Metalurgia Da Soldagem Ufmg

7/30/2019 Metalurgia Da Soldagem Ufmg

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Universidade Federal de Minas GeraisDepartamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais

Introduo Metalurgia da Soldagem

Paulo J. ModenesiPaulo V. Marques

Dagoberto B. Santos

Belo Horizonte, maro de 2011


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Nota de Apresentao:

A soldagem o mais importante processo industrial de fabricao de peas metlicas.Processos de soldagem ou processos afins so tambm utilizados na recuperao de peas

desgastadas, para a aplicao de revestimentos de caractersticas especiais sobresuperfcies metlicas e para corte. O sucesso da soldagem est associado a diversos fatorese, em particular, com a sua relativa simplicidade operacional. Por outro lado, apesar destasimplicidade, no se pode esquecer que a soldagem pode ser muitas vezes um processotraumtico para o material, envolvendo, em geral, a aplicao de uma elevada densidadede energia em um pequeno volume do material, o que pode levar a alteraes estruturais ede propriedades importantes dentro e prximo da regio da solda.

O desconhecimento ou a simples desconsiderao das implicaes desta caractersticafundamental pode resultar em problemas inesperados e, em alguns casos, graves. Estesproblemas podem se refletir tanto em atrasos na fabricao ou em gastos inesperados,quando o problema prontamente detectado, ou mesmo em perdas materiais e,eventualmente, de vidas, quando o problema levado s suas ltimas consequncias.

Alm de aspectos metalrgicos, a engenharia de soldagem envolve conhecimentos emdiferentes reas como a fsica, qumica, eletricidade e eletrnica, mecnica, higiene esegurana. Estes aspectos no sero considerados neste texto.

Este texto foi desenvolvido com base em diferentes disciplinas ministradas pelos autoresnos cursos de Graduao em Engenharia Metalrgica e de Ps-graduao em EngenhariaMetalrgica e de Minas da Universidade Federal de Minas Gerais. Os captulos 1 e 3foram escritos em conjunto pelos professores P. J. Modenesi e P. V. Marques, o captulo 2foi escrito por P. J. Modenesi e D. B. Santos, os captulos 4 a 8 por P. J. Modenesi e ocaptulo 9 por D. B. Santos. Os autores agradecem a todos que, ao longo de vrios anos,colaboraram e, tambm, queles que venham a colaborar com sugestes e crticas para oaperfeioamento deste trabalho.

Paulo J Modenesi


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Sumrio

1. Introduo1.1. Mtodos de unio dos metais1.2. Definio de soldagem

1.3. Pequeno histrico da soldagem1.4. Formao da junta soldada1.5. Processos de soldagem1.6. Escopo da metalurgia da soldagem1.7. Referncias bibliogrficas

2. Fundamentos de metalurgia fsica2.1. Introduo2.2. Estrutura cristalina2.3. Diagrama de fases2.4. Aspectos cinticos2.5. Metalurgia fsica dos aos2.5.1. Solidificao dos aos

2.5.2. Diagrama de equilbrio Fe-C2.5.3. Estrutura dos aos resfriados lentamente2.5.4. Distribuio dos elementos de liga nos aos2.5.5. Influncia dos elementos de liga sobre os campose

do diagrama Fe-C2.5.6. Aspectos cinticos2.5.7. Tratamento trmico dos aos

2.6. Referncias bibliogrficas

3. Fluxo de calor em soldagem3.1. Introduo3.2. Balano trmico na soldagem por fuso3.3. Estudo terico do fluxo de calor3.4. Mtodos experimentais3.5. O ciclo trmico de soldagem3.6. Influncia dos parmetros operacionais3.7. Mtodos para o clculo da velocidade de resfriamento3.8. Macroestrutura de soldas3.9. Referncias bibliogrficas

4. Efeitos Mecnicos do Ciclo Trmico4.1. Introduo4.2. Tenses Residuais em Soldas

4.2.1. Origem4.2.2. Distribuio4.2.3. Determinao Experimental4.2.4. Consequncias4.2.5. Controle e Alvio de Tenses Residuais

4.3. Distoro de Soldas4.3.1. Tipos

4.3.2. Efeito das Propriedades do Material na Distoro4.3.3. Controle e Correo da Distoro


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4.4. Bibliografia

5. Influncias metalrgicas no metal fundido5.1. Introduo5.2. Interaes metal-gs

5.3. Interaes metal-escria5.4. Diluio e formao da zona fundida5.5. Solidificao da poa de fuso5.6. Referncias bibliogrficas

6. Influncias metalrgicas no metal base e no metal solidificado6.1. Introduo6.2. Formao da zona termicamente afetada6.3. Tenses residuais e distoro6.4. Fragilizao da zona termicamente afetada6.5. Referncias bibliogrficas

7. Fissurao em juntas soldadas7.1. Aspectos gerais7.2. Trincas associadas com a solidificao7.3. Trincas por liquao na zona termicamente afetada7.4. Trincas por perda de dutilidade (ductility dip cracking) 7.5. Trincas pelo hidrognio7.6. Decoeso lamelar7.7. Tipos de fissurao em servio7.8. Ensaios de fissurao7.9. Referncias bibliogrficas

8. Aspectos do comportamento em servio de soldas8.1. Introduo8.2. Fratura frgil8.3. Fratura por fadiga8.4. Corroso de juntas soldadas8.5. Referncias bibliogrficas

9. Tcnicas metalogrficas para soldas9.1. Introduo

9.2. Macrografia9.3. Micrografia9.4. Tcnicas que envolvem feixes de eltrons9.5. Exemplos de aplicao9.6. Referncias bibliogrficas


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Captulo 1

Introduo


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Metalurgia da Soldagem -1.1

1 - INTRODUO

A soldagem o mais importante processo industrial de fabricao de peas metlicas. Processosde soldagem e processos afins so tambm utilizados na recuperao de peas desgastadas, paraa aplicao de revestimentos de caractersticas especiais sobre superfcies metlicas e para corte.O sucesso da soldagem est associado a diversos fatores e, em particular, com a sua relativasimplicidade operacional. Por outro lado, apesar desta simplicidade, no se pode esquecer que asoldagem pode ser muitas vezes um processo traumtico para o material, envolvendo, emgeral, a aplicao de uma elevada densidade de energia em um pequeno volume do material, oque pode levar a importantes alteraes estruturais e de propriedades dentro e prximo da regioda solda.

O desconhecimento ou a simples desconsiderao das implicaes desta caractersticafundamental pode resultar em problemas inesperados e, em alguns casos, graves. Estesproblemas podem se refletir tanto em atrasos na fabricao ou em gastos inesperados, quando oproblema prontamente detectado, ou mesmo em perdas materiais e, eventualmente, de vidas,quando o problema levado s suas ltimas consequncias.

1.1 - Mtodos de Unio dos Metais

Os mtodos de unio dos metais podem ser divididos em duas categorias principais, isto ,aqueles baseados no aparecimento de foras mecnicas macroscpicas entre as partes a seremunidas e aqueles baseados em foras microscpicas (interatmicas ou intermoleculares). Noprimeiro caso, do qual so exemplos a parafusagem e a rebitagem, a resistncia da junta dadapela resistncia ao cisalhamento do parafuso ou rebite, mais as foras de atrito entre assuperfcies em contato. No segundo caso, a unio conseguida pela aproximao dos tomos emolculas das partes a serem unidas, ou destas e um material intermedirio, at distnciassuficientemente pequenas para a formao de ligaes qumicas primrias (metlica, covalenteou inica) ou secundrias (ligao de Van der Waals). Como exemplos desta ltima categoriacitam-se a soldagem, a brasagem e a colagem.

1.2 - Definio de Soldagem

Um grande nmero de diferentes processos utilizados na fabricao e recuperao de peas,

equipamentos e estruturas se encaixa no termoSOLDAGEM. Classicamente, a soldagem considerada como um mtodo de unio, porm, muitos processos de soldagem ou variaesdestes so usados para a deposio de material sobre uma superfcie, visando a recuperao depeas desgastadas ou para a formao de um revestimento com caractersticas especiais.Diferentes processos intimamente relacionados com os processos de soldagem so utilizadospara o corte de peas metlicas. Os aspectos trmicos destas operaes de recobrimento e corteso bastante semelhantes aos de soldagem e, por isso, muitos pontos abordados naMetalurgiada Soldagemso vlidos para estas operaes.

Apresentam-se, abaixo, diferentes definies propostas parasoldagem:

"Processo de junode metais porfuso".(Deve-se ressaltar que no s metais so soldveis e que possvel soldar metais sem fuso).


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Nesta nova fase, a soldagem teve inicialmente pouca utilizao, estando restrita principalmente execuo de reparos de emergncia, at a ecloso da 1 grande guerra, quando, devido snecessidades da poca, a soldagem passou a ser utilizada mais intensamente como processo defabricao.

A partir da, a soldagem se desenvolveu rapidamente. Os processos usados at ento foramaperfeioados, novos processos foram desenvolvidos e novos equipamentos e tecnologias foramincorporados soldagem. Paralelamente, desenvolvimentos em outras reas, como aeletrotcnica, a eletrnica e a metalurgia tambm contriburam para o avano da soldagem.

Nos ltimos anos, tcnicas modernas de instrumentao e controle tambm foram absorvidaspela soldagem, juntamente com os desenvolvimentos na rea de robtica e informtica. Modelostericos e principalmente empricos tm sido usados para uma melhor compreenso dosfenmenos associados soldagem. Tudo isto possibilitou o desenvolvimento de sistemas commaior grau de mecanizao e automao e, at mesmo, capacidade de tomada de deciso ealterao dos parmetros de soldagem, durante o processo, independentemente do operador.Estes novos equipamentos se tornaram menores e mais eficientes, com menor custo defabricao e manuteno.

Os consumveis para soldagem tambm evoluram, sendo adaptados para aplicao aos novosmateriais e equipamentos, de forma cada vez mais rpida e eficiente, contribuindo para umadiminuio nos tempos e custos das operaes de soldagem. O resultado final um grandeaumento na qualidade e produtividade com menor dependncia de habilidade manual dosoldador.

Atualmente, mais de 50 diferentes processos de soldagem tm alguma utilizao industrial e asoldagem o mais importante mtodo para a unio permanente de metais. Esta importncia ainda mais evidenciada pela presena de processos de soldagem e afins nas mais diferentesatividades industriais, incluindo desde segmentos de baixa tecnologia (a indstria serralheira, porexemplo) at aqueles de elevada tecnologia e complexidade (as indstrias nuclear e aeroespacial,por exemplo). Como consequncia, tem-se observado, ao longo das ltimas dcadas, umanecessidade constante por novos tipos de ao e de outras ligas metlicas com umasoldabilidade3 adequada para novas e mais exigentes aplicaes.

1.4 - Formao da junta soldada

De forma simplificada, pode-se considerar que uma pea metlica formada por um grandenmero de tomos dispostos em um arranjo espacial caracterstico (estrutura cristalina, vejacaptulo 2). tomos localizados no interior desta estrutura so cercados por um nmero devizinhos mais prximos, posicionados a uma distncia r0, na qual a energia do sistema mnima,figura 1.2.

3 Capacidade de um material ser soldado, nas condies impostas em uma dada estrutura corretamente projetada, e de se comportar adequadamente em servio.


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Distncia

Ener gia

r o

Figura 1.2. Variao de energia potencial para um sistema composto de dois tomos em funoda distncia de separao entre eles.

Nesta situao, cada tomo est em sua condio de energia mnima, no tendendo a se ligarcom nenhum tomo extra. Na superfcie do slido, contudo, esta situao no se mantm, pois ostomos esto ligados a um nmero menor de vizinhos, possuindo, portanto um maior nvel deenergia do que os tomos no seu interior. Esta energia pode se reduzir caso os tomossuperficiais se liguem a outros. Assim, aproximando-se duas peas metlicas a uma distnciasuficientemente pequena, os tomos das superfcies destas podem, em princpio, interagir,levando formao de uma ligao permanente, isto , uma solda seria formada entre as peas,como ilustrado na figura 1.3. Este tipo de efeito pode ser obtido, por exemplo, colocando-se emcontato ntimo dois blocos de gelo.

Solda

Figura 1.3. Formao terica de uma solda pela aproximao das superfcies das peas.

Entretanto, sabe-se que isto no ocorre para duas peas metlicas, exceto em condies muitoespeciais. A explicao est na existncia de obstculos que impedem uma aproximao efetivadas superfcies at distncias da ordem de r0. Estes obstculos podem ser de dois tipos bsicos:

As superfcies metlicas, mesmo as mais polidas, apresentam uma granderugosidadeemescala microscpica e sub-microscpica, tabela 1.I e figura 1.4. Mesmo uma superfcie comum acabamento cuidadoso apresenta irregularidades da ordem de 50 nm (5x10-8 m) de altura,isto , cerca de 200 camadas atmicas. Isto impede uma aproximao efetiva das superfcies,o que ocorre apenas em alguns poucos pontos de contato, de modo que o nmero de ligaesformadas insuficiente para garantir qualquer resistncia para a junta.


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200 camadasatmicas ou

500 ngstrons

Figura 1.4. Representao esquemtica da superfcie metlica limpa.

As superfcies metlicas esto normalmenterecobertas por camadasde xidos, umidade,gordura, poeira e outros materiais o que impede um contato real entre as superfcies,prevenindo a formao de ligaes. Estas camadas resultam exatamente do maior nvelenergtico da superfcie metlica e, na presena da atmosfera, tendem a se formarrapidamente (tabela 1.II).

Tecnologicamente, dois modos principais so utilizados para superar estes obstculos que, porsua vez, originam os dois grandes grupos de processos de soldagem:

Processos de soldagem por pressose baseiam na aplicao de presses elevadas de formaa deformar plasticamente as superfcies metlicas permitindo a aproximao atmica adistncias da ordem de r0. Em geral, as peas so aquecidas localmente para facilitar a suadeformao. Esta forma de soldagem mostrada esquematicamente na figura 1.5.

Tabela 1.I Faixas de rugosidade mdia em funo do tipo de acabamento superficial.

Processo de Acabamento Rugosidade Mdia (m)Super acabamento 0,05 - 0,2Afiao 0,05 - 0,4Polimento 0,1 - 0,8Esmerilhamento 0,1 - 1,6Torneamento com diamante 0,1 - 0,4Torneamento 0,4 - 6,3Perfurao 0,4 - 6,3Mandrilagem 0,8 - 3,2Fresagem 0,8 - 6,3Perfilamento 1,6 - 12,5

Tabela 1.II Tempo necessrio para a formao de uma camada monomolecular de gs emuma superfcie metlica em funo da presso do ar(1.2).

Presso (mm Hg) Tempo (s) Presso (mm Hg) Tempo (s)760 2,4x10- 10- 1,8100 1,8x10- 10- 1810 1,8x10- 10- 18010- 1,8x10- 10- 1,8x1010- 0,18


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xidos

Presso

Presso

Figura 1.5. Soldagem por presso (esquemtica).

Processos de soldagem por fusoconsistem na aplicao localizada de calor na regio de

unio para a sua fuso e do metal de adio (quando este for utilizado), produzindo a ligaopela solidificao do metal fundido e, portanto, a destruio das interfaces, figura 1.6.

Metal de Adio Calor

Metal de base

Solda

Figura 1.6. Soldagem por fuso (esquemtico).

1.5 - Processos de Soldagem

Alguns dos processos de soldagem de maior importncia tecnolgica sero discutidossimplificadamente a seguir. Para uma apresentao mais completa destes, recomenda-seconsultar literatura tcnica(1.3-1.10).

1.5.1 - Processos de Soldagem por Presso

Este primeiro grupo inclui, entre outros, os processos de soldagem por ultrassom, por frico, porforjamento, por resistncia eltrica, por difuso e por exploso. Diversos destes processos, comoa soldagem por resistncia e, mais recentemente, o processo de soldagem por frico commistura (Friction Stir Welding, FSW), tm enorme importncia tecnolgica.

Nestes processos, a unio obtida principalmente pela deformao do material confinada,preferencialmente, em uma regio restrita s vizinhanas da junta. Para isto, em vrios dessesprocessos, essa regio aquecida em relao ao restante das peas. Nos processos de soldagem

por resistncia, isto conseguido pela passagem de uma corrente eltrica elevada em funo deuma maior resistncia eltrica no contato entre as peas e/ou das condues de extrao de calor


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na junta. Nos processos de soldagem por frico, o calor gerado pelo atrito entre as superfciesdas peas colocadas em movimento relativo e a deformao final pela aplicao, imediatamentea interrupo do movimento entre as peas, de uma fora de compresso. No processo desoldagem por frico com mistura, em especial, o aquecimento e a deformao so conseguidosatravs de uma ferramenta especial que, em rotao, forada contra e entre as peas (figura

1.7).

Figura 1.7. Soldagem por frico com mistura (representao esquemtica).

Nos processos de soldagem por deformao,em geral , as temperaturas atingidas pela materialso inferiores quelas atingidas na soldagem por fuso. Desta forma, as alteraes de estrutura e

propriedades mais significativas (e, geralmente, com maior potencial de causar efeitos maisnegativos) ocorrem na soldagem por fuso. Como este grupo engloba os processos de maiorimportncia na atualidade, os processos de soldagem por presso no sero mais discutidos nestecaptulo introdutrio. Este ser complementado com uma apresentao resumida dascaractersticas dos processos de soldagem por fuso mais importantes.


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1.5.2 - Processos de Soldagem por Fuso

Devido ao grande nmero de processos de soldagem por fuso, estes so normalmente separadosem subgrupos. Uma classificao muito til e utilizada agrupa os processos de acordo com o tipode fonte de energia usada para fundir as peas. A tabela 1.III mostra alguns processos de

soldagem por fuso e suas caractersticas principais.Dentre os processos de soldagem por fuso, aqueles que utilizam o arco eltrico como fonte deenergia so os mais utilizados industrialmente e, por isso, sero discutidos rapidamente a seguir.

Tabela 1.III Processos de soldagem por fuso(1.11).

PROCESSO FONTES DECALOR

TIPO DECORRENTE EPOLARIDADE

AGENTE PROTETOROU DE CORTE OUTRAS CARACTERSTICAS APLICAES

Soldagem poreletro-escria

Aquecimentopor resistnciada escrialquida

Contnua oualternada

Escria Automtica/Mecanizada. Junta navertical. Arame alimentadomecanicamente na poa de fuso.No existe arco

Soldagem de aos carbono, baixa e altaliga, espessura 50 mm. Soldagem depeas de grande espessura, eixos, etc.

Soldagem aoArcoSubmerso

Arco eltrico Contnua oualternada.Eletrodo +

Escria e gases gerados Automtica/mecaniz. ou semi-automtica. O arco arde sob umacamada de fluxo granular

Soldagem de aos carbono, baixa e altaliga. Espessura 10 mm. Posio plana ouhorizontal de peas estruturais, tanques,vasos de presso, etc.

Soldagemcom EletrodosRevestidos

Arco eltrico Contnua oualternada.Eletrodo + ou -

Escria e gases gerados Manual. Vareta metlica recobertapor camada de fluxo

Soldagem de quase todos os metais, excetocobre puro, metais preciosos, reativos e debaixo ponto de fuso. Usado na soldagemem geral.

Soldagemcom ArameTubular

Arco eltrico Contnua.Eletrodo +

Escria e gases geradosou fornecidos por fonteexterna. Em geral oCO2

O fluxo est contido dentro de umarame tubular de pequenodimetro. Automtico ou semi-automtico

Soldagem de aos carbono com espessura1 mm. Soldagem de chapas

SoldagemMIG/MAG

Arco eltrico Contnua.Eletrodo +

Argnio ou Hlio,Argnio + O2, Argnio+ CO2, CO2

Automtica/mecaniz. ou semi-automtica. O arame slido

Soldagem de aos carbono, baixa e altaliga, no ferrosos, com espessura1 mm.Soldagem de tubos, chapas, etc. Qualquerposio

Soldagem aPlasma

Arco eltrico Contnua.Eletrodo -

Argnio, Hlio ouArgnio + Hidrognio

Manual ou automtica. O arame adicionado separadamente.Eletrodo no consumvel detungstnio. O arco constrito porum bocal

Todos os metais importantes emengenharia, exceto Zn, Be e suas ligas,com espessura de at 1,5 mm. Passes deraiz

Soldagem TIG Arco eltrico Contnua oualternada.Eletrodo -

Argnio, Hlio oumisturas destes

Manual ou automtica. Eletrodono consumvel de tungstnio. Oarame adicionado separadamente.

Soldagem de todos os metais, exceto Zn,Be e suas ligas, espessura entre 1 e 6 mm.Soldagem de no ferrosos e aos inox.Passe de raiz de soldas em tubulaes

Soldagem porFeixeEletrnico

Feixeeletrnico

Contnua.Alta Tenso.Pea +

Vcuo (10-4mm Hg) Soldagem automtica. No htransferncia de metal. Feixe deeltrons focalizado em um pequenoponto.

Soldagem de todos os metais, exceto noscasos de evoluo de gases ou vaporizaoexcessiva, a partir de 25 mm de espessura.Indstria nuclear e aeroespacial.

Soldagem aLaser

Feixe de luz Argnio ou Hlio Como acima Como acima. Corte de materiais nometlicos

Soldagem a

Gs

Chama oxi-

acetilnica

Gs (CO, H2, CO2,

H2O)

Manual. Arame adicionado

separadamente

Soldagem manual de ao carbono, Cu, Al,

Zn, Pb e bronze. Soldagem de chapas finase tubos de pequeno dimetro

Soldagem com Eletrodos Revestidos(ShieldedMetalArc Welding - SMAW) um processono qual a coalescncia dos metais obtida pelo aquecimento destes com um arco estabelecidoentre um eletrodo especial revestido e a pea.

O eletrodo formado por um ncleo metlico ("alma"), recoberto por uma camada de mineraise/ou outros materiais (revestimento). A alma do eletrodo conduz a corrente eltrica e serve comometal de adio. O revestimento gera escria e gases que protegem da atmosfera a regio sendo

soldada e estabilizam o arco. O revestimento pode ainda conter elementos que so incorporados


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solda, influenciando sua composio qumica e caractersticas metalrgicas. A figura 1.8 ilustrao processo e a tabela 1.IV mostra suas vantagens, limitaes e aplicaes.

O equipamento necessrio ao processo consiste de porta-eletrodo, cabos e fonte de energia, quepode ser de corrente contnua (CC) ou alternada (CA) dependendo do tipo de eletrodo e material

sendo soldado.

Poa de Fuso

Solda

Metal deBase

EscriaProteopor Gs

EletrodoRevestido

Figura 1.8. Soldagem com eletrodos revestidos.

Tabela 1.IV Vantagens, limitaes e aplicaes da soldagem com eletrodos revestidos.

Vantagens e limitaes AplicaesEquipamento simples, porttil e barato. Soldagem de produo, manuteno e em

montagens no campo.No necessita fluxos ou gases externos. Soldagem de aos carbono, baixa e alta liga.Pouco sensvel presena de correntes de ar. Soldagem de ferro fundido.Processo extremamente verstil em termos demateriais soldveis.

Soldagem de alumnio, nquel e suas ligas.

Facilidade para atingir reas de acesso restrito.Aplicao difcil para materiais reativos.Produtividade relativamente baixa.Exige limpeza aps cada passe de soldagem.

Soldagem GTAW(GasTungstenArcWelding - GTAW) ou, como mais conhecida no Brasil,TIG (TungstenInert Gas) um processo no qual a coalescncia dos metais obtida peloaquecimento destes por um arco estabelecido entre um eletrodo no consumvel de tungstnio e apea. A proteo do eletrodo e da zona da solda feita por um gs inerte, normalmente oargnio, ou mistura de gases inertes (Ar e He). Metal de adio pode ser utilizado ou no. Afigura 1.9 mostra esquematicamente o processo e a tabela 1.V mostra suas vantagens, limitaese aplicaes.


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Poa de Fuso

SoldaMetal deBase

Tocha

Metal de Adio

Gs deProteo

Figura 1.9. Soldagem GTAW.

A soldagem GTAW pode ser manual ou mecanizada. O processo GTAW considerado o maiscontrolvel dos processos de soldagem a arco. As suas principais variveis so: corrente desoldagem, composio, dimetro e forma do eletrodo, composio do gs de proteo e metal de

adio. O equipamento bsico do processo consiste de fonte de energia (de CC para a maioriadas ligas metlicas), tocha com eletrodo de tungstnio, fonte de gs de proteo (Ar ou He) e umsistema para a abertura do arco (geralmente um ignitor de alta frequncia).

Tabela 1.V Vantagens, limitaes e aplicaes da soldagem GTAW.

Vantagens e limitaes AplicaesExcelente controle da poa de fuso. Soldagem de preciso ou de elevada qualidade.Permite soldagem sem o uso de metal deadio.

Soldagem de peas de pequena espessura etubulaes de pequeno dimetro.

Pode ser usado para soldar a maioria dosmetais.

Execuo do passe de raiz em tubulaes.

Produz soldas de alta qualidade e excelenteacabamento.

Soldagem de ligas especiais, no ferrosas emateriais exticos.

Gera pouco ou nenhum respingo.Exige pouca ou nenhuma limpeza aps asoldagem.Permite a soldagem em qualquer posio.Produtividade relativamente baixa.Custo de consumveis e equipamento

relativamente elevado.

Soldagem GMAW(GasMetalArc Welding - GMAW) um processo de soldagem a arco queproduz a coalescncia dos metais pelo aquecimento destes com um arco eltrico estabelecidoentre um eletrodo metlico contnuo (e consumvel) e a pea (figura 1.10). A tabela 1.VI mostraas vantagens, limitaes e principais aplicaes do processo.


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Poa de Fuso

SoldaMetal deBase

Tocha

Gs deProteo Eletrodo

Figura 1.10. Soldagem GMAW (esquemtica).

Tabela 1.VI Vantagens, limitaes e aplicaes da soldagem GMAW.

Vantagens e limitaes AplicaesProcesso com eletrodo contnuo. Soldagem de ligas ferrosas e no ferrosas.Permite soldagem em qualquer posio. Soldagem de carrocerias e estruturas de

veculos.Elevada taxa de deposio de metal. Soldagem de tubulaes, etc.Elevada penetrao.Pode, em princpio, soldar diferentes ligasmetlicas.

Exige pouca limpeza aps soldagem.Processo exige, em geral, menos habilidade dosoldador que a soldagem SMAW.Processo de ajuste mais difcil e sensvel que oprocesso SMAW.Equipamento relativamente caro e complexo.Pode apresentar dificuldade para soldar juntasde acesso restrito.Proteo do arco sensvel a correntes de ar.Pode gerar elevada quantidade de respingos.

A proteo do arco e poa de fuso obtida por um gs ou mistura de gases. Se este gs inerte,o processo tambm chamado de MIG (Metal Inert Gas). Se o gs for ativo, o processo chamado de MAG (MetalActiveGas).

O processo normalmente operado de forma semi-automtica e apresenta elevada produtividade.A transferncia de metal atravs do arco se d, basicamente, por trs mecanismos: aerosol(spray), globular e curto-circuito, dependendo de parmetros operacionais, tais como o nvel decorrente, sua polaridade, dimetro e composio do eletrodo, composio do gs de proteo ecomprimento do eletrodo.

O equipamento bsico para este processo consiste de tocha de soldagem, fonte de energia decorrente constante, fonte de gs e alimentador de arame.


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Soldagem com Arame Tubular(FluxCoredArc Welding - FCAW) um processo no qual acoalescncia dos metais obtida pelo aquecimento destes por um arco entre um eletrodo tubularcontnuo e a pea. O eletrodo tubular apresenta internamente um fluxo que desempenha asfunes de estabilizar o arco e ajustar a composio da solda.

O processo apresenta duas variaes principais: soldagem auto-protegida, em que o fluxo internofornece toda a proteo necessria na regio do arco, e soldagem com proteo gasosa, em que aproteo fornecida por um gs, semelhante ao processo GMAW. Em ambas as formas, oprocesso normalmente operado na forma semi-automtica, utilizando basicamente o mesmoequipamento do processo GMAW. A tabela 1.VII mostra as vantagens, limitaes e principaisaplicaes do processo.

Tabela 1.VII Vantagens, limitaes e aplicaes da soldagem FCAW.

Vantagens e limitaes AplicaesElevada produtividade e eficincia. Soldagem de aos carbono, baixa e alta liga.Soldagem em todas as posies. Soldagem de fabricao e de manuteno.Custo relativamente baixo. Soldagem de partes de veculos.Produz soldas de boa qualidade e aparncia. Soldagem de montagem no campo.Equipamento relativamente caro.Pode gerar elevada quantidade de fumos.Necessita limpeza aps soldagem.

Soldagem a Arco Submerso(SubmergedArc Welding - SAW) um processo no qual a

coalescncia dos metais produzida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entreum eletrodo metlico contnuo e a pea. O arco protegido por uma camada de material fusvelgranulado (fluxo) que colocado sobre a pea enquanto o eletrodo alimentado continuamente.O fluxo na regio prxima ao arco fundido, protegendo o arco e a poa de fuso e formando,posteriormente, uma camada slida de escria sobre o cordo. O fluxo fundido ajuda a estabilizaro arco e desempenha uma funo purificadora sobre o metal fundido. Como o arco ocorre sob acamada de fluxo, ele no visvel, da o nome do processo. A figura 1.11 ilustra o processo e atabela 1.VIII mostra as suas vantagens, limitaes e principais aplicaes.

O equipamento necessrio para o processo consiste normalmente de fonte de energia,alimentador de arame, painel de controle, tocha de soldagem, porta fluxo e sistema dedeslocamento da tocha, que normalmente feito de forma mecanizada.

Poa de Fuso

SoldaMetal deBase

EscriaFluxo Eletrodo

Figura 1.11. Soldagem a Arco Submerso (esquemtica).


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Tabela 1.VIII Vantagens, limitaes e aplicaes da soldagem a arco submerso.

Vantagens e limitaes Aplicaes

Alta velocidade de soldagem e elevada taxa dedeposio.

Soldagem de aos carbono, baixa e alta liga.

Produz soldas uniformes e de bom acabamentosuperficial.

Soldagem de nquel e suas ligas.

Ausncia de respingos e fumos. Soldagem de membros estruturais e tubos degrande dimetro.

Dispensa proteo contra radiao uma vez queo arco no visvel.

Soldagem em fabricao de peas pesadas deao.

Facilmente mecanizado. Soldagem de recobrimentos, manuteno ereparo.

Elevada produtividade.Soldagem limitada s posies plana e filetehorizontal.Aporte trmico elevado pode prejudicarpropriedades da junta em alguns casos.Necessidade de retirada de escria entre passes.

1.6 - Escopo da Metalurgia da Soldagem

Pelo que se apresentou at aqui, pode-se notar que a operao de soldagem causa alteraes

localizadas e bruscas de temperatura no material sendo soldado. Estas alteraes, por sua vez,podem provocar mudanas estruturais e, consequentemente, nas propriedades do material. Emgeral, estas alteraes se do na forma de uma degradao nas propriedades, o que pode terimportantes implicaes na futura utilizao da pea soldada. Existem duas maneiras de seenfrentar este problema. A primeira desenvolver materiais que sejam menos sensveis soldagem, isto , melhorar a "soldabilidade" dos materiais. A segunda controlar a operao desoldagem (e, possivelmente, executar operaes complementares) de modo a minimizar, ouremover, a degradao de propriedades da pea.

A metalurgia de soldagem visa estudar o efeito da operao de soldagem sobre a estrutura epropriedades dos materiais para:

Obter informaes que auxiliem no desenvolvimento de novos materiais menos sensveis soldagem.

Determinar os parmetros operacionais de soldagem de maior influncia nas alteraes daestrutura e propriedades do material. Alternativamente, o desenvolvimento de operaescomplementares, seja para minimizar a degradao de propriedades, seja para reverter estadegradao, pode ser procurado. A figura 1.12 ilustra este processo.


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Parmetros Operacionais:Corrente, t enso, velocidade, etc.Consumveis: gs, arame, fluxo, etc.

Ciclo trmicoVelocidade de aquecimento ede resfriamento, temperatura de

pico, propriedades do material, etc.

Geometria da solda:Largura, penetrao,

rea, diluio, etc.

Microestrutura: Zonasfundida e termicamente

afetada, etc.

Propriedades mecnicasqumicas, eltricas, etc.

Tenses eDeformaes

Figura 1.12. Escopo da metalurgia de soldagem.

1.7 - Referncias Bibliogrficas:

1. MILLER ELECTRIC Welding and the World of Metals. Miller Electric ManufacturingCompany, Appleton, USA, 1969, 31p.

2. NIKOLAEV G., OLSHANSKY, N. Advanced Welding Processes. MIR Publishers,Moscou, 1977, 245p.

3. MARQUES, P. V. Soldagem Fundamentos e Tecnologia. Editora UFMG, Belo Horizonte,2005, 362p.

4. QUITES, A. M. Introduo Soldagem a Arco Voltico. Soldasof, Florianpolis, 2002,352p.5. OKUMURA, T., TANIGUCHI, C. Engenharia de Soldagem e Aplicaes. LTC, Rio de

Janeiro, 1982, 461p.6. DRAPINSKI, J. Elementos de Soldagem. Mc Graw-Hill, So Paulo, 1978, 280p.7. WAINER, E. Soldagem, Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais, So Paulo, 1979,

720p.8. CARY, H. B. Modern Welding Technology. 4 edio, Prentice-Hall, Upper Saddle River,

USA, 1998, 736p.

9. WAINER, E., BRANDI, S. D. e MELLO, F. D. H de. Soldagem - Metalurgia e Processos.,Edgard Blucher, So Paulo, 1992, 494p.


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10. MACHADO, I. G. Soldagem & Tcnicas Conexas: Processos. Editado pelo autor, PortoAlegre, 1997, 477p.

11. LANCASTER, J.F., Metallurgy of Welding, George Allen & Unwin, Londres, 1987, pp. 9-11.

12. PARMAR, R.S. Welding Processes and Technology, Khanna Publishers, Delhi, 1995, 760p.


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Captulo 2

Fundamentos de Metalurgia Fsica


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O termo estrutura muito geral e compreende desde aspectos grosseiros, com dimensessuperiores a cerca de 0,1 mm (macroestrutura), at detalhes da organizao interna dos tomos(estrutura eletrnica). Para analisar a relao estrutura-propriedades, ametalurgia fsica interessa-se, principalmente, pelo arranjo e interao dos tomos (estrutura cristalina) quecompem as diversas fases de uma liga e pelo arranjo, interaes e dimenses de diversas partes

(gros) destas fases (microestrutura). Diversas propriedades mecnicas, fsicas e qumicas dasligas metlicas podem ser estudadas a estes nveis. A tabela 2.I ilustra os diferentes nveisestruturais com exemplos de detalhes comumente observados nestes nveis.

Tabela 2.I Nveis estruturais, exemplos de tcnicas usuais de estudo e de detalhes quepodem ser observados(a).

NvelEstrutural

DimensesAproximadas

Exemplos de Tcnicas deEstudo

Detalhes Comuns

Macroestru-tura

> 100m Macrografia, Radiografia Segregao, trincas, camadas cementadas.

Microestru- 100m a0,1m Microscopia tica (MO), microscopiaeletrnica de varredura (MEV) Tamanho de gro, microconstituintes,microtrincas.tura 0,1m a

0,1nmMicroscopia eletrnica de transmisso(MET)

Precipitados submicroscpicos, clulas dedeslocaes

EstruturaCristalina

1nm a0,1nm

Difrao de raios X Clulas unitrias, parmetros de rede,defeitos cristalinos

EstruturaEletrnica

< 0,1nm Espectroscopia de emisso tica Nveis atmicos, defeitos eletrnicos

Observaes: (a) Esta tabela apenas ilustrativa e a separao adotada dos nveis estruturais arbitrria.(b) 1m = 0,001 mm, 1nm = 0.001 m.(c) Diversos dos termos citados so discutidos ao longo do presente captulo.

Este captulo tem como objetivo propiciar uma viso geral dos fundamentos de metalurgia fsicade modo a facilitar a compreenso dos captulos seguintes. O significado dos diferentes termosque definem caractersticas ou propriedades mecnicas de um material sero, contudo, supostoscomo conhecidos. Para uma discusso mais exaustiva deste assunto recomenda-se consultar aliteratura(2.1-2.14).

2.2 - Estrutura cristalina

Ao se observar no microscpio metalogrfico a seo de um metal puro, polida e atacada

convenientemente, pode-se notar que este formado porgros separados entre si porcontornosde gros(figura 2.2). No nvel atmico, os gros so formados por um arranjo de tomos quepode ser descrito pela repetio, nas trs dimenses, de uma unidade bsica (clula unitria),isto , um agrupamento de um pequeno nmero de tomos com uma configurao caracterstica.Este arranjo de tomos forma aestrutura cristalinado material. Existem diferentes tipos deestruturas cristalinas, caracterizadas por suas clulas unitrias. A grande maioria dos metais,contudo, existe em uma, ou mais, de trs estruturas bsicas:Cbica deCorpoCentrado (CCC),Cbica deFaceCentrada (CFC) eHexagonalCompacta (HC), figura 2.3. A tabela 2.II mostra aestrutura cristalina de alguns metais puros comuns.


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Pea

Microestrutura

Macroestrutura

Gro

Estrutura Cristalina

Gro

de GroContorno

Figura 2.2. Representao esquemtica de uma pea de um metal puro indicando os diferentesnveis estruturais.

CFC CCC HC

a a

a

c

Figura 2.3. Estruturas cristalinas mais comuns dos slidos metlicos. As dimensesa e c so osparmetros de rede.

Tabela 2.II Estrutura cristalina de alguns metais puros.

Estrutura Cristalina Exemplos

CCC Fe (abaixo de 910C), Cr, V, Mo, W, NbCFC Fe (entre 910 e 1390C), Al, Ag, Au, Cu, Ni, PtH C Zn, Mg, Be, Zr, Hf

O tipo de estrutura cristalina confere diversas caractersticas particulares a um dado metal. Porexemplo, aqueles que se cristalizam no sistema CFCtendem a apresentar, mais fortemente doque os demais, caractersticas tpicas de metais, isto , apresentam, em geral, elevadasductilidade, tenacidade e condutividades trmica e eltrica. Alm disto, estes metais tendem a

no apresentar mudana de comportamento mecnico dctil para frgil quando a temperatura reduzida. Alguns metais mudam de forma cristalina em funo da temperatura e presso. Esta


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caracterstica apresentada, por exemplo, pelo ferro, sendo de enorme importncia tecnolgicapor possibilitar a resposta dos aos a tratamentos trmicos. Na presso normal, o ferro temestrutura CCC abaixo de 910C (ferro). Entre 910C e 1390C, este elemento tem estruturaCFC (ferro) e, entre 1390C e 1538C, volta a ter estrutura CCC (ferro). A 1538C, o ferro sefunde.

Embora os metais puros sejam eventualmente utilizados industrialmente, muito mais comum setrabalhar comligas, que so formadas pela mistura de um metal com um ou mais elementosdiferentes, metlicos ou no (elementos de liga). Por outro lado, a quase totalidade das ligas emesmos os metais considerados como "puros" contm quantidades variveis de elementosresiduais, ou impurezas. A presena de elementos de liga e de impurezas pode causar alteraesimportantes nas propriedades do metal. Por exemplo, a presena de carbono no ferro (ao) ou dezinco no cobre (lato) tende a aumentar a resistncia mecnica e a dureza e a reduzir acondutividade trmica.

Um elemento de liga (ou uma impureza) pode permanecer em soluo slida na estruturacristalina do elemento principal ou pode causar o aparecimento de novas fases.Fase uma partehomognea do sistema (no presente caso, a liga metlica) cuja composio e propriedades fsicase qumicas so idnticas ao longo do seu domnio, o qual est separado das outras partes dosistema por uma superfcie de diviso visvel, chamadainterface2.7,2.8. Por exemplo, em umamistura de gua e gelo, a gua uma fase e o gelo outra. Para os problemas de metalurgia fsica,contudo, esta definio geralmente muito rgida, pois, nas condies de ausncia de equilbrioglobal, variaes de composio qumica, por exemplo, podem existir dentro do domnio de umafase.

Em uma soluo slida, tomos do elemento de liga de dimenses semelhantes aos tomos doelemento principal podem substituir estes em posies da rede cristalina (soluo slida substitucional, figura 2.4.a). Este o caso de ligas de cobre com at 35% Zn. Caso as dimensesatmicas do elemento de liga sejam suficientemente pequenas, eles podem ocupar os interstcios(vazios) da estrutura, formando umasoluo slida intersticial (figura 2.4.b). o caso docarbono ou nitrognio no Fe.

(a) (b)

Figura 2.4. Tipos de soluo slida: (a) intersticial e (b) substitucional.

Em muitas situaes, quando a quantidade de um elemento de liga exceder um valor (limite desolubilidade) para uma dada temperatura, uma nova fase tende a se formar. A quantidade relativadas diferentes fases de um material, a morfologia e arranjos destas, junto com as dimenses dosseus gros so caractersticas fundamentais da microestrutura do material. A possibilidade de sealterar (ou controlar) estas caractersticas de grande importncia tecnolgica devido j


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mencionada relao estrutura-propriedades. Assim, a grande variao no limite de escoamentoapresentado pelo ao SAE 1080 na figura 2.1 est diretamente ligada a este fato.

A descrio da estrutura cristalina apresentada at o momento fornece uma imagemextremamente esttica dos metais e incapaz de explicar diversas de suas caractersticas como,

por exemplo, a deformao plstica. Na verdade, a estrutura dos metais apresenta imperfeiesna forma de rupturas de sua organizao cristalina (defeitos). Estas imperfeies podem serdivididas em pontuais, lineares, superficiais e volumtricos e afetam, de diferentes formas, ocomportamento dos metais. Algunsdefeitos cristalinosmais importantes so descritos a seguir:

Lacunas: um defeito pontual causado pela ausncia de um tomo de um stio cristalinoque deveria estar ocupado. Este tipo de defeito importante no transporte de matria nointerior do cristal (difuso em volume).

Intersticial: um defeito pontual representado pela presena de um tomo em uma posiodo cristal que no deveria ser ocupada (interstcio).

Deslocao (discordncia): um defeito linear que acomoda desarranjos nas ligaesqumicas devido ao movimento relativo (por cisalhamento) de uma regio do cristal emrelao a outra. Uma discusso mais detalhada deste importante conceito pode ser encontradana literatura(2.6). Deve-se, contudo, enfatizar que deslocaes exercem um papel fundamentalna deformao plstica dos metais e que interaes destas com lacunas, tomos intersticiais,outras deslocaes e contornos de gro so fundamentais para explicar o comportamentomecnico de diferentes materiais.

Contorno de gro: a superfcie de separao entre gros adjacentes sendo, portanto, umdefeito superficial e resulta das diferenas de orientao cristalina entre os gros.

2.3 - Diagrama de fases

Diagramas binrios de fases definem as regies de estabilidade das fases que podem ocorrer emum sistema usualmente sob presso constante, tendo, como ordenada, a temperatura e, comoabcissa, a composio. Estes diagramas so muito importantes no estudo de ligas metlicas, poisindicam as fases esperadas a uma dada temperatura para uma composio especfica. Estasrelaes so vlidas, contudo, somente para condies de equilbrio.

Um sistema simples de dois componentes aquele em que se forma uma nica fase slida almdo lquido (sistema isomorfo), e que pode ser exemplificado pelo sistema de equilbrio Cu-Ni(figura 2.5). A rea acima dalinha lquiduscorresponde regio de estabilidade do lquido e area dalinha slidusrepresenta a regio de estabilidade do slido. Entre estas duas regies, asduas fases coexistem em equilbrio.

Na figura 2.5, o ponto x corresponde a uma liga que contm 20% em peso de cobre e 80% denquel. Para a temperatura de 500C, a liga se encontra na regio da fase slida, a qual possui amesma estrutura cristalina do Cu e do Ni (CFC). Observada ao microscpio metalogrfico, estaliga ter um aspecto semelhante a um metal puro. Suas propriedades, contudo, tendero a seremdiferentes das propriedades do nquel e cobre puros. Ela apresentar maior resistncia mecnica e

menores condutividades trmica e eltrica, alm de ter brilho e cor diferentes.


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Figura 2.5. Diagrama de equilbrio cobre-nquel (esquemtico).

Ser analisada, agora, a solidificao de uma liga com 70% Cu a partir de 1300C (figura 2.6). Seum cadinho contendo um pouco desta liga for deixado resfriar lentamente, a solidificaoquando a temperatura cair abaixo da linha lquidus, isto , penetrar na regio bifsica. Nestaregio, as composies das duas fases so fixas a cada temperatura e so determinadas pelasintersees da isoterma (horizontal) com as fronteiras das fases (no presente exemplo, as linhasslidus e lquidus). Assim, os primeiros cristais a se formarem tero a composio do pontoa (figura 2.6), possuindo um menor teor de cobre que a composio mdia da liga. A medida que atemperatura diminui, a quantidade de lquido se reduz e a do slido aumenta e suas composiesvariam, respectivamente, ao longo das linhasb-n-de a-m-c. Na temperatura dos pontosc e d, asolidificao estar terminada, com o ltimo resduo lquido tendo a composio do pontod. Naregio bifsica, as quantidades relativas de cada fase dependem exclusivamente da temperatura ecomposio da liga (Regra da Alavanca):

10012

21%deComposiodeComposio

MdiaComposiodeComposioFase (2.1)

10012

12%

deComposiodeComposiodeComposio MdiaComposio

Fase (2.2)

0 20 40 60 80 100

400

600

800

1000

1200

1400

Linha Slidus

LquidoLinha Lquidus

Slido eLquido

Slido

x

T e m p e r a t u r a ( o C )

Teor de Cu (%)


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50 60 70 80 90 100

1100

1200

1300

62% 78%

y

cm d

nba

Teor de Cu (%) Figura 2.6. Detalhe do diagrama Cu-Ni.

Por exemplo, na figura 2.6, para uma temperatura de 1200C e 70%Cu, tem-se:

%5010062787078

100%mn yn

Slido

%5010062786270

100% mnm y

Lquido

Sistemas isomorfos s ocorrem quando os seus componentes formam soluo slida paraqualquer composio. Na maioria dos casos, haver somente um intervalo restrito de soluoslida e, frequentemente, fases e compostos intermedirios sero formados. A formao desoluo slida em toda a faixa de composies s possvel em solues substitucionais e,nestas, somente em alguns casos restritos, onde os componentes:

apresentam diferena de tamanho atmico inferior a 15%, possuem a mesma estrutura cristalina, no apresentam diferena aprecivel de eletronegatividade, e tm a mesma valncia qumica.

Se qualquer uma destas regras (Regras de Hume-Rothery) no for satisfeita, duas ou mais fasesslidas devero existir no diagrama. Um exemplo de diagrama com soluo slida limitada ecoexistncia de duas fases slidas mostrado na figura 2.7. Este diagrama apresenta a reaoEuttica, que uma reao invariante na qual um lquido de composio fixa (b) se transforma,a uma temperatura constante (Te), em duas fases slidas de composies tambm fixas (a e c).Ocorre, em Te, para qualquer liga cuja composio esteja entrea e c.

Considerando-se, agora, o resfriamento a partir do estado lquido (pontoI, figura 2.7), de umaliga de composio C0, a solidificao se inicia pela formao de gros da fase, enriquecidosdo componente B, quando a vertical ABC corta a linha lquidus e penetra na regio bifsica( + L). A medida que a temperatura cai, as composies do lquido e devariam,


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respectivamente, ao longo das linhas lquidus e slidus e as quantidades relativas das duas fasespodem ser calculadas pela regra da alavanca. Por exemplo, no pontoII, tem-se:

% LC C C C

2 0

2 1

100 (2.3)

% % 100 L (2.4)

A liga formada, neste ponto, por uma mistura de um lquido de composio C1 e cristais de de composio C2 (ver representao esquemticaII na figura 2.7.b).

II

I

IIIa

b c

B A C1 C0 C2% em peso de B

Lquido (L)

+L +L

Temperatura

Te

L L

ConstituinteEuttico

(a)

(b)I II III

Figura 2.7. (a) Diagrama binrio euttico e (b) representao esquemtica da formao damicroestrutura, durante um resfriamento a partir da fase lquida, de uma liga de composio C0.

Quando a temperatura euttica atingida, todo o lquido remanescente se solidifica como umamistura das fases e . O slido resultante desta reao umconstituinte euttico. Ao final dasolidificao, o material ser constitudo por gros deformados acima da temperatura euttica(constituinte proeuttico) e pelo constituinte euttico (representaoIII na figura 2.7.b).

Os diagramas de equilbrio so, sem dvida, ferramentas valiosas no estudo da constituio dasligas metlicas. Contudo, as suas limitaes devem ser realadas, em particular, o fato destesdiagramas mostrarem fases existentes em condies de equilbrio termodinmico. O estado de


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equilbrio o estado final ideal para processos naturais e pode ser representado matematicamentepor um ponto de mnimo na energia livre (G) do sistema a temperatura (T) e presso (P)constantes, isto :

dG T P, 0 (Condio de Equilbrio) (2.5)Se um sistema puder existir, a uma dada temperatura, em duas formas com diferente energiaslivres, este sistema tender a se transformar completamente na fase de menor energia (isto , estafase age como um atrator para o sistema). Por exemplo, temperatura e presso normais, tem-separa um sistema composto de alumnio, oxignio e alumina:

molkcalGO AlO Al / 3772 / 32 322 (2.6)O valor negativo deG (energia livre da alumina menor) implica na tendncia da reao ocorrerpara a direita, isto , no sentido da oxidao do alumnio. A energia livre de um sistema definida como:

G H TS (2.7)onde H, entalpia, representa a energia total do sistema na forma de energias cintica e potencial edo trabalho realizado pelo ambiente sobre o sistema e o termo TS, temperatura x entropia,

representa a energia do sistema necessria para a sua existncia como tal.

2.4 - Aspectos Cinticos

Embora o estado de equilbrio seja um atrator para os processos naturais, ele frequentemente no atingido pelos materiais comumente utilizados em engenharia. Por exemplo, peas de ao oualumnio podem permanecer por muitos anos em contato com o oxignio atmosfrico sem setransformarem completamente em xidos. Garrafas e outros utenslios de vidro (material quepode ser considerado como um lquido base de slica que foi resfriado muitos graus abaixo desua temperatura de solidificao), confeccionados na antiguidade, podem ser encontrados hoje,praticamente inalterados sem sinais de cristalizao. Uma transformao envolve frequentementeo transporte de matria no sistema (mudanas de composio), o rearranjo da organizaoatmica (mudana de estrutura cristalina, por exemplo), variaes de volume, criao deinterfaces, etc. A ocorrncia de alguns destes eventos pode dificultar (isto , agir como umabarreira) a ocorrncia da transformao, tornando necessrio um tempo mais ou menos longopara esta se completar. Assim, a cintica de evoluo de uma estrutura um aspectocomplementar do estudo de suas transformaes.

Uma discusso muito simplificada de alguns destes aspectos pode ser feita para a solidificaode um metal puro. A figura 2.8 mostra, esquematicamente, as energias livres das fases slida elquida de um metal puro em funo da temperatura.

A temperatura Te, onde as energias livres do slido e do lquido se igualam, corresponde temperatura de equilbrio das duas fases (G = 0). Acima desta temperatura, o lquido a fasemais estvel (GL < GS) e, abaixo, o slido tem maior estabilidade (GL > GS). A diferena deenergia entre as duas fases a fora motriz, a uma dada temperatura, para a transformao dafase menos estvel na mais estvel.


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Velocidade de resfriamento elevada(ou umsuper-resfriamento maior)resulta em umatransformao mais rpida devido s maiores velocidades de nucleao e crescimento. Aestrutura tende a ser mais fina, isto , com menor tamanho de gro.

Velocidade de resfriamento excessivamente elevada, levando rapidamente o material at

temperaturas suficientemente baixas, pode suprimir a transformao descrita acima e a faseinstvel pode permanecer inalterada por longos perodos de tempo ou sofrer um outro tipo detransformao, para uma fase diferente da prevista pelo diagrama de equilbrio.

Temperatura de Equilbrio

Temperatura

Velocidades de Nucleao (N),Crescimento (G) e Global (V)

N

VG

Figura 2.9. Diagrama mostrando esquematicamente a variao das velocidades de nucleao,crescimento e global de uma transformao em funo da temperatura(2.9). As escalas para as

diferentes velocidades so arbitrrias.

2.5 - Metalurgia Fsica dos Aos

Os aos so basicamente ligas de ferro e carbono, cujo teor deve ser inferior a 2% em peso,contendo ainda diversos outros elementos residuais de seu processo de fabricao ou adicionadosintencionalmente visando a obteno de certas propriedades. Compreendem o grupo de ligasmais usadas pelo homem, pela abundncia de matria prima bsica, relativa facilidade de refino,baixo custo e vasta gama de propriedades obtidas pela adio de elementos de liga e pelocontrole de sua estrutura por tratamentos trmicos e mecnicos. Em particular, so tambm osmateriais mais utilizados em estruturas soldadas. Nesta seo, os conceitos discutidosresumidamente nas sees anteriores sero aplicados no estudo dos aos.


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Atualmente, praticamente todo o ao produzido solidificado por lingotamento contnuo. Paraser usado neste processo, o ao deve estar acalmado e, por consequncia, as outras formas acimacitadas so raramente encontradas. Contudo, particularmente se as condies de proteo durantea soldagem no forem adequadas, a reao de efervescncia poder ocorrer na poa de fuso.

A macroestrutura de lingotes de aos acalmados apresenta trs zonas distintas com diferentesmorfologias de gro (figura 2.11). Essas zonas so:

Zona Coquilhada: Forma-se junto da parede da lingoteira ou molde. A proximidade daparede garante uma extrao forte de calor e, desta forma, um super-resfriamento elevado.Assim, ocorre de um grande nmero de nmero de ncleos durante a solidificao quefavorecem a formao, nesta regio, de pequenos gros equiaxiais orientados ao acaso.

Zona Colunar: Forma-se aps a anterior, quando o super-resfriamento se torna pequeno e anucleao de novos gros praticamente cessa. Apresenta gros alongados e dispostosparalelamente direo do fluxo de calor durante a solidificao.

Zona Equiaxial Central: formada por gros equiaxiais e normalmente maiores que os dazona coquilhada.

Figura 2.11. Seo longitudinal de um lingote, mostrando as trs zonas de solidificao.

2.5.2 - Diagrama de equilbrio Fe-C

O estudo da constituio e estrutura das ligas de ferro (aos e ferros fundidos) deve comear como diagrama de equilbrio Fe-C. As caractersticas bsicas deste sistema (figura 2.12) influenciamat o comportamento dos aos mais complexos, ou seja, as fases do diagrama Fe-C persistemnestes aos, sendo, entretanto, necessrio examinar os efeitos dos elementos de liga sobre aformao e propriedades destas fases. O diagrama de equilbrio Fe-C fornece um conjunto deinformaes fundamentais para o conhecimento e compreenso dos aos carbono e aos ligadosna sua imensa variedade.


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As fases representadas neste diagrama so: lquido, austenita (), ferrita ( e ) e cementita Fe3-C. Aaustenita a soluo slida intersticial de carbono no ferro(CFC), aferrita a soluoslida do carbono no ferroe (CCC) e acementita um carboneto de ferro de estruturaortorrmbica.

A solubilidade do carbono maior na austenita do que na ferrita. Por exemplo, a 727C, aaustenita pode dissolver 0,77%C e a ferrita somente 0,02%C (pontos indicados porS e P nafigura 2.12, respectivamente). Esta diferena pode ser compreendida, comparando-se asdimenses dos interstcios do ferro(1,48) e do ferro (0,38), que podem ser ocupadospelos tomos de carbono, com dimetro de 1,54. Para ocupar uma posio intersticial no ferro

, um tomo de carbono precisa distorcer muito mais violentamente a sua estrutura cristalina.

Carbono (%atmica)

Figura 2.12. Diagrama de equilbrio metaestvel Fe-Fe3C(2.10)..

A figura 2.12, embora sua abcissa corresponda porcentagem de carbono, representa umdiagrama metaestvel Fe-Fe3C. O carboneto cementita menos estvel que a grafita e odiagrama de equilbrio verdadeiro o Fe-C. Entretanto, o carbono na forma de grafita ocorre


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apenas em ferros fundidos (2 a 4%C), sendo muito difcil de ser encontrado nos aos. Destemodo, do ponto de vista prtico do comportamento dos aos, o diagrama metaestvel Fe-Fe3C aquele usualmente utilizado.

O diagrama Fe-Fe3C apresenta trs reaes invariantes, caracterizadas pelos pontos: perittico, a 0,17%C e 1495C (H), euttico, a 4,30%C e 1147C (C) e eutetide, a 0,77%C e 727C (S).

A reao perittica(pontoH, figura 2.12) ocorre a 1495C, em aos com at 0,5%C resfriados apartir do estado lquido. Uma quantidade inicial de ferrita formada medida que oresfriamento progride. Ao se atingir a temperatura perittica, o lquido remanescente e a ferritareagem formando a austenita pela reao:

C C

C C

o

L %17,01495

%09,0%53,0 (2.8)Nesta, a seta nos dois sentidos indica que, no aquecimento, a reao ocorrer no sentido oposto,

isto , a austenita se transformar em lquido e ferrita. A figura 2.13 mostra a regio peritticaampliada do diagrama Fe-Fe3C.

Figura 2.13. Regio perittica do diagrama Fe-Fe3C.

A reao euttica(pontoC da figura 2.12) ocorre quando o lquido se transforma em austenita ecementita (reao euttica). Ela ocorre a 1147C, durante a solidificao de ligas contendo de 2 a6,67%C. Estas ligas correspondem aosferros fundidose o constituinte formado na reao denominadoledeburita(figura 2.14). A equao da reao a seguinte:

C Fe L C C

C

o

3%21147

%3,4 (2.9)

A reao eutetideocorre a 727C, para um teor de carbono na austenita de 0,77% (pontoS dafigura 2.12). A equao (2.10) descreve esta reao.

0 77%727

0 02% 3, ,C C

C

o

Fe C (2.10)


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O constituinte resultante desta reao chamadoperlita, que possui uma estrutura caractersticaformada por uma matriz de ferrita contendo lamelas de cementita regularmente espaadas.

Figura 2.14. Ferro fundido branco hipoeutetide formado por perlita (reas escuras maiores) epor ledeburita (fundo claro de cementita com pequenas regies escuras de perlitada). Ataque:

cido nital. 1000x.

2.5.3 - Estrutura dos aos resfriados lentamente

De acordo com o seu teor de carbono, os aos podem ser divididos em trs grupos: aos hipoeutetides, com teor de carbono inferior a 0,77%, aos eutetides, com teor de carbono em torno de 0,77% e aos hipereutetides, com teor de carbono superior a 0,77%.

Um ao com 0,45%C, aquecido a 900C, apresenta uma estrutura austentica, que a fase estvela esta temperatura, segundo o diagrama Fe-Fe3C (figura 2.12). Se este ao for resfriadolentamente a partir desta temperatura, ao alcanar a linha GS (775C), os primeiros cristais dafase comearo a ser formados. medida que o ao se resfria, mais ferrita se forma e aquantidade de austenita diminui.

Quando a temperatura de 727C alcanada, a austenita remanescente se transforma em ferrita ecementita, de acordo com a reao eutetide, dando origem perlita. Aps esta reao, omaterial no sofre mais nenhuma alterao significativa em seu resfriamento at a temperaturaambiente. Assim, a sua microestrutura final ser constituda de ferrita pr-eutetide (formadaantes da reao eutetide) e perlita. A figura 2.15a mostra a microestrutura de um aohipoeutetde na qual as regies claras so ferrita pr-eutetide e as escuras so perlita.

Um ao com cerca de 0,8%C, resfriado lentamente a partir da austenita, apresentar, natemperatura ambiente, uma microestrutura constituda essencialmente por perlita (figura 2.15b).

Um ao com 0,95%C, quando resfriado lentamente a partir da regio austentica, ter a cementitacomo constituinte pr-eutetide. A cementita comea a se formar quando, no resfriamento, alinha SE alcanada (800C). Na sequncia do resfriamento, mais cementita se forma enquanto aquantidade de austenita diminui. Na temperatura de 727C, a austenita se transforma em perlita.

temperatura ambiente, o ao ser constitudo de cementita pr-eutetide, localizadageralmente nos antigos contornos de gro da austenita, e por perlita (figura 2.15c).


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500x(a)

500x(b)

1000x(c)

Figura 2.15. Microestruturas de aos carbono resfriados lentamente. (a) ao com 0,45%C, (b)ao com 0,8%C e (c) ao com 0,95%C. Ataque: Nital 2%.


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Tabela 2.IV Solubilidade em % atmica dos elementos intersticiais no ferroe no ferro.

ElementoRaio

atmicoFe - Fe -

() Solub. mxima(%)

Temperatura(C)

Solub. mxima(%)

Temperatura(C)

C 0,77 0,095 727 8,7 1148N 0,72 0,40 590 10,3 650O 0,60 0,7-1,3x10- 906 ? ?H 0,46 1-2x10- 905 5x10- 1400B 0,98 0,02 915 ? ?

Carbono e nitrognio so os elementos que apresentam as maiores solubilidades. A baixasolubilidade do oxignio se deve sua tendncia de formar xidos mais estveis do que asoluo slida. O hidrognio tem forte tendncia a permanecer na forma molecular (H2),

apresentando solubilidade muito baixa no ferro. O boro, por sua vez, um elemento que tem umraio atmico grande para se posicionar em um interstcio e pequeno para ocupar uma posiosubstitucional. Sua solubilidade no ferro muito baixa.

Os elementos metlicos cromo, nquel, mangans e outros possuem raios atmicos prximos doraio do ferro, podendo substituir tomos deste na sua rede cristalina, formando soluessubstitucionais. A solubilidade destes elementos depende da estrutura cristalina do ferro, datemperatura e da presena de outros elementos. Elementos como Cr e Si possuem grandesolubilidade no ferro, enquanto que o nquel se dissolve bem no ferro. A solubilidade de umelemento qualquer tende geralmente a aumentar com a temperatura. Alguns elementos podemformar (ou tentar formar) outras fases ou compostos em certas faixas de temperatura. Compostos

intermedirios e fases ordenadas podem se formar em certos aos ligados em funo de sua"histria", causando alteraes em suas propriedades, como um aumento de dureza ou perda deductilidade.

A presena de elementos em soluo slida tende a aumentar a dureza e resistncia mecnica deuma fase (endurecimento por soluo slida). A figura 2.16 mostra o efeito endurecedor dealguns elementos na ferrita. Nos aos estruturais utilizados comumente, o aumento de resistnciamecnica por soluo slida pequeno frente a outros mecanismos como o refino da estrutura oua formao de fases mais duras.

Quando a afinidade do elemento de liga pelo carbono for superior do ferro, carbonetosdiferentes da cementita podem ser formados. Estes podem influenciar o comportamento do ao,melhorando, por exemplo, a sua resistncia mecnica a alta temperatura ou sua resistncia abraso. Obviamente, estas e outras propriedades do ao so afetadas pela quantidade,composio, forma e dimenses dos carbonetos.

Nquel, silcio e alumnio tm menor afinidade pelo carbono que o ferro. Por outro ladomangans, cromo, molibdnio, tungstnio, tntalo, vandio, titnio e nibio possuem maiorafinidade, aumentando do mangans para o nibio. Com exceo do mangans, que capaz dese combinar na cementita, os demais elementos formadores de carboneto se dissolvem somenteem pequena quantidade nesta e tendem a formar outros tipos de carbonetos.


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Classe 2 - Campo expandido(figura 2.17b): Carbono e nitrognio so os elementos maisimportantes deste grupo. O campo austentico expandido, mas sua faixa de existncia interrompida pela formao de compostos. Ouro, zinco e cobre tambm fazem parte destegrupo.

Classe 3 - Campo fechado (figura 2.17c): Silcio, alumnio, berlio fsforo e algunselementos formadores de carboneto como Ti, V, Mo e Cr fazem parte deste grupo. Esteselementos aumentam a estabilidade da ferrita (CCC), tendendo a tornar os campos a e dcontnuos.

Classe 4 - Campo contrado(figura 2.17d): Fazem parte deste grupo elementos como B,Ta, Nb e Zr. A contrao do campo austentico acompanhada pela formao de compostos.

Figura 2.17. Classificao dos diagramas de fase do ferro com diferentes elementos de liga: (a)campo aberto, (b) campo deexpandido, (c) campo defechado, (d) campo de

contrado(2.11).

Uma forma conveniente de ilustrar o efeito de um elemento de liga no campo austentico dosistema Fe-C projetar, no plano Fe-C, os contornos desses campos (para teores crescentes deum elemento particular) de um sistema ternrio. A figura 2.18 ilustra o efeito do titnio e docromo. De acordo com esta figura, 1%Ti suficiente para eliminar o campo, enquanto o teor

necessrio de Cr de 20%.


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Figura 2.18. Efeito do Ti e do Cr no campo(2.11)

.

2.5.6 - Aspectos cinticos

O estudo do diagrama de equilbrio Fe-C desenvolvido nas sees 2.5.2 e 2.5.3 forneceinformaes bsicas sobre as transformaes no estado slido que podem ocorrer em um ao (emparticular a transformao da austenita no resfriamento, que a de maior interesse prtico).Entretanto, as transformaes descritas ocorrem em condies de equilbrio ou prximas deste.Para isto, a velocidade de resfriamento deve ser suficientemente baixa para que o tempodisponvel permita as reparties de elementos de liga e as mudanas de estrutura cristalinaassociadas com a transformao. medida que a velocidade de resfriamento se torna maior, astransformaes tendem a ocorrer a menores temperaturas, demandando um tempo maior (devido reduo da velocidade de difuso). Desta forma, a transformao passa a ocorrer em condiescada vez mais distantes das de equilbrio. Como resultado, ocorrem mudanas na morfologia,dimenses e arranjo dos gros ou partculas das fases formadas (Fe-e carboneto) e,eventualmente, a formao destas pode ser suprimida, de acordo com os princpios gerais decintica discutidos na seo 2.4.

A variao do limite de escoamento de um ao eutetide em funo de sua velocidade deresfriamento (figura 2.1) pode ser associada com as alteraes que ocorrem em suamicroestrutura. Com velocidade de resfriamento extremamente baixa, a transformao eutetideocorre aps super-resfriamento pequeno e em condio prxima do equilbrio. A microestruturaresultante grossa , constituda de uma matriz ferrtica com partculas de carboneto. Esteconstituinte,esferoidita, torna o ao macio e pouco resistente. Com velocidade de resfriamentoligeiramente superior, perlita grosseira formada. A transformao se inicia a temperaturas cadavez menores e, como resultado da maior taxa de nucleao e a menor velocidade de difuso docarbono, a microestrutura se torna cada vez mais fina. Este refino da estrutura endurece eaumenta o limite de escoamento do ao. Finalmente, quando a velocidade de resfriamento atingevalor suficientemente elevado, a austenita super-resfriada violentamente sem que ocorra a suatransformao em ferrita e carboneto. Esta transformao fica suprimida e uma nova fase(martensita) pode ser formada.


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A martensita uma fase metaestvel, no prevista pelo diagrama de equilbrio Fe-C e se formapor um curto movimento simultneo de grupos de tomos (isto , por deformao localizada),devido enorme instabilidade da austenita. Esta fase tem uma estrutura cristalina tetragonal decorpo centrado (semelhante estrutura CCC, mas com uma de suas arestas maior que as outrasduas), uma morfologia de lminas ou agulhas, quando observada ao microscpio metalogrfico,

e o constituinte de maior dureza dos aos comuns (figura 2.19). Devido s suas caractersticas,a transformao martenstica ocorre instantaneamente (at uma certa extenso) abaixo de umatemperatura tpica (temperatura de incio de formao de martensita, Mi), que depende dacomposio qumica do ao. Esta temperatura pode ser estimada atravs de frmulas empricascomo, por exemplo(2.10):

Mi (oC) = 539 - 423%C - 30,4%Mn - 17,7%Ni - 12,1%Cr - 7,7%Mo (2.11)

A quantidade de martensita formada a uma dada temperatura fixa para um dado ao e, quantomais baixa, maior a quantidade de martensita formada. Pode-se definir assim, para um ao de

uma certa composio, uma temperatura em que a estrutura, aps um resfriamentosuficientemente rpido, completamente martenstica (temperatura Mf ). Esta temperaturatambm pode ser estimada por frmulas empricas, por exemplo:

Mf (oC) = 346 - 474%C - 33%Mn - 17%Ni - 21%Mo (2.12)

A figura 2.20 mostra esquematicamente a variao da microestrutura em funo da velocidadede resfriamento, para um ao hipoeutetide.

Figura 2.19. Martensita em um ao baixo carbono. Ataque: Nital. 200x.

Existem diagramas que fornecem as fases e constituintes formados em um ao, em funo desuas condies de resfriamento a partir do campo austentico. Estes diagramas podem serbaseados em transformaes a temperatura constante (aps o material ser resfriado rapidamente apartir do campo austentico at a temperatura de interesse), conhecidos como diagramasTTT (Tempo, Temperatura e Transformao) ou em transformaes desenvolvidas durante umresfriamento contnuo, diagramasTRC(Transformao em Resfriamento Contnuo).

Estes diagramas so experimentais, obtidos a partir de amostras de um dado ao, que soaquecidos at uma temperatura no campo austentico e que, aps permanecerem nesta


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temperatura por um certo tempo, so resfriados de acordo com o tipo de diagrama. Atransformao da austenita pode ser acompanhada pela anlise metalogrfica de amostrasresfriadas rapidamente, aps seguirem a forma desejada de resfriamento por diferentes perodosde tempo, ou atravs da medida de variaes com o tempo de propriedades fsicas (ou outrascaractersticas) dependentes da estrutura do ao, como por exemplo a liberao de calor (anlise

trmica), a resistividade eltrica, etc.

Ferrita+

PerlitaFerrita

+Perlita

Martensita

Velocidades de Resfriamento Maiores

Microestrutura:

Esferoidita

Figura 2.20. Microestrutura de um ao hipoeutetide em funo de sua velocidade deresfriamento a partir do campo austentico. (esquemtica).

A figura 2.21 mostra um diagrama TTT de um ao hipoeutetide. Este diagrama marcado pelapresena de curvas em forma de "C", que indicam o incio (curvas mais a esquerda) e o final datransformao da austenita. Por exemplo, a 600C, a austenita comea a se transformar em ferritaaps cerca de 2 segundos. Aps 4 segundos, a formao de ferrita interrompida e inicia-se aformao de perlita. Aps cerca de 15 segundos, a transformao est terminada e amicroestrutura final do material constituda de cerca de 15% de ferrita e 85% de perlita. Otempo de transformao mnimo (a velocidade de transformao mxima) para umatemperatura em torno de 530C. Acima desta temperatura, os produtos da transformao so aferrita proeutetde e a perlita e, para temperaturas mais baixas, aparece o constituinte conhecidocomobainita (figura 2.22). Esta, da mesma forma que a perlita, um agregado de ferrita ecarbonetos, apresentando, entretanto, algumas caractersticas prximas da martensita. Ela formada, basicamente, por lminas ou agulhas de ferrita com uma fina disperso de carbonetos.

Em aos carbono, as curvas de transformao da perlita e da bainita se sobrepem dando aimpresso de uma s curva (figura 2.21). Em aos ligados, estas curvas podem se separar,resultando em um diagrama TTT com duas famlias de curvas de transformao (figura 2.23).

Outro aspecto importante que pode ser observado comparando-se as figuras 2.21 e 2.23 que otempo de transformao tende a aumentar com o aumento do teor de liga. Esta caractersticaimplica em uma maior facilidade na transformao da austenita em martensita em aos maisligados. Outros fatores que afetam a transformao da austenita so a granulao e suahomogeneidade. Estruturas austenticas mais grossas e mais homogneas, que podem resultar,por exemplo, da austenitizao em temperatura excessivamente elevada e/ou por um perodo detempo longo, tendem a sofrer uma transformao mais lenta.


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Figura 2.21. Diagrama TTT de um ao hipoeutetide (0,44%C, 0,22%Si, 0,66%Mn,0,15%Cr)(2.12).

Figura 2.22. Microestrutura de um ao baixo carbono constituda basicamente de bainita emartensita (fundo claro). Ataque: Nital. 200x.


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Figura 2.23. Diagrama TTT de um ao baixa liga (0,35%C, 0,23%Si, 0,65%Mn, 1,10%Cr,0,18%Cu, 0,23%Ni, 0,05%Mo)(2.12).

A utilizao do diagrama TTT limitada porque este prev as fases formadas a uma temperaturaconstante. Os tratamentos trmicos normalmente utilizados promovem a transformao daaustenita atravs de resfriamento contnuo. Para a previso das fases que sero formadas nestascondies foram desenvolvidos os diagramas TRC. Estes diagramas registram odesenvolvimento de transformaes medida que a temperatura decresce, para diferentes taxasde resfriamento.

A figura 2.24 apresenta o diagrama TRC do ao cujo diagrama TTT mostrado na figura 2.21.Acompanhando, por exemplo, a curva de resfriamento mais lento, observa-se que esta passapelas regies de formao da ferrita e da perlita. Assim, quando o ao alcanar a temperaturaambiente, ter sua microestrutura formada por estes dois constituintes e apresentar uma durezaVickers de 195HV.

Diversos destes diagramas, para diferentes composies de aos e ferros fundidos, foramconstrudos e podem ser utilizados para a previso da microestrutura destes materiais em funodas condies de resfriamento.


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temperveis. Assim, por exemplo, enquanto peas "espessas" de ao inoxidvel martenstico(com 12%Cr) so temperadas at o centro (onde a velocidade de resfriamento menor) comresfriamento ao ar, peas de mesma dimenso de ao carbono (por exemplo, SAE 1045)podem no ser temperadas no centro por resfriamento em gua. A tmpera pode causar umaumento significativo na dureza e resistncia dos aos, particularmente daqueles com maior

teor de carbono (figura 2.25). Este aumento de resistncia , contudo, acompanhado por umaperda proporcional de ductilidade.

Figura 2.25. Dureza de aos carbono em funo do teor de carbono e da microestrutura(2.11).

Revenimento: pode ser realizado aps a tmpera com o objetivo de reduzir a fragilizao doao, s custas de uma certa perda de dureza. Isto conseguido atravs da decomposio damartensita (que uma fase metaestvel e com uma estrutura cristalina intensamentedistorcida pelos tomos de carbono em soluo slida) em uma disperso de carbonetosnuma matriz ferrtica. O tratamento realizado a uma temperatura inferior temperaturaeutetide e a perda de dureza aumenta usualmente com a temperatura e o tempo derevenimento (figura 2.26). Aos com adies de elementos como Cr, V, Mo e Nb podemsofrer endurecimento secundrio (precipitao de carbonetos finos e duros) durante orevenimento e ter um comportamento diferente (figura 2.27).

Recozimento: Este tratamento tem como objetivo obter no material uma estrutura prximado equilbrio. Uma forma de recozimento consiste em austenitizar o ao e em seguida resfri-lo lentamente, usualmente dentro do prprio forno. Outra o recozimento de recristalizao,que aplicado a um material encruado (deformado plasticamente a frio). Durante estetratamento, o material sofre recristalizao, isto , a sua estrutura deformada, dura, comgrande quantidade de defeitos cristalinos (principalmente deslocaes) e, portanto, afastadado equilbrio, substituda por uma estrutura com uma quantidade muito menor de defeitos esem deformao atravs da nucleao e crescimento de novos gros. Aps o recozimento, o

ao tende a se tornar macio, dctil e fcil de ser cortado e dobrado.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

200

400

600

800

1000

Estrutura esferoidizada

Estrutura perltica(resf. ao ar)

Estrutura martenstica(temperado)

D u r e z a V i c k e r s

Teor de carbono (%)


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Figura 2.26. Variao da dureza em funo da temperatura de revenimento para o ao SAE1080(2.13).

Figura 2.27. Variao da dureza em funo da temperatura de revenimento para o ao ferramentaAISI M2(2.13).

Normalizao: Este tratamento consiste em austenitizar o material e em seguida resfri-lo aoar, e, portanto, de uma forma mais rpida que no tratamento anterior. A normalizao usualmente utilizada para a obteno de uma estrutura mais fina e mais dura do que a obtidano recozimento e, tambm, para tornar a estrutura mais uniforme ou para melhorar ausinabilidade.

Alvio de tenses: Consiste no aquecimento do ao a uma temperatura inferior suatemperatura eutetide e tem como objetivo causar a relaxao de tenses internas nomaterial, resultantes de processos de conformao mecnica, soldagem, etc.

150 300 450 60020

30

40

50

60

70

D u r e z a R C

Temperatura (C)

100 200 300 400 500 600 70050

55

60

65

70Tempo de revenimento (horas)

1,0

10

100 D u r e z a R C

Temperatura (C)


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2.6 - Referncias Bibliogrficas:

1. VOLSKI, E.S. Theory of Metallurgical Processes. Mir, Moscou, 1978. 360p.2. GILCHRIST, J.D. Extraction Metallurgy. Pergamon Press, Oxford, 1980. 456p.3. VAN VLACK, L.H. Princpios de Cincias dos Materiais. 5 edio, Editora Campus, So

Paulo, 1984. 567p.4. GUY, A.G. Cincia dos Materiais. Ed. USP, So Paulo, 1980. 435p.5. CAHN, R.W. Physical Metallurgy. North Holland Co. Amsterd, 1970.6. REED-HILL, R.E. ABBASCHIAN, R. Physical Metallurgy Principles, 3 ed. PWS

Publishing Company, Boston, 1994. 926p.7. MOFFAT, W.G. et al. Cincia dos Materiais. vol. 1. LTC, Rio de Janeiro, 1972.8. GERASIMOV, Y.A. et al. Physical Chemistry. Mir, Moscou, 1974.9. BROPHY, J.H, ROSE, R.M., WULLF, J. Cincia dos Materiais. vol. 2. LTC, Rio de

Janeiro, 1972.10. HONEYCOMBE, R.W.K., BHADESHIA, H.K.D.H. Steels - Microstructures and

Properties. 2 ed. Edward Arnold, Londres, 1995. 324p.11. BAIN, E.C., PAXTON, H.W. Alloying Elements in Steel. ASM, Metals Park, 1966.12. MAX-PLANK INSTITUTE, Atlas zur Wrmebehadlung der Stle. Verlag Stahleisen

M.B.H., Dusseldorf, 1961.13. SMITH, J.D. Heat Treatment of Steel. In: Heat Treater's Guide. ASM, Metals Park, 1982.

14. AVNER, S.H. Introduccin a la Metalurgia Fsica. Mc Graw-Hill, Mxico, 1975. 559p.


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Captulo 3

Fluxo de Calor em Soldagem


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FLUXO DE CALOR EM SOLDAGEM

3.1 - Introduo:

Na maioria dos processos de soldagem, a junta precisa ser aquecida at uma temperaturaadequada. Na soldagem por fuso, particularmente, trabalha-se com fontes de calor (o arcoeltrico ou uma chama, por exemplo) de elevada temperatura (1.000 a 20.000oC), concentradas(superfcie de contato com a junta de poucos milmetros quadrados) e, portanto, de elevadaintensidade (tabela 3.I), as quais, ao serem deslocadas ao longo da junta, resultam na formaoda solda pela fuso e solidificao localizadas da junta.

Tabela 3.I Intensidade da fonte de calor para diferentes processos de soldagem(3.1).

Processo de Soldagem Intensidade da Fonte (GW/m2)

Eletrodo Revestido (SMAW) 0,005 - 0,5Processo MIG/MAG (GMAW) 0,005 - 0,5Soldagem Plasma (PAW) 0,005 50Feixe de Eletrons/Laser (EBW/LBW) 50 5000

Obs: 1 GW = 1x109 W

Esta transferncia de calor da fonte para a junta causa alteraes de temperatura na solda e nasregies adjacentes do metal base, que dependem da forma com que o calor difundido para orestante do material sendo soldado.

Por sua vez, estas variaes de temperatura causam, alm da fuso e solidificao do cordo desolda, variaes dimensionais e alteraes microestruturais localizadas que podem resultar emefeitos indesejveis, tais como:

Tenses residuais e distoro; Deteriorao de propriedades mecnicas (dutilidade, tenacidade, resistncia mecnica, etc); Formao de trincas devido a (a) e (b); Deteriorao de propriedades fsicas, qumicas, etc.

Em condies prticas, a intensidade de uma fonte de calor em soldagem no pode serfacilmente medida. Um parmetro alternativo, de uso mais comum, aEnergia de Soldagem,( H ), que a quantidade de energia gerada pela fonte de calor por unidade de comprimento da junta:

vP

t Lt q

Lq

H / / (3.1)

ondeq a calor gerado pela fonte, L o comprimento da junta, t o tempo de soldagem, P apotncia (energia/tempo) gerada ev a velocidade de soldagem. H expressa, em geral, emkJ/mm ou kJ/cm. Na soldagem a arco, H dada por:

vVI

vP

H (3.1a)

ondeV a tenso do arco e I a corrente de soldagem.

Somente uma parte desta energia transferida para a pea sendo soldada. Considerando esteaspecto, pode-se definir aEnergia Imposta de Soldagem( H L) ouAporte Trmicocomo:


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H H L (3.1b)onde o rendimento trmicodo processo (< 1). O restante da energia, (1 -)H, aquantidade de energia por comprimento de solda que no foi transferida para a pea e representaas perdas do processo. O valor do rendimento trmico depende do processo e das condies desoldagem. A tabela 3.II mostra as faixas usuais depara diferentes processos de soldagem. Orendimento trmico , em geral, medido atravs de mtodos calorimtricos. Uma pequenadiscusso sobre estes mtodos apresentada por Chriestensen(3.2).

Tabela 3.II Rendimento trmico para alguns processos de soldagem.

Processo Rendimento Trmico ()Arco Submerso (SAW) 0,85 - 0,98MIG/MAG (GMAW) 0,75 - 0,95Eletrodo Revestido (SMAW) 0,70 - 0,90TIG (CC-) (GTAW) 0,50 - 0,80TIG (CC+) (GTAW) 0,20 - 0,50Laser (LBW) 0,005 - 0,70

A energia de soldagem um parmetro cuja medida simples, sendo utilizado em normas etrabalhos tcnicos para especificar as condies de soldagem. Contudo, sua utilizao deve serfeita com alguma cautela. Nem sempre existe uma relao direta entre a energia de soldagem eseus efeitos na pea, pois os parmetros de soldagem (corrente, tenso e velocidade dedeslocamento) afetam de modo diferente a intensidade do arco (tabela 3.I) e o rendimentotrmico do processo (tabela 3.II). Assim, embora utilizando o mesmo processo e energia desoldagem, possvel obter soldas de formatos completamente diferentes pela variao individualdos parmetros de soldagem, figura 3.1.

pp

(a) (b) Figura 3.1. Efeito de alteraes nos parmetros de soldagem na geometria de cordes de soldadepositados com uma energia de soldagem de aproximadamente 1,8 kJ/mm (esquemtico)(3..3).

Condies de soldagem: (a) 800 A, 26 V e 12 mm/s e (b) 125 A, 26 V e 1,7 mm/s.

Um outro parmetro freqentemente utilizado orendimento tericoou eficincia de fuso ( f ) do processo. Esta definida como a razo entre a energia terica mnima necessria para aobteno do cordo de solda (isto , a energia necessria para aquecer o material do cordo at asua temperatura de fuso e fundi-lo) e a energia efetivamente gasta no processo:


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q

H H H m f InicialT FusoT w f (3.1c)

Onde mw (kg) a massa do metal que foi fundido para formar o cordo de solda,(H T Fuso - H T Inicial ) a quantidade de energia (J/kg) necessria para aquecer o material do cordo

desde a sua temperatura inicial at a sua temperatura de fuso e H f (J/kg) o seu calor latentede fuso. Na soldagem a arco, a eficincia de fuso tipicamente varia entre cerca de 5 e 50%. Osmaiores valores desta so obtidos quando os valores deq e da velocidade de soldagem somaximizados simultaneamente.

3.2 - Balano Trmico na Soldagem por Fuso:

Correndo o risco de simplificar demasiadamente o problema, pode-se considerar que osseguintes processos so os mais relevantes para a anlise do escoamento de calor em soldagem:

Entradas de calor: Fonte de calor utilizada (chama, arco, resistncia de contato, etc); Reaes metalrgicas exotrmicas.

Sadas de calor: Conduo atravs da pea; Conduo atravs do eletrodo; Perdas por radiao e conveco e Reaes endotrmicas.

Uma estimativa da importncia relativa dos processos citados acima na repartio da energiadurante a soldagem pode ser obtida a partir de um exemplo apresentado por Chriestensen(3.2), noqual considera-se a deposio de um cordo de solda sobre chapa com um eletrodo revestido de3,2 mm de dimetro, com uma velocidade de 2,5 mm/s, corrente de 150 A e tenso de 23 V. Ocordo obtido tinha uma seo transversal (NA) de cerca de 25 mm2. A potncia eltricadissipada e a energia de soldagem foram:

kW VI E 45,31 , oummkJ v E H / 38,1 / 11

A este termo ser atribudo um valor de 100%. A quantidade de energia gerada atravs dasreaes exotrmicas ser estimada grosseiramente supondo que o eletrodo tenha umrevestimento cujo peso equivale a cerca de 35% do peso da alma e contenha cerca de 4% de Sina forma de Fe-Si. A quantidade de silcio disponvel para desoxidao, em relao ao peso daalma ser:

014,004,035,0 x M Si , ou 1,4%Considerando um rendimento de deposio de 100% (isto , sem perdas como respingos, etc.), amassa de silcio consumida por unidade de tempo ser:

sg xcmg xscm xcm M Si / 107) / (8,7) / (25,0)(25,0014,0332

ou

smoles x x

M Si / 105,209,28107 4

3

A reao de oxidao do silcio e a entalpia de formao da slica a 1600C so:


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molkJ H SiOOSi / 87022 A energia gerada por esta reao ser, portanto:

kW smol x xmolkJ M x H E Si 2,0) / (105,2) / (8704

2 O que, em relao a E1, corresponde a cerca de 6%. Desta forma, devido sua contribuiorelativamente pequena, a energia devida s reaes exotrmicas , em geral, desprezada noestudo do fluxo de calor em soldagem. A energia recebida pela pea durante a soldagem foimedida por calorimetria e foi igual a:

kJ E 75,23 , oummkJ H / 1,13

Este valor corresponde a um rendimento trmico () igual a:80,045,3 / 75,2

Nem toda a energia gerada pela fonte de calor usada para a formao da solda, sendo uma parteperdida para o ambiente ou usada para superaquecer a poa de fuso e as regies adjacentes dometal base. A quantidade mnima de energia para se obter uma solda por fuso seria dada pelaenergia necessria para aquecer o material do cordo de solda desde a temperatura ambiente at asua temperatura de fuso (Haq) e fundi-lo (Hf ) sem superaquec-lo, isto :

kW H H v NA E f Aq 63,0][4 , oummkJ H H NA H f Aq / 253,0][4 , ou

A razo entre E4 (ou H4) e E1 (ou H1) a eficincia de fuso (f ) do processo. Para os dadosutilizados neste exe

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Metalurgia Da Soldagem Ufmg