Metalurgia Aplicada Aos Processos de Soldagem

METALURGIA APLICADA AOS PROCESSOS DE SOLDAGEM

CM-ENGENHEIRO DE TUBULAÇÃO

SENAI-RJ

Metalurgia da Soldagem

• Aspectos relevantes– Processos de soldagem

– Estruturas atômica e cristalina

– Estrutura metalográfica

– Transformações de fase - Diagramas de equilíbrio

– Transformações fora do equilíbrio

– Tratamentos térmicos

– Tensões e deformações

FERRO & AÇO

Aço = “solução sólida intersticial de carbono no ferro”

CRISTAIS

Fonte – SENAI CETEC DE SOLDA- RJ.

O “CALDO DE ÁTOMOS”


PEQUENOS CRISTAIS


PEQUENOS CRISTAIS


GRÃOS OU CRISTAIS SOLIDIFICADOS


RESFRIAMENTO MAIS LENTO = CRISTAIS MAIORES


FORMAS DE CRISTALIZAÇÃO DO FERRO


FERRITA

F E R R I T A


AUSTENITA

A U S T E N I T A


AUSTENITA & FERRITA

F E R R I T A

F e r r o

A U S T E N I T A

F e r r o

C F C C C C


AUSTENITA & FERRITA

F E R R I T A

a té 0 , 2 % d e C

A U S T E N I T A

a té 2 , 0 % d e C

C F C

C C C


COMO A FERRITA DISSOLVE O CARBONO


CRISTALIZAÇÃO

POR QUÊ CRISTALIZA DE FORMA DIFERENTE

FERRO LÍQUIDO

1 5 0 0

1 4 0 0

9 10

o

C

F e r r o C C C

F e r r o C C C

F e r r o C F C

F e r r o l í q u i d o


AUSTENITA & FERRITA


O QUE ACONTECE COM O CARBONO?

F E R R I T A

a té 0 , 2 % d e C

A U S T E N I T A

a té 2 , 0 % d e C


FERRITA & CEMENTITA

C E M E N T IT A - F e C3

F E R R I T A


PERLITA


CEMENTITA

1.500

1.250

1.000

750

500

o

o

o

o

o

0% 1 2 3 4 5 6

C

723 Co

Líquido (L)

2,0

0,8

+ Cementita

+ L

+ Cementita

+

+ L

+

Teor de Carbono

Temperatura


CEMENTITA


CEMENTITA


CEMENTITA


PERLITA – AVALIAÇÃO DO TEOR DE CARBONO


TRATAMENTOS TÉRMICOS

Recozimento; Normalização; Têmpera; Revenimento; Cementação; Nitretação; Aluminização; Refinamento de grão.

LAMINAÇÃO


RECRISTALIZAÇÃO


RECRISTALIZAÇÃO


CRESCIMENTO DO GRÃO


TÊMPERA

As espadas japonesas eram curvadas durante a têmpera. Têmpera provoca deformação.


MARTENSITA

Estrutura formada nos aços com carbono alto, resfriados rapidamente.

Dura e quebradiça.


MICROSCOPIA – TUBULÃO DE CALDEIRA






SEQÜÊNCIA PARA MICROGRAFIA

Seleção da amostra; Preparação; Corte/embutimento; Lixamento/polimento; Polimento eletrolítico; Ataque químico; Ataque eletrolítico; Ataque térmico; Soluções de ataque.

Aços ao C-Mn e baixa-liga

• Classificação Aços ao carbono

• Baixo carbono C 0,25%

• Médio carbono 0,25 C 0,40%

• Alto carbono C 0,40%

Aços ao C-Mn (1 a 2 % C)

Aços microligados (C-Mn + Nb, V, Ti e B)

Aços baixa-liga (1 a 7 % elementos de liga como Cr, Ni, Mo e V)

Aços alta-liga (aços inoxidáveis, aços ferramentas, etc.)


Processo de soldagem Aquecimento fusão ou no estado sólido

Ciclo térmico de soldagem T, t e V

• Energia adicionada

• Espessura da peça

• Temperatura de pré-aquecimento e interpasse

Efeitos do aquecimento e do resfriamento no metal de solda

Efeitos do aquecimento e do resfriamento na ZAC

Trincas

Fatores operacionais importantes

Escolha adequada do metal de adição

Condições de execução da soldagem

Regulagem dos equipamentos

Limpeza da junta a soldar

Preparação da junta

Umidade da junta e dos consumíveis

Remoção de escória


Trincas Fatores metalúrgicos importantes

Condições de resfriamento a partir do líquido Transformações estruturais na zona fundida Transformações estruturais na ZAC Propriedades a quente dos aços Composição química do metal de base Microestrutura do metal de base Presença de hidrogênio Tensões residuais


Tipos de fissuras e trincas Fissuração a quente

Na cratera

No cordão de solda

Na ZAC

Fissuração a frio Fissuração induzida pelo hidrogênio

Decoesão lamelar

Trincas de reaquecimento



Fissuração a quente na cratera

Mecanismo

Formação de rechupe

Esforços de tração devido a contração da cratera

Precaução

Pré-aquecimento para reduzir as tensões

Reduzir o afastamento das chapas (< 5,0 mm)

Alimentar a cratera


Fissuração a quente no cordão de solda Mecanismo

Presença de líquido residual de baixo ponto de fusão Esforços de tração

Precaução Identificar e eliminar a fonte de tensão Não soldar continuamente Usar consumíveis adequados (eletrodos básicos) Pode-se determinar a suscetibilidade a trinca a quente a

partir da composição química do metal depositado


Fissuração a quente no cordão de solda

Suscetibilidade, Stq

Pode ocorrer fissuras quando Stq > 0,005

)%(%2%%3)40/%25/%%(%

%VMoCrMn

NiSiPSCStq


Fissuração a quente na ZAC

Mecanismo

Formação de sulfeto de ferro (FeS)

Tensões

Precaução

Controlar os teores de S e P dos aços

Adicionar Mn para inibir a formação do FeS

Em casos críticos deve-se usar processos de mais baixa

energia


Fissuração a frio induzida pelo hidrogênio Na solda e na ZAC

Mecanismo Hidrogênio

Estrutura frágil

Tensões residuais

Baixas temperaturas

Precaução Remover ou atenuar um dos fatores acima


Fissuração a frio por decoesão lamelar Na solda e na ZAC em juntas em T ou L Mecanismo

Trinca paralela à superfície laminada Presença de inclusões alinhadas Tensões

Precaução Atuar sobre a natureza do metal de base e sobre a

concepção do projeto Procurar obter o mais baixo limite elástico na ZF Usar pré-aquecimento (baixar a e) Fazer martelamento


Trincas de reaquecimento Em soldas submetidas a TTPS acima de 565 oC Encontradas em metais de solda contendo pelo menos

dois dos elementos Cr, Mo, V e B Normalmente ocorre em em seções espessas Geralmente ocorre na ZAC grosseira Em temperaturas elevadas, o contorno de grão é menos

resistente do que o interior do grão Deformações com alívio das tensões residuais ocorrem

predominantemente nos contornos ZAC grosseira tem poucos contornos de grão para

suportar estas deformações trincas


Técnicas de controle de trincas de reaquecimento Se o aço apresenta risco deste tipo de trinca, a soldagem

e o TTPS exigem muitos cuidados No revestimento destes aços com aço inox ou liga de Ni,

usar duas camadas de metal depositado para refinar a ZAC grosseira do primeiro passe.

Em soldas estruturais, proceder com técnicas de passes múltiplos para refinar a ZAC

Empregar a técnica de duas camadas, utilizando um metal de adição não suscetível

Usar pré-aquecimento Fazer normalização da solda


Pré-aquecimento Reduz a velocidade de resfriamento Aumenta o tempo de resfriamento t8/5

Modifica a microestrutura Difunde o hidrogênio Modifica a distribuição de tensões

Pré-aquecimento e soldabilidade Quando pré-aquecer? Em que temperatura?


Risco de fissuração a frio na ZAC Aumenta o Ce e a temperabilidade do metal base Aumenta o teor de hidrogênio Aumentam a espessura e a restrição à deformação Aumenta a velocidade de resfriamento

Determinação do domínio de soldabilidade Controle da dureza sob o cordão Controle da microestrutura Ensaios de soldabilidade de restrição fixa Critérios do limite elástico


Controle da dureza sob o cordão As condições de fissuração a frio dependem da

quantidade de martensita formada na ZAC Evitar as condições de soldagem que levem a teores de

martensita acima de um valor crítico Considerando-se um teor crítico de martensita de 80%, a

dureza crítica na ZAC é dada por:

MCBMC HvHvHvHvHv 85,02,08,0

)(%930283 CHvM

)(%790240 CHvC


Controle da dureza sob o cordão Método aplicado quando se utilizam eletrodos básicos

(secos em 350-400 oC por 1 h) em condições normais de fixação.

A partir de curvas “dureza-resfriamento”e de ábacos diversos pode-se determinar a energia de soldagem e o pré-aquecimento.

Para outros tipos de eletrodos e condições de fixação com auto-restrição, deve-se recorrer a outros métodos.


Controle da microestrutura Consiste em selecionar as condições de soldagem de tal

modo que o ciclo térmico resultante (na região crítica) levado a um CRCS indique a formação de microestrutura desejável.

Controla-se a velocidade de resfriamento, a qual determina a quantidade de martensita e a dureza.

Adota-se o critério do intervalo de temperatura onde ocorrem transformações metalúrgicas (t8/5)


Ensaios de soldabilidade de restrição fixa As variáveis essenciais são o processo de soldagem, o

consumível, o calor adicionado e o pré-aquecimento.

Os resultados são do tipo fissura ou não fissura.

Os resultados podem ser correlacionados com o carbono equivalente.

Utilizar o tipo de ensaio que represente bem as condições da junta a soldar.


Critérios do limite elástico Ensaios de fissuração sobre implantes.

A partir de vários ensaios pode-se definir uma curva de fissuração.

Evitam-se as condições de soldagem que conduzam a um parâmetro de resfriamento superior àquele para o qual a tensão de fissuração é igual a e.

Pode-se realizar a análise térmica enquanto se traciona o corpo de prova (ensaio de implante).


Carbono Equivalente Aços fundidos ao C-Mn

Aços baixa-liga e microligados ao C-Mn (IIW)

Aços temperados e revenidos para Ceq > 0,6

Aços livres de ferrita

21445156

PCuMoVCrNiMnCCeq

5156

VMoCrCuNiMnCCeq

BVMoCrNiCuSiMn

CCeq 510152060203020

1040201625

VMoNiCuCrMnSiCCeq


Características de soldabilidade Ceq > 0,6 difícil soldabilidade

0,6 Ceq > 0,4 pré-aquecimento

Ceq 0,4 sem pré-aquecimento

Deve-se considerar ainda o grau de restrição da junta e o teor de carbono do material.

Carbono equivalente compensado

CeqC > 0,5 exige cuidados especiais

cmeCeqCeqC max0254,0

AÇOS LIGADOS

Carbono-Manganês ►contra FeS;Carbono-Cromo ►oxidação;Carbono-Cromo-Molibdênio ►resistência mecânica;Carbonetos de Cromo ►resistência à fluência.

ESPECIFICAÇÕES DE AÇOS P/ CALDEIRAS

AçoEspecificação

ASMEGrau Composição

Aço-carbono

SA-106 B.30% C

SA-178 A .15% C

SA-178 C .35% C max

SA-192 .15% C

SA-515 70.31%C.35%C

Aço-liga

SA-250 T1 C - 0.5% Mo

SA-213

T12 1.00Cr - 0.5Mo

T11 1.25Cr - 0.5Mo

T22 2.25Cr - 1.0Mo


AÇO INOXIDÁVEL

“Razoavelmente resistente à corrosão por algumas substâncias, em algumas temperaturas, em algumas faixas de acidez e em algumas velocidades.”

INOX

Histórico

• O descobrimento dos aços inoxidáveis vem do início do século passado, quando em 1909 um ciclo de trabalhos publicados na França descreveu as propriedades dos aços martensíticos com 13%Cr e ferríticos com 17%Cr, variando o carbono entre 0,12% e 1,0%.

• Neste ano foram publicados artigos simultaneamente por franceses e alemãs introduzindo as ligas austeníticas do sistema Fe-Ni-Cr.

Histórico

• Na Alemanha, a inoxidabilidade foi atribuída a sua capacidade de formar uma camada passivada de óxido superficialmente.

• Os aços duplex foram descobertos nos anos 30 mas seu desenvolvimento só ocorreu na década de 60 quando se descobriu a superplasticidade das estruturas ferrita-austenita.

Principais Elementos de Liga

• Cr, mínimo de 11%Cr, pois este percentual garante a formação do filme de óxido de cromo superficial que confere a inoxidabilidade a estes aços.

• A estabilidade do filme só é adequada quando se atinge 17-20%, no caso dos aços austeníticos, ou 26-29% para os ferríticos.


• Ni, acima de 8% estabiliza a microestrutura austenitica, melhora propriedades mecânicas, e promove a repassivação do filme de óxido caso ele seja danificado.

• O Ni entre 8-10% atinge o máximo de redução na resistância a CST por Cloretos. Concentrações acima de 30% tornam o material imune a este mecanismo de deterioração.


• Mn, em quantidades moderadas promove efeitos semelhantes ao Ni. O maior problema do Mn é sua atração pelo S, com o qual forma sulfetos que são detrimentais à resistência a formação de “pittings”.


• Mo, a combinação com o Cr promove a estabilização do filme passivado, principalmente em presença de Cloretos.

• O Mo é extremamente efetivo na em aumentar a resistência a formação de “pittings”.


• C, permite o endurecimento dos aços através de tratamentos térmicos, que é a base dos aços martensíticos, além de promover a resistência a deformação à quente.

• Os principais efeitos nocivos do C são a “sensitização” (precipitação de carbetos de cromo nos contornos de grão) e a perda de tenacidade nos aços ferríticos.


• N, aumenta muito a resistência ao “pitting”, além de aumentar a resistência mecânica. Nos aços duplex ele é essencial pois aumenta a presença de austenita, e a resistência à corrosão.

• Para os aços ferríticos ele age como um fragilizante.

Classificação dos Aços Inoxidáveis

• Ferríticos, Série 400;

• Martensíticos, Série 400;

• Austeníticos, Série 200 (ao Mn) e 300 (ao Ni);

• Duplex (Ferrita + Austenita).

Diagrama de Schaeffer

Aços Inoxidáveis Martensíticos

Microestrutura

aço martensítico 422 com microestrutura composta

por ferrita (F) mais martensita revenida (MR)

com precipitação de carbetos (C)

aço martensítico 430 com uma microestrutura de ferrita

(F) mais martensita (M).

F

MR

M

C

Aços Inoxidáveis Martensíticos

• Cr entre 10,5 e 18% • Carbono pode chegar a 1,2%.• Para melhorar propriedades pós têmpera,

adiciona-se Nb, W e V.• Mo é adicionado para melhorar a

resistência à corrosão em alguns meios.• S e Se são adicionandos para melhorar a

usinabilidade

Soldabilidade

• Difícil soldabilidade

• Martensita

• Fragilidade

Principais aços

Principais Metais de Adição

Diagrama Pseudo-Binário

Diagrama TTT para o aço 410

Equação para a estimação de Ms

Ms (ºC) = 540 – (497C + 6,3Mn + 36,3Ni + 10,8Cr + 46,6Mo)

A Zona de Fusão

• Aços com 11 a 14 % Cr e 0,1 a 0,25% C solidificam inicialmente como ferita .

• Com o resfriamento tem-se a segregação de C, resultado da formação da austenita ou mistura ferrita-austenita

A Zona de Fusão

• Dependendo da composição química, principalmente do %Cr e %Mo, a ferrita pode não se transformar completamente em , podendo assim aparecer a ferrita eutética .

• A quantidade de ferrita remanescente dependerá da composição da liga.

A Zona de Fusão

• Ainda existe a possibilidade de haver retida parte da ferrita primária ().

A Zona de Fusão

Aço completamente martensítico Aço com ferrita ferrita eutética

Zona Afetada pelo Calor (ZAC)

Macrografia de uma soldagem autógena com GTAW de um aço com 12Cr-1Mo, mostrando as regiões da ZAC

Essa região poderá exibir microestruturas distintas dentro dessa mesma região.


• A região 1 representa a porção adjacente à zona fundida. Nessa região existe a predominância de austenita, mas poderá ocorrer a presença de alguma ferrita, geralmente nos contornos de grão.

• Essa quantidade de ferrita remanescente poderá, em algumas situações, diminuir a dureza nessa região



• Na região 2 da ZAC, a região foi transformada completamente em austenita em alta temperatura. Essas temperaturas são suficientemente altas para solubilizar os carbonetos e proporcionar o crescimento de grão da austenita.

• Resfriando, essa região transforma-se completamente em martensita.

• Em função dos teores de carbono, tem-se alta dureza


• Na região 3 tem-se temperatura suficiente para a formação de austenita, no entanto em níveis menores que a região 2.

• Não ocorre a solubilização completa dos carbonetos, impedindo assim, o crescimento de grão austenítico.

• Assim a austenita teria baixos teores de carbono, minimizando a dureza da martensita.


• Na região 4, pouca ou quase nenhuma transformação acontece.

• O material seria idêntico ao metal de base submetido a um revenimento.

• Com temperaturas na ordem de 800 ºC a 900 ºC é possível um crescimento dos carbonetos, havendo portanto um amolecimento relativo da matriaz.

Transformação de Fase

• A transformação predominante nesse tipo de aço é a → martensita, o qual acontece na zona de fusão e em regiões da ZAC.

• Se alguma quantidade maior de ferrita estiver presente na matriz martensítica, as propriedades requeridas podem ser degradadas.

• No metal de solda, quando se tem zonas ferríticas, estas tendem a se orientar no sentido perpendicular à superfície.

• Qualquer deformação paralela à superfície tende a se concentrar desproporcionalmente na ferrita, resultando em uma fratura de baixa tensão e e baixo elongamento.


Ferrita em um metal de solda ferrítico – 0,05%C, 0,9%Mn, 0,6%Si, 14,1%Cr, 2,1%Ni, 1%Mo.


Diagrama de Balmorth e Lippold

Tratamento Térmico Pós Soldagem

• A maioria dos aços inoxidáveis martensíticos requerem tratamento térmico pós soldagem.

• Até mesmo aços com teores na ordem de 0,1% de carbono, podem atingir durezas na ordem de 30 a 35 HRC.

• O TT é primariamente utilizado para revenir a região temperada, mas atua também como alívio de tensão quando se tem altos níveis de tensão residual.


• As temperaturas normalmente atingem o níveis na ordem de 480 ºC a 750 ºC

• Os tempos de tratamento dependem da seção da peça a soldar mas estão, normalmente entre 30 minutos à 2 horas.


1050 ºF (565 ºC)


Curva de revenimento para a ZF e ZAC (12Cr-1Mo-0,5W-0,3V-0,2C)

Tratamento Pré, Interpasse e Pos

• Similar aos aços estrutuarais, o preaquecimento e o controle interpasse é necessário em algumas ligas, para se evitar o problema de trinca por H.

• Esse tipo de procedimento é recomendado para materiais cujo teor de carbono situa-se entre 0,06% e 0,3%


• Para seções espessas (superiores a ½ ”) a temperatura de preaquecimento e de interpasse deverá ser superior à Ms.

• Isso prevenirá a ocorrência de trincas durante a fabricação.

• Da mesma forma, ligas com carbono superior a 0,3%


Cálculo de Ms

• Esse calculo é essencial para a decisão das temperaturas, tanto de preaquecimento, pos-aquecimento, bem como de interpasse.

AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS

Introdução

• São classificados como ferríticos em função da fase metalúrgica presente ser a ferrita.

• São bastante utilizados onde o requisito é resistência à corrosão, sem necessitar de propriedades mecânicas em altos níveis.

Introdução

• Ligas com baixo cromo (10,5% a 12,5%) são utilizadas em sistemas de exaustão automobilística, onde a resistência à corrosão é superior aos aços convencionais.

• Ligas de médio e alto carbono são utilizadas em ambientes corrosivos de alta agressividade, bem como em fornos de alta eficiência para os de alto cromo.

• Os super-ferríticos são utilizados nas indústrias alimentícias e de papel

Principais ligas e consumíveis

Aços Inoxidáveis Ferríticos

• A liga 430 é a básica.

• No entanto, uma das mais utilizadas na indústria do petróleo é a 405 ou a 410s (principalmente como “clad”), que apresentam excelente resistência à corrosão por S e H2S acima de 260ºC.

Aços Inoxidáveis Ferríticos

• Estas ligas estão sujeitas à Fragilização aos 475ºC. Esta fase pode ser solubilizada com aquecimento acima de 575ºC.

• As demais fases necessitam de temperaturas muito elevadas para serem dissolvidas, o que promove excessivo crescimento de grão.

Fases intermetálicas

Fases Composições Características

M23C6 (Cr16Fe5Mo2)C6; (Cr17Fe4,5Mo1,5)C6; (Fe,Cr)23C6

M6C (Cr,Co,Mo,Ni)6C; (Fe3Mo3)C; Fe3Nb3C

M7C3 Cr7C3

M2C Mo2C

MC TiC; NbC

Sigma () FeCr; FeMo; Fe(Cr,Mo); (Fe,Ni)x(Cr,Mo)y

Chi () Fe36Cr12Mo10; (Fe,Ni)36Cr18Mo4; M18C

Laves () Fe2Mo; (Ti21Mo9); Fe30Cr5Si5

Características

• Estas ligas estão sujeitas à Fragilização por formação de fase sigma.

• Devido a formação de fase sigma e ’, estas ligas não são indicadas para operação por longo período de tempo em temperaturas elevadas, acima de 350ºC.

Características

• As ligas com baixo Cr (405 e 409) são menos susceptíveis à fragilização aos 475ºC, pois o aumento do teor de Cr favorece a formação desta fase, já que a mesma tem composição de aproximadamente 50%Cr.

• Devido a sua estrutura cristalina CCC, este aços apresentam transição dúctil-frágil no teste de impacto.

Microestrutura

• Primeiramente a solidificação ocorre como ferrita , onde esse campo seria totalmente ferrítico até a solidificação total

Microestrutura

• Em temperaturas na ordem e 1100ºC é possível a formação de alguma austenita e algum carboneto (C23C6).

• Em condições normais de resfriamento, a austenita poderá se transformar em ferrita e carboneto, gerando uma estrutura final de e carbonetos.

Microestrutura

Aço inoxidável 409

Microestrutura

Aço inoxidável 409 tratado em forno contínuo

Microestrutura

430 laminado à quente 430 recozido e temperado

Efeito dos elementos de liga

• A presença de elementos adicionais ou impurezas, interferem na forma ou extensão da zona austenítica

• O nitrogênio, como impureza ou intencionalmente adicionada atua similarmente ao carbono

• Manganês é comumente adicionada para controle de S

• Ni e Cu são normalmente adicionados para implementar a tenacidade das ligas


Efeito do carbono na extensão do campo austenítico


Efeito da Martensita

• Sobre condições normais de processamentos termo-mecânicos, qualquer austenita formada a elevadas temperaturas poderá ser transformada em martensita quando resfriada até a temperatura ambiente

• A martensita nos aços inoxidáveis ferríticos têm mostrado efeitos benéficos.

• Quantidades apreciáveis de martensita podem incutir em fragilidade por hidrogênio

Efeito da Martensita

• O teor de carbono influenciará na dureza da martensita

• A presença de martensita na ZAC é comum em função dos nível de temperatura

• A presença da martensita em aços inoxidáveis ferríticos com baixo cromo podem minimizar a resistência à corrosão

Fragilidade

• Fragilidade aos 475 ºC– A precipitação gera a fragilidade

• Fragilidade em altas temperaturas– Resultado das mudanças metalúrgicas que

ocorrem durante a exposição a temperaturas na ordem de 0,7 Tf (Temperatura de fusão)

– É particularmente influenciado pela composição de Cr, elementos intersticiais e tamanho de grão

Fragilidade

Fragilidade

Fragilidade

Efeito dos elementos intersticiais e Cr sobre a tenacidade ao impacto

Zona de Fusão

• L → L + F → F

• L → L + F → F → F + A → F + M

• L → L + F → L + F + A → F + A → F + M

Zona de Fusão

Previsão de microestrutura

Zona Afetada Pelo Calor (ZAC)



Soldabilidade

Trinca de solidificação

Soldabilidade

Fragilidade gerada a altas temperaturas – Crescimento de grão e elementos intersticiais

Soldabilidade

Efeito do tamanho de grão sobre a tenacidade na ZAC

Trinca na ZAC

Trinca na ZAC

Passe único Passe duplo

Controle de grão

• Utilização da pulsação na soldagem pra minimizar problemas de crescimento de grão.

AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS

Características

• Aço-liga com teores de cromo acima de 12% com ou sem outros elementos de liga.

• A passividade se deve a camada de óxido de cromo (em torno de 0,02 ) que se forma na superfície do aço.

Características

• As características metalúrgicas dependem do efeito dos elementos de liga (Cr, Ni, C, etc.) na transformação alotrópica da austenita.

• Os elementos de liga aumentam, diminuem ou eliminam a fase austenítica do aço.

Características

• A composição química e as fases presentes controlam as propriedades mecânicas e físicas dos aços inox.

• A expansão térmica, a condutividade térmica e a resistividade elétrica Soldabilidade

Características

• O elevado coeficiente de expansão térmica e a baixa condutividade térmica do aço inoxidável exigem um maior controle das distorções.

• A baixa condutividade térmica requer menor calor.

• A maior resistência elétrica requer menor intensidade de corrente na soldagem por resistência elétrica

Aços Inoxidáveis Austeníticos

• Estrutura CFC (elementos gamagenicos).

• Endurecíveis por encruamento.

• Ligas Fe-Cr-Ni


• Corrosão intergranular (sensitização)

• Fases intermetálicas

• Formação de martensita– Resfriamento abaixo TA.– Trabalho a frio


• Cr e Ni

• Teor de C baixo (< 0,25%)

• Boa conformabilidade

• Boa resistência mecânica

• Boa tenacidade


• Pode possuir uma estrutura metaestável, assim pode-se induzir a transformação por deformação a frio.

• A reação é adifusional mas não se forma martensita devido ao baixo teor de C, o que faz com que a rede não seja tetragonal (típica da martensita).


• A Ferrita é supersaturada em C o que contribui para o endurecimento.

• Existem alguns austeníticos, ditos estáveis, onde a estrutura austenítica é retida mesmo após considerável deformação a frio, isto depende do % de Ni.


• Aço inox austenítico simples Cr-Ni recozido tem limite de escoamento de pouco mais de 200 MPa mas pode,por deformação, atingir 650 MPa.

• Utiliza-se N como solução sólida intersticial para melhorar as propriedades mecânica.

• A adição de cerca de 0,2% N produz um L.E. de até 420MPa dependendo da composição de base, e estes aços são muito usados para vasos de pressão.


• Se a composição é tal que a deformação plástica causa a transformação de em martensita, tipo 17Cr-7Ni, limites de escoamento na faixa de ultra-alta resistência

AISI 301 L.E. (MPa) L.R. (MPa) HR Al. (%)

recozido 230 825 85B 68

encruado-10% 470 1030 32C 47

encruado-25% 890 1150 38C 24

encruado-35% 1140 1370 43C 15

encruado-45% 1400 1570 46C 7


• Acima de 18% Cr torna-se necessário aumentar a quantidade de níquel, caso contrário cada vez mais quantidade de ferrita iriam se formar.


• A formação da Ferrita Delta fragiliza o aço em temperaturas baixas.

• No entanto, ela é importante durante a soldagem. Ela reduz o risco de trincamento a quente.

• Por este motivo, acima de 18%Cr, deve-se aumentar a presença de elementos de liga austenitizantes para evitar sua formação excessiva.


• Sensitização– Precipitação de

carbetos M23C6 nos contornos de grão austeníticos.

– Esta precipitação ocorre entre 425 e 870ºC.

– Os efeitos são corrosão intergranular e fragilização do aço.



• Formação da Fase Sigma (rica em Cr e Mo) é comum em aços de alta liga. Sua faixa de formação é entre 540 e 900ºC.

• Ela aumenta a tendência à corrosão intergranular e fragiliza o material na temperatura ambiente.


• Corrosão sob tensão (CST)– CST é um termo que

descreve um mecanismo de nucleação e crescimento de trinca sob ação combinada de tensão + meio corrosivo + material.

– Os aços inoxidáveis austeníticos são susceptíveis a este mecanismo quando há presença de íons Cloreto.

– Pela gráfico ao lado, 8%Ni é a concentração crítica.



Aspectos relacionados a soldagem

• Processos empregados: arco elétrico; plasma; feixe de elétrons; LASER, resistência e fricção.

• Soldabilidade: características metalúrgicas de cada tipo de aço (martensítico, ferrítico, austenítico, duplex e endurecíveis por precipitação).

Aspectos relacionados a soldagem

• Proteção contra a oxidação: evitar contaminação do metal líquido durante a transferência e a solidificação.

• Limpeza: remoção de camadas de óxidos e contaminantes superficiais antes da soldagem e remoção da escória após a soldagem.

Diagrama de Schaeffler

• Relação entre a composição química e a constituição da zona fundida de aços Cr-Ni.

• Prevê com antecedência a microestrutura do metal de solda e facilita a escolha do tipo de eletrodo.


• Indica os principais problemas de soldabilidade dos aços Cr-Ni (limita-se à zona fundida).

• Ferramenta muito importante quando se trata de soldagens de materiais dissimilares.

Aspectos construtivos do diagrama de Schaeffler

• Eletrodos revestidos de 4,7 mm de diâmetro.

• Determinadas condições de soldagem.

• Diferentes composições de Cr e Ni.

Aspectos construtivos do diagrama de Schaeffler

• Deposição de cordões sem diluição.• Determinação da composição química.• Determinação da microestrutura.

– Austenita– Ferrita– Martensita– Composições (F + A; M + A; M + F; M + F +

A)

Influência dos elementos de liga

• Cromo Equivalente, Creq

– Elementos alfágenos: Cr, Si, Mo, W, Nb, Ti.• Creq = % Cr + % Mo + 1,5 % Si + 0,5 % Nb

• Níquel Equivalente, Nieq

– Elementos gamágenos: Ni, C, N, Mn, Cu.• Nieq = % Ni + 30 % C + 0,5 % Mn

Considerações sobre o diagrama de Schaeffler

• Outros elementos importantes não foram considerados na determinação do cromo e do níquel equivalentes.

• No níquel equivalente poderiam contribuir o cobre (com 0,6) e o nitrogênio (com 10 a 30).

Considerações sobre o diagrama de Schaeffler

• No cromo equivalente poderiam contribuir o tungstênio (com 0,5) e o titânio (com 2 a 5).

• O teor de ferrita , para uma dada composição química, diminui com a redução da velocidade de soldagem.


0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2

4

6

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18

20

AUSTENITA

A + M

MARTENSITA

A + M + F()

M + F() FERRITA ()

NIQ

UE

L E

QU

IVA

LE

NT

E

CROMO EQUIVALENTE

22

24

26

28

30

34 36 38 40

5%

10%

20%

40%

80%

100% Ferrita ()

M + F ()

Fissuraçãoà frio

Fissuraçãoà quente

Precipitaçãode fase

Crescimentode grão

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

2

4

6

8

10

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18

20

AUSTENITA

A + M

MARTENSITA

A + M + F()

M + F() FERRITA ()

NIQ

UE

L E

QU

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LE

NT

E

CROMO EQUIVALENTE

22

24

26

28

30

34 36 38 40

5%

10%

20%

40%

80%

100% Ferrita ()

M + F ()

Fissuraçãoà frio

Fissuraçãoà quente

Precipitaçãode fase

Crescimentode grão

Escolha da composição ótima para a ZF

• Campos com problemas característicos Bystram• Campo 1: inoxidáveis ferríticos com baixo teor de C.

– Estrutura ferrítica.– Crescimento irreversível dos grãos acima de 1.150 oC.

• Campo 2: temperados, temperados e revenidos com teores mais elevados de C e revestimentos duros.– Estruturas martensíticas e mistas (M + A e M + F).– Fissuração a frio abaixo de 400 oC.

Escolha da composição ótima para a ZF

• Campo 3: ligas onde surge a fase (Fe-Cr) em temperaturas entre 500 e 900 oC.– Estrutura ferrítica, austenítica e mista (A + F).– Formação de fase com grande fragilidade à TA.

• Campo 4: inoxidáveis austeníticos– Estrutura austenítica e mistas (M + A e A + F).– Fissuração a quente acima de 1.250 oC.

• Região central: livre dos problemas

Limitações do diagrama de Schaeffler

• Difícil quantificar a ferrita nos aços austeno-ferríticos (Duplex).

• Composições químicas especificadas pelos fabricantes.

• Segregações.

• Diferenças entre as composições químicas do eletrodo e do metal depositado.

Limitações do diagrama de Schaeffler

• Variações possíveis nos coeficientes empregados em função da composição química dos aços.

• Efeito da velocidade de resfriamento.

• Incerteza na determinação da diluição.

• Alguns elementos de liga não estão considerados.

A ferrita e o diagrama de De Long

• Diagrama de Schaeffler incerteza de medida do teor de ferrita em torno de 3,0% (aços da classe 18-8).

• Diagrama de De Long medidas mais precisas.• Número de ferrita WRC estabelecido pelo Welding

Research Council - padrão para calibração.• Níquel equivalente

– Nieq = % Ni + 30 % C + 30 % N + 0,5 % Mn

• Cromo equivalente– Creq = % Cr + % Mo + 1,5 % Si + 0,5 % Nb

Diagrama de De LongN

IQU

EL

EQ

UIV

AL

EN

TE

CROMO EQUIVALENTE

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 2710

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6%

7,6%

9,2%

10,7%

12,3%

13,8%

1012

16

18

14

2

68

4

0

NÚMERO DE FERRITA

(WRC)

LINHA A + M

SCHAEFFLER

AUSTENITA

AUSTENITAMAIS FERRITA ( )

PERCENTAGEMDE FERRITA

(MAGNÉTICA)

NIQ

UE

L E

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CROMO EQUIVALENTE

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 2710

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NÚMERO DE FERRITA

(WRC)

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NÚMERO DE FERRITA

(WRC)

LINHA A + M

SCHAEFFLER

AUSTENITA

AUSTENITAMAIS FERRITA ( )

PERCENTAGEMDE FERRITA

(MAGNÉTICA)

Problemas na soldagem dos aços inoxidáveis.

• Trincas– A quente em aços austeníticos e

martensíticos.• Fragilidade.

– Fase sigma.• Corrosão.

– Intergranular dos aços austeníticos– Galvânica– Sob tensão

Trincas a quente em aços austeníticos

• Características.– Ocorrem em temperaturas acima de 1.150 oC.– Intergranular.– Localizam-se na zona fundida e eventualmente na ZAC.– Geralmente afloram a superfície.– A presença de tensões aliada à presença de um líquido residual

de baixo ponto de fusão, numa estrutura com granulação grosseira e orientada, são as causas dominantes.

• Prevenção.– O controle mais efetivo é através da presença de ferrita na

microestrutura do aço.


• Efeitos benéficos da ferrita.– Dissolve elementos nocivos tais como P, S, Si,

Nb e O.– Aumenta a área de contorno de grão por

unidade de volume, espalhando mais o metal líquido.

– Reduz a faixa de solidificação reduzindo a segregação.

– Devido ao menor coeficiente de dilatação térmica, reduz a contração e as tensões.


• Efeitos benéficos da ferrita.– Aumenta a resistência dos contornos de grão.– A energia de superfície - , sendo menor,

permite que os contornos - sejam molhados pelo líquido residual evitando a presença deste nas superfícies - que, neste caso, resistem melhor aos esforços de contração.

Trincas de reaquecimento

• Observadas em aços inoxidáveis de grandes seções.

• Localizam-se na ZAC e na zona fundida.• Aparecem durante o uso ou no alívio de tensões

em regiões livres de ferrita.• Geralmente são intergranulares.• Podem ocorrer a partir de fissuras ou

microtrincas existentes.

Prevenção de trincas de reaquecimento.

• Desbastar ou esmerilhar a solda antes do tratamento térmico pós-soldagem ou do uso em elevadas temperaturas

• Fazer tratamento térmico em temperaturas mais elevadas para precipitar sem muita fragilização, seguido de resfriamento rápido .

• Usar temperaturas de pré-aquecimento mais elevadas.

• Selecionar adequadamente o material de adição.

• Selecionar adequadamente o tipo de chanfro.

Formação de fase sigma.

• Composto intermetálico de Fe-Cr (1:1)

• Forma-se na faixa de temperatura de 550 - 900 oC.

• Ocorre em aços ferríticos ou em regiões ferríticas de aços austeníticos.

Formação de fase sigma.

• Apresenta dureza entre 750 - 1.000 Vickers, é tetragonal e fragiliza o material.

• O seu efeito depende da quantidade, do tamanho e da distribuição na microestrutura do aço.

• As velocidades de resfriamento usuais de soldagem não favorecem a sua precipitação.

• Tratamento térmico em 1.000 - 1050 oC destroi a fase

Corrosão intergranular dos aços austeníticos.

• Precipitação de carbonetos de cromo 420 - 870 oC.– A sensitização depende do tempo, da

temperatura, da composição química do aço, do tamanho do grão e do grau de encruamento.

– As regiões pobres em cromo estão sujeitas à corrosão intergranular.

– Torna-se mais crítico em soldagens multipasse.

Corrosão intergranular dos aços austeníticos

• Prevenção

– Hipertêmpera (aumentar a velocidade de resfriamento)

– Usar aços com teores mais baixos de carbono (< 0,03%)

– Usar aços estabilizados ao Nb e Ti

Corrosão incisiva em aços estabilizados.

• Reações típicas destes aços.– Tf - 1.232 oC dissolução total de carbonetos

– 1.232 - 790 oC precipitação de carbonetos de Nb e Ti dissolução de carbonetos de Cr

– 790 - 500 oC precipitação de carbonetos de Cr se houver C

– 500 - TA praticamente não há reação.

Corrosão incisiva em aços estabilizados.

• Na soldagem, a região da ZAC aquecida acima de 1.250 oC é resfriada rapidamente na faixa de 1.232 a 790 oC, ficando isenta de carbonetos de Nb (Ti), com a austenita supersaturada de C.

• No reaquecimento por TT ou soldagem multipasse, pode haver sensitização entre 790 e 500 oC.

Corrosão sob tensão.

• Ocorre em aços inoxidáveis austeníticos submetidos a tensões trativas na presença de cloretos e outros halogenetos em solução aquosa ou vapor.

• Corrosão transgranular, com fissuração, sem perda sensível de massa.

• A soldagem pode contribuir pela geração de tensões residuais que se somam a tensões externas.

Corrosão sob tensão.

• O acabamento superficial é muito importante.

• Os aços austeno-ferríticos resistem mais que os austeníticos

• Dos austeníticos, os mais resistentes são os 316 e 317.

Efeito da ferrita sobre os aços inox austeníticos.

• Aumenta a resistência mecânica e a dureza.• Ação neutra ou levemente benéfica quanto a

corrosão.• Diminui a energia charpy em temperaturas sub-

zero (usar no máximo NF = 8).• Aumenta a susceptibilidade a precipitação de

fase sigma (usar no máximo NF = 10).

Corrosão galvânica.

• Defeitos de soldagem podem facilitar a deposição de impurezas, causando diferenças de concentração ou de oxigenação, originando diferenças de potencial que podem resultar em corrosão galvânica.

Procedimentos de soldagem.

• Aços austeníticos.– Os mais fáceis de serem soldados.– Evitar trinca a quente e sensitização e em

menor escala a fase sigma.– Usar a menor energia de soldagem possível.– Pode-se fazer pré-aquecimento em peças

grandes.

Procedimentos de soldagem

• Aços austeníticos.– Recomenda-se martelamento, exceto em

peças finas. – Manter Ti abaixo de 200 oC (fazer esfriamento

após cada passe, se necessário)– Alívio de tensões somente em peças grandes

e complexas.– Usar metal de adição que propicie ferrita na

estrutura

AÇOS INOXIDÁVEIS DUPLEX

Aços Inoxidáveis Duplex

São materiais baseados no sistema Fe-Cr-Ni

Microestrutura bifásica com proporções aproximadamente iguais de austenita e ferrita.

Geralmente possuem 20 a 30 % de cromo, assim como 5 a 10 % de níquel, com teores muito baixos de carbono


• A microestrutura bifásica ferrita-austenita em proporções aproximadamente iguais possibilitam aos aços inoxidáveis duplex:– Excelentes propriedades mecânicas– Elevada resistência ao trincamento por corrosão sob

tensão e à corrosão localizada em meios contendo cloretos

– Alta resistência à corrosão intergranular – Possuem uma soldabilidade superior à dos aços

inoxidáveis ferríticos


• Elementos principais: Cr e Ni• Elementos secundários: N, Mo, Cu e W• Vantagens sobre os inox da série 300• Resistência

– Resistência a CST por cloreto– Resistência ao pitting– Usados entre – 60 a 300ºC– O N aumenta resistência ao pitting.

• Susceptíveis a fragilização a temperaturas elevadas, devido à precipitação de fases intermetálicas.

Aplicações

• Bastante utilizado em aplicações “offshore”, como em evaporadores de água e tubos para sistemas hidráulicos

• Na indústria de óleo e gás como tubos para transportar dióxido de carbono

• Na indústria de papel e celulose em torres para estocagem de pasta de papel e tanques para transporte marítimo de produtos químicos corrosivos com peso de até 800 toneladas.

Microestrutura

Ferrita

Austenita

LAMINADO FUNDIDO

Microestrutura

Características

• Elementos principais: Cr e Ni• Elementos secundários: N, Mo, Cu e W• Vantagens sobre os inox da série 300

– Resistência– Resistência a CST por cloreto– Resistência ao pitting– Usados entre –60 a 300ºC

• O N aumenta resistência ao pitting.• Susceptíveis a fragilização a temperaturas elevadas,

devido à precipitação de fases intermetálicas.

Características

Principais ligas Duplex

• Padrão 22% Cr

• Alta liga

• Superduplex

Principais ligas Duplex

UNS Ni Cr Mo Cu W N PRE

LIGA POBRE

S32304 3.0-5.5 21.5-24.5 - 0.05-0.6 - 0.05-0.20 25

PADRÃO 22%Cr

S31803 4.5-6.5 21.0-23.0 2.5-3.5 - - 0.08-0.20 34

S32205 4.5-6.5 22.0-23.0 3.0-3.5 - - 0.14-0.20 35

ALTA LIGA

S32550 4.5-6.5 24.0-27.0 2.9-3.9 1.5-2.5 - 0.10-0.25 38

S32950 3.5-5.2 26.0-29.0 1.0-2.5 - - 0.15-0.35 36

SUPERDUPLEX

S32750 6.0-8.0 24.0-26.0 3.0-5.0 0.5 - 0.24-0.32 41

S32760 6.0-8.0 24.0-26.0 3.0-4.0 0.5-1.0 0.5-1.0 0.2-0.3 >40

S39274 6.0-8.0 24.0-26.0 2.5-3.50 0.2-0.8 1.5-2.5 0.24-0.32 42(*)

Resistência Mecânica

Características

Resistência Mecânica - Escoamento

Características

Resistência Mecânica - Dureza

Características

Resistência Mecânica - Fadiga

Características

Ensaio Charpy

Características

Resistência CST por Cloretos

Características

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Metalurgia Aplicada Aos Processos de Soldagem