Metalurgia da Soldadura II-XIII-1

Aços Resistentes à Fluência e à Alta Temperatura

UNIDADE TEMÁTICA XIII – AÇOS RESISTENTES À FLUÊNCIA E À ALTA TEMPERATURA

ÍNDICE TEMÁTICO

1. Introdução

2. Aços resistentes à fluência

3. Soldabilidade dos materiais resistentes à fluência

4. Previsão da vida restante

5. Actividades / avaliação

Objectivos Específicos No final desta unidade temática o formando deverá saber: • Enumerar as propriedades dos aços resistentes a altas temperaturas. • Identificar os principais problemas de soldabilidade dos aços resistentes a altas temperaturas e como resolvê-los. • Aplicar o conceito de vida restante.

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Aços Resistentes à Fluência e à Alta Temperatura

INTRODUÇÃO Os aços utilizados para resistir à fluência, são fundamentalmente aços de baixa liga, pelo que a percentagem de elementos de liga que lhe é adicionado, é pequena. Trata-se de aços fundamentalmente aplicados em equipamentos que trabalham a altas temperaturas, como acontece aos equipamentos de centrais térmicas, caldeiras, barriletes, etc. AÇOS RESISTENTES À FLUÊNCIA Dos fenómenos de degradação a alta temperatura, o mais importante é a fluência. Entende-se por fluência, a deformação constante do aço que fica submetido a uma tensão, cujo valor é inferior ao limite elástico do material, a uma dada temperatura. Após a deformação surge normalmente a rotura. A percentagem de carbono dos aços utilizados para resistir a altas temperaturas situa-se entre 0,15 a 0,25%. Através da adição de alguns elementos de liga, como o crómio, molibdénio e vanádio, podem contudo alterar-se e melhorar as suas propriedades. CRÓMIO Uma parte do teor deste elemento é dissolvida na matriz do aço, enquanto que a outra parte se combina com o carbono, formando carbonetos. Os carbonetos de crómio aumentam a capacidade do material resistir ás tensões de corte bem como ao desgaste. O crómio favorece também a resistência à acção do hidrogénio sob pressão. Este elemento diminui ainda a condutibilidade térmica e eléctrica, assim como a dilatação térmica. MOLIBDÉNIO O molibdénio é um forte formador de carbonetos. Aumenta o limite elástico do material, bem como a resistência à tracção a altas temperaturas. Diminui contudo a resistência à oxidação a quente. VANÁDIO O vanádio tem grande tendência a formar carbonetos os quais são extremamente muito finos. Aumenta por isso, a resistência do material a altas temperaturas. Aumenta também o limite elástico do material. SOLDABILIDADE DOS MATERIAIS RESISTENTES À FLUÊNCIA Os aços resistentes a altas temperaturas, apresentam, em geral, uma boa soldabilidade. São normalmente soldados pelo processo TIG ou com eléctrodos revestidos, os quais podem originar o aparecimento de porosidades e fissuração na zona fundida e parcialmente fundida. Dado serem materiais utilizados normalmente com espessuras elevadas e sujeitos a grandes tensões, são susceptíveis ao arrancamento lamelar (Fig. 1).

Fluência

Problemas associados à soldadura

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Fig. 1 Foto de micrografia revelando o arrancamento lamelar

Este fenómeno de arrancamento lamelar resulta de tensões localizadas, devido ao processo de soldadura e a uma baixa ductilidade do material base, no sentido da espessura resultado da presença de inclusões não metálicas alongadas e alinhadas paralelamente à direcção de laminagem. Este defeito pode ser evitado usando aço de boa ductilidade. O recurso ao pré-aquecimento, pode também reduzir o aparecimento deste defeito. Devido à soldadura, ocorre também a coalescência do grão (crescimento de grão) na Zona Termicamente Afectada, bem como a zona fundida apresenta uma estrutura de grãos colunares grosseiros. Como consequência dá-se um abaixamento de tenacidade do material junto à soldadura. A baixa tenacidade e coalescência de grão nas ZTA e na zona fundida, pode ser solucionada da seguinte forma: • Com a adição de elementos formadores de nitretos, evitando o crescimento do

grão, como o Al, Ti, V e Nb. • Usar baixas entregas térmicas no processo de soldadura. PREVISÃO DA VIDA RESTANTE Do ponto de vista do comportamento da estrutura interna do material , é habitual subdividir a degradação por fluência em três zonas: • Zona I – primária • Zona II – secundária • Zona III – terciária

Arrancamento lamelar

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Fig. 1 Curva de fluência

A fase primária corresponde a uma zona onde se verifica um decréscimo de velocidade de deformação. A fase secundária corresponde a um estágio em que a velocidade de deformação é constante e a fase terciária onde se dá um acréscimo de velocidade de deformação até se atingir a rotura. Do ponto de vista industrial, a fase secundária é a mais importante pois em geral equivale a um valor bastante superior a 50% da vida útil do equipamento. Durante este tempo podem-se observar alterações microestruturais como o aparecimento de coalescência de microvazios. Análise por réplicas metalográficas As réplicas metalográficas são usadas como método de avaliação da degradação estrutural proveniente dos vários mecanismos. Para a avaliação da degradação os parâmetros mais utilizados são a distribuição e dimensão dos carbonetos e microvazios, tendo este segundo parâmetro uma maior importância. A escala de Neubauer, Fig. 2, é a mais conhecida internacionalmente. No entanto, têm sido adoptados outros parâmetros de degradação havendo tentativas de estabelecer relações com a fracção de vida restante.

Fig. 2 Escala de Neubauer

Escala de Neubauer

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Têm sido experimentadas alternativas à escala de degradação clássica de Neubauer. Os parâmetros mais usados, por exemplo no que se refere a quantificação de microvazios, são: • Microvazios por mm2 • Fracção de limite de grão cavitada • Fracção de área cavitada • Parâmetro “A” (razão entre o número de limites de grão cavitados e o total de

limites de grão num varrimento linear. Devido aos trabalhos desenvolvidos por várias instituições, o parâmetro A parece ser a segunda “geração” de parâmetros de quantificação pela sua facilidade de aplicação em microscopia óptica e as relações que têm sido estabelecidas com o tempo de vida restante. A sua aplicação neste campo deve ser precedida de um método de calibração que se relacione com vários aspectos: • Método de polimento e contrastação. • Ampliação usada na quantificação. • Tipo de equipamento (microscopia electrónica de varrimento ou microscopia

óptica). São de especial interesse os trabalhos de M. Shammas, sendo possível para casos específicos de aços ferríticos (baixa liga 2 ¼ Cr 1 Mo), estabelecer uma relação entre o parâmetro A e o tempo de vida restante, tr:

−

+

= 11860

5520

,A,

.ttr

O mesmo autor partindo de uma avaliação qualitativa (rating system), fez outras extrapolações consideradas conservativas, e que se apresentam nas expressões: tr = t x 7,33 (sem dano) tr = t x 1,17 (microvazios isolados) tr = t (microvazios alinhados) tr = t x 0,19 (microfissuras) A aplicação destas fórmulas tem de ser feita com um certo cuidado, sendo necessário uma relação directa com o método metalográfico usado (calibração). No entanto, o mesmo autor aponta-o como sendo conservativo e aplicado à zona de grão coalescido que no caso de aços ferríticos de baixa liga parece ser crítica. A Fig. 3 apresenta um esquema que permite a determinação dos outros parâmetros. A contagem de microvazios por mm2 pode-se fazer usando quer sistemas convencionais de contagem usados em métodos mecanográficos, aplicados numa área determinada, quer usando modernos métodos de análise de imagem.

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Fig. 3 Critérios de quantificação de microvazios

O parâmetro “cfgbl” pode calcular-se através da expressão:

∑∑

=

i

i

h

lcfgbl

sendo ∑ li o somatório dos comprimentos dos microvazios numa dada área e ∑ hI o comprimento total dos limites de grão na mesma área de referência. O parâmetro “caf”, pode calcular-se através da expressão:

A

acaf

i∑=

em que ∑ aI representa o somatório das áreas ocupadas pelos microvazios e A a área total de referência.

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ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO Exercício 1: Quais as características principais dos aços para trabalhar a altas temperaturas? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Exercício 2: Quais os processos de soldadura indicados para este tipo de aços? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________