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FATEC - FACULDADE DE TECNOLGIA DE SERTÃOZINHO
Curso: Tecnologia em Mecânica: Processos de Soldagem
Rua Jordão Borghetti - 480, Bairro São João
14170-120 Sertãozinho - SP
Caracterização Mecânica e Microestrutural do Aço Inox Dúplex Submetido
a Diferentes Processos de Soldagem
Orientadora: Prof. Dr a. Simoni Maria Gheno
Aluno: Carlos Henrique Gomes
Sertãozinho - SP
Agosto/2013
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1.TÍTULO
Caracterização Mecânica e Microestrutural do Aço Inox Dúplex Submetido
a Diferentes Processos de Soldagem
2. JUSTIFICATIVA
A estrutura do mercado de trabalho também tem passado por
mudanças as quais, na maioria das vezes, são acompanhadas da crescente
insegurança e precariedade das novas formas de ocupação. O mercado
de trabalho alcançou o setor de serviços em decorrência do planejamento
da produção pautado pela busca da qualidade total, pelo uso intensivo das
redes de telecomunicações, da informática, da automação, bem como pela
modularização e terceirização de parte dos sistemas de gerenciamento
e produção. Não obstante, os processos de produção de inovações são
diferentes em decorrência do tipo de tecnologia envolvida e das cadeias de
produção interessadas [BARDY, 2001; GARZÓN, 2004].
No contexto de desenvolvimento de materiais, está a categoria dos
aços inoxidáveis dúplex, os quais se tornaram comercialmente disponíveis nos
anos 30 na produção industrial e de pesquisa realizada na Suécia, França e
Estados Unidos. A utilização desses aços tem merecido destaque em relação
aos outros tipos de aços inoxidáveis, por conta da interessante combinação de
excelentes propriedades mecânicas e alta resistência à corrosão (GAVRILJUK,
2004; NILSSON, 1992; SANTOS, 2008).
Desta forma, o desenvolvimento tecnológico, cada vez exige demanda
cada vez maior de processos tecnológicos que solucionem os problemas
reais. Neste contexto, merece destaque o desenvolvimento de pesquisasem Tecnologia em Processos de Soldagem, pertencente a uma área que
surgiu justamente para atender à demanda do mercado atual, por exemplo, as
recentes descobertas de jazidas de petróleo em território nacional - sobretudo
as da camada pré-sal – vem colocando em discussão quais os métodos e
as tecnologias mais eficientes para explorá-las. Dessa forma, a intenção é
participar, em um futuro próximo, da cadeia de material nos fornecimentos
da Petrobras e, conseqüentemente, e tipo de aço inoxidável e soldas maisadequados.
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A área de Tecnologia em Processos de Soldagem – fundamental em
projetos, máquinas e equipamentos industriais – tem sido integrada à indústria
metal-mecânica com sinergia e de modo crescente, de forma a produzir
equipamentos e controlar processos de maneira confiável, segura, rentável e
menos poluente, entre outras vantagens. A união entre mecânica e soldagem
está cada vez mais presente, tanto na linha de montagem como no próprio
produto final. Por sua vez na área de serviços, pode ser citada a demanda
por profissionais de processos de soldagem em projeto, manutenção e
operação dos diversos sistemas e equipamentos das indústrias da área metal-
mecânica as quais fornecem peças, equipamentos e serviços para uma grande
quantidade de empresas no país e no exterior.
Outro importante fator que solidifica as bases deste projeto é o fato de
a cidade de Sertãozinho possuir amplo parque industrial voltado para a área
metal-mecânica, fornecendo peças, equipamentos e serviços para grande
quantidade de empresas do país e do exterior. Os principais clientes estão no
setor de produção sucroalcooleira (açúcar, álcool e energia) e em vários outros
segmentos industriais o que dá a este parque industrial características distintas
das encontradas na região metropolitana.
Uma destas características relevantes é a grande necessidade de
inovação tecnológica e pesquisa aplicada, para atender ao crescimento
exponencial do setor nos últimos anos, bem como aos requisitos técnicos
para a exportação dos produtos. Assim, é importante e urgente desenvolver
pesquisas que integrem as necessidades das indústrias ao conhecimento
disponível no meio acadêmico.
3. BREVE FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Aços Inoxidáveis Duplex
Os aços inoxidáveis dúplex são aços que possuem microestrutura
ferrítico-austenítica em que as duas fases são inoxidáveis, ou seja, apresentam
teores de cromo de pelo menos 13% em peso. Na prática, esse termo é
reservado para ligas em que as duas fases estão presentes em volumes
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separados relativamente grandes e em frações volumétricas aproximadamente
iguais [NILSSON, 1992].
O aço inoxidável dúplex possui excelentes propriedades mecânicas,
com limite de escoamento duas a três vezes o limite de escoamento de aços
austeníticos, mantendo bons níveis de ductilidade e tenacidade [NILSSON,
1992; REICK, 1992; HAYES, 1990; SCHAEFFLER, 1949]. Além disso, o aço
inoxidável dúplex apresenta alta resistência a várias formas de corrosão, tais
como generalizada, por pite, por frestas, intergranular e sob tensão [NILSSON,
1992; REICK, 1992].
Outro importante fator é o fato de o comportamento mecânico dos aços
inoxidáveis dúplex estar intimamente relacionado com a característica de cada
fase; por isso o balanceamento entre as frações volumétricas de austenita e
ferrita deve estar próximo de 50% para cada uma das fases, a fim de serem
maximizadas as propriedades mecânicas.
A alta resistência mecânica e a boa tenacidade associadas à alta
resistência à corrosão intergranular, sob tensão e à corrosão e fadiga
termomecânica permitem o uso dos aços inoxidáveis dúplex em numerosas
aplicações nas atividades industriais, como nos segmentos químico,
petroquímico, polpa e papel, geração de energia e extração de petróleo e gás
(DUPOIRON, 1996; SEDRIKS, 1996; SHEK, 1997; RYAN, 2002; SANTOS,
2008; GHENO, 2008).
A resistência à corrosão é determinada pela capacidade que esses
materiais têm de se passivar e permanecer nesse estado no ambiente a
que estiver exposto. Essa propriedade está relacionada, principalmente,
aos elementos de liga presentes na composição química do aço, embora
outros fatores como tamanho de grão, distribuição e morfologia de inclusões,precipitação de fases e qualidade da superfície também exerçam influência.
Os mecanismos de corrosão mais comuns são: corrosão por pite e corrosão
sob tensão. Geralmente, os aços inoxidáveis dúplex apresentam elevada
resistência a todos esses mecanismos. [DEGARMO, 2003; SANTOS, 2008].
A excelente combinação de resistência à corrosão, resistência
mecânica, tenacidade, soldabilidade e baixo teor de níquel, que é um
elemento de alto custo, torna os aços inoxidáveis dúplex adequados para
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muitas aplicações em vários segmentos industriais, como mostra a Tabela 3.1
[NILSSON, 1992].
Tabela 3.1 Aplicações de aços inoxidáveis dúplex em vários segmentos
industriais [NILSSON, 1992].
SegmentoIndustrial
Tipo de Aço23%Cr, semMo, PRE=25
22%Cr + Mo,30
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3.2 Microestrutura de aços inoxidáveis dúplex
A presença de microestrutura bifásica nos aços inoxidáveis é
determinada principalmente pelos teores de Fe, Cr e Ni. Um diagrama de fases
para um inoxidável dúplex, considerando somente Fe, Cr e Ni na composição
[SEDRIKS, 1996].
Figura 3.1 Isopleta para 65%Fe-Cr-Ni [SEDRIKS, 1996].
A quantidade de ferrita na microestrutura varia com a temperatura.
Dependendo da composição química, a liga pode solidificar como ferrita ou
austenita. Um material com 65% de Fe, 25% de Cr e 10% de Ni solidifica como
ferrita ocorrendo a precipitação de austenita durante o resfriamento. Quanto
mais lenta a taxa de resfriamento, maior a quantidade de austenita formada,
pois dessa forma o sistema pode aproximar-se mais do estado de equilíbrio.Comercialmente, é muito empregado um tratamento térmico no intervalo
de 1050-1150ºC seguido de resfriamento em água para obter proporções
aproximadamente iguais de ferrita e austenita.
O diagrama de Schaeffler [SCHAEFFLER, 1949] e sua modificação por
DeLong [LONG, 1973] não podem ser aplicados a aços inoxidáveis dúplex
trabalhados porque refletem a ferrita formada na solidificação, em vez de
considerar a ferrita desenvolvida por trabalho a 1000-1200ºC [SOLOMON,1982].
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Os elementos de liga são adicionados para a obtenção de propriedades
específicas. Por exemplo, Mo melhora a resistência à corrosão em ambientes
contendo cloretos, com maior resistência à corrosão por pite, por frestas e sob
tensão. A presença de C aumenta a resistência mecânica e ao desgaste e a de
N melhora a resistência à corrosão por pite, além de promover endurecimento.
Os elementos C, N, Ni, Mn, Co, Cu e Al concentram-se preferencialmente na
austenita, enquanto os elementos P, Cr, Si, Mo, W, Nb e Ti concentram-se na
ferrita [REICK, 1992].
É bem conhecido que a resistência à corrosão por pite depende dos
teores de Cr, Mo e N. O PREN ( pitting resistance equivalent number ), índice de
pite, é um parâmetro composicional empírico para determinar a resistência à
corrosão por pite, dado por [SEDRIKS, 1986]:
peso) em(% N%16Mo%3,3%Cr PREN ⋅+⋅+=
Os aços inoxidáveis que têm valores de PREN maiores que 40
são chamados superdúplex. Esses aços contêm maiores teores de Cr,
Mo e N e por isso têm maior resistência à corrosão por pite e por frestas.
Entretanto, a resistência à corrosão por pite e por frestas também depende da
microestrutura, das fases eventualmente precipitadas no aço [SEDRIKS, 1986]
].
3.3 Corrosão de aços inoxidáveis dúplex
3.3.1 Corrosão em meio ácido
A estrutura bifásica de ferrita e austenita dos aços inoxidáveis dúplex
leva a alguns aspectos particulares do comportamento quanto à corrosão,
devido a diferenças de composição entre as fases. Cr e Mo tendem a
concentrar-se na ferrita, enquanto a austenita apresenta maiores teores de Ni,
C e N [SOLOMON, 1982].
Dependendo da composição do dúplex, do meio corrosivo e do potencial
eletroquímico, pode ocorrer dissolução preferencial da ferrita ou austenita[SYMNIOTIS, 1990, LO, 2006 ].
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A resistência à corrosão generalizada, intergranular, sob tensão e por
pites é diminuída por alterações microestruturais, tais como mudanças nas
frações volumétricas e na composição de ferrita e austenita, precipitação
de intermetálicos como fase σ, de nitretos e carbonetos de cromo, gerando
regiões empobrecidas nesse elemento [MAGNABOSCO, 2003]
3.3.2 Corrosão por pite
Aços inoxidáveis, em particular os aços inoxidáveis dúplex, são úteis
por causa da existência de filmes passivos, que são camadas de óxido finas,
formadas naturalmente sobre a superfície metálica e que reduzem muito a
taxa de corrosão. Entretanto, os filmes passivos são suscetíveis à ruptura
localizada, por pite ou por frestas [OLSSON, 2003].
Pites podem não só provocar vazamentos em tanques, tubulações
e recipientes, como também levar a outras causas de falha como corrosão
sob tensão, fragilização por hidrogênio ou fadiga associada à corrosão
[MÉSZÁROS, 2005; MAGNABOSCO, 2003].
A corrosão por pite que ocorre em três estágios: ruptura do filme
passivo, aparecimento de pites metaestáveis e crescimento estável de pites
é um fenômeno auto-catalítico, pois, quando um pite começa a crescer, as
condições desenvolvidas são tais que é promovido crescimento adicional.
O ambiente local dos pites torna-se empobrecido no agente catódico (por
exemplo, oxigênio) e enriquecido em cátions metálicos e cloretos, que migram
para o interior dos pites para manter a eletroneutralidade. Dentro dos pites,
os valores de pH são muito baixos, como resultado da hidrólise de cátions
metálicos. Assim, forma-se um meio ácido e contendo cloretos, que é muito
agressivo e tende a propagar o crescimento de pites [SATO, 1990].Esses mecanismos são descritos em metais puros, mas pites são
freqüentemente associados a inclusões e partículas de segunda fase. As
propriedades eletrônicas do filme passivo, que é semicondutor, influenciam a
sua ruptura [HAUPT, 1995].
Regiões empobrecidas em Cr e Mo ao redor da fase σ são locais
preferenciais para nucleação de pites e seu crescimento ocorre por dissolução
preferencial dessas regiões, com dificuldade de repassivação com a reversão
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da varredura de potencial [MAGNABOSCO, 2005].
3.4 Processos de Soldagem
Existem diversas maneiras de unir duas partes metálicas. Entre elas
está a soldagem, que é um processo de junção, utilizando uma fonte de calor,
com ou sem aplicação de pressão.
A soldagem envolve muitos fenômenos metalúrgicos como, por exemplo,
fusão, solidificação, transformações no estado sólido, deformações causadas
pelo calor e tensões de contração, que podem causar muitos problemas
práticos [MARQUES, 2005; WAINER, 1992].
Os processos de soldagem podem ser classificados de acordo
com o tipo de fonte de energia ou de acordo com a natureza da união.
Industrialmente, os processos de soldagem mais empregados são os que
utilizam a eletricidade como geração da energia para realizar a união. Para
promover a fusão entre as duas partes que serão unidas pode-se utilizar o
arco elétrico ou a resistência elétrica, através do aquecimento por efeito Joule.
A soldagem por resistência envolve as seguintes variantes de processo:
soldagem a ponto, soldagem com costura, soldagem topo-a-topo e soldagem
com ressalto. Já a soldagem com arco elétrico pode ser subdividida entre
soldagem com eletrodo consumível e soldagem com eletrodo não consumível.
No primeiro caso estão englobados os processos de soldagem com eletrodo
revestido, processo de soldagem MIG/MAG, processo de soldagem com
eletrodo tubular e processo de soldagem com arco submerso. Os processos
que utilizam eletrodo não consumível são soldagem TIG e soldagem com
plasma [MARQUES, 2005; WAINER, 1992]. Todos os processos citados
podem ser utilizados para a soldagem dos aços inoxidáveis [MODENESI,
2001]. A escolha do processo de soldagem envolve basicamente quatro fatores
[MARQUES, 2005; WAINER, 1992]:
i) projeto da junta: As juntas mais usuais são classificadas como: topo,
ângulo, sobreposta e canto. Dependendo da espessura do material a ser
soldado, as bordas podem ser preparadas com diversos processos, sejam a
quente (oxicorte e plasma) ou a frio (jato de água, processos de usinagem).
Se o material a ser soldado é um aço inox ou um não ferroso, dificilmente
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o processo de oxicorte seria utilizado. Da mesma maneira, no processo de
preparação a quente das juntas de alguns materiais (aços baixa e média
liga, aços inoxidáveis martensíticos, ligas de alumínio endurecíveis por
precipitação,...), a zona afetada pelo calor deve ser eliminada, dependendo da
aplicação desejada.
Outro fator a ser considerado é a penetração que foi projetada para
o cordão de solda e a posição de soldagem. A soldagem nas posições
sobrecabeça e verticais ascendente e descendente apresenta uma dificuldade
maior de execução do que nas posições plana e horizontal, devido a ação da
gravidade. Nem todos os processos de soldagem são utilizados em todas as
posições.
ii) espessura do material: Durante a concepção e o projeto da junta
deve-se avaliar também a espessura do material a ser soldado. Dependendo
dela é necessária a operação de preparação da borda da chapa (chanfro).
iii) natureza do material a ser soldado: Quando se fala na escolha do
processo baseado no tipo de material deve-se ter em mente as seguintes
características: propriedades físicas (condutividade térmica, coeficiente de
expansão térmica linear, etc...); temperatura do ponto de fusão; reatividade do
material com o ar e prováveis fragilizações do material durante a soldagem.
iv) custo de fabricação: O custo do equipamento deve ser baseado na
sua aplicação. Dependendo dela, os requisitos de qualidade podem ser mais
ou menos rigorosos. Isso significa que um processo que é caro para uma
dada aplicação com muito pouca responsabilidade pode ser barato para outra
aplicação. Outro fator muito desejado é o aumento da produtividade sem a
perda da qualidade. Nesses casos, a taxa de deposição dos processos de
soldagem é bastante importante.
4. METODOLOGIA
4.1 Material
Será analisado um aço inoxidável dúplex fornecido pela Villares Metals
na forma de barras. A composição química será análisada no laboratório de de
espectroscopia de massa, da FATEC de Sertãozinho.
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4.2 Tratamentos térmicos
O material será tratado termicamente para obter proporções
aproximadamente iguais de ferrita e austenita na microestrututra. As amostras
serão resfriadas em óleo.
4.3 Caracterização estrutural
A caracterização estrutural das amostras de aço inoxidável dúplex será
feita por difração de raios-X (DRX) em um equipamento Siemens D5005,
usando radiação de Cu do Laboratório de Caracterização Estrutural do DEMa
- UFSCar. A identificação das fases presentes será baseada na pesquisa do
banco de dados PDF (Powder Diffraction File) do JCPDS (Joint Committee on
Powder Diffraction Standards).
4.4 Caracterização microestrutural
Os ensaios de caracterização microestrutural, após os tratamentos
térmicos, serão desenvolvidos por microscopias ótica (MO) e eletrônica de
varredura (MEV).
As amostras serão embutidas em baquelite, lixadas e polidas. A
seguir, serão atacadas com Beraha’s: 90 ml H2O + 10 ml HCl 37% + 0,8
g de metabissulfito de potássio, segundo a norma ASTM E407-93. Esse
reagente permite obter excelente contraste entre a ferrita e austenita. Para as
observações no MEV as amostras serão submetidas a polimentos e ataques
leves sucessivos.
A obtenção da quantidade das fases será feita em um microscópio ótico
Zeiss com apliação de até 1000x da FATEC de Sertãozinho. A microestrutura
e a microanálise química será feita em um microscópio eletrônico de varredurado Laboratório de Caracterização Estrutural do DEMa – UFSCar.
4.5 Caracterização das propriedades mecânicas
4.5.1 Ensaios de Microdureza
A resistência de um metal a penetrações é uma medida de sua dureza e
também uma indicação de sua resistência. Para executar o ensaio de dureza,
uma carga fixa força o penetrador no corpo de prova. A profundidade depenetração ou o tamanho da impressão é medido.
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Para obter valores de dureza das fases ferrita e austenita e correlacioná-
los com o envelhecimento, serão realizados ensaios de microdureza Vickers
utilizado um microdurômetro da Future-Tech Corp. (Tóquio, Japão), modelo
FM-7E com carga de 25 g e tempo de carregamento de 15 segundos, conforme
norma ASTM E 384. Serão obtidos a média e desvio padrão dos valores de
microdureza com base em 10 impressões em cada fase.
4.5.2 Resistência à fadiga
Em todo o processo de fadiga pressupõe-se a ocorrência de esforços
cíclicos cuja tensão máxima fica abaixo da tensão limite de resistência do
metal.
Nesse ensaio de fadiga será colocado o corpo de prova em uma
máquina que aplica repetidamente o mesmo ciclo de carregamento, que inclui
tensão máxima, tensão mínima, amplitude de tensão, tensão média, período,
freqüência, tipo de onda, etc. A resistência à fadiga é calculada pelo número de
ciclos que o metal sofre antes de atingir o ponto de fratura.
4.5.3 Ensaio de impacto Charpy
O ensaio de impacto Charpy tem sido extensivamente usado nos
ensaios mecânicos de produtos de aço e em pesquisa por mais de quatro
décadas. O ensaio de impacto Charpy está relacionado com o comportamento
do material sujeito a carregamento dinâmico (altas taxas de carregamento) e a
um estado triaxial de tensões associado a um entalhe em V.
Nesse ensaio, o corpo de prova é colocado em um suporte por meio
de um dispositivo de centralização. O martelo, preso a uma altura determinada
para fornecer uma energia cinética conhecida no momento do impacto como corpo de prova, é liberado e rompe o corpo de prova na região do entalhe,
continuando sua trajetória até certa altura. A medição da energia absorvida no
impacto é feita por meio de um cursor que acompanha o martelo em todo o seu
curso até seu retorno, indicando a diferença entre a energia inicial e a energia
final do martelo.
Para ensaios com temperatura controlada, o tempo entre a retirada
do corpo de prova do banho e a sua fratura não deve exceder 5 seg. O tempo
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de permanência do corpo de prova à temperatura de ensaio deve ser de, no
mínimo, 10 min para meios líquidos.
As curvas de energia absorvida, expansão lateral ou percentual
de fratura por cisalhamento apresentam uma variação semelhante com a
temperatura (Fig. 4.1).
Figura 4.1 - Energia absorvida na fratura em função da temperatura
4.5.4 Ensaio de tenacidade à fratura
Para que a tenacidade à fratura seja considerada uma propriedade
do material deve ser independente de tamanho, geometria e níveis de
carregamento para um material com uma determinada microestrutura.
Uma medição confiável de tenacidade à fratura é um pré-requisito parao projeto de componentes estruturais com base nos princípios da mecânica da
fratura.
4.6 Soldagem do aço inox duplex
A soldagem das amostras de aço inox dupléx serão feitas através
de diferentes processos: processos de soldagem com eletrodo revestido,
processo de soldagem MIG/MAG, processo de soldagem com eletrodo tubulare processo de soldagem com arco submerso. Os processos que utilizam
eletrodo não consumível são soldagem TIG e soldagem com plasma. Todos os
processos citados podem ser utilizados para a soldagem dos aços inoxidáveis
[MODENESI, 2001].
Será analisado o processo que apresentar melhor resultado em termos
estruturais e mecânicos.
5. RESULTADOS ESPERADOS
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5.1 Progresso Científico
1. Compreensão dos fenômenos físicos e químicos que determinam as
propriedades mecânicas e microestruturais em aços inox dúplex.
2. Publicação de artigos científicos em periódicos especializados e
apresentação de trabalhos científicos em seminários e congressos na área de
materiais e na área de soldagem.
3. Contribuição para a formação de recursos humanos especializados no
assunto.
4. Aumento da capacitação regional na área de processos de soldagem
em aço inox dúplex.
5.2 Progresso Tecnológico
1. Consolidar o conhecimento dos processos de soldagem e a influência
desses em propriedades dos materiais.
2. Possibilidade de transferência de tecnologia para o setor privado, caso
haja interesse.
6. CRONOGRAMA
I – PRIMEIRO TRIMESTRE
Revisão Bibliográfica
Fabricação dos corpos de prova
Tratamento térmico e superficial
Análise química
Caracterização estrutural e microestrutural
II – SEGUNDO TRIMESTRE
Ensaios de microdureza
Ensaio de tração
Ensaios Charpy
III – TERCEIRO TRIMESTRE
Processos de Soldagem
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Elaboração e envio de artigos para congresso, simpósio e revistas
nacionais e internacionais
Relatório final
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8/16/2019 Exemplo Iniciação
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