Unidade Tematica9

Metalurgia da Soldadura II-IX-1

A Fissuração nos Aços

UNIDADE TEMÁTICA IX – A FISSURAÇÃO NOS AÇOS

ÌNDICE TEMÁTICO • Fissuração a frio

• Arrancamento lamelar

• Fissuração a quente

• Fissuração no reaquecimento

• Actividades / avaliação Objectivos Específicos No final desta unidade temática, o formando deve estar apto a: • Identificar os diferentes tipos de fissuração nos aços e respectivas causas. • Enumerar quais as formas de evitar a fissuração.



Fissuração a frio A fissuração a frio constitui, sem dúvida, uma das maiores dificuldades sob o ponto de vista de soldabilidade metalúrgica, surgidas na soldadura dos aços ao carbono, carbono-manganês e de baixa liga. A fissuração a frio tem morfologia diversa podendo ocorrer, essencialmente, de três formas, tal como se ilustra na Fig. 1. Desenvolve-se paralelamente ao eixo longitudinal do cordão de soldadura aparecendo geralmente na ZTA (Zona Termicamente Afectada).

Fig. 1 Morfologia da fissuração a frio

Ocorre quando coexistem os seguintes factores: • Presença de hidrogénio. • Elevado nível de tensões de tracção na junta. • Microestruturas duras e frágeis, por exemplo martensite. • Baixas temperaturas (100 a 200oC). O hidrogénio, introduzido durante o processo, pode ter várias fontes: • Produtos de combustão na soldadura. • Produtos de decomposição de revestimento celulósico de eléctrodos em soldadura

por arco eléctrico. • Óxidos hidratados. • Humidade ou gorduras na superfície das peças ou dos eléctrodos. • Humidade nos fluxos. • Presença de hidrogénio no material base ou nos gases de protecção. Com vista a reduzir o teor de hidrogénio devem ser tomadas medidas, por forma a evitar ou reduzir ao máximo, todos os aspectos atrás referidos, dos quais se destacam a escolha adequada do processo de soldadura, dos consumíveis e dos gases de protecção.

Morfologia de Fissuração a frio

Factores que originam a Fissuração a frio

Medidas de Redução do hidrogénio



Mecanismo Durante a solidificação, o hidrogénio existente no banho, dissolve-se na estrutura do aço. Assim, durante o arrefecimento a sua solubilidade na estrutura vai diminuindo, pode acontecer que esta fique saturada em H2. Por outro lado, o hidrogénio, devido às altas temperaturas existentes, tem tendência a dissociar-se em iões. Assim, quando no material que fundiu se der a transformação da austenite, o hidrogénio, na forma iónica, que aí estava dissolvido, vai migrar para a ZTA (zona termicamente afectada) que ainda está austenítica, porque o hidrogénio se dissolve melhor na austenite que na ferrite e a sua velocidade de difusão é maior na ferrite que na austenite. Causas do aparecimento do hidrogénio

D – coeficiente de difusão

Fig. 2 Difusibilidade do hidrogénio, em ferrite e austenite, em função da

temperatura Na ZTA, o hidrogénio volta a combinar-se (formando moléculas), e esta reacção é acompanhada de um aumento de pressão localizado. A fragilização da ferrite está associada ao mecanismo da formação de “olhos de peixe”. Os “olhos de peixe” (em inglês red eyes) têm aspectos característicos que se podem observar em ensaios de tracção em provetes maquinados a partir de material fundido, para manter ensaios normalizados de eléctrodos, ou de provetes soldados, quando a rotura se dá no material fundido.

Mecanismo da fissuração

Olhos de peixe



Fig. 3 Olhos de peixe

Os olhos de peixe não constitui por si só um defeito, mas é um sinal da presença de hidrogénio. Por outro lado, se na ZTA vier a ocorrer a transformação martensítica (estrutura frágil), o H2 aí existente, provocará microvazios, os quais, sob o efeito das tensões que caracterizam o fim do arrefecimento, poder-se-ão propagar e coalescer, originando um fenómeno designado por fissuração a frio. Processo da passagem do hidrogénio para o material base, através da zona de ligação Com este objectivo, vamos considerar, num corte longitudinal dum cordão de soldadura, a influência das posições relativas da isotérmicas TF, de transformação do material fundido, e TB do material de base na zona afectada, consoante TF esteja à frente ou atrás de TB. Quando o material fundido sofre, no arrefecimento, a transformação perlítica, devido à temperatura devidamente alta, o material base sofre a transformação martensítica. A partir do ponto MS, a temperatura relativamente baixa, as isotérmicas TF e TB são desfasadas no sentido indicado na figura seguinte.

Fig. 4 Material fundido menos temperante que o material de base



Existe, portanto, um intervalo de tempo AB, durante o qual a zona de ligação separa um material fundido, que se fez ferrítico-perlítico, onde o hidrogénio é menos solúvel, duma zona afectada do material de base ainda austenítico e desprovido de hidrogénio, para além de que este gás, aí, é mais solúvel. Resulta daí um mecanismo de difusão do hidrogénio do material fundido em direcção ao material de base, favorecido pela diferença de solubilidade e de concentração de um e de outro, da zona de ligação. Entretanto, o hidrogénio, menos difusível na austenite do que na ferrite, não difunde profundamente na ZTA. A chegada da isotérmica TB encontra uma austenite carregada de hidrogénio concentrado, numa fraca profundidade. É então que tem lugar uma transformação martensítica, no seio desta austenite que por ser frágil é susceptível, portanto, à fissuração a frio. Nestas circunstâncias a fissuração a frio ocorre apenas na zona termicamente afectada. Quando o material fundido tem maior temperabilidade que o material base, e sofre transformações martensíticas no ponto A, mais tarde que a transformação do material de base no ponto B, sobretudo se este último é ferrítico. Não há difusão do hidrogénio, através da zona de ligação entre B e A, para o material de base, pois o material fundido permanece austenítico podendo ainda conter esse gás em solução. Mas logo que se verifique, em A, a transformação da austenite, carregada de hidrogénio, em martensítica no material fundido, promovem-se as condições para a manifestação da fissuração a frio no material fundido, enquanto que a ZTA fica isenta.

Fig. 5 Material fundido mais temperante que o material de base

Tendo em conta o mecanismo que rege a fissuração a frio muitas vezes é aconselhada a utilização de um material de adição austenítico, para soldar um aço temperante. Uma parte do sucesso obtido por este processo tem, como base, o facto de que o material fundido permanece austenítico até ao fim do arrefecimento, sem que intervenha qualquer transformação que modifique a solubilidade do hidrogénio. Não há, portanto, difusão de hidrogénio em direcção à ZTA sendo igualmente benéfica a elevada plasticidade do material fundido do tipo austenítico.



Fig. 6 Material fundido sem transformações no estado sólido

Formas de prevenir a fissuração a frio Controlo da estrutura metalúrgica O pré-aquecimento e pós-aquecimento e o aquecimento entre passagens são utilizados e destinam-se a diminuir a velocidade de arrefecimento de uma soldadura, a fim de modificar a microestrutura, ou seja diminuir a dureza. Este tipo de tratamento facilita, também, a difusão de H2 e, ao mesmo tempo, diminui o nível e melhora a distribuição das tensões residuais. Selecção dos processos e procedimentos de soldadura Como já foi referido na soldadura de materiais susceptíveis à fissuração a frio, é de evitar o uso de materiais de adição de alto teor em H2, húmidos e secos, assim como de fluxos ou protecções gasosas que contenham este elemento. Eléctrodos de baixa resistência permitem diminuir o nível de tensões na ZTA e, portanto, reduzir a susceptibilidade à fissuração a frio. O uso de materiais de adição austeníticos, na soldadura de aços tratados termicamente e de alta resistência, dificulta a ocorrência deste tipo de fissuração, uma vez que a austenite dissolve bem o H2. Por outro lado, a boa ductilidade apresentada por estes materiais permite diminuir o nível de tensões residuais na ZTA. Contudo, convém reter que a selecção do material de adição é um compromisso entre a necessidade de obter uma boa resistência a baixo custo e uma boa soldabilidade. Controlo da susceptibilidade à fissuração Existe uma grande diversidade de ensaios para analisar a susceptibilidade à fissuração a frio, sendo os mais importantes: Ensaio CTS (Severidade Térmica Controlada) Neste ensaio, duas placas, A e B, são fixadas através de parafusos e porcas, cujo afastamento pode ser alterado através da colocação de uma anilha entre chapas (Fig. 7).

Controlo da Fissuração com Pré e Pós-Aquecimento Escolha do processo de soldadura de modo a evitar o hidrogénio

Ensaio CTS



Fig. 7 Ensaio CTS

São analisados os efeitos das condições de soldadura nos materiais utilizados por métodos metalográficos, avaliando-se a fissuração qualitativa e quantitativamente. Ensaio Tekken Neste ensaio, unem-se duas chapas com preparação facial em Y, pré-soldadas nas extremidades. O afastamento destas determina o grau de constrangimento na junta (Fig. 8).

Fig. 8 - Ensaio Tekken

A observação metalográfica duma secção transversal ao cordão permite avaliar, duma forma equivalente ao ensaio CTS, a susceptibilidade à fissuração a frio. Implantes Neste ensaio, é usado um implante extraído do material a analisar, o qual é introduzido num furo aberto numa chapa e soldado a esta por deposição dum cordão superficial. O implante tem geralmente um entalhe em forma helicoidal, permitindo obter, na zona termicamente afectada, uma concentração de tensões triaxiais adicional. Ao implante está soldado um termopar que permite o registo do ciclo térmico imposto ao provete. Após a soldadura, o implante é traccionado a uma carga constante ou à velocidade de deformação constante, registando-se o tempo à rotura ou descarregando-o, se esta não se verificar após um tempo de ensaio pré-determinado (16 horas). Neste caso, a observação metalográfica duma secção transversal do implante na raiz do entalhe fornece a informação sobre a existência de fissuras a frio dos materiais base, registando-se estas informações sob a forma de gráficos. Na Fig. 9 apresenta-se uma curva, obtida para um aço de baixa liga.

Ensaio Tekken

Implantes



Fig. 9 - Curva de fissuração para um aço de baixa liga

Arrancamento lamelar O arrancamento lamelar resulta de uma combinação de tensões altamente localizadas, devidas ao processo de soldadura e a uma baixa ductilidade do material base, no sentido da espessura, devida à presença de inclusões não metálicas alongadas e alinhadas, paralelamente à direcção de laminagem. É um fenómeno que se manifesta geralmente a temperaturas inferiores a 200°C.

Fig. 10 - Microestrutura típica de um aço susceptível ao arrancamento

lamelar Os quatro principais factores susceptíveis de originar arrancamento lamelar são: • Baixa ductilidade do material base no sentido da espessura. • Presença de inclusões (silicatos ou sulfuretos) de forma plana, com elevada área de superfície. • Configurações de junta conducentes a elevadas tensões residuais de tracção, no sentido da espessura. • Chapas espessas.

Arrancamento Lamelar

Factores que originam o Arrancamento Lamelar



O arrancamento lamelar é iniciado por descoesão das inclusões junto à soldadura na ZTA ou imediatamente adjacente a esta, tendo a fissura um aspecto de degraus de escada com porções rectilíneas e paralelas ao plano de laminagem.

Fig. 11 - Arrancamento lamelar

Este tipo de fissuração pode ser evitado, usando aços de boa ductilidade, como os tratados com Ce, que permitem obter inclusões de sulfuretos de forma preferencialmente esférica, mesmo em aços laminados a quente. A sua escolha pode, também, ser feita com recurso à quantificação de dois parâmetros: • O teor de enxofre no aço (%S). • A estricção por ele apresentada num ensaio de tracção, na direcção da espessura

(Ez). Em função do que acaba de referir, os aços classificam-se em:

A - Resistentes ao Arrancamento Lamelar, com garantia. S< 0,007% Ez> 25%

B - Resistentes ao Arrancamento Lamelar. S< 0,01% Ez> 15%

C - De reduzida resistência ao Arrancamento Lamelar. S< 0,02% Ez> 8%

Outra solução consiste em actuar, se possível, na configuração da junta, de modo a promover uma distribuição mais homogénea e menos localizada das tensões, bem como a sua distribuição na direcção de laminagem e não na direcção perpendicular. A técnica do amanteigamento também é bastante utilizada e consiste em maquinar a zona do material base onde se vai realizar a soldadura e depositar aí um material dúctil, como, por exemplo, ligas de níquel, que permitam absorver as tensões de contracção da zona fundida, e efectuar, posteriormente, a ligação.

Modo de evitar o Arrancamento Lamelar



Fig. 12 - Forma do chanfro depois da remoção completa dum defeito e

sequência dum amanteigamento

Fig. 13 - Sequência completa dum amanteigamento

Fissuração a quente A fissuração a quente é um defeito que pode ocorrer, frequentemente, em construções soldadas a temperaturas superiores a 1200oC. A morfologia da fissuração é variada. As fissuras podem ser longitudinais, transversais, de cratera ou serem de reduzidas dimensões e estarem associadas a inclusões. Destas a mais comum é a fissuração longitudinal, que ocorre no centro da soldadura (Fig. 14), podendo ou não estar relacionada com a propagação da fissuração originada na zona da cratera (fim da soldadura).

Fig. 14 - Fissura no centro da soldadura

As superfícies de fractura oxidam-se a estas temperaturas e apresentam uma cor azulada. Os principais factores que controlam a fissuração a quente são: • Constrangimento. • Forma da soldadura. • Composição química do material (nomeadamente a presença de enxofre e fósforo). Mecanismo Durante a solidificação de uma soldadura, o crescimento das dendrites dá-se a partir da linha de fusão, onde o arrefecimento é mais rápido. À medida que a solidificação

Factores que originam a Fissuração a quente

Modo de aparecimento da Fissuração a Quente



progride, o líquido remanescente vai ficando cada vez mais rico em impurezas e elementos de liga, que lhe baixam o ponto de fusão, se existirem grandes quantidades de impurezas, nomeadamente sulfuretos e fosforetos de ferro. A solidificação ocorre de modo a que as dendrites se encontrem a meio do cordão. Na zona central, a última a solidificar, vai aparecer um filme líquido de baixo ponto de fusão, usualmente constituído por sulfuretos e fosforetos de ferro, o qual não resistindo às tensões de tracção decorrentes do arrefecimento da soldadura, originam um fenómeno de fissuração geralmente intergranular. Morfologia da Fissuração

Fig. 15 - Diagrama esquemático que ilustra o mecanismo de fissuração a

quente A fissuração a quente pode acontecer também na ZTA, quando, perto da temperatura de fusão, as inclusões de sulfuretos existentes entram em solução no metal que as rodeia. Durante o arrefecimento, os sulfuretos precipitam e tendem a ser segregados para os limites de grão sob a forma de filmes líquidos de baixo ponto de fusão. Estas precipitações vão provocar um enfraquecimento drástico dos limites de grão, baixando, por isso, a sua resistência. Diz-se que o aço ficou “queimado”. São sensíveis a este tipo de fissuração, os aços cuja relação manganês/enxofre seja inferior a 20. Formas de Prevenir a Fissuração a Quente • Controlar os teores de enxofre e fósforo. • Adicionar manganês, pois o manganês tem maior afinidade para o enxofre e para o

fósforo do que o ferro, formando-se sulfuretos e fosforetos de manganês, que têm pontos de fusão, relativamente elevados.

Como se evita: • Actuação ao nível dos constrangimentos para permitir, o mais possível, os

movimentos provocados pelas contracções da soldadura. • Utilização de um factor de forma adequado (razão largura/penetração superior a 2).

Modo de evitar a Fissuração a Quente



• Aplicação de materiais de adição com elevada ductilidade. • Utilização de uma técnica operatória adequada, com o fim de evitar a cratera no fim

dos cordões. Controlo da susceptibilidade à fissuração a quente Existem numerosos métodos que permitem avaliar a sensibilidade à fissuração a quente dos materiais de base, adição e juntas soldadas. Uma classificação possível dos ensaios baseia-se no critério DTF (Domínio de Temperatura de Fragilidade), e, segundo este, podem-se classificar em: • Velocidade de deformação crítica em provetes dobrados ou deformados por

arrancamento. • Deformação crítica. • Comprimento total da fissuração. Critérios de Avaliação: • Velocidade de dobragem decrescente. • Velocidade de dobragem crescente. • Velocidade de tracção constante. • Velocidade de tracção crescente. • Dobragem sobre suporte em ângulo recto. • Dobragem sobre suporte arredondado. • Comprimento total de fissuração. Os ensaios de fissuração a quente devem satisfazer os seguintes requisitos fundamentais: • As condições de ensaio dos provetes devem ser bem definidas. • Os parâmetros de ensaio devem obedecer às características intrínsecas dos

materiais. • Reprodutibilidade. • Elevada sensibilidade. • Quantificação da sensibilidade à fissuração a quente. • As condições de soldadura devem permanecer constantes para estudos

comparativos. Do exposto, conclui-se que existe uma enorme variedade de ensaios de fissuração a quente. Fissuração no reaquecimento A fissuração no reaquecimento tem duas causas principais: • Um aquecimento muito rápido, que pode conduzir à sobreposição de tensões de

origem térmica, às tensões residuais existentes. • Uma ductilidade extremamente baixa do conjunto soldado durante o tratamento

térmico, quando exposto a temperaturas elevadas. A carga de rotura e a resistência à fluência a altas temperaturas de um aço derivam, normalmente, da existência de precipitados, carbonetos (V, Mo, Cr, etc.) muito finos e dispersos nos grãos do metal. Durante a soldadura, esses carbonetos vão entrar em solução na ZTA, logo que a temperatura ultrapasse os 1200oC. Durante o arrefecimento, a precipitação dos carbonetos é praticamente inexistente,

Ensaios de Controlo da Fissuração a Quente

Critérios de Avaliação dos Ensaios e seus requisitos

Tipos de Ensaios

Causas da Fissuração no reaquecimento

Mecanismo da Fissuração



devido às elevadas velocidades de arrefecimento, ficando por isso os carbonetos em solução. Isto quer dizer que o material fica num estado não estável, e que, se for novamente aquecido, irá ocorrer precipitação de carbonetos, criando assim mecanismos que irão conduzir à formação de microvazios que, ao se interligarem, vão formar fissuras nos limites de grão provocadas pelo reaquecimento. Este tipo de fissuração produz-se tanto na ZTA como no material fundido de soldaduras de aços ferríticos resistentes à fluência, aços de construção de baixa liga, aços inoxidáveis austeníticos e ligas à base de níquel. Secções espessas são particularmente susceptíveis a este tipo de fissuração devido ao constrangimento, sendo aconselhável utilizar-se sequências de soldadura adequadas para se minimizar o nível das tensões residuais. A utilização de material fundido com menor resistência mecânica a quente que o material base pode ser também benéfico de modo a permitir maior relaxação no material fundido, que na zona ZTA durante o reaquecimento.



ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO Exercício 1: Quais os tipos de fissuração que conhece ? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Exercício 2: Explique quais as causas da fissuração a frio nos aços e como evitá-la. ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Exercício 3: A susceptibilidade à fissuração a frio é minimizada: � Para Ceq superior a 0,35 � Para velocidades de arrefecimento rápidas � Com juntas com grande rigidez � Com tratamentos térmicos posteriores



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