Unidade Tematica8

7/17/2019 Unidade Tematica8

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Metalurgia da Soldadura II-VIII-1

Aços Não Ligados / Aços Carbono - Manganês

UNIDADE TEMÁTICA VIII – AÇOS NÃO LIGADOS / AÇOS CARBONO -MANGANÊS

ÍNDICE TEMÁTICO

1. Introdução

2. Consequências do endurecimento

3. Noção de carbono equivalente

4. Relação entre a composição química e dureza máxima

5. Soldabilidade de aços. Relação entre carbono equivalente e susceptibilidade

ao endurecimento6. Estrutura do metal fundido e da zona termicamente afectada

7. Temperatura de pré-aquecimento

8. Actividades / avaliação

Objectivos Específicos

No final desta unidade temática, o formando deve ser capaz de:

• Interpretar um diagrama TTT.• Indicar as composições microestruturais para as mais variadas condições de

arrefecimento de um aço, a partir do domínio austenítico.• Estimar a temperatura a que se inicia a transformação da austenite em martensite,

bem como, a velocidade mínima de arrefecimento necessária para que o aço, decomposição conhecida, possa apresentar, à temperatura ambiente, uma estruturapermanente martensítica.

• Determinar a dureza máxima na ZTA, junto à linha de fusão, na soldadura de umaço de composição conhecida.

• Relacionar a dureza máxima sob o cordão com a entrega térmica do processo desoldadura.

• Interpretar a constituição estrutural do material fundido e das zonas termicamenteafectadas pela soldadura.

• Determinar a ocorrência de estruturas de têmpera a partir das espessuras daspeças soldadas, da entrega térmica do processo de soldadura e do tempo dearrefecimento entre 800°C e 500°C.

• Determinar a eventual necessidade de utilização de pré-aquecimento na realizaçãode uma determinada ligação soldada.





Introdução

No arrefecimento em condições de não equilíbrio, como o observado em soldadura,existem métodos para prever as transformações da austenite durante essearrefecimento.

O primeiro método consiste em estudar, a uma determinada temperatura constante(intercrítica e subcrítica), o tempo de início e de fim da transformação da austenite e anatureza dos produtos dessa transformação (transformação isotérmica).

O segundo método consiste em analisar a transformação da austenite em condiçõesde arrefecimento contínuo, isto é, estudar a influência da velocidade de arrefecimentono tipo e morfologia dos produtos de transformação da fase austenitica.

Os dois métodos de estudo da decomposição da austenite originaram a elaboração de

dois tipos de diagramas de transformação, conhecidos genericamente: por diagramasTTT (temperatura, tempo, transformação) e de transformação ao arrefecimentocontínuo (TAC).

Para além destes diagramas, têm sido propostos e estabelecidos outros diagramascom aplicação específica em soldadura. Não sendo contudo generalizada a suautilização a todo o tipo de aços, pelo que em construção soldada são os diagramasTTT e especialmente os diagramas ao arrefecimento contínuo (TAC) os maisutilizados.

Transformação isotérmica. Curvas TTT - TI

A obtenção experimental destas curvas é feita a partir de amostras previamenteaustenitizadas, arrefecidas muito rapidamente até uma temperatura inferior a Ac3 emantidas a essa temperatura durante um determinado intervalo de tempo, registando-se as transformações ocorridas.Após arrefecimento rápido até à temperatura ambiente as amostras são preparadas eobservadas metalograficamente.

Resumindo, para obtermos um diagrama genericamente designado de TTT dever-se-ão realizar os seguintes passos:

• Preparação de provetes de dimensões reduzidas (cilindro de 2 mm de diâmetro e

12 mm de comprimento).

• Colocação dos provetes em forno a uma temperatura superior a Ac3, durante umintervalo de tempo suficiente para homogeneizar a temperatura e a microestruturaaustenítica da amostra.

• Arrefecimento rápido das amostras até uma temperatura inferior a Ar1.

• Manutenção a essa temperatura, com variação do tempo de permanência,seguindo-se arrefecimento rápido dos provetes até à temperatura ambiente.

• Análise micrográfica e medições da dureza em cada um dos provetes assimobtidos.

• Os diferentes passos anteriores são repetidos para diferentes temperaturas sub-

Austenite

Diagramas TTT

Diagramas TAC

Diagramas TTT-TI





críticas, isto é temperaturas abaixo da temperatura de transformação da austenite.

A análise metalográfica dos provetes permite identificar os produtos de transformaçãoe quantificá-los, podendo registar-se num gráfico, a percentagem da austenitetransformada, a temperatura constante em função do tempo (Fig. 1).

Fig. 1 Percentagem de transformação em função do tempo para diferentes

temperaturas de transformação

Como resultado da experiência anterior pode marcar-se num gráfico temperatura-tempo, os pontos correspondentes ao início e fim de transformação da austenite.Repetindo este procedimento para diferentes temperaturas é possível traçar uma curvasemelhante à apresentada na Fig. 2.

Fig. 2 Diagrama TTT -TI para um aço

É representada ainda a tracejado a curva correspondente a 50% de austenitetransformada e as linhas Ms e Mf respectivamente temperatura de início e de final deaparecimento da estrutura martensítica. Quando a posição das curvas é incerta estasapresentam-se a "traço-ponto".

O método mais comum de detecção das transformações é o dilatométrico. Estemétodo baseia-se no facto de existirem variações de volume durante as





transformações, bem como ao facto de as diferentes fases apresentarem diferentescoeficientes dilatométricos. Neste processo, regista-se a variação do comprimento doprovete com o tempo, podendo obter-se gráficos da variação ∆L = f (t) ou da suaderivada.

Transformação ao arrefecimento contínuo. Curvas TTT-TAC

Os diagramas anteriormente referidos, isto é, os diagramas TTT são especialmenteúteis na previsão das transformações em tratamentos térmicos isotérmicos. Na práticano entanto, aparecem frequentemente situações de arrefecimento contínuo pelo quese torna necessário elaborar diagramas de transformação de fases nestas condiçõesde arrefecimento.

A obtenção destas curvas baseia-se no facto de ocorrerem variações de propriedadesfísicas durante as transformações e que podem ser detectadas experimentalmente.

Os dois processos mais usados na determinação destas curvas são a análise térmicadiferencial e a dilatometria.

Na análise térmica diferencial, as amostras previamente austenitizadas, a uma dadatemperatura, são submetidas a diferentes velocidades de arrefecimento, registando-sea variação da temperatura com o tempo.

O conhecimento das entalpias de transformação permite reconhecer os pontos deinício e fim de transformação, podendo-se a partir destes, obter as curvas detransformação ao arrefecimento contínuo.

No entanto, o processo mais comum é o dilatométrico em que se recorre ao facto deexistirem variações de volume durante as transformações, assim como de asdiferentes fases apresentarem diferentes coeficientes dilatométricos. Neste processoregista-se a variação de comprimento do provete com a temperatura, podendo obter-se

gráficos ∆ L = f (T) bem como gráficos da respectivas curvas derivadas.

A Fig. 3 mostra um diagrama ao arrefecimento contínuo de um aço carbono. Desalientar que neste diagrama são apresentadas ainda as percentagens de austenitetransformada (determinadas por metalografia quantitativa) para cada velocidade dearrefecimento bem como o valor de dureza obtido no provete assim arrefecido.

Diagramas TTT-TAC

Análise Térmicadiferencial

Dilatometria





Fig. 3 Diagrama TTT-TAC para um aço

Factores que influenciam as curvas TTT

A forma e a posição das curvas é influenciada essencialmente por dois factores:

a) Composição químicab) Condições de austenitização

Composição química

De uma forma geral a adição de elementos de liga desloca estas curvas para a direitae para baixo, podendo ou não alterar a sua forma. Assim, elementos como o silício, ocobre, o níquel e o manganês deslocam as curvas para a direita mas não alteramsignificativamente a sua forma.

Elementos com forte afinidade para o carbono como o crómio, molibdénio, nióbio,titânio, vanádio, etc., retardam a transformação ferrítico-perlitica e fazem aparecer umdomínio bainítico a temperaturas mais baixas.

A presença de inclusões e ou segregações, enquanto heterogeneidades químicas, tem

um efeito semelhante.Uma excepção a este comportamento é o cobalto que tem um efeito contrário ao dosoutros elementos.

Condições de austenitização

Um aumento da temperatura de austenitização ou do tempo de manutenção a essatemperatura desloca igualmente as curvas para a direita e para baixo. O aumento datemperatura de austenitização conduz a um enriquecimento da austenite em elementosde liga devido a fenómenos de dissolução, nomeadamente de carbonetos, ehomogeneização da solução sólida. Por outro lado, conduz a um aumento do tamanhodo grão da austenite, diminuindo a taxa de nucleação da transformação, retardando-a.

De salientar o facto de nos diagramas TTT se referirem sempre as condições deaustenitização (temperatura, tempo e tamanho de grão de austenite inicial).

Composição Química

Condições deAusteniza ão





Consequências do endurecimento

Quando um aço é arrefecido desde a fase austenítica com uma velocidade muitoelevada, observa-se a formação de uma estrutura fora do equilíbrio, denominado demartensite. Esta estrutura forma-se sem qualquer variação de composição química,

isto é, sem difusão.

Efectivamente, a martensite forma-se por um processo de expansão e rotação da redecristalográfica. A transformação inicia-se a uma temperatura bem definida designadapor Ms (martensite start - início da formação da martensite), e desenrola-se até Mf(martensite finish - temperatura a que já não se forma mais martensite) num processoatérmico. As temperaturas Ms e Mf dependem da composição química do aço,particularmente do teor em carbono e ainda das condições de austenitização(temperatura de austenitização e tamanho de grão da austenite inicial).

Existem várias expressões empíricas que relacionam a temperatura Ms com acomposição química do aço. Uma ou outra utilizam-se indistintamente.

- Equação de Andrews

Ms(°C)= 539 - 423 x %C - 30,4 x %Mn - 17,7 x %Ni - 12,1 x %Cr - 7,5 x %Mo

- Equação de Nuremberg

Ms(°C) = 500 - 300 x %C - 33 x %Mn - 22 x %Cr - 17 x %Ni - 11 x %Si - 11 x %Mn

Na Fig. 4, está representada a variação das temperaturas Ms e Mf, com o teor decarbono para o caso dos aços não ligados.

Fig. 4 Variação de Ms e Mf com o teor em carbono de um aço

Micrograficamente, a martensite apresenta uma estrutura acicular, tanto mais finaquanto maiores forem; a velocidade de arrefecimento e o teor em carbono (Fig. 5).

Endurecimentode Aços





Fig. 5 Fotomicrografia da martensite

Noção de carbono equivalente

Como foi referido anteriormente, a composição química do material tem um papelimportante na temperabilidade do material. O carbono é o elemento que influencia ascaracterísticas da martensite (quando ela se forma) enquanto os outros elementos,dificultando a difusão deste elemento, influenciam igualmente a temperabilidade.

Dadas as características do ciclo térmico é necessário conhecer ou prever a

temperatura na soldadura, de forma a poder conduzir a operação sem riscos defragilização ou fissuração. Um dos critérios de avaliação da temperabilidade, isto é aprobabilidade de ocorrência de estruturas temperadas como a martensite de um aço éatravés da determinação do carbono equivalente. Trata-se de um factor empíricoadoptado pelo IIS (Instituto Internacional de Soldadura) e representa o somatório doteor em carbono com o dos outros elementos afectados de um coeficiente relativo aopoder temperante de cada.

Ceq (%) = C +Mn

6 +

C r +M o +V

5 +

Ni+Cu

15

Esta equação é empírica existindo outras estabelecidas para outros tipos de aços. Porexemplo para um aço com reduzida quantidade de perlite, ou puramente ferrítico.

É comum apresentar uma outra fórmula empírica.

15

V

40

Mo

20

NiCr +

65

Cu+Mn +

25

Si +C=(%)eqC ++

+

Relação entre a composição química e dureza máxima

Um outro aspecto a considerar na previsão da temperabilidade em soldadura estárelacionado com a dureza máxima sob cordão, que é função da composição química eque tem uma relação directa com a estrutura obtida. Existe igualmente uma equação

empírica para o cálculo de dureza máxima sob cordão:

Carbonoequivalente e atemperabilidade

Temperabilidade e adureza máxima sobcordão





31Cr+30Ni+75Mn+47Si+109C+90HVmax =

Soldabilidade de aços. Relação entre carbono equivalente e

susceptibilidade ao endurecimentoDo ponto de vista prático e dado que a dureza máxima é função da entrega térmica, écomum representar a dureza máxima sob cordão (HVmax) versus entrega térmica (Fig.6).

Fig. 6 Dureza máxima sob cordão versus entrega térmica

O valor de HVmáx depende essencialmente do teor em carbono que condiciona adureza da martensite, embora esta seja influenciada por outros elementos de liga,como por exemplo, o manganês ou o silício. A expressão analítica anterior não tem em

conta a entrega térmica. Na Fig. 7 mostra-se a sua influência através da representaçãoda variação da dureza sob cordão com a entrega térmica, para dois aços (1 e 2) deigual teor em carbono, mas com diferentes teores em elementos de liga. Para umaenergia bastante baixa, o valor de HVmáx é sensivelmente o mesmo, mas para valoresintermédios (correspondente a EH1 e EH2) existe uma ligeira diferença.

Fig. 7 Dureza sob cordão versus entrega térmica para dois aços (1 e 2) com o

mesmo teor em carbono e diferentes teores em elementos de liga

As especificações dos aços têm em conta uma limitação do teor em carbono e doselementos de liga, de modo a garantir determinadas propriedades mecânicas. Éportanto possível estabelecer, para cada tipo de aço especificado numa norma, duas

Dureza máxima sobcordão em funçãoda entrega térmica

Maior percentagemde carbono, maiortemperabilidade





curvas C1 e C2 que relacionem a variação da dureza máxima sob cordão com aentrega térmica (Fig. 8). A banda representa a zona de dispersão de dureza, tendoem conta as variações possíveis de composição química segundo uma dada norma.

Fig. 8 Variação de dureza máxima sob cordão versus entrega térmica para

dois aços segundo a mesma especificação

Estrutura do metal fundido e da zona termicamente afectada

A Fig. 9 resume a evolução da dureza ao longo de uma junta soldada, numa liga componto de transformação no estado sólido, tal como acontece nos aços, tendo ematenção o ciclo térmico e o tamanho de grão resultante.

Fig. 9 Evolução da dureza ao longo de uma junta soldada em materiais com

ponto de transformação (aço)

O aumento de dureza observado na zona recristalizada após transformação de fase égeralmente pouco acentuado, dependendo da velocidade de arrefecimento imposta à junta.

Do ponto de vista mecânico, a ZTA não possui as mesmas características do materialde base deformado a frio. A dureza e as tensões de cedência e de rotura diminuemenquanto o alongamento e a estricção aumentam. Nestas circunstâncias, o conjunto

apresentará características mecânicas mais próximas das do material base no estadorecozido. No entanto, o processo de soldadura é importante nesta previsão, Assim, um

A dureza varia aolongo da juntasoldada

Característicasmecânicas na ZTA





processo de soldadura em que a entrega térmica seja elevada e o gradiente detemperatura baixo conduzirá a uma ZTA extensa e com alterações estruturaissignificativas, diminuindo portanto, a resistência mecânica da junta.

Temperatura de pré-aquecimento

Para uma determinada entrega térmica, quanto maior for a dimensão das peças, maiorserá a velocidade de arrefecimento e o risco de têmpera. É portanto possível definirpara um dado tipo de aço uma espessura a partir da qual se produz a têmpera(martensítica). Para tal é necessário conjugar dois gráficos: o primeiro relacionando aentrega térmica e o tempo de arrefecimento entre 800° e 500°C sendo o segundo odiagrama de arrefecimento contínuo transformado. Esta situação é ilustrada na Fig. 10.Assim, conhecido o tipo de aço e o diagrama de arrefecimento contínuo é possívelavaliar qual a espessura limite para não ocorrer a têmpera martensítica.

Fig. 10 Diagrama para determinação de espessura limite em função de uma

dada entrega térmica e para um tipo de aço

Este gráfico permite simular as várias hipóteses que se colocam na soldadura de umdeterminado aço, de modo a evitar a têmpera martensítica.Caso as condições específicas não permitam evitar a têmpera martensítica, é possível

ainda recorrer ao pré-aquecimento, para aumentar o tempo de arrefecimento entre 800e 500°C. A espessura que se refere anteriormente é a chamada "espessuracombinada" e representa a soma das espessuras a soldar.

Temperatura inicial das peças a soldar

Foi analisado anteriormente o efeito na velocidade de arrefecimento. Quanto maior fora temperatura inicial da peça menor é a velocidade de arrefecimento e portanto, menoro risco de têmpera. Os efeitos do pré-aquecimento são os seguintes:

• Secagem das peças.• Redução da velocidade de arrefecimento.• Aumento da difusibilidade do hidrogénio.• Diminuição do gradiente de tensões.

Pré-Aquecimentoevita o efeito deTêmpera

Efeitos do Pré-Aquecimento





A Fig. 11 representa, duma forma gráfica, o efeito do pré-aquecimento no anel térmicode soldadura.

Fig. 11 Efeito da temperatura de pré-aquecimento sobre a soldabilidade dos

aços

O pré-aquecimento tem no entanto algumas desvantagens:

• É um factor de desconforto para os soldadores.• Aumenta o risco de amaciamento do material de base se a temperatura for

demasiado elevada (mais crítica nos aços temperados e revenidos).• Alarga a zona termicamente afectada (mais crítica nos aços temperados e

revenidos).• Provoca um sobreaquecimento, com a consequente coalescência de grão.

Energia de soldadura ou entrega térmica

Já se referiu anteriormente que o aumento da entrega térmica diminui a velocidade dearrefecimento o que pode ser benéfico no caso de peças com risco de têmperamartensítica. Existem operações acessórias dos processos de soldadura, comopingamentos ou escorvamentos do arco eléctrico, que são feitos muitas vezes semquaisquer cuidados especiais. Nestas situações a entrega térmica é baixa, podendointroduzir com alguma facilidade, a têmpera local (e eventualmente a fissuração).

A utilização de pré-aquecimento tem pois como objectivo diminuir a dureza máxima

sob cordão. Na Fig. 12 apresenta-se duma forma gráfica simples o efeito do pré-aquecimento. Pode-se portanto, através do pré-aquecimento das peças, diminuir-se adureza máxima sob cordão, sendo mais um factor a considerar na preparação dumprocedimento de soldadura, no sentido de evitar a têmpera martensítica.

Desvantagens do Pré-Aquecimento

Pingamento semcuidados originafissuração





Fig. 12 Efeito de entrega térmica e do pré-aquecimento na dureza máxima

sob cordão

Se se impuser, por exemplo, uma dureza máxima sob cordão, pode utilizar-se umadeterminada entrega térmica na soldadura do aço sem pré-aquecimento, ou em faceduma menor energia recorrer ao pré-aquecimento.

Consequências da têmpera em soldadura

Um dos critérios a que se recorre frequentemente no sentido de avaliar uma juntasoldada, é a dureza máxima sob cordão na zona termicamente afectada. A durezamáxima está intimamente ligada à estrutura micrográfica sob cordão e esta aofenómeno de fissuração a frio. Conforme foi referido, utilizam-se as curvas de durezamáxima sob cordão (Hmáx) em função do tempo de arrefecimento entre 800°e 500°C

(ta), tal como se apresenta na Fig. 13.

Fig. 13 Dureza máxima sob cordão em função do tempo de arrefecimento

Para além dos aspectos típicos de cada liga, a fissuração a frio é a consequência maisimportante da operação de soldadura estando relacionada com a dureza máxima sobcordão. Por esta razão, é normal fazer-se na qualificação de processos eprocedimentos de soldadura, um perfil da dureza de forma a determinar-se a durezamáxima tal como se ilustra na Fig. 14.

Efeitos de Têmperanuma junta soldada





Fig. 14 Determinação da dureza sob cordão







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