecnica. Este ltimo caracterizado, em relao ao

primeiro, por um maior valor da tenso residual mxima e por um pico mais estreito de

tenses de trao no centro do cordo. Este efeito foi associado maior resistncia

mecnica do ao ligado a temperaturas elevadas, o que restringiu a regio deformada

plasticamente a uma faixa mais estreita da junta.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Aos

y= 2 5 0 M P a

y= 1400 M Pa

Tenso(M

Pa)

Dis tnc ia (mm )

Figura 9 - Distribuio da tenso residual longitudinal calculada por um modelo

computacional para um ao de baixo carbono (limite de escoamento de 250 MPa) e um aode alta resistncia (escoamento de 1400 MPa).


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Resultados experimentais indicam que, para aos, a tenso residual mxima no centro do

cordo no acompanha o limite de escoamento medida que este aumentado (figura 10).

Este resultado inesperado estaria associada tendncia dos aos de maior resistnciamecnica apresentarem uma maior temperabilidade e uma menor temperatura Ms. Assim, a

decomposio da austenita durante a soldagem ocorre a menores temperaturas e, como esta

reao acompanhada por um aumento de volume, ela tenderia a reduzir as tenses

residuais no cordo de solda associadas com a contrao do material durante o resfriamento

da solda.

Figura 10 - Tenses residuais de soldagem de vrios aos de alta resistncia.

2.3. Determinao Experimental:

Diversas tcnicas podem ser utilizadas para a determinao de tenses residuais em soldas

(tabela II).


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Tabela II - Tcnicas para a determinao experimental de tenses residuais.

Grupo Tcnica

Tcnicas de relaxao de tenso

Tcnicas de difrao de Raios X

Tcnicas baseadas em propriedadessensveis tenso

Tcnicas de fissurao

Tcnicas com strain gages eltricos Tcnicas com strain gages mecnicos

Tcnicas com revestimentos frgeis Tcnicas com revestimentos fotoelsticos

Difrao em filme Difrao com difratmetro

Tcnicas com ultrassom Tcnicas com medidas de dureza Tcnicas magnticas

Fissurao pelo hidrognio Fissurao por corroso sob tenso

As tcnicas de relaxao de tenses so baseadas na medida da deformao elstica que

ocorre quando uma parte de um corpo de prova contendo tenses residuais removida. A

mudana de forma resultante da deformao pode ser medida por diferentes sensores.

Assim, dependendo do tipo de sensor usado, de sua forma de colocao e de remoo do

material, diferentes tcnicas so definidas. Quando sensores eltricos (strain gages) ou

mecnicos so usados, as deformaes elsticas associadas remoo de material podem

ser determinadas quantitativamente e, com a aplicao de equaes da teoria da

elasticidade, as tenses residuais inicialmente existentes no material podem ser

determinadas. Embora sejam tcnicas destrutivas, estas so as mais usadas para a

determinao experimental de tenses residuais.

As tcnicas de difrao de raios X baseiam-se na determinao dos parmetros de rede da

estrutura cristalina de pequenas regies da pea. Como deformaes elsticas alteram o

valor destes parmetros, eventuais variaes destes determinadas por difrao podem ser

associadas com as deformaes elsticas presentes no material submetido a tenses

residuais. Esta tcnica permite medir deformaes superficiais em pequenas reas (3m

de dimetro) e no destrutiva. Contudo, tende a ser mais demorada e menos precisa do

que a anterior.


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Tcnicas baseadas em propriedades sensveis tenso, de forma similar anterior, medem

alteraes de alguma propriedade qualquer do material e as associam com as deformaes

elsticas presentes na regio de medida. So, tambm, tcnicas no destrutivas. Tcnicas

com ultrassom baseiam-se na determinao de alteraes no ngulo de polarizao de

ondas ultrassnicas polarizadas, na taxa de absoro de ondas sonoras ou na velocidade de

propagao do som para estimar o estado de tenso no material. Tcnicas de dureza so

baseadas em pequenas variaes na dureza do material que ocorrem com a presena de

tenses elsticas. Finalmente, tcnicas magnticas baseiam-se em variaes de

propriedades magnticas de materiais ferromagnticos (basicamente aos) com as tenses

elsticas. Destas tcnicas, apenas a ltima tem aplicao fora de laboratrios, existindo

dispositivos portteis para a determinao no destrutiva de tenses residuais.

Finalmente, tcnicas de fissurao so baseadas na avaliao qualitativa do padro de

fissurao desenvolvido em corpos de prova colocados em ambientes capazes de formar,

no corpo de prova, trincas induzidas pelo estado de tenses dos corpos de prova. As trincas

so, em geral, desenvolvidas por fragilizao pelo hidrognio ou por corroso sob tenso.

2.4. Consequncias:

Quando um componente soldado, contendo um distribuio inicial de tenses residuais

(figura 11, curva 0), submetido a um carregamento de trao, as tenses residuais se

somam diretamente s tenses do carregamento, enquanto no ocorrerem deformaes

plsticas no componente. Assim, as regies da solda, nas quais as tenses residuais de

trao so mais elevadas, atingem condies de escoamento plstico antes do resto docomponente (curvas 1, 2 e 3, figura 11). O desenvolvimento de deformaes plsticas,

localizadas principalmente na regio da solda, tende a diminuir as variaes dimensionais

que eram as responsveis pela existncia das tenses residuais. Desta forma, quando o

carregamento externo retirado, o nvel dessas tenses fica reduzido (curva 4, figura 11).

Isto , as variaes dimensionais ocorridas na soldagem e responsveis pelas tenses

residuais so, pelo menos parcialmente, removidas pela deformao plstica causada pelo

carregamento posterior.


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0

1

2

3

4yy

x

Figura 11 - Distribuio de tenses em um componente com uma solda de topo submetido

a carregamentos crescentes (curvas 1, 2 e 3) e distribuio de tenses residuais aps a

liberao do carregamento (curva 4).

A anlise anterior permite destacar os seguintes aspectos relevantes relativos ao efeito das

tenses residuais em um dado componente:

A presena de tenses residuais mais importante para fenmenos que ocorrem com

baixos nveis de tenso (inferiores ao limite do escoamento do material) como a fratura

frgil, a fragilizao pelo hidrognio e a corroso sob tenso.

Em estruturas de materiais dcteis submetidas a um carregamento, quanto maior for o

nvel das tenses aplicadas, menor ser o efeito das tenses residuais. Quando o nvel de

carregamento for suficientemente elevado, parte da pea pode escoar e, como resultado,

as tenses residuais so reduzidas.

Em estruturas de materiais frgeis submetidas a um carregamento, tenses residuais de

trao podem precipitar a ocorrncia da falha por fratura frgil.

Se a estrutura carregada alm de seu limite de escoamento, as suas tenses residuais se

tornam desprezveis.

Mtodos que utilizam alguma forma de solicitao mecnica podem ser usados para

diminuir as tenses residuais de um componente soldado.

Alguns efeitos especficos da presena de tenses residuais em um componente soldadosero discutidos a seguir.


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2.4.1. Flambagem:

A falha de componentes estruturais submetidos a cargas de compresso pode ser muito

diferente da observada em membros submetidos trao ou toro, particularmente quando

esses forem delgados (isto , com um comprimento muito maior do que as suas dimenses

transversais) ou submetidos a cargas fora de centro. Nesses casos, os componentes podem

falhar por flambagem (ou cambagem ou, em ingls, buckling). Essa ocorre pela deflexo

lateral () do componente submetido compresso a qual, quando atinge um valor crtico,

leva falha instvel do componente a uma carga, em geral, menor que o limite de

escoamento do material (figura 12).

P

P

Componente

falhado

Figura 12 - Flambagem de uma coluna.

Uma vez que as tenses residuais so de compresso em regies mais afastadas da solda (ede trao prximo desta), as tenses residuais nessas regies podem reduzir a resistncia

flambagem de estruturas soldadas. Como estruturas soldadas tendem a apresentar tambm

distores (seo 3) e como a flambagem est associada com deformaes perpendiculares

ao eixo ou plano do componente (figura 12) e aplicao de cargas fora de centro,

distores causadas por soldagem ou outros processos podem comprometer seriamente a

resistncia flambagem. Em juntas soldadas feitas em chapas ou outros componentes de

pequena espessura, a distoro por flambagem resultante das tenses trmicas e residuaispode tambm ocorrer dando junta um aspecto irregular ou enrugado (ver seo 3.1).


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2.4.2. Falha por fadiga:

Fadiga a forma mais comum de falha em componentes mecnicos submetidos a tenses

que variam com o tempo. A fratura por fadiga ocorre pela nucleao e o crescimento de

trincas devido a tenses de trao variveis, mas freqentemente de intensidade inferior ao

limite de escoamento.

A presena de tenses residuais de compresso na superfcie de um componente reduz a

chance de iniciao de trincas de fadiga, pois essas tendem a reduzir o efeito das tenses de

trao (necessrias para a nucleao e crescimento de trincas de fadiga). Por outro lado, emum componente soldado, a presena de tenses residuais de trao pode ter um efeito

negativo no seu desempenho fadiga, embora no existam resultados claros quanto a este

efeito devido, possivelmente a: (a) sob a ao de cargas variveis, as tenses residuais de

soldagem devem ser, pelo menos parcialmente, aliviadas e (b) as irregularidades

superficiais (reforo e escamas), atuando como concentradores de tenso, tm um efeito

mais marcante na reduo da resistncia fadiga.

2.4.3. Fratura Frgil:

Falhas por fratura frgil podem ocorrer em componentes metlicos em situaes em que a

deformao plstica (associada com o desenvolvimento de uma ruptura dctil) inibida. A

fratura frgil favorecida pela presena de concentradores de tenso como, por exemplo,

trincas. Ela pode ocorrer para nveis de tenso relativamente baixos, inferiores ao limite de

escoamento do material e de forma sbita, inesperada e rpida.

Estruturas soldadas so particularmente propensas falha por fratura frgil devido a

diversos fatores, destacando-se:

Uma estrutura soldada monoltica, no apresentando interfaces (como em uma

estrutura rebitada ou aparafusada) que possam interromper (arrest) a propagao de

uma trinca de fratura frgil.


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A regio da solda apresenta alteraes estruturais caracterizadas, frequentemente, por

um aumento do tamanho de gro em relao ao metal de base, o que, em materiais de

estrutura cristalina CCC, tende a diminuir a tenacidade do material.

A regio da solda pode apresentar diversas descontinuidades ou defeitos, tais comotrincas, incluses de escria e deficincias (falta) de fuso, que podem atuar como

concentradores de tenso e pontos de iniciao da fratura.

Tenses residuais elevadas de trao existem na regio da solda.

Fratura frgil favorecida por baixa temperatura, elevada taxa de deformao, elevada

espessura do componente ou a presena de concentradores de tenso e por uma

microestrutura de baixa tenacidade (por exemplo, de elevada dureza, com granulaogrosseira ou com precipitados e incluses grandes). Diversos destes fatores podem estar

presentes em uma estrutura soldada. Durante a fratura frgil, uma ou mais trincas podem se

propagar sob tenses inferiores ao limite de escoamento, em velocidades muito elevadas

(limitadas pela velocidade do som no material) e praticamente sem deformao plstica.

Nestas situaes, as tenses residuais associadas com a junta soldada podem ser

suficientemente elevadas ou podem se adicionar s tenses externas para causar a fratura

frgil. Devido a este risco, em diversas situaes, componentes soldados devem sertratados termicamente para alvio de tenses residuais e/ou refino da estrutura na regio da

solda.

Existem diversos exemplos de falha por fratura frgil de componentes soldados, muitos

com grande perda material e de vidas humanas.

2.4.4. Formao de Trincas em Soldas:

Trincas so frequentemente formadas em soldas. Estas trincas podem ser associadas

basicamente a dois fatores: (a) uma solicitao, isto tenses mecnicas de trao e (b)

uma incapacidade (fragilizao), muitas vezes momentnea, do material de acomodar esta

solicitao deformando-se plasticamente. Fragilizao da regio da solda e de regies

adjacentes solda pode acorrer por diversos motivos (formao de filmes de lquido em

contornos de gro a alta temperatura, crescimento de gro, presena de hidrogniodissolvido no material, precipitao, etc) durante e aps a soldagem.


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2.4.5. Corroso sob Tenso:

Na presena de um ambiente agressivo, trincas de corroso podem se desenvolver de forma

acelerada devido presena de tenses de trao. No caso de aos estruturais ao carbono

ou de baixa liga, por exemplo, este fenmeno desencadeado pelo contato com hidrxidos

ou com sulfeto de hidrognio. Em estruturas soldadas, as tenses residuais so muitas

vezes suficientes para o desenvolvimento de corroso sob tenso dependendo do material e

do ambiente. Neste sentido, por exemplo, certos cdigos impem limitaes quanto

dureza mxima da ZTA (por exemplo, inferior a 325 HV) como uma forma de limitar o

nvel da tenses residuais e prevenir a corroso sob tenso em tubulaes soldadas paratransporte de petrleo (ambiente que pode apresentar teores perigosos de H2S).

2.4.6. Instabilidade Dimensional:

Quando um componente soldado usinado ou submetido outra operao de remoo de

material, as equaes (1) e (2) deixam momentaneamente de ser satisfeitas. Para restaurar o

equilbrio de foras e de momento, o componente sofre pequenas distores que causamuma redistribuio das tenses residuais. O mesmo princpio usado para a medio de

tenses residuais pelo mtodo da relaxao de tenses (seo 2.3). No presente caso,

contudo, esta instabilidade pode causar problemas, por exemplo, na usinagem de preciso

de componentes com tenses residuais.

2.5. Controle e Alvio de Tenses Residuais:

O nvel de tenses residuais em uma junta soldada pode ser diminudo reduzindo-se a

quantidade de calor fornecido junta ou o peso de metal depositado. Na prtica, isto pode

ser feito otimizando-se o desenho do chanfro (reduzindo-se o ngulo do chanfro ou usando-

se preparaes simtricas, por exemplo) e evitando-se depositar material em excesso

(evitando-se reforo excessivo em soldas de topo ou minimizando-se o tamanho de soldas

de filete). A seleo de processos de maior eficincia trmica (fonte de maior intensidade) uma possvel alternativa de controle, mas difcil de ser justificvel economicamente na


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maioria dos casos. Tenses residuais tambm podem ser reduzidas pelo uso de metal de

adio com a menor resistncia permissvel no projeto, assim como uma reduo dos

vnculos externos da junta soldada (minimizando-se, assim, as tenses de reao).

Aps a soldagem, as tenses residuais podem ser aliviadas por mtodos trmicos ou

mecnicos (tabela III).

Tabela III - Mtodos para aliviar tenses residuais (Okimura & Taniguchi, 1982).

Procedimento Descrio Caractersticas Limitaes

Martelamento Martelamento do metal

depositado e de suasadjacncias durante ou

aps a soldagem.

Mtodo simples, pode

causar refino de gro.

Inadequado para

materiais de baixaductilidade.

(a)

Encruamento A junta soldada

deformada plasticamente

pela aplicao de cargas

de trao.

Bastante eficiente para

tanques esfricos e

tubulaes.

Inadequado para

estruturas complicadas

pela dificuldade de

aplicar tenses

uniformes.

Vibrao Vibraes so aplicadas

na estrutura causando

uma ressonncia de baixa

frequncia o que ocasiona

deformao plstica

parcial da estrutura e

alvio de tenses.

Operao simples. Inadequado para chapas

grossas ou grandes

estruturas. Alvio de

tenses no uniforme.

Recozimento

para alvio de

tenses

Aquecimento a 600-

700oC (aos ferrticos) ou

900oC (aos austenticos)

seguido de resfriamento

lento. Pode ser local ou

total.

Muito utilizado e

bastante eficiente.

Inaplicvel para grandes

estruturas e difcil de ser

executado no campo.

Custo elevado.

(b) Recozimento

a alta

temperatura

Aquecimento a 900-

950oC (aos ferrticos)

seguido de resfriamento

lento. Pode ser local ou

total.

Podem eliminar

completamente as

tenses residuais.

Inaplicvel para grandes

estruturas e difcil de ser

executado no campo.

Custo muito elevado.

Alvio de tenses

a baixas

temperaturas

Aquecimento do local da

solda a 150-200 oC em

uma largura total de 60 a

130mm.

Adequado para

grandes estruturas.

O alvio de tenses

baixo.

(a) Processos mecnicos (b) Processos trmicos


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3. Distoro de Soldas:

3.1. Tipos:

Distoro so alteraes de forma e dimenses que componentes soldados sofrem como

resultado do movimento de material (deformao plstica) que ocorre em funo das

tenses trmicas desenvolvidas durante o processo de soldagem. A distoro final de um

componente soldado sempre oposta e, em geral, da mesma ordem de grandeza do

movimento de material que ocorre durante a soldagem (figura 13).

Em juntas simples, trs tipos bsicos de distoro podem ocorrer: (1) contrao transversal(perpendicular linha da solda), (2) contrao longitudinal (paralela linha da solda) e (3)

distoro angular (rotao em torno da linha da solda), figura 14. Estas distores bsicas

causam distores mais complexas em juntas reais de solda como, por exemplo, o

dobramento (figura 15a) e a toro de vigas e a distoro por flambagem em juntas de

peas de pequena espessura (figura 15b). Durante a soldagem de componentes livres (isto

, que no estejam presos por soldas de ponteamento ou por algum dispositivo de fixao),

estes podem sofrer distoro rotacional (figura 16), o que pode dificultar as condies desoldagem e modificar o padro final da distoro da junta soldada.

t

t

Deflexo,

Tempo

Soldagem

Figura 13 - Deflexo longitudinal de uma barra pelo calor de soldagem. t - Deflexo(distoro) final.


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(a) (b)

(c)

Figura 14 - Distores bsicas: (a) Contrao transversal, (b) contraolongitudinal e (c) distoro angular.

(a) (b)

Figura 15 - (a) Dobramento de uma viga T e (b) flambagem em chapas finas.

(a) (b)

Figura 16 - Rotao durante a soldagem para (a) baixo e (b) alto aporte trmico.


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Uma estimativa da contrao transversal (CT) em soldas de topo de ao ao carbono ou de

baixa liga dada pela equao emprica:

CA

tfT

W= +0 0 05,2 , (8)

onde AW a rea da seo transversal da solda, t a espessura das chapas e f a abertura

(fresta) da raiz do chanfro. O valor real de CT depende de vrios fatores como, por

exemplo, o grau de restrio da junta, a quantidade de rotao da junta durante a soldagem

e o nmero de passes usados. De uma forma geral, um maior nmero de passes (atravs do

uso de eletrodos de menor dimetro ou de uma maior velocidade de soldagem) causa

maiores contrao transversal e distoro angular.

A contrao longitudinal tende a ser menor que a transversal (cerca de 1/1000 do

comprimento da solda), contudo, ela pode causar efeitos importantes como o dobramento

em peas soldadas fora de sua linha neutra e a distoro por flambagem em chapas finas

(figura 15).

Distoro angular ocorre quando a contrao transversal no uniforme ao longo da

espessura da junta, podendo ocorrer tanto em soldas de topo como em soldas de filete

(figura 14c). A figura 17 ilustra as variaes angulares em juntas T de ao carbono

soldadas dos dois lados da junta em funo da espessura do flange e do peso de metal

depositado por comprimento da junta.

O dobramento de uma viga de ao soldada ao longo de todo o seu comprimento (L) pode se

estimado por (figura 18):

I

LdAW2

005,0= (9)

onde AW a rea da seo transversal da solda ou soldas, d a distncia do centro de

gravidade da(s) solda(s) linha neutra da viga e I o momento de inrcia do membro.


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5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

Peso de metal

depositado (g/cm)

2,54,06,3

10,0

Variao

angula

r(graus)

Espessura (mm)

Aw Aw

t

t - espessura

Figura 17 - Distoro angular em juntas de T de ao carbono.

d

L

Figura 18 Dobramento de uma viga..

3.2. Efeito das Propriedades do Material na Distoro:

A distoro causada pelo aquecimento e resfriamento no uniforme da pea ou estrutura e

o escoamento plstico localizado resultante. Assim, a quantidade de distoro depende das

propriedades trmicas e mecnicas do material, particularmente o seu coeficiente de

expanso () e a sua condutividade trmica (k), o limite de escoamento (YS) e o seu

mdulo de elasticidade (E).

Materiais com um maior coeficiente de expanso trmica sofrem uma maior expanso e

contrao durante o ciclo trmico e, desta forma, tendem a apresentar uma maior distoro.


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Colocar peas na sua posio correta, ou prximo desta, e utilizar dispositivos de

fixao ou outras tcnicas para aumento da restrio das peas ao movimento

(ponteamento antes da soldagem, gabaritos, etc).

Usar sequncias de deposio de cordes de solda (deposio por partes, uso de maisde um soldador iniciando a operao no mesmo ponto e soldando em direes opostas)

e de montagem (montagem por subcomponentes, etc) que minimizem a distoro.

Usar tcnicas ativas de controle da distoro. Em geral, estas tcnicas usam, durante a

soldagem, fontes adicionais de aquecimento (e de resfriamento) de forma a gerar

tenses trmicas adicionais capazes de contrabalancear as tenses geradas pela

soldagem e, desta forma, reduzir a distoro. Um exemplo desta tcnica envolve o

emprego de fontes de aquecimento (maaricos) colocadas lateralmente e deslocando-se junto com a tocha de soldagem. Estas tcnicas ainda so muito pouco usadas

industrialmente.

(c) Aps a soldagem (correo da distoro):

c.1. Remoo a quente:

Aquecimento localizado (isto , de forma similar ao que gerou a distoro, mas de

forma a contrabalance-la).

Aquecimento uniforme e conformao mecnica.

c.2. Remoo a frio:

Calandragem.

Prensagem.

Martelamento, etc.

4. Bibliografia:

Andrews, J.B. e outros, (1970) Analysis of Thermal Stress and Metal Movement During

Welding, NASA Contractor Report NASA CR-61351.

Gunnert, R. (1958)Method for Measuring tri-axial residual stresses, Doc. IIW X-184-57-

OE, Commission X of the International Institute of Welding.

Masubuchi, K. (1980)Analysis of Welded Structures, Pergamon Press.

Okimura, T. & Taniguchi, C. (1982) Engenharia de Soldagem e Aplicaes, LTC, captulo

5.

Documents

Efeitos mecânicos do ciclo térmico