Defeitos de Fundição Trincas
• Ricardo Fuoco
Gerente Geral de Tecnologia de Fundição
Metso Brasil Indústria e Comércio Ltda
Fone: (015) 2102-1212
Email: [email protected]
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Índice
– 4.3 - Trincas • Trincas por sobrecarga
• Trincas de solidificação (“hot tear”);
• Trincas por fragilização de nitretos de Al
• Trincas de têmpera
• Trincas por fragilização do revenido
• Trincas por re-precipitação de carbonetos (aço Hadfield)
• Trincas por fase sigma (inox duplex e superduplex);
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Trincas
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Trincas em peças fundidas
Observações importantes para classificação das causas das trincas:
1. Posição da trinca (o esforço que promoveu a ocorrência da trinca é perpendicular à direção de propagação);
2. Aspecto da superfície fraturada (marcas, cor, presença de “shear lip”, tipo de fratura);
3. Existência de outros defeitos na superfície da fratura;
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TRINCAS POR SOBRECARGA
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1. Trincas por sobrecarga Carga dinâmica (fadiga)
CARACTERÍSTICAS:
1. Superfície lisa;
2. Evolução radial (circunferencial);
3. Geralmente apresenta ”marcas de praia”;
4. Quando observada com grande aumento (acima de 500x) apresenta formação de estrias;
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1. Trincas por sobrecarga Carga dinâmica (fadiga)
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1. Trincas por sobrecarga Carga dinâmica (fadiga)
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1. Trincas por sobrecarga Carga dinâmica (fadiga)
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1. Trincas por sobrecarga Carga dinâmica (fadiga)
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1. Trincas por sobrecarga Carga dinâmica (fadiga)
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1. Trincas por sobrecarga Carga dinâmica (fadiga)
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1. Trincas por sobrecarga Comportamento Dúctil
CARACTERÍSTICAS:
1. Superfície não brilhante;
2. Fratura da borda a 45° (“shear lip”);
3. Quando observada com grande aumento (acima de 300x) apresenta formação de alvéolos;
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1. Trincas por sobrecarga Comportamento Dúctil
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1. Trincas por sobrecarga Comportamento Frágil
CARACTERÍSTICAS:
1. Superfície brilhante;
2. Presença de “marcas de sargento” que apontam para o ponto de origem da trinca;
3. Quando observado com grande aumento (acima de 300x) apresenta formação de clivagens (material de baixa ductilidade);
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1. Trincas por sobrecarga Comportamento Frágil
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1. Trincas por sobrecarga Comportamento Frágil
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1. Trincas por sobrecarga Comportamento Frágil
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1. Trincas por sobrecarga Comportamento Frágil
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TRINCAS DE SOLIDIFICAÇÃO (“hot tear”)
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2. Trincas de Solidificação
CARACTERÍSTICAS:
1. Trincas sem ramificações, tipicamente em pontos quentes da peça;
2. Superfície de fratura escurecida, com evidências de estrutura dendrítica;
3. Trinca parcialmente fechada, com presença de sulfetos alinhados;
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• Exemplos em peças de aço inoxidável martensítico:
2. Trincas de Solidificação Características das trincas de solidificação
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• Exemplos em peças de aço baixa liga:
2. Trincas de Solidificação Características das trincas de solidificação
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• Exemplos em peças de aço trincadas por falta de
colapso do macho:
2. Trincas de Solidificação Características das trincas de solidificação
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• Exemplos em peças de aço trincadas por falta de
colapso do macho:
2. Trincas de Solidificação Características das trincas de solidificação
Trinca interdendrítica
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• Exemplos em peças de aço trincadas por falta de
colapso do macho:
2. Trincas de Solidificação Características das trincas de solidificação
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• Exemplos em peças de aço trincadas por falta de
colapso do macho:
2. Trincas de Solidificação Características das trincas de solidificação
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• Aspecto dendrítico característico de superfície de
trinca de solidificação em aço inoxidável martensítico:
2. Trincas de Solidificação Características metalográficas das trincas de solidificação
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2. Trincas de Solidificação
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2. Trincas de Solidificação
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2. Trincas de Solidificação
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2. Trincas de Solidificação
MECANISMO DE FORMAÇÃO:
Ocorrem durante a solidificação da peça fundida, particularmente quando a maior parte da peça já está solidificada, a menos dos pontos quentes.
As regiões sólidas sofrem contração com o resfriamento, tendendo a reduzir suas dimensões em direção aos machos. Como os machos são fabricados com misturas areia/resina de elevada resistência à quente, ocorre uma restrição à contração da peça.
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2. Trincas de Solidificação
MECANISMO DE FORMAÇÃO:
Estes esforços internos da peça podem levar à fratura das regiões semi-sólidas (pontos quentes).
Com a ocorrência da trinca, pode haver um preenchimento parcial ou total da trinca com o metal líquido segregado (de final de solidificação) que apresenta elevados teores de fósforo e enxofre. Assim, a trinca re-enchida fica marcada na microestrutura por alinhamento de sulfetos.
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2. Trincas de Solidificação
MECANISMO DE FORMAÇÃO:
A ocorrência de trincas de solidificação é mais comum em aços que apresentam solidificação do tipo pastosa como os aços ao carbono e baixa liga com teor de carbono entre 0,20 a 0,30%.
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2. Trincas de Solidificação
AÇÕES PARA REDUZIR A INCIDÊNCIA DO DEFEITO:
1. Diminuir a diferença entre tempos de solidificação da peça fundida (diminuir pontos quentes);
2. Diminuir a restrição à contração causada pelos machos utilizando de resinas de menor resistência à quente e maior colapsibilidade;
3. Diminuir a restrição à contração causada pelos machos promovendo o enfraquecimento da estrutura dos machos (alívios mecânicos, uso de partes em isopor, etc);
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TRINCAS POR FRAGILIZAÇÃO (Nitretos de Al)
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3. Trincas por nitretos de Al
CARACTERÍSTICAS:
1. Trincas sem ramificações;
2. Superfície de fratura extremamente lisa e marcada total ou parcialmente pela macroestrutura bruta de fundição (estrutura de austenita original);
3. Típica de peças de grande espessura;
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3. Trincas por nitretos de Al
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3. Trincas por nitretos de Al
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3. Trincas por nitretos de Al
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3. Trincas por nitretos de Al
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3. Trincas por nitretos de AL Formação de nitretos de Al (fratura tipo “rock candy”)
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3. Trincas por nitretos de Al
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3. Trincas por nitretos de Al
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Ataque superficial para avaliação da precipitação de AlN
ASTM A 703 - HCl em água (1:1)
3. Trincas por nitretos de Al Formação de nitretos de Al (fratura tipo “rock candy”)
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3. Trincas por nitretos de Al
MECANISMO DE FORMAÇÃO:
As trincas do tipo “rock candy” são formadas pela segregação de nitretos de alumínio para os contornos de grãos originais de austenita.
A maior ocorrência deste fenômeno é observada em aços fundidos com elevados teores de alumínio e de nitrogênio residual não fixados, associado a peças grossas (que apresentam pequena velocidade de solidificação).
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3. Trincas por nitretos de Al
MECANISMO DE FORMAÇÃO:
Quanto menores forem as velocidades de resfriamento, maiores serão os grãos de austenita e maior será a segregação de nitretos de alumínio.
A formação da trinca ocorre com o material “fragilizado” pela segregação de nitretos de alumínio, associado a tensões internas, geralmente oriundas de tratamentos de têmpera e revenimento em baixa temperatura (típico em aços de alta resistência)
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3. Trincas por nitretos de Al
Com
fragilização
Sem
fragilização
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3. Trincas por nitretos de Al
AÇÕES PARA REDUZIR A INCIDÊNCIA DO DEFEITO:
1. Diminuir o teor de alumínio residual;
2. Promover a fixação do nitrogênio na forma de nitretos estáveis através da adição de Ti ou Zr;
3. Aumentar a velocidade de resfriamento de peças grossas através do uso de materiais de moldagem com maior coeficiente de transmissão de calor (areias de zirconita e cromita);
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TRINCAS DE TÊMPERA (aço ao carbono e baixa liga)
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4. Trincas de Tempera
CARACTERÍSTICAS:
1. Trincas com ramificações;
2. Ocorrem perpendicularmente à superfície da peça, não alcançando a região central da peça;
3. Trinca pode ser recoberta por óxido (escurecida), caso a peça receba tratamento de revenimento;
4. Trinca é do tipo frágil e com propagação intergranular;
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• A distorção provocada no reticulado CFC da austenita para formar o reticulado TCC da martensita é maior quanto maior for o teor de carbono.
• A variação volumétrica que acompanha a transformação austenita martensita é da ordem de 3 a 6% e é sempre acompanhada por tensões residuais.
4. Trincas de Tempera Trincas de tempera
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Camada inicial de
martensita Camada sub-
superficial austenítica t
4. Trincas de Tempera
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4. Trincas de Tempera Efeito do teor de C na deformação da martensita
(tendência a trinca de tempera)
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• A gênese das trincas de têmpera pode ser resumida em:
– forma-se uma camada inicial de martensita;
– com a resfriamento, as camadas de austenita sub-superficiais sofrem a transformação martensítica com um atraso em relação a camada inicial;
– estas transformações posteriores (com expansão volumétrica) impõem tensões de tração sobre a camada inicial, que pode resultar em trincas, se estas tensões ultrapassarem o limite de resistência.
4. Trincas de Tempera Mecanismo de formação de trincas de tempera
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4. Trincas de Tempera Mecanismo de formação de trincas de tempera
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4. Trincas de Tempera Severidade de diferentes meios de têmpera
Água + sal
Água
Água + polímero
Óleo rápido
Óleo lento
Menor
severidade
de tempera
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4. Trincas de Tempera Aspecto da superfície de fratura de trincas de tempera
Trinca de tempera
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4. Trincas de Tempera Aspecto da superfície de fratura de trincas de tempera
Trinca de tempera
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4. Trincas de Tempera
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200 x 800 x
4. Trincas de Tempera Aspecto da superfície de fratura de trincas de tempera
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4. Trincas de Tempera
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4. Trincas de Tempera
AÇÕES PARA REDUZIR A INCIDÊNCIA DO DEFEITO:
Reduzir a eficiência de extração de calor do meio de têmpera para peças de grande espessura de aços ao carbono e baixa liga (água aditivada com polímeros ou óleo são os meios de têmpera mais indicados);
Reduzir o teor de carbono dos aços;
Proceder ao tratamento de revenimento imediatamente após o resfriamento da têmpera;
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4. Trincas de Tempera
AÇÕES PARA REDUZIR A INCIDÊNCIA DO DEFEITO:
Utilizar temperaturas de revenimento que efetivamente reduzam as tensões internas promovidas pela têmpera (atenção para as temperaturas de fragilização);
Estufas de revenimento que trabalham em baixas temperaturas exigem uma enérgica circulação de ar para garantir a homogeneidade de temperatura;
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TRINCAS POR FRAGILIZAÇÃO (Revenido em aços ao carbono e baixa liga)
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5. Trincas por Fragilização do Revenido Dureza em aço baixa liga temperado em função da temperatura de
revenimento
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5. Trincas por Fragilização do Revenido Curvas de revenimento de aços com diferentes teores de C
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5. Trincas por Fragilização do
Revenido Efeito do revenimento nas propriedades mecânicas
dos aços
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5. Trincas por Fragilização do Revenido Estágios do revenimento
• Estágio I (entre 100 e 200°C) – Alívio de tensões e formação de clusters de C (nas discordâncias)
• Estágio II (entre 200 e 300°C) – Transformação da austenita retida em ferrita + cementita, além da precipitação de carbonetos de transição (épsilon).
• Estágio III (entre 300 e 650°C) – transformação de carbonetos de transição e da martensita de baixo carbono em ferrita + cementita. Até cerca de 400°C os carbonetos são alinhados e fragilizam o aço (fragilidade azul). Acima desta temperatura os carbonetos sofrem esferoidização.
• OBS - entre 400 e 500°C – Precipitação de impurezas (P, Sb, As, Sn) facilita a decoesão de contornos de grãos de austenita (fragilidade reversível).
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5. Trincas por Fragilização do Revenido Fragilidade azul
• Entre 300 e 400°C a precipitação de carbonetos alinhados causa uma fragilização da martensita revenida
350°C
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5. Trincas por Fragilização do Revenido Fragilidade azul
• Entre 300 e 400°C a precipitação de carbonetos alinhados causa uma fragilização da martensita revenida
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5. Trincas por Fragilização do Revenido Fragilidade reversível
• Fragilização reversível entre 400 e 500°C pela segregação de impurezas (P, As, Sn e Sb) em contornos de grãos de austenita.
• Esta fragilização pode ser eliminada por um novo tratamento de revenimento a temperaturas superiores a 550°C.
• A presença de Mo minimiza este mecanismo.
• Recomenda-se resfriar rápido as peças após revenimento.
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5. Trincas por Fragilização do Revenido
CARACTERÍSTICAS:
1. Superfície brilhante;
2. Presença de “marcas de sargento” que apontam para o ponto de origem da trinca;
3. Quando observado com grande aumento (acima de 300x) apresenta fratura parcialmente intergranular (alguns contornos de grãos fragilizados);
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5. Trincas por Fragilização do Revenido
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5. Trincas por Fragilização do Revenido
MECANISMO DE FORMAÇÃO:
1. Entre 250 e 400°C - Precipitação de carbonetos em contornos de agulhas de martensita;
2. Entre 400 e 500°C - Precipitação de P, As, Sb, Sn em contornos de grãos de austenita (reversível e a cinética de precipitação pode ser reduzida com Mo);
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5. Trincas por Fragilização do Revenido
AÇÕES PARA REDUZIR A INCIDÊNCIA DO DEFEITO:
Evitar revenimento na zona de fragilização, ou seja, baixas temperaturas (<230°C) ou altas temperaturas (>550°C);
Reduzir a presença de impurezas como P, As, Sb, Sn e utilizar adições de Mo;
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5. Trincas por Fragilização do Revenido Procedimentos para Fabricação de Aços de Alta Resistência
Mecânica
1. Selecionar aço com cerca de 0,20%C, têmpera em água, seguido de revenimento a 230°C por vários dias - RISCO PRINCIPAL - quebras devido ao pouco alívio de tensões durante o revenimento (dureza típica ~400HB);
2. Selecionar aço com cerca de 0,30%C, têmpera em água, seguido de revenimento a 600°C por algumas horas - RISCO PRINCIPAL - ocorrência de trincas de têmpera (dureza típica ~350HB);
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TRINCAS POR FRAGILIZAÇÃO (Re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield)
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Defeitos de Fundição - Trincas
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Bruto de fundição
250x 500x
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Após tratamento térmico de solubilização
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Após tratamento térmico de solubilização inadequado
420x
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Após tratamento térmico de solubilização inadequado
82
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Após tratamento térmico de solubilização inadequado
Re-precipitação de carbonetos durante o resfriamento em água após
solubilização a 1060°C devido à falta de temperabilidade. e) 25mm e f)
75mm.
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Efeito da cobertura de contornos de grãos por carbonetos na resistência ao impacto
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Efeito da profundidade na re-precipitação de carbonetos
interface
200X
surface interface
500X
7 mm 50 mm
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Curva de resfriamento (água) para 120mm de espessura
Re-precipitação de
carbonetos
Tempo para re-
precipitação
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QUENCHING PERFORMANCE OF THICK MANTLES
carbide
reprecipitation zone
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Efeito da presença de Cr
88
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6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield
Efeito da presença do Mo
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TRINCAS POR FRAGILIZAÇÃO (Fase sigma em inox duplex e superduplex)
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7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex
Transformações de fase no estado sólido
Fragilização
R corrosão
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7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex
• Devido à precipitação de fases intermetálicas (carbonetos, fase sigma e fase alfa linha) durante a solidificação e resfriamento no molde, os aços duplex apresentam fragilidade no estado bruto de fundição.
• Além da fragilização, a decomposição da ferrita delta em fase sigma + austenita parece estar associada à expansões volumétricas, levando à formação de trincas.
• A técnica mais comum para previnir ou minimizar a ocorrência destas trincas é a desmoldagem a quente das peças seguida de resfriamento rápido em água.
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7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex
Trincas típicas
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7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex
Trincas típicas
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7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex
Trincas típicas
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7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex Microestrutura bruta de
fundição
100x 100x
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7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex
Tratamento de solubilização
• O tratamento térmico de solubilização é utilizado para promover a dissolução dos precipitados indesejáveis e ajustar a relação entre ferrita e austenita na microestrutura. Este tratamento é feito em torno de 1100°C seguido de resfriamento brusco em água, de modo a prevenir novas precipitações de fases durante o resfriamento.
• Para peças muito espessas são esperadas precipitações de fases nas regiões de maior massa.
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7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex
Microestrutura bruta de fundição (a) e após solubilização (b)
+
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