CURSO DE METALURGIA DA SOLDAGEMElaborada pelo Engenheiro M.Sc. Jeferson F. M. Costa

Pertence a Paulo Ricardo da Silva Maranho Promotor de vendas Corte & Solda

Primeira Edio(Draft) Ano 2004

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Objetivo do cursoFornecer conceitos bsicos sobre metalurgia da soldagem dos aos carbono, baixa liga e inoxidveis, alm do alumnio e suas ligas, de modo a permitir que os participantes possam identificar os principais problemas metalrgicos associados soldagem desses materiais.

Contedo Fundamentos da Metalurgia Fsica Sistemas cristalinos Difuso Diagramas de equilbrio Diagrama Fe-C / Fe-Fe3C Curvas de resfriamento (TTT e CCT) Tratamentos trmicosMetalurgia da Soldagem Aspectos trmicos da soldagem Zona fundida Zona termicamente afetada Controle do ciclo trmico na soldagem Trinca a frio Trincas a quente Fissurao lamelar Porosidade Tenses e deformaes na soldagem Soldabilidade dos aos carbono e baixa liga Soldabilidade dos aos inoxidveis Soldabilidade do alumnio e suas ligas

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METALURGIA DA SOLDAGEM 1 IntroduoO estudo da soldagem envolve vrios fenmenos metalrgicos fuso, solidificao, difuso, precipitao, transformaes no estado slido, entre outros- que provocam modificaes nas propriedades do material e podem produzir descontinuidades estruturais, alm de modificar significativamente o estado de tenses reinante.. Atravs de alguns princpios metalrgicos, possvel controlar essas alteraes produzidas pela soldagem e evitar a falha prematura do material. O estudo da metalurgia da soldagem um campo especfico, no qual se adapta os conceitos da metalurgia convencional ao universo da junta soldada. A metalurgia fsica uma importante ferramenta no estudo da metalurgia da soldagem, e por essa razo, inicialmente ser feita uma rpida reviso dos principais conceitos da metalurgia fsica pertinentes, para que em seguida eles possam ser aplicados no estudo da metalurgia da soldagem.

2 Metalurgia FsicaA metalurgia a arte e a cincia da produo dos metais e ligas metlicas com a forma e as propriedades convenientes sua utilizao prtica. Portanto, a metalurgia abrange desde a obteno dos metais a partir de seus respectivos minrios, at o desenvolvimento de novas ligas com caractersticas especiais para a indstria aeroespacial. A metalurgia dividida em ramos que estudam aspectos diferentes da natureza dos metais. A metalurgia fsica se ocupa do estudo das estruturas dos metais e suas ligas, com a finalidade de conceber e produzir as estruturas que conferem as melhores propriedades.

2.1 - Os MetaisOs metais so elementos qumicos eletropositivos, em geral slidos, brilhantes, bons condutores de calor e eletricidade. Devido a sua alta afinidade pelo oxignio e enxofre, os metais so encontrados na natureza, na maior parte das ocorrncias, em sua forma oxidada (xidos e sulfetos). A transformao do minrio (mineral rico no metal de interesse) em metal reduzido uma operao que demanda grande quantidade de energia e um controle estrito das variveis do processo. Os metais so os materiais industriais mais empregados atualmente, principalmente pelo conjunto de suas propriedades, das quais pode-se destacar as suas propriedades mecnicas (ductilidade, tenacidade, resistncia mecnica, etc.), bem como sua soldabilidade. Outro aspecto importante, sua disponibilidade na natureza. Os metais podem ser empregados puros ou na forma de ligas metlicas. O ao (liga Fe-C) o material metlico mais amplamente utilizado para fins industriais. Existem diversos tipos de aos que so produzidos pela indstria siderrgica, a partir do minrio de ferro (mineral rico em Fe2O3 (Hematita) e/ou Fe3O4 (Magnetita)). O processo de fabricao do ao 5

uma operao termoqumica realizada em duas etapas: a primeira no alto-forno para produzir o gusa (liga Fe-C com elevado teor de carbono) e a segunda para promover a reduo do gusa ao ao nos conversores (figura 1).

CoqueMinrio de Ferro

Fundentes

AoConversor

Carga (matria-prima)

Alto-forno

Figura 1 Fluxograma esquemtico para a produo do ao

2.2 - Estrutura Cristalina dos MetaisOs metais se solidificam formando cristais, ou seja, um arranjamento regular e repetitivo de tomos nas 3 dimenses espaciais. Esse arranjo ordenado de tomos chamado de reticulado cristalino, e responsvel por muitas das propriedades dos metais. As estruturas cristalinas mais comuns entre os metais so: Cbica de Corpo Centrado (CCC); Cbica de Face Centrada (CFC); Hexagonal Compacta (HC). A figura 2 apresenta a configurao das clulas unitrias (menor poro representativa do reticulado cristalino) desses trs tipos de sistema cristalino.

Figura 2 (A) Clula unitria do sistema Cbico de Corpo Centrado, (B) Oito clulas CCC formando um reticulado cristalino (C), Clula unitria do sistema Cbico de Face Centrada e (D) Clula unitria do sistema hexagonal compacto. Pode-se observar na figura 2(B) um arranjamento de oito clulas unitria cbicas de corpo centrado formando um pequeno reticulado cristalino. Nesse reticulado fcil verificar que o tomo a assinalado na figura, participa das oito clulas unitrias. Portanto, quando se faz a contagem do nmero de tomos por clula unitria, o tomo a, assim como todos os outro sete tomos que se posicionam no vrtice da clula unitria, so contados como 1/8. Dessa forma, numa clula unitria CCC existem 2 tomos (um que ocupa o centro da clula e oito tomos dos vrtices que participam 6

com 1/8 cada um = 1 + (8 * 1/8) = 2). Fazendo o mesmo raciocnio, chega-se a concluso que na clula unitria do sistema cbico de face centrada (CFC), o nmero de tomos por clula unitria de 4 tomos (oito tomos dos vrtices que participam com 1/8 cada um e seis tomos do centro de cada face que participam com 1/2 cada um = (1/8 * 8) + (1/2 * 6) = 4). Para a clula unitria do sistema hexagonal compacto, o nmero de tomos por clula unitria igual a 6 (so doze tomos nos vrtices que pertencem a seis clulas, dois tomos no centro das faces hexagonais que pertencem a duas clulas e trs tomos no centro que s pertencem a clula unitria em questo = (1/6 *12) + (1/2 * 2) + (1 * 3) = 6). A representao esquemtica apresentada na figura 2 mostra a posio relativa dos tomos na clula unitria de forma mais fcil de visualizar. Entretanto, o modelo das esferas rgidas mais precisamente representado por esferas slidas, como bolas de bilhar, que se atraem formando os reticulados cristalinos. A figura 3 apresenta as clulas unitrias dos sistemas CCC e CFC, segundo o modelo das esferas rgidas. O sistema CFC possui planos compactos (plano no qual cada esfera tangencia todas as seis esferas vizinhas, criando uma condio de mxima compactao). O plano compacto que existe no sistema CFC torna-se mais evidente quando o tomo do vrtice retirado (figura 3B). A existncia dos planos compactos explica a maior capacidade de deformao plstica e tenacidade dos metais que se cristalizam segundo este sistema, pois os mecanismos de deformao ocorrem preferencialmente e com menor demanda de energia nesses planos compactos. A tabela 1 apresenta a relao dos principais metais e suas respectivas estruturas cristalinas.

Tabela 1 Tipo de estrutura cristalina para os principais metais Estrutura cristalina CFC CCC HC Metais alumnio (Al), cobre (Cu), ouro (Au), chumbo (Pb), nquel (Ni), prata (Ag), cobalto (Co)*, ferro (Fe)** cromo (Cr), ferro (Fe)**, molibdnio (Mo), nibio (Nb), titnio(Ti)***, tungstnio (W), vandio (V), zircnio (Zr)*** cobalto (Co), magnsio (Mg), estanho (Sn), titnio(Ti)***, zinco (Zn), zircnio (Zr)***

*O cobalto possui estrutura CFC a altas temperaturas, mas se transforma na estrutura HC a baixas temperaturas. **O ferro possui estrutura CCC prximo a temperatura de fuso e a temperatura ambiente, mas a temperaturas intermedirias sua estrutura CFC. ***O titnio e o zircnio possuem estrutura CCC a temperaturas elevadas e estrutura HC a temperaturas baixas.

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Figura 3 Modelo das esferas rgidas para (A) Clula unitria do sistema CFC (B) Mesmo modelo sem a esfera do vrtice superior, evidenciando o plano compacto (C) Clula unitria do sistema CCC.

2.3 - Estrutura PolicristalinaOs materiais industriais so formados por vrios cristais ou gros, como normalmente so designados os cristais. Cada gro possui a mesma estrutura cristalina que tpica do metal, mas a orientao do reticulado varia de um gro para outro. Na figura 4, tem-se uma chapa metlica, na qual se representa esquematicamente a granulao da sua seo transversal. No detalhe dessa mesma figura, pode-se observar que a orientao cristalogrfica varia de um gro para o outro. Entre um gro e seu vizinho imediato existe uma regio na qual o arranjamento da estrutura cristalina perturbada devido a diferena de orientao que existe entre os gros. Essa regio que se delineia claramente chamada de contorno de gro. Os contornos de gro formaram uma rede contnua por todo o metal. As propriedades mecnicas do metal dependem do tamanho de gro, da orientao dos gros individualmente e da composio qumica do metal. Os contornos de gro so regies de alta energia devido a entropia provocada pela quebra da organizao cristalogrfica, sendo portanto, stios preferenciais para ocorrncia de reaes de precipitao, transformao de fase e outros fenmenos metalrgicos que sero estudados posteriormente.

Figura 4 Estrutura policristalina de um material industrial, evidenciando o contorno de gro no detalhe. 8

Os contornos de gro so descontinuidades estruturais, no sentido que representam uma interrupo na regularidade do reticulado cristalino. Existem outras descontinuidades, que como os contornos de gro, so importantes na determinao das propriedades do material. As lacunas so descontinuidades estruturais que consistem na ausncia de um tomo numa das posies do reticulado cristalino. As lacunas existem em quantidade aprecivel no reticulado, sendo que sua quantidade depende essencialmente da temperatura. Quanto mais elevada a temperatura, maior a quantidade de lacunas em equilbrio no reticulado cristalino. As lacunas possuem um papel de destaque no mecanismo de difuso. A figura 5 apresenta um reticulado cristalino com a presena de lacunas. No reticulado cristalino existem tomos dissolvidos, quer seja de impurezas que aparecem como conseqncia do processo de produo dos metais ou de fabricao de produtos metlicos, quer seja de elemento de liga que so introduzidos intencionalmente para desenvolver uma propriedade especfica que o metal puro no apresenta. (formao de ligas metlicas). Os tomos dissolvidos so descontinuidades no reticulado cristalino que provocam distoro na rede. Essa distoro na rede cristalina responsvel pelo aumento da resistncia mecnica e dureza das ligas metlicas em relao ao metal puro.. Esses elementos qumicos dissolvidos na matriz so solutos de uma soluo slida, na qual o solvente o metal-matriz. O soluto se dissolve no reticulado cristalino do metal puro de duas formas: Elemento substitucional forma uma soluo slida substitucional e ocorre quando os tomos de soluto substituem os tomos do metal nas posies do reticulado cristalino. Em geral, a soluo slida substitucional ocorre quando o dimetro atmico do soluto prximo a do solvente. A figura 5(A) ilustra a representao esquemtica desse tipo de soluo slida. Exemplo desse tipo de soluo slida o sistema Cu-Ni e Au-Ag. Elemento intersticial forma soluo slida intersticial e ocorre quando os tomos de soluto so pequenos em relao ao metal da matriz e se posicionam nos espaos vazios entre os tomos do reticulado cristalino da matriz metlica. A figura 5(B) ilustra esquematicamente esse tipo de soluo slida. Exemplo desse tipo de soluo slida a solubilizao de pequenos teores de C, N, B, O e H2 intersticialmente no Fe e outros metais. importante observar que, em geral, as ligas possuem tanto os elementos intersticiais como os substitucionais dissolvidos, simultaneamente.

tomo de solvente tomo substitucional tomo intersticial Lacuna Figura 5 - Descontinuidades estruturais: lacunas, tomos intersticiais e tomos substitucionais.

Outra importante descontinuidade estrutural a discordncia. Esta consiste na existncia de um plano de tomos que subitamente interrompido (semiplano). As discordncias so importantes 9

para explicar o mecanismo de deformao plstica, ou seja, as deformaes permanentes que acontecem nos materiais metlicos. A figura 6 apresenta o arranjo atmico num plano normal a uma discordncia em aresta.

Figura 6 - Representao esquemtica de um arranjo cristalino com discordncia em cunha.

2.4 - DifusoA difuso um processo termicamente ativado ( acelerado pelo aumento da temperatura) no qual os tomos se movimentam no reticulado cristalino. Esse fenmeno particularmente importante nas solues slidas intersticiais e substitucionais, pois permite a movimentao dos tomos de soluto na matriz metlica, permitindo sua efetiva redistribuio. A difuso mais rpida nos contornos de gro do que no interior dos cristais. A velocidade de difuso na superfcie livre ainda maior que nos contornos de gro. Esse fato devido a existncia de estruturas mais abertas nos contornos de gro e nas superfcies livre, havendo portanto, maior facilidade para a movimentao dos tomos. A difuso de tomos intersticiais mais fcil que a dos tomos substitucionais, pois a movimentao dos primeiros ocorre de entre espaos intersticiais, que no dependem de lacunas. A fora motriz para o processo difusional a variao de composio qumica. Quando a concentrao de soluto varia gradualmente na matriz, estabelece-se a condio para que haja a difuso, no sentido de distribuir homogeneamente o soluto pela matriz metlica. Quanto maior for a temperatura, maior ser a vibrao dos tomos (energia cintica), maior ser a quantidade de lacunas (que facilitam o mecanismo de migrao de tomos), maior ser o espaamento entre os tomos do reticulado cristalino, e portanto, mais efetivos sero os mecanismos de difuso. A difuso um dos fenmenos metalrgicos mais importantes, pois atravs deste processo que os tomos se movimentam na estrutura para se redistriburem e reagirem, transformando-se em fases com propriedades, dimenses e morfologia completamente diferentes. O controle do processo difusional feito atravs do controle da temperatura e do tempo a que o material submetido a um determinado intervalo de temperatura. A inibio do processo difusional para evitar transformaes indesejadas, pode ser feito da mesma forma, ou seja, no permitindo que o material permanea por um tempo suficientemente grande na temperatura na qual as reaes acontecem (controle da velocidade de resfriamento, por exemplo).

2.5 SolidificaoNo estado lquido, os tomos que compe o metal no apresentam ordenao como a do reticulado cristalino, o arranjamento amorfo como o da gua e do vidro. Quando a temperatura do metal 10

lquido se aproxima da temperatura de solidificao, partculas slidas designadas de ncleo, comeam a se formar em stios preferncias, conforme mostrado na figura 7A. Nessas partculas slidas, os tomos se organizam conforme a estrutura cristalina tpica do metal. Nos metais puros, a transformao de fase lquido/slido ocorre a temperatura constante, enquanto que nas ligas metlicas, a transformao de fase ocorre normalmente, numa faixa de temperatura denominada intervalo de solidificao. Os metais se solidificam formando uma estrutura que cresce preferencialmente segundo direes cristalogrficas especficas. Essa estrutura com crescimento orientado recebe a designao de dendrita devido a sua semelhana com ramos de rvores (dendron, em grego). A solidificao na prtica ocorre atravs de um processo de nucleao (heterognea) e crescimento de cristais devido ao gradiente trmico. A figura 7(B) mostra a continuao do processo de solidificao com o crescimento dos ncleos que se transformam em gros. A solidificao termina quando todo o metal lquido se transforma em metal slido (figura 7(C)). A estrutura obtida diretamente do processo de solidificao, como a das peas fundidas, grosseira e conhecida como estrutura bruta de fuso. O refinamento dessa estrutura bruta de fuso conseguido com o tratamento termo-mecnico, imposto ao produto semi-acabado fundido (lingote, por exemplo), com o objetivo de conferir forma, dimenses e propriedades mecnicas apropriadas . A figura 8 mostra esquematicamente a modificao estrutural provocada pelo processamento termo-mecnico em um lingote fundido.

Figura 7 Etapas do processo de solidificao: (A) Formao dos primeiros cristais (B) Formao dos gros colunares (C) Final da solidificao.

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Etapas sucessivas do processo de laminao

Lingote (estrutura bruta de fuso)

Figura 8 Modificao da estrutura dendrtica provocada pela laminao Entretanto, as peas que so empregadas na condio como fundida podem apresentar a formao de 3 regies com caractersticas bem distintas: zona coquilhada, zona de crescimento colunar e zona de crescimento equiaxial. A figura 9 apresenta o aspecto da estrutura bruta de fuso de uma pea fundida.

Figura 9 - Seo transversal de uma pea fundida identificando as trs zonas de solidificao.

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Durante a solidificao dos metais, tanto na soldagem como na fundio, alguns aspectos so particularmente importantes. O primeiro aspecto que a solubilidade de gases e impurezas na massa lquida maior que no slido. Desta forma, durante a solidificao ocorre a segregao destes produtos do slido na direo do lquido. Os principais efeitos causados pela segregao dessas impurezas so a formao de poros, trincas e o comprometimento das propriedades mecnicas. A contrao da massa metlica durante a solidificao outro efeito significativo, pois no caso da fundio, ela produz variao dimensional entre o molde e a pea fundida. Devido ao resfriamento diferencial, tenses internas significativas so geradas. Esses fatos junto com a segregao de impurezas explicam a recomendao de no introduzir cantos vivos em peas fundidas. A figura 10 mostra que nos cantos vivos h uma grande tendncia ao alinhamento das impurezas na bissetriz do ngulo reto, o que aliado s tenses residuais elevadas, promovem uma grande tendncia fissurao.

Figura 10 Tendncia fissurao no canto vivo de peas fundidas

2.6 - Ligas PolifsicasAs propriedades do metal ou liga metlica dependem da sua composio qumica, tamanho e morfologia dos gros e dos constituintes que se formam como resultado do processamento termomecnico. Esse conjunto de atributos composto pela morfologia e tamanho de gro, assim como os constituintes presentes, formam a microestrutura do material, que responsvel pelas suas propriedades fsicas e mecnicas. Portanto, a microestrutura determinada pela composio qumica do material e pelo seu histrico termo-mecnico. Os tomos adicionados ao reticulado cristalino do metal matriz, normalmente no se dissolvem em qualquer proporo nessa estrutura. Em geral, existem limites de solubilidade para cada espcie atmica, que normalmente variam com a temperatura. Portanto, a adio de teores de elementos de adio acima desses percentuais ir promover a formao de uma segunda fase, rica em soluto. A microestrutura da liga passar ento, a ser composta por grupos atmicos mesclados, ou seja , que possuem estruturas cristalinas diferentes. Esse tipo de liga conhecido como liga polifilsica , sendo que cada tipo de estrutura cristalina diferente denominada como uma fase diferente. Se a liga for lixada e polida adequadamente, e posteriormente atacada com um reagente qumico apropriado, essas diferentes fases podero ser visualizadas ao microscpio com ampliaes de 50X a 2000X. A tcnica de estudar a microestrutura dos metais atravs de amostras adequadamente preparadas conhecida como metalografia. Esse estudo muito importante, pois permite 13

estabelecer a relao entre as propriedades dos metais e suas ligas com a sua microestrutura. A figura 11 apresenta dois exemplos de ligas polifsicas.

Figura 11 Microestrutura de ligas polifsicas: (A) ao carbono e (B) Liga Alumnio-Silcio A maioria dos metais e ligas comerciais consiste de um elemento bsico (solvente) e a adio de pequenas quantidades de outros elementos (solutos). Os solutos podem ser adicionados intencionalmente para desenvolver alguma propriedade especfica ou ser resduo do processo de fabricao (impurezas). As ligas metlicas podem ser monofsicas ou polifsicas, sendo que cada fase possui uma fase cristalina caracterstica, e conseqentemente, suas propriedades. Os efeitos trmicos e mecnicos da soldagem, podem alterar a microestrutura, porm as modificaes ficam confinadas a uma regio do metal de base prximo solda. As mudanas metalrgicas que podem ocorrer nessa regio, conhecida com Zona Termicamente Afetada (ZTA), produzem um efeito pronunciado sobre o desempenho da estrutura soldada. Vrios dos fenmenos que afetam as propriedades mecnicas de uma liga, tanto a baixas temperaturas como nas temperaturas elevadas, ocorrem no contorno de gro, onde o arranjamento de tomos irregular. Devido presena de muitas lacunas e de irregularidades no reticulado cristalino, a distncia entre tomos maior que o normal, permitindo que os tomos se movimentem com maior facilidade. O processo difusional ocorre mais rapidamente nos contornos de gros que no interior, e por essa razo, as transformaes de fases, a segregao e todos os demais fenmenos que acontecem assistidos pela difuso ocorrem preferencialmente nos contornos de gros. A segregao de soluto e impurezas para os contornos de gros pode levar a formao de fases que afetam negativamente as propriedades do material, pela reduo da ductilidade, aumento da susceptibilidade fissurao durante a soldagem ou tratamento trmico, ou reduo da resistncia corroso. A prpria variao no tamanho de gro da zona termicamente afetada produzida pelo aporte de calor da soldagem, por si s, um efeito indesejado, pois o tamanho de gro impacta diretamente nas propriedades do material. Em baixas temperaturas, quanto menor o tamanho de 14

gro, maior a resistncia mecnica e a resistncia ao impacto. Em temperaturas elevadas, o material de granulao grosseira apresenta melhor resistncia mecnica que o de granulao fina.

2.7 - Transformao de FasesA alotropia o fenmeno que ocorre em alguns metais, que permite que eles modifiquem suas estruturas cristalinas quando aquecidos acima de uma determinada temperatura, denominada como temperatura crtica. No caso do ferro, sua transformao alotrpica apresentada na figura 12. Outros metais como urnio, hafnium, titnio, zircnio e cobalto tambm apresentam transformaes alotrpicas. A transformao alotrpica uma transformao de fase, de modo que nos metais puros ela acontece a temperatura constante, como pode ser observado na figura 12(B) para o caso do ferro. A adio de elementos de liga, a variao na taxa de resfriamento e a presena de tenses influenciam a temperatura na qual a transformao de fase ocorre. As ligas metlicas, formadas pela associao de dois ou mais metais (componentes da liga),usualmente, fundem e solidificam numa faixa de temperatura (com exceo das ligas eutticas, que fundem e solidificam a uma temperatura constante). As transformaes de fase no estado slido, normalmente, tambm ocorrem numa faixa de temperatura.

Figura 12 Alotropia do Ferro (A). Curva de resfriamento mostrando a transformao de fase (alotrpica) do ferro puro.

2.8 - Diagrama de Equilbrio de FasesAs transformaes metalrgicas como a solidificao e as mudanas de fases so mais bem ilustradas atravs do diagrama de equilbrio de fases. Esse grfico apresenta as fases em equilbrio para cada temperatura e composio de liga. O termo equilbrio significa que, para uma determinada condio de temperatura e presso, permite-se a evoluo do sistema para uma posio estvel. A anlise do diagrama de equilbrio de um dado sistema permite a determinao das fases presentes e a percentagem de cada uma delas para vrias composies de liga a uma dada temperatura. Os diagramas de fase tambm fornecem informaes acerca do ponto de fuso, solubilidade, e mudanas de fases que tendem a ocorrer com a variao da composio e/ou temperatura. Os diagramas de fases tambm so importantes ferramentas na anlise metalogrfica de soldas, uma vez que fornecem informaes sobre a microestrutura que seria obtida em condies de equilbrio. Entretanto, devido as altas velocidades de resfriamento que so prprias do processo 15

de soldagem, a microestrutura da solda, em geral, difere daquela que seria obtida sob condies de equilbrio. Como a maioria dos diagramas de equilbrio disponveis baseado em sistemas binrios (dois componentes), eles fornecem apenas uma descrio aproximada das ligas comercias; que possuem mais que dois componentes e alcanam condies de equilbrio apenas a altas temperaturas. Os diagramas de equilbrio podem ser construdos para sistemas contendo mais que dois metais, mas estes diagramas so complexos e de difcil interpretao. Apesar destas limitaes, os diagramas de equilbrio de fase so a melhor tcnica para estudar a maioria dos sistemas de liga. Na figura 13 apresentado o diagrama de equilbrio de fase do sistema Cu-Ni, que bastante simples. Neste sistema binrio, observa-se que os dois elementos apresentam completa solubilidade um no outro em todas as propores, em todas as temperaturas, tanto no estado lquido quanto no estado slido. Como pode ser observado nessa figura, os diagramas de equilbrio de fases so convencionalmente desenvolvidos com teor de soluto no eixo horizontal e a temperatura no eixo vertical. Na extremidade esquerda do diagrama est representada a liga 100% Ni, enquanto que na extremidade direita est a liga 100% Cu.

Figura 13 Diagrama de equilbrio de fases para o sistema Cu-Ni. No diagrama de equilbrio de fase da figura 13, a linha A delimita a temperatura acima da qual todas as ligas esto completamente no estado lquido. Essa linha denominada liquidus, acima desta temperatura , a nica fase presente metal lquido. A curva B delimita as temperaturas abaixo da qual todas as ligas encontram-se completamente no estado slido. Essa temperatura designada solidus. Todas as ligas no estado slido desse diagrama so soluo slida homogneas (monofsica), pois o cobre e o nquel so completamente solveis um no outro, em todas as propores. A liga 30% Cu 70% Ni tem grande importncia comercial e permanece slida at 1330C, a partir desta temperatura a liga comea a fundir, tornando-se completamente lquida a 1365C. Nas regies entre as curvas A e B, as fases slidas e lquidas coexistem. Diferente dos metais puros, a maioria das ligas funde e solidifica numa faixa de temperatura . Neste sistema , apenas o cobre puro e o nquel puro fundem e solidificam a temperatura constante.

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A regra da alavanca pode ser aplicada ao diagrama de equilbrio de fases com objetivo de obter informaes importantes sobre o processo de solidificao. Quando essa regra utilizada em diferentes nveis de temperatura na faixa de solidificao, pode-se demonstrar que a composio qumica da fase slida no intervalo de solidificao modifica conforme a temperatura cai. Portanto, quando as primeiras dendritas (cristais com forma de pequenas rvores) se formam pelo resfriamento lento da liga fundida (condies de equilbrio), sua composio muda e elas so mais ricas no metal com maior ponto de fuso do que o slido formado a menor temperatura. Os materiais podem apresentar uma estrutura heterognea se no forem submetidos a um tratamento trmico para homogeneizao de sua composio qumica. A figura 14 apresenta um exemplo de aplicao da regra da alavanca para um sistema composto pelos componentes hipotticos A e B. Quando a liga lquida composta por 60% do metal A e 40% do metal B resfriada at o ponto indicado pela letra T na linha tracejada vertical, a regra da alavanca implementada traando-se uma linha horizontal passando pelo ponto T, desde a linha Liquidus at a linha Solidus. No ponto onde a linha horizontal intercepta as linhas Liquidus e Solidus, traa-se linhas verticais para se determinar a composio do lquido e do slido formados, respectivamente. Assim, a quantidade de slido e de lquido remanescente temperatura T pode ser calculada pela proporo do segmento XY. A porcentagem de fase slida indicada pelo segmento XT, enquanto que a porcentagem de lquido determinada pelo segmento TY.

Figura 14 Diagrama de equilbrio para o sistema A-B ilustrando a aplicao da regra da alavanca. Percentual de lquido = TY XY Percentual de slido = XT XY A composio do slido formado na temperatura T obtida diretamente pela coordenada do ponto Y (aproximadamente 68%B e 32%A). Enquanto que a composio do lquido indicada pela coordenada do ponto X (aproximadamente 82%A a 18%B). O sistema prata-cobre possui um diagrama de equilbrio de fases mais complexo. Esse diagrama apresentado na figura 15 e bastante utilizado no desenvolvimento de ligas para serem aplicadas em brasagem. A fase slida existe como fase nica (monofsica) em duas regies do diagrama e como duas fases em outra regio (bifsica). A fase rica em prata designada como alfa ( ), enquanto que a fase rica em cobre denominada beta ( ). As duas fases so CFC, porm suas 17

composies qumicas e parmetro de rede (tamanho de clula unitria) so diferentes. Na regio entre as linhas Solidus e Liquidus, a fase lquida est em equilbrio com a fase ou . Finalmente, a regio designada por + contm gros de Alfa e de Beta.

Figura 15 Diagrama de equilbrio de fases para o sistema Ag-Cu Na figura 15, a linha que separa as regies na qual existe a fase e a fase + , representa o limite de solubilidade da prata no cobre. A solubilidade aumenta com o aumento da temperatura. Essa caracterstica, que comum a vrios sistemas de liga, torna possvel para algumas ligas o endurecimento por precipitao (os fundamentos dessa tcnica sero discutidos posteriormente). Esse diagrama de equilbrio de fases, que apresenta uma reao euttica, pode ocorrer quando os dois componentes de uma liga binria possuem solubilidade parcial. O euttico uma mistura fsica de duas ou mais fases. O nmero de fases igual ao nmero de componentes da liga. Ligas com a composio euttica solidificam a uma temperatura constante, como as substncias puras. Entretanto, o euttico constitudo por duas fases que se alternam, formando um constituinte lamelar.

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2.9 - Comportamento Metlicos

Mecnico

dos

Materiais

Os materiais metlicos respondem de forma distinta aos diferentes tipos de carregamento mecnico. Portanto, importante identificar e quantificar o tipo de carregamento a que o material est submetido quando em servio, para que se possa selecionar e dimensionar o material corretamente. Os tipos de carregamento mecnico elementar so apresentados na figura 16. Em geral, em condies de servio, os carregamentos encontrados so associaes de dois ou mais tipos de carregamento elementar.

Figura 16 Tipos de carregamento elementar. Outro aspecto importante com relao ao carregamento mecnico que influencia no comportamento do material a taxa de carregamento, ou seja, a velocidade segundo a qual os esforos mecnicos so aplicados. Essencialmente pode-se diferenciar o carregamento esttico do carregamento dinmico. O carregamento esttico aquele no qual o esforo mecnico aplicado progressivamente, com baixa velocidade, at atingir o valor da carga mxima. No caso do carregamento dinmico, o esforo aplicado de forma abrupta, atingindo rapidamente seu valor mximo. A taxa de carregamento pode modificar substancialmente a resposta do material solicitao mecnica. Quando o carregamento feito lentamente, o material tem tempo para acomodar as deformaes produzidas pelo esforo mecnico. Entretanto, quando a velocidade de carregamento aumenta, alguns mecanismos de deformao so inibidos e o material pode experimentar uma mudana de comportamento. Efeito semelhante produzido pelo abaixamento da temperatura que tambm pode restringir a capacidade de deformao plstica dos materiais. Os metais apresentam capacidade de deformao elstica, ou seja, enquanto a solicitao mecnica mantida aplicada sobre o material, este apresenta um valor de deformao que proporcional a fora aplicada. Quando o esforo mecnico retirado, a deformao desaparece. Essa capacidade de se deformar elasticamente observada at um determinado valor de carga, a partir do qual, mesmo quando o carregamento retirado o material continua a apresentar um valor residual de deformao (deformao plstica). O grfico da figura 17 apresenta uma curva associando os valores de fora de trao (eixo vertical) com os valores de variao de comprimento no eixo horizontal ( L). O comprimento inicial do corpo de prova L0 e quando se aplica um esforo trativo igual a F1, observa-se que o comprimento do corpo de prova aumenta para L1. Assim sendo, o alongamento relacionado a fora F1 foi L1= L1-L0. Aumentando-se progressivamente a fora e medindo o valor do alongamento respectivo, chega-se a curva traada na figura 17. Nessa curva observa-se uma parte inicial da curva que linear, ou seja, a fora proporcional ao alongamento. Esse comportamento linear corresponde regio de comportamento elstico, na qual o alongamento desaparece com a retirada 19

da fora. A partir de um determinado ponto do grfico, o material passa a apresentar deformao plstica (permanente) e a relao F x L deixa de ser linear.

Figura 17 Diagrama Fora x Alongamento para materiais metlicos. O grfico apresentado na figura 17 assume uma importncia ainda maior, quando ao invs da fora no eixo vertical se introduz o conceito de tenso, que representada pela letra grega sigma ( ). A tenso genericamente definida como a resistncia interna de um corpo a uma fora externa aplicada sobre ele, por unidade de rea (tenso= = Fora / rea). No caso do grfico levantado com valores de fora, toda vez que h variao na seo transversal do corpo de prova, o valor da fora para provocar o mesmo efeito se modifica. Quando o grfico levantado com os valores de tenso, observa-se que se obtm o mesmo efeito independente da seo transversal do corpo de prova. No eixo horizontal comum se plotar os valores de deformao, representada pela letra grega psilon ( ), que dada pela relao = L/L0. Um aspecto importante que como no ensaio de trao, assume-se que a seo transversal do corpo de prova constante durante o teste, os grficos F x L e x , possuem a mesma forma. A teoria de Hooke explica a relao linear entre a tenso e a deformao ( = E ) e introduz uma constante E denominada Mdulo de Elasticidade ou de Young. As unidades de tenso mais utilizadas so: o Pascal (Pa) que a unidade do Sistema Internacional (SI); a libra por polegada quadrada (psi) que a unidade do sistema ingls e o kgf/mm 2 que uma unidade prtica. A relao de correspondncia entre essas unidades a seguinte: 1MPa = 106 Pa = 145psi. A figura 18 (A) apresenta um grfico x tpico para materiais metlicos submetidos ao ensaio de trao. Na regio linear, o material possui comportamento elstico e a partir do ponto que a curva comea a no se comportar mais linearmente, o material apresenta comportamento elastoplstico (as deformaes apresentam componentes elstica e plstica). Na figura 18(B) so plotados dois diagramas x , um que representa o comportamento a trao de um material dctil e outro que se comporta de forma frgil. O material dctil aquele que possui uma significativa capacidade de se deformar plasticamente, portanto, no seu grfico observa-se uma regio elasto-plstica significativa. O material frgil aquele que praticamente no apresenta nenhuma ou baixa capacidade de se deformar plasticamente. Portanto, no grfico do material frgil, a regio elastoplstica nula ou muito pequena, pois o material atinge valores de ruptura antes de haver deformao plstica significativa.

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Regio de comportamento elstico

Regio de comportamento elasto-plstico

Comportamento dctil x frgil

O escoamento a transio entre os regimes elstico e elasto-plstico. o nvel de tenso a partir do qual observa-se valores significativos de deformao plstica. Em alguns materiais o escoamento aparece na forma de um patamar no diagrama tenso x deformao. Nos materiais nos quais no h escoamento ntido (patamar de escoamento) estabelecido um valor convencional de deformao plstica para caracterizar o escoamento. A tenso de escoamento ou limite de escoamento a propriedade utilizada nos clculos e dimensionamentos mecnicos por ser de mais fcil determinao que o limite elstico. A figura 19 ilustra os dois tipos de escoamento observados nos diagramas tenso x deformao de materiais metlicos. Se durante um teste de trao, aps o material ter ultrapassado o limite de escoamento, ao invs de continuar a aumentar o nvel de carregamento, se efetuar o descarregamento, se verificar um comportamento como o mostrado na figura 20. Ao atingir o ponto A, se o carregamento for sendo retirado gradualmente, o descarregamento ser efetuado pelo segmento AB, de modo que quando a tenso for zero, corresponder no grfico ao ponto B. Isso significa que a parcela da deformao total (segmento OC) que corresponde a deformao plstica (que permanece) o segmento OB, enquanto que o segmento BC corresponde a parcela da deformao elstica, pois ela recuperada quando o esforo retirado.

Patamar de Escoamento

Limite de escoamento convencional

Figura 19 Limite de escoamento para materiais metlicos 21

A

elast. - componente elstica da deformao total plast- componente plstica da deformao total O B C

plast

elast.

(%)

Figura 20 Ciclo de carregamento e descarregamento num ponto do grfico de trao No ciclo de carregamento e descarregamento pode-se observar um efeito importante da deformao plstica que o encruamento. O encruamento o aumento da dureza e do limite de escoamento por deformao plstica. Na figura 21 est ilustrado um ciclo de carregamento e descarregamento a partir de um ponto na regio elasto-plstica do material. No carregamento ao se atingir o ponto A, j houve deformao plstica e se for efetuado o descarregamento, esse acontecer seguindo a linha tracejada (paralela ao trecho linear do grfico). No ponto B do grfico o material est completamente descarregado. Se o material for novamente submetido ao ciclo de carregamento, este se dar agora , seguindo o segmento BA, de modo que o material s entrar em novo escoamento quando atingir o ponto A.

A

B

(%)

Figura 21 Ciclo de carregamento e descarregamento no ensaio de trao, evidenciando o efeito de encruamento.

22

No ensaio de trao, normalmente so determinadas as seguintes propriedades do material: Limite de Resistncia Mecnica = R = Fmax./A0 Limite de Escoamento = e = Fesc./A0 Alongamento percentual = A(%) = Lf - L0 / L0 Estrico percentual = Z(%) = A0 - Af / A0 A0=seo transversal inicial do corpo de prova Fmax = Fora mxima no teste Fesc = Fora no escoamento Lo = Comprimento inicial (base de medida)

O ensaio de trao um dos principais testes para determinao das propriedades mecnicas dos materiais metlicos. Entretanto, quando h a necessidade de se avaliar o efeito da temperatura ou de altas taxas de carregamento sobre as propriedades do material, o ensaio de trao muito limitado. A tenacidade foi conceituada inicialmente como a capacidade do material de absorver energia at a sua ruptura. No diagrama tenso x deformao, a rea sob a curva uma avaliao da quantidade de energia absorvida at a fratura em condies de carregamento esttico. Mas essa condio no a mais restritiva, sob carregamento dinmico e a baixas temperaturas a severidade muito maior. O ensaio de impacto que utiliza um pndulo para romper corpos de prova, como os mostrados na figura 22, permite avaliar o comportamento do material sob carregamentos dinmicos e a baixas temperaturas. Neste ensaio observa-se que com o abaixamento da temperatura, alguns materiais apresentam o fenmeno conhecido como transio dctil frgil, ou seja, a partir de uma determinada temperatura o material deixa de se comportar de forma dctil para apresentar comportamento frgil. Na figura 22 observa-se um exemplo da curva de transio de um ao carbono. Atualmente, o conceito de tenacidade evoluiu e est relacionado com a capacidade do material para resistir a propagao de uma trinca.

Aspecto Macroscpico de Fratura

Figura 22 (a) - Aspecto macrogrfico da fratura dos corpos de prova de impacto.

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Curva de Transio Dctil / Frgil

Figura 22 (b) - Curva de transio dctil / frgil.

2.10 - Efeitos de deformao e dos Tratamentos Trmicos sobre as Propriedades dos MetaisA deformao plstica e os tratamentos trmicos produzem efeitos diversos sobre as propriedades mecnicas e resistncia corroso do material. A deformao plstica e os tratamentos trmicos podem ser realizados juntos ou separadamente, dependendo do efeito desejado sobre as propriedades do material. Quando os metais so deformados plasticamente (laminao ou forjamento, por exemplo) a temperatura ambiente, algumas modificaes microestruturais acontecem. Cada gro deve modificar sua forma para que a deformao total ocorra. Conforme a deformao continua, os gros se tornam mais duros, tornando mais difcil as deformaes posteriores. Este fenmeno conhecido como Encruamento. O trabalho a frio envolve a deformao plstica do metal com o intuito de produzir mudana na forma (conformao mecnica) e melhorar as propriedades mecnicas baixa temperatura. O efeito do trabalho a frio sobre a resistncia mecnica e ductilidade de um metal est ilustrado na figura 23(A). Quando um metal deformado abaixo da temperatura crtica, sua dureza e resistncia mecnica aumentam gradualmente, ao passo que a ductilidade diminui. As propriedades originais do metal podem ser totalmente ou parcialmente recuperadas por tratamento trmico (recozimento) conforme mostrado na figura 23(B).

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Figura 23 (A) Efeito do trabalho a frio sobre a resistncia mecnica e ductilidade do ao. (B) Efeito do tratamento trmico sobre as propriedades do ao submetido ao trabalho a frio. As microestruturas de aos com mdia deformao, altamente deformado e submetido ao alvio de tenses so mostradas nas figuras 24 (A), (B) e (C), respectivamente. Vrios fenmenos ocorrem se o mesmo metal trabalhado moderadamente (figura 24(A)) ou severamente (figura 24(B)) e ento, aquecido a temperaturas progressivamente maiores. A temperaturas de at aproximadamente 200C, a tenso residual decresce levemente, mas praticamente nenhuma modificao microestrutural observada. Entre 200oC e 230oC, a tenso residual decresce para um patamar relativamente baixo, enquanto que a microestrutura permanece inalterada. A resistncia mecnica do metal relativamente alta e a ductilidade ainda permanece baixa. A reduo do nvel de tenso e melhoria no valor de ductilidade so atribudos ao fenmeno metalrgico denominado de recuperao (reduo na tenso do reticulado cristalino sem modificaes microestruturais). Quando o metal trabalhado a frio aquecido a temperaturas acima de 230C, modificaes na microestrutura e nas propriedades mecnicas j podem ser observadas, dependendo do material. No lugar dos gros deformados mostrados na figura 24(A) e 24(B), um grupo de novos gros se formam e crescem como mostrado na figura 24(C). Os novos gros consomem os gros antigos, e eventualmente, todos os sinais de trabalho a frio anterior podem desaparecer. A nova microestrutura se assemelha a que existia antes do trabalho a frio, que proporciona maior ductilidade e menor dureza ao material que na condio de trabalhado a frio. Esse processo, conhecido como recristalizao, uma etapa do recozimento.

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Figura 24 Microestrutura de um material - (A) submetido a trabalho mecnico leve, (B) submetido a trabalho mecnico intenso e (C) submetido a trabalho mecnico seguido de recristalizao.

2.11 - Transformao de Fase no Ferro e no AoOs aos so as ligas comerciais de maior aplicao. As propriedades do ferro e dos aos so governadas pelo teor de soluto, geralmente carbono, e pelas transformaes de fase a que eles so submetidos durante o processamento. O entendimento dessas transformaes essencial para a soldagem com sucesso desses materiais. Como foi visto anteriormente, o ferro apresenta uma transformao alotrpica na qual ele se solidifica segundo uma estrutura CCC (Fe - ). Com o resfriamento, a estrutura cristalina se transforma em CFC (Fe - ), para finalmente retornar ao sistema CCC (Fe - ). O ao uma liga de ferro que contm menos que 2% de carbono. A presena do carbono altera as temperaturas nas quais a solidificao e as transformaes de fase acontecem. A adio de outros elementos de liga tambm modificam as temperaturas de transformao. Variaes no teor de carbono produzem um efeito profundo tanto nas temperaturas de transformao quanto na proporo e distribuio de vrias fases, conforme mostra o diagrama Fe Fe3C apresentado na figura 25. O diagrama apresentado na figura 25 no um diagrama de equilbrio verdadeiro, pois a cementita no uma fase de equilbrio. A grafita mais estvel que a cementita e sob condies adequadas, a cementita se decompe, formando grafita. Em aos comuns essa decomposio quase nunca observada, porque a nucleao da cementita no ferro supersaturado de carbono ocorre muito mais facilmente que a nucleao da grafita. Assim, quando o carbono se precipita de solues slidas de ferro alfa (cbico de corpo centrado) ou de ferro gama (cbico de face centrada), o precipitado resultante quase sempre a cementita ou algum outro carboneto, e no a grafita. Uma vez formada, a cementita muito estvel e pode ser encarada para aplicaes prticas, como uma fase de equilbrio. Por essas razes, pode-se utilizar o diagrama da figura 25 para prever as mudanas de fase que as ligas Fe-C sofrem em ciclos de variao de temperatura

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Figura 25 Diagrama de equilbrio de fases Fe-Fe3C A soluo slida de carbono em ferro delta denomina-se ferrita delta. A soluo slida de carbono em ferro gama denomina-se austenita e a soluo slida de carbono em ferro alfa denominada ferrita alfa, ou simplesmente, ferrita. A cementita o composto intermetlico Fe3C, que um carboneto de alta dureza. A cementita possui 6,67% C. A transformao ferrita delta em austenita ocorre a 1390 C no ferro puro. Entretanto, para aos, a temperatura de transformao aumenta conforme aumenta o teor de carbono, at o mximo de 1492 C. Aos com teor de carbono acima de 0,5%, solidificam diretamente com a estrutura austentica, a temperaturas abaixo de 1492C. Para esses aos, portanto, no existe a ferrita delta. A transformao de austenita em ferrita e carboneto de ferro (Fe 3C) ocorre durante o resfriamento e uma das mais importantes para os aos. O controle dessa transformao a base para maioria dos tratamentos trmicos usados para endurecer os aos. Essa transformao ocorre no ferro puro a 910 C. Nos aos, com o aumento do teor de carbono, a transformao passa a ocorrer na faixa de 27

temperaturas entre os limites A3 e A1, conforme mostra a figura 25. O limite superior dessa faixa de temperatura (A3) varia entre 910 C e 723 C. Por exemplo, a temperatura designada pela linha A3 para um ao com 0,10% C 870 C, enquanto que para um ao com 0,5% C de 775 C. Assim, a presena de carbono promove a estabilidade de austenita, em detrimento da ferrita delta e alfa, tanto em temperaturas elevadas quanto nas temperaturas baixas. A menor temperatura da faixa (A 1) permanece a 723 C para todos os aos carbono independe do teor de carbono. A austenita pode dissolver at 2% de carbono em soluo slida, enquanto a ferrita s pode dissolver 0,025%. Na temperatura A1 do diagrama de equilbrio de fases, a austenita se transforma em ferrita e no composto intermetlico Fe3C, que o carboneto de ferro denominado cementita. A ferrita e a cementita quando dispostas lado a lado na forma de camadas, formam uma estrutura lamelar denominada perlita. O aspecto microgrfico da perlita mostrado na figura 26. A maioria dos elementos de liga adicionados ao ao altera as temperaturas de transformao indicadas pelo diagrama Fe-Fe3C. A microestrutura dos aos carbono a temperatura ambiente composta por um ou mais dos seguintes constituintes, quando solidificados segundo as condies de equilbrio: Ferrita Perlita Cementita. Os aos carbono so classificados em relao sua posio no diagrama de equilbrio de fases. O ao com 0,8% C conhecido como eutetide e sua microestrutura composta por 100% de perlita. Os aos com teor de carbono menor que 0,8% so conhecidos como hipoeutetides e sua microestrutura composta por ferrita (pro-eutetide, ou seja, que se forma antes da reao eutetide) e perlita. Os aos com teor de carbono acima de 0,8% e abaixo de 2,0% so designados como aos hipereutetides. A microestrutura desses aos composta por cementita (pro-eutetide) e perlita.

Figura 26 Aspecto tpico do constituinte lamelar denominado perlita. Ampliao de 750X. Quando os aos carbono so resfriados lentamente, a partir da faixa de temperatura na qual a estrutura encontra-se totalmente austentica, quantidades relativas dos trs constituintes iro aparecer, dependendo da composio qumica. Entretanto, a decomposio da austenita 28

fortemente afetada quando se aumenta a velocidade de resfriamento. O aumento da velocidade de resfriamento retarda o incio da decomposio da austenita, mas quando a transformao comea, ela ocorre mais rapidamente, e grandes volumes de perlita so formados. Conforme a velocidade de resfriamento incrementada, as lamelas de perlita tornam-se mais finas. Com o aumento ainda maior da velocidade de resfriamento, a temperatura de transformao abaixa, e os carbonetos comeam a se formar com a forma de penas na matriz ferrtica, ao invs da estrutura lamelar da perlita. Esse arranjo de carbonetos finos com forma de pena e agulhas na matriz ferrtica conhecido como bainita. Essa microestrutura possui maior resistncia mecnica e dureza e menor ductilidade que a perlita fina. Aumentando-se ainda mais a velocidade de resfriamento, observa-se a formao da martensita. A martensita o produto de transformao da austenita que atinge os maiores valores de dureza. Quando a velocidade de resfriamento suficientemente rpida para formar 100% da martensita, verifica-se que maiores incrementos na velocidade de resfriamento no aumentam a dureza. A figura 27 apresenta o aspecto tpico da estrutura martenstica. A decomposio da austenita um ponto importante na soldagem dos aos porque o metal de solda e parte da zona afetada pelo calor (ZAT) sofrem essa transformao.

Figura 27 Aspecto microgrfico da martensita. Ampliao 500X. Nos tratamentos trmicos dos aos utilizam-se diferentes meios de resfriamento para promover velocidade de resfriamento distinto e produzir diferentes produtos de transformao de austenita.

29

2.12 - Diagrama de Transformao IsotrmicaApesar do diagrama de equilbrio de fases do sistema Fe-Fe3C ser muito til, ele no fornece nenhuma informao acerca de transformao da austenita em outros produtos que no os de equilbrio. O diagrama de equilbrio no permite a correlao entre os produtos de transformao, a temperatura de transformao e a velocidade de resfriamento. Um diagrama que permite esse tipo de avaliao o diagrama de transformao isotrmica ou diagrama TTT (Temperatura-Tempo-Transformao). Esse diagrama registra graficamente o tempo necessrio para iniciar e terminar a transformao da austenita em perlita, bainita ou martensita. O diagrama permite tambm identificar a temperatura na qual essas transformaes acontecem. Na figura 28 apresentado o diagrama TTT para o ao carbono com 0,8% C.

Figura 28 Diagrama TTT do ao carbono eutetide. Para levantar o diagrama TTT mostrado na figura 28, amostras de ao carbono com 0,8% C foram austenitizados a 845 C, e em seguida, foram resfriadas em banhos de sais fundidos a vrias temperaturas abaixo de 700 C. Cada corpo-de-prova foi mantido a uma determinada temperatura 30

por um determinado tempo, sendo depois removido da temperatura de tratamento e resfriado at a temperatura ambiente. A amostra foi polida, atacada e examinada ao microscpio para determinao do percentual de austenita transformada naquelas condies. Assim, obtm-se no diagrama, o tempo para incio e trmino da transformao da austenita naquela temperatura, conforme mostra a figura 29.

Figura 29 Mtodo de construo do diagrama TTT. Na figura 28 pode-se observar que a austenita comea a se transformar aps 480 segundos (8 minutos) a 700 C. A reao se completa aps 7200 segundos (2 horas). A temperatura de 540 C, que o nariz da curva, a reao comea aps 1 segundo e se completa rapidamente em aproximadamente 7 segundos. Em temperaturas abaixo do nariz, os produtos de transformao mudam de perlita para bainita e martensita, com suas estruturas com caractersticas tipo pena e acicular. Conforme o teor de carbono e de elementos de liga aumentam, a curva TTT se desloca para a direita. De modo que o ao se transforma em martensita com menores taxas de resfriamento. Esses aos possuem maior temperabilidade. Outros fatores que deslocam a curva TTT para a direita, so o tamanho de gro e a homogeneidade da austenita. Quanto maior o tamanho de gro, menor a quantidade de contorno de gro, que so stios naturais para a transformao da austenita. Assim sendo, os aos com maior tamanho de gro possuem a curva direita em relao ao mesmo ao com tamanho de gro menor, pois a disponibilidade de stios para a austenita se decompor em perlita menor que no ao de granulao fina. A heterogeneidade da austenita, representada por incluses, precipitados e segregaes, 31

funciona como stios para sua transformao (da mesma forma que o contorno de gro). Portanto quanto maior for a homogeneidade da austenita, mais direita estar a curva TTT do ao. Em resumo, a soldabilidade do ao pode ser avaliada pela posio do nariz da curva TTT, quanto mais esquerda ele estiver mais fcil ser a operao de soldagem. Por essa razo, os teores de carbono e de elementos de liga devem ser considerados quando da soldagem desses materiais, para minimizar a formao de martensita e o conseqente risco de fissurao.

2.13 - Diagramas de Transformao em Resfriamento ContnuoNa maioria dos tratamentos trmicos e na soldagem, a austenita se transforma durante o processo de resfriamento. O diagrama de transformao em resfriamento contnuo (CCT Continuous Cooling Transformation) usado para se obter informaes sobre a transformao da austenita em resfriamento contnuo. A informao fornecida pelo diagrama CCT usada para qualificao de procedimentos de soldagem e para seleo de materiais. A principal diferena entre o diagrama TTT e o diagrama CCT, que nesse ltimo o incio da transformao no resfriamento contnuo ocorre aps um tempo maior e a uma temperatura menor do que seria previsto usando a curva TTT. Em outras palavras, as curvas do diagrama CCT so deslocadas para baixo e direita em relao ao diagrama TTT. Para fins de comparao, as curvas CCT e TTT para o ao AISI 8630 so mostradas na figura 30.

Figura 30 Comparao entre as curvas dos diagramas TTT e CCT para o ao AISI 8620.

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2.14 - Transformaes Durante a Soldagem

de

Aos

Austenitizados

Apesar das diferenas apresentadas no tpico anterior entre os diagramas TTT e CCT, os diagramas isotrmicos permitem estimar as microestruturas que sero produzidas na zona termicamente afetada dos aos durante a soldagem. Portanto, eles servem como base para a anlise das modificaes que podem ocorrer, considerando as caractersticas metalrgicas do ao. Entretanto, os diagramas TTT apresentam limitaes quando aplicados em juntas soldadas, uma vez que o ciclo trmico na soldagem significativamente diferente do resultante de um tratamento trmico. No caso do tratamento trmico, o ao mantido temperatura especificada por um tempo suficiente para dissolver os carbonetos e desenvolver uma fase austentica homognea e com um tamanho de gros relativamente uniforme. No ciclo trmico de soldagem, a temperatura de austenitizao (temperatura mxima) varia desde uma temperatura prxima ao ponto de fuso at a temperatura crtica, e a durao do ciclo muito pequena em relao ao tempo de encharcamento dos tratamentos trmicos. As elevadas temperaturas que so atingidas prximo zona de ligao, permitem que a difuso ocorra muito rapidamente nessa regio, e que os tomos de soluto (especialmente o carbono) se dispersem uniformemente na austenita. A alta temperatura tambm favorece o crescimento de gro da austenita. Por outro lado, em temperaturas mais baixas, prxima temperatura crtica, os carbonetos podem no se dissolver completamente na austenita. Alm disso, os tomos de soluto que se dissolveram, devido as temperaturas relativamente baixas, podem no se difundir para pontos muito afastados da posio original do carboneto. Assim, nesses pontos em que a mxima temperatura prxima da temperatura crtica, a austenita contm reas de alto teor de elementos de liga e reas com baixo teor de elementos de liga. O tamanho de gro da austenita nessa regio pequeno. Na regio intermediria, entre a temperatura prxima ao ponto de fuso e o ponto no qual a temperatura atingiu o valor da temperatura crtica, a homogeneidade e o tamanho de gro de austenita situam-se entre esses dois extremos. Durante o resfriamento, a temperatura de decomposio e os tipos de produtos de transformao da austenita vo depender da composio qumica local e do tamanho de gro da austenita, alm da velocidade de resfriamento. A homogeneidade da austenita, o tamanho de gro e a composio qumica influenciam a posio das curvas TTT e CCT, como j visto anteriormente. Dois diagramas de transformao do mesmo material (ao Ni-Cr-Mo) so mostrados na figura 31. Um diagrama apresenta a transformao isotrmica da austenita aps um tempo de encharcamento de 30 minutos a 840 C. O outro diagrama apresenta a transformao da austenita durante o ciclo trmico de soldagem para uma temperatura de pico de 1310 C. Observa-se diferenas marcantes entre as duas curvas de transformao, devido aos diferentes ciclos trmicos.

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Figura 31 Comparativo entre os diagramas de uma barra tratada termicamente e da simulao do ciclo trmico de soldagem. Na microestrutura da zona termicamente afetada, o incio de transformao da austenita em perlita e bainita foi atrasada em um fator de 6X e a temperatura de incio de formao de martensita (Ms) foi abaixada em 50 C. Se a temperatura de pico do ciclo trmico de soldagem fosse reduzida abaixo de 1315 C, a austenita seria menos homognea e teria tamanho de gro menor, o que proporcionaria um comportamento diferente durante o resfriamento. Portanto, torna-se bvio que a condio de austenitizao possui um efeito significativo sobre as caractersticas de transformao.

2.15 - Fatores que Afetam a Transformao da Austenita.A composio qumica, o tamanho de gro e o grau de homogeneidade da austenita so fatores importantes na determinao das transformaes que podero ocorrer no ao. Todas as transformaes normais no estado slido que acontecem acima da temperatura em que a martensita se forma, ocorrem por um processo de nucleao e crescimento. As novas fases se formam em certos stios preferenciais (normalmente nos contornos de gro) e crescem em volume at que a transformao se complete. A transformao martenstica a exceo, pois uma transformao atrmica, que no envolve o processo difusional. A composio do ao o fator mais importante na determinao do comportamento durante a transformao. O carbono, o nquel, o mangans abaixo de 1%, o silcio abaixo de 1,5% e o cobre deslocam a curva de transformao para a direita, mas no modificam sua forma. Portanto, o diagrama TTT de um ao carbono, como mostrado na figura 32, similar ao de um ao ao nquel, exceto que a decomposio de austenita para o ao ao nquel inicia e termina depois. Isso pode ser visto na figura 33. O cromo, o molibdnio, o vandio e outros fornecedores de carbonetos, tambm 34

deslocam a curva para a direita, mas modificam a forma da curva. Esse fenmeno pode ser observado na figura 34. Apenas alguns elementos deslocam a curva de transformao para a esquerda. Exemplos incluem o cobalto e o telrio, mas esses no so comumente adicionados aos aos carbono e baixa liga.

Figura 32 Diagrama TTT para o ao com 0,35%C 0,37%Mn.

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Figura 33 Diagrama TTT para um ao 0,37%C e 0,68%Mn.

Figura 34 Diagrama TTT de um ao alto carbono e 2%Cr. A perlita nucleia no contorno de gro de austenita. Portanto, austenita de gro fino proporciona maior nmero de sites (stios) para nucleao do que a austenita de gro grosseiro. Como resultado, h a formao de uma maior quantidade de ncleos, e assim, a austenita se transforma mais 36

rapidamente. Por outro lado, a bainita parece no ser muito afetada pelo tamanho de gro da austenita. Os metais com granulao fina, normalmente apresentam melhores propriedades mecnicas, o que os tornam adequados para trabalhos temperatura ambiente e a temperaturas mais baixas. Por outro lado, os aos de granulao grosseira geralmente se desempenham melhor a temperaturas elevadas. A granulao fina desejvel para melhorar a tenacidade e a ductilidade. Aos forjados e fundidos so freqentemente normalizados para produzir o refinamento de sua estrutura. O tamanho de gro austentico do ao depende da temperatura de austenitizao e do tempo que o material foi submetido a essa temperatura. O refinamento de gro ocorre quando o ao que ir se transformar aquecido a uma temperatura ligeiramente acima de A3 , e em seguida, resfriado at a temperatura ambiente. Como foi anteriormente observado, o comportamento durante a transformao relacionado com a composio qumica local da austenita. Se a austenita no homognea, as reas enriquecidas em elementos de liga se transformam em aos de alta liga, e portanto, possuem maior temperabilidade que as reas empobrecidas. Carbonetos no dissolvidos afetam a transformao da austenita de dois modos: primeiramente porque eles no contribuem com elementos de liga para a austenita e porque eles funcionam como stio de nucleao para a decomposio da austenita. A temperatura de incio de formao da martensita (Ms) e de trmino de transformao (Mf) so geralmente abaixadas pela adio de elementos de liga ao ao. Em alguns casos, a temperatura Mf pode estar abaixo da temperatura ambiente. Nesses casos, alguma austenita pode ficar retida no ao quando este resfriado at a temperatura ambiente. As temperaturas Ms e Mf tambm so influenciadas pela homogeneidade da austenita, porm o tamanho de gro parece no exercer efeito significativo.

2.16 TemperabilidadeO conceito de temperabilidade permite avaliar quantitativamente a transformao da austenita em diferentes aos. A temperabilidade a propriedade que determina a profundidade e distribuio de dureza induzida por tmpera, sendo uma caracterstica importante para soldagem porque permite determinar a extenso da regio endurecida. A Temperabilidade no pode ser confundida com dureza, a qual funo do teor de carbono, como ilustrado na figura 35. Por outro lado, a temperabilidade uma medida da quantidade de martensita que se forma na microestrutura pelo resfriamento. Certos aos que possuem alta temperabilidade formam martensita mesmo quando resfriados ao ar. Outros com baixa temperabilidade exigem altas taxas (velocidade) de resfriamento para transformar a austenita em martensita.

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Figura 35 Efeito do teor de carbono no valor mximo da dureza da martensita.

2.17 - Revenimento da MartensitaDevido ao fato da martensita ser muito frgil, normalmente, as peas submetidas ao tratamento de tmpera no so utilizadas diretamente nessa condio. Geralmente logo aps a tmpera, as peas so submetidas ao tratamento de revenimento, com o objetivo de reduzir a dureza e as tenses residuais, alm de aumentar a tenacidade. A resistncia mecnica tambm ligeiramente reduzida. O revenimento consiste em re-aquecer o ao at uma temperatura apropriada (sempre abaixo de A 1) e mant-lo nesta temperatura por um intervalo de tempo curto. Este tratamento trmico permite que o carbono precipite como finas partculas de carboneto. A microestrutura resultante do revenimento a martensita revenida. Qualquer relao entre dureza e tenacidade pode ser obtida desde que seja feita uma adequada seleo da temperatura e tempo de revenimento. Altas temperaturas de revenimento resultam em um ao macio e tenaz. O efeito de temperatura de revenimento sobre as propriedades do ao AISI 4140 (Cr-Mo) mostrado a figura 36. A tmpera e o revenimento so freqentemente utilizados para melhorar as propriedades dos aos usados na fabricao de ferramentas, vasos de presso e em aplicaes estruturais. Aos baixa liga temperados e revenidos exibem alto limite de escoamento e alta resistncia mecnica. Alm disso, a 38

tenacidade fratura desses aos mais elevada que a do mesmo ao laminado quente, recozido ou normalizado.

Figura 36 Efeito da temperatura de revenimento sobre a resistncia mecnica e ductilidade do ao AISI 4140.

2.18 - Endurecimento por PrecipitaoO endurecimento por precipitao ocorre quando h a precipitao de um constituinte duro a partir de uma soluo slida super saturada. Esse fenmeno, tambm conhecido como envelhecimento, um outro mtodo usado para aumentar a resistncia mecnica e a dureza em alguns aos e em ligas metlicas no ferrosos. O princpio do endurecimento por precipitao est ilustrado na figura 37(A), quando uma liga bifsica de composio X aquecida at a temperatura T1, na qual a fase se dissolve na fase . Quando a liga resfriada rapidamente at a temperatura ambiente, a fase no tem tempo suficiente para se transformar em fase . O resultado uma liga monofsica, homognea e relativamente macia. Quando a liga re-aquecida a uma temperatura entre T2 e T4 por um tempo adequado, a fase formam finos precipitados na matriz . Os precipitados livremente dispersos aumentam significativamente a resistncia da liga, como mostrado na figura 37(B). As propriedades mecnicas da liga dependem do tratamento anterior ao envelhecimento, da 39

temperatura de envelhecimento e do tempo. importante destacar que o excesso de temperatura ou tempo no iro melhorar as propriedades mecnicas ou a resistncia corroso.

(A)

(B) Figura 37 (A) Diagrama de equilbrio de um sistema susceptvel ao endurecimento por precipitao. (B) Efeito da temperatura e tempo de envelhecimento sobre a dureza de uma liga endurecida por precipitao.

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3 Metalurgia da SoldagemA soldagem um processo metalrgico complexo, que envolve fuso e solidificao, fenmenos superficiais, reaes metal-gs e metal-escria. Essas reaes ocorrem mais rapidamente durante a soldagem do que durante as operaes de conformao, fundio ou tratamentos trmicos. As caractersticas do material base, determinadas por seu histrico termo-mecnico e eventuais condies de servio, devem ser consideradas na determinao do procedimento de soldagem, pois iro influenciar consideravelmente os fenmenos metalrgicos inerentes soldagem. O entendimento dos fundamentos da metalurgia da soldagem um requisito necessrio para que se possa avaliar quais os possveis efeitos da soldagem sobre as propriedades da junta soldada e identificar as variveis que permitem control-los, de modo a se obter os resultados desejados.

3.1 - A Junta SoldadaA junta soldada constituda pelo metal de solda (regio da junta que fundida), pela zona termicamente afetada e pelo metal de base no afetado pelo calor da soldagem. Os fenmenos metalrgicos que ocorrem em cada uma dessas regies esto relacionados com a composio qumica do metal de base e do metal de adio, com o processo de soldagem e com o procedimento de soldagem utilizado para soldar. O metal de solda se solidifica rapidamente e possui, tipicamente, uma microestrutura dendrtica de granulao fina. O metal de solda uma mistura de parte do metal de base que fundido durante a soldagem e do metal de adio que introduzido, quando necessrio. Algumas soldas so compostas apenas por metal de base fundido (caldeamento), sendo que nesse caso o processo conhecido como soldagem autgena. Exemplos de processos autgenos so: soldagem por resistncia eltrica, soldagem laser, TIG (GTAW) e feixe de eltrons sem adio de material. Entretanto, na maioria das operaes de soldagem, o metal de adio empregado, com o objetivo de permitir o controle da composio qumica do metal de solda e permitir o preenchimento do chanfro. Em geral, o metal de solda tem sua composio qumica balanceada pelo metal de adio, de modo que sua composio qumica final e suas propriedades fsicas e mecnicas se aproximam bastante das do metal de base. A diluio o parmetro que quantifica a participao do metal de base na composio do metal de solda. A figura 38 ilustra o conceito de diluio, que calculada atravs da seguinte expresso:

Sendo: A =rea da regio preenchida pelo metal de adio B= rea referente ao metal de base que foi fundido Figura 38 Diluio na junta soldada. O valor da diluio varia de acordo com o processo e o procedimento de soldagem. Pode-se atingir valores de diluio de 100%, quando a rea A da figura 38 igual a zero, ou seja, soldagem autgena (sem metal de adio). No processo de brasagem no h fuso do metal de base (rea B da 41

figura 38 igual a zero), e nesse caso, a diluio zero. Os processos de soldagem possuem faixas de valores tpicos de diluio, sendo que o valor da diluio em cada solda influenciado tambm pelos parmetros e tcnica de soldagem. Em algumas circunstncias especficas, a composio do metal de solda especificada de modo a diferir significativamente da composio qumica do metal de base (soldagem de revestimento, soldagem de materiais dissimilares e amanteigamento, por exemplo). Nesses casos, o controle da diluio assume uma importncia ainda maior, pois a composio qumica e as propriedades do metal de solda apresentaro uma grande variao conforme houver variao na diluio. A compatibilidade metalrgica entre o metal de solda e o metal de base, nesses casos, deve ser cuidadosamente avaliada para que no ocorra a formao de um metal de solda com propriedades inadequadas aplicao. Durante a solidificao do metal de solda, os primeiros gros a se solidificarem, iniciam seu crescimento a partir dos gros parcialmente fundidos na zona de ligao, mantendo a mesma orientao cristalogrfica desses gros do metal de base. Esse fenmeno, que tpico da solidificao do metal de solda chama-se crescimento epitaxial (figura 39). Dependendo das taxas de segregao e solidificao, a solda pode solidificar segundo o modo de crescimento celular ou dendrtico. Ambos os modos de crescimento causam segregao de elementos de liga. Conseqentemente, o metal de solda quase sempre menos homogneo que o metal de base. A figura 40 ilustra os modos de crescimento dendrtico e celular, e indica tambm os padres de segregao encontrados em cada um desses modos.

Figura 39 Crescimento epitaxial.

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Figura 40 Esquema da distribuio de soluto nos modos de crescimento celular e dendrtico. A zona termicamente afetada (ZTA) encontra-se adjacente ao metal de solda, e a poro do metal de base que no foi completamente fundida, mas que teve sua microestrutura e propriedades mecnicas alteradas pelo calor da soldagem. A largura da zona termicamente afetada funo do aporte de calor (Heat Input). O aporte de calor varia para os diferentes processo de soldagem, assim como tambm influenciado pelo procedimento de soldagem adotado. O aporte de calor ou energia de soldagem pode calculado pela expresso a seguir:P v

E= f

P= V x I (soldagem ao arco eltrico)

E =energia de soldagem (joule/mm) f = eficincia de transmisso de calor (%) P= potncia (watt) V = tenso (volt) I= corrente (ampre) v= velocidade de soldagem (mm/s)

O terceiro componente da junta soldada o metal de base. O metal de solda e a zona termicamente afetada devem ser compatveis com o metal de base e com as condies de servio para que a solda seja bem sucedida. Quando o metal de base composto por ligas simples que alcanam suas propriedades atravs da adio de elementos de liga apenas, a soldagem pode produzir metal de 43

solda e zona termicamente afetada compatveis, em termos de propriedades. Entretanto, quando o metal de base desenvolve suas propriedades atravs de complexos tratamentos termo-mecnicos, pode ser difcil produzir uma junta soldada totalmente compatvel.

3.2 - Metal de SoldaA microestrutura do metal de solda marcadamente diferente do metal de base, mesmo quando suas composies so similares, conforme pode ser observado na figura 41. A diferena em termos microestruturais no relacionada com a composio qumica, mas devida s diferenas no histrico termo-mecnico do metal de base e metal de solda. A estrutura do metal de base o resultado da operao de laminao quente e mltiplas recristalizaes do metal trabalhado quente. O metal de solda, por outro lado, no deformado mecanicamente durante a soldagem, apresentando estrutura bruta de fuso. Essa estrutura e as respectivas propriedades mecnicas resultantes, so produzidas pela seqncia de eventos que ocorrem enquanto o metal de solda se solidifica. Esses eventos incluem as reaes do metal de solda com os gases presentes na atmosfera em torno da poa de fuso e com as fases no metlicas lquidas (escria), assim como aquelas que ocorrem no estado slido.

Figura 41 Macroestrutura de uma junta soldada de um ao baixa liga.

3.2.1 SolidificaoOs gros parcialmente fundidos da zona termicamente afetada na interface slido-lquido, funcionam como substrato ideal para a solidificao do metal de solda. O metal cresce adotando a mesma orientao cristalina do substrato (fenmeno denominado epitaxia) e mais rapidamente em certas direes cristalogrficas, de modo que os gros orientados favoravelmente em relao 44

direo de extrao de calor (perpendicular s isotermas) iro crescer substancialmente, enquanto que gros orientados em direes desfavorveis sero bloqueados pelos anteriores, que crescem mais rpidos (figura 42). Por essa razo, o metal de solda sempre apresenta macroestrutura colunar, evidenciando o mecanismo de crescimento competitivo de gros e estrutura grosseira, que deriva da granulao da zona termicamente afetada que grosseira devido ao aquecimento que submetida.

Figura 42- Crescimento competitivo de gro e epitaxia. A solidificao do metal de solda na maioria das ligas comerciais envolve a micro segregao de elementos de liga e impurezas. Nesse processo formam-se as dendritas, que so estruturas que refletem a forma complexa da interface lquido-slido durante a solidificao, como mostra a figura 40. Conforme as primeiras dendritas se solidificam, os solutos que se dissolvem em maior quantidade no liquido que no slido, so rejeitados pela fase slida e se difundem no lquido remanescente, reduzindo seu ponto de solidificao. Como os elementos de liga segregados se concentram prximo interface slido-lquido, o crescimento do cristal nessa direo limitado. Os gros ento crescem lateralmente, produzindo os braos caractersticos da dendrita como observado na condio bruta de fuso. Muitas dendritas podem crescer simultaneamente no liquido, a partir de um nico gro durante a solidificao. Cada uma dessas dendritas possui a mesma orientao cristalogrfica e todas elas fazem parte do mesmo gro. No final da solidificao, forma-se uma rede de lquido rico em soluto entre as dendritas, , como mostra a figura 40. A estrutura do metal de solda parece grosseira com pequena ampliao porque apenas a estrutura do gro visvel. Com maiores ampliaes, a estrutura dendrtica fina torna-se evidente, como pode ser verificado na figura 43. O espaamento entre os braos das dendritas uma medida de segregao de elementos de liga. Esse espaamento determinado pela velocidade de solidificao. Quanto mais rpida a solidificao, menor o espaamento entre as dendritas. A tendncia geral no sentido do tamanho de gro do metal de solda aumentar com o aporte de calor, porm no existe nenhuma relao estabelecida. O tamanho de gro pode tambm ser influenciado por agente nucleadores, vibraes ou outros variveis do processo. Por outro lado, o espaamento do brao das dendritas uma funo exclusivamente da velocidade de solidificao que controlada pelo aporte de calor.

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Figura 43 Microestrutura do metal de solda e da zona termicamente afetada. Como a direo de crescimento dos gros colunares do metal de solda definida pela forma das isotermas (curvas definidas pelos pontos de mesma temperatura), a velocidade de deslocamento da fonte de calor modifica a orientao da estrutura da zona fundida. A figura 44 ilustra esquematicamente, o efeito da velocidade de soldagem sobre a estrutura do metal de solda. Nessa figura observa-se que nas soldas com maior velocidade de soldagem, h a tendncia a concentrao de produtos de segregao ao longo do eixo central do cordo. Esse efeito pode provocar trincas a quente por uma grande extenso da solda. Em cordes executados com baixa velocidade de soldagem, a tendncia que a segregao de solutos e impurezas ocorra na direo da poa de fuso, o que exige cuidados na finalizao do cordo para evitar a formao de trincas de cratera.

Figura 44 Efeito da velocidade de soldagem sobre a estrutura da zona fundida.

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3.2.2 - Reaes Gs-MetalAs reaes gs-metal dependem da presena de um ou mais gases reativos (H2, O2 ou N2) na atmosfera de proteo da poa de fuso. Existem vrias fontes potenciais que podem introduzir esses elementos na atmosfera protetora. A principal fonte de hidrognio (H2) o prprio ar atmosfrico, que deve ser evitado atravs de uma proteo gasosa que o desloca ou de vcuo. Na soldagem com eletrodos revestidos (SMAW) e ao arco submerso (SAW), o hidrognio pode estar presente na forma de umidade no revestimento do eletrodo revestido ou no fluxo do processo arco submerso. O hidrognio pode aparecer tambm, dissolvido em soluo slida nos metais no ferrosos, em xidos na superfcie do metal, ou ainda em lubrificantes orgnicos empregados na fabricao do arame ou na conformao mecnica do metal de base. O oxignio ou o CO2 so adicionados intencionalmente em pequenos percentuais ao argnio no gs de proteo do processo MAG (GMAW) para soldagem dos aos, visando melhorar a estabilidade do arco eltrico. Nesse caso, como os teores desses gases so limitados, as reaes so controladas, de modo que os efeitos benficos sejam consideravelmente maiores que os eventuais problemas causados por essas adies. O oxignio tambm pode ser absorvido do ar atmosfrico ou ser oriundo da decomposio do vapor dgua ou xidos. O nitrognio, assim como o hidrognio, tem como principal fonte o ar atmosfrico. Na soldagem dos aos, reaes metal-gs ocorrem em vrias etapas. Na primeira etapa, devido as elevadas temperaturas produzidas pelo processo de soldagem, h a quebra das molculas diatmicas. Os tomos dissociados de gs se dissolvem no metal lquido, sendo que as velocidades de reao so extremamente elevadas nas elevadas temperaturas que o material atinge durante a soldagem (1650 ou superior). Uma vez dissolvidos no ao, oxignio e nitrognio geralmente reagem com os elementos desoxidantes intencionalmente introduzidos (Mn, Si e Al). Esses xidos iro formar a escria que sobrenada para a superfcie do cordo ou iro precipitar no metal de solda como pequenas incluses. Teores de 250 a 600 partes por milho (ppm) de oxignio so comuns em aos soldados ao arco eltrico com eletrodos consumveis. xidos e Nitretos aparecem como pequenas partculas isoladas, que apesar de reduzir a ductilidade e a tenacidade do metal de solda dos aos, no comprometem as propriedades mecnicas para a maioria das aplicaes comerciais. Na soldagem com eletrodos consumveis, a quantidade de xidos no metal de solda de aos significativamente maior que o teor de nitrognio. Isto ocorre porque o oxignio adicionado intencionalmente na atmosfera do arco eltrico, enquanto que o nitrognio no . Se o metal de solda no contiver quantidades suficientes de desoxidantes, o oxignio dissolvido ir reagir com o carbono em soluo para produzir monxido de carbono (CO) ou dixido de carbono (CO 2) durante a solidificao. As molculas de gs sero segregadas durante a solidificao (a solubilidade no estado slido menor que a no estado lquido) e produziro porosidade e menor teor de elementos de liga no metal de solda (parte dos elementos de liga oxidada). O hidrognio est sempre presente na atmosfera do arco eltrico, mesmo que em pequenas quantidades. Os tomos de hidrognio so mais solveis no ao lquido que no ao slido. O excesso de hidrognio que rejeitado durante a solidificao poder causar porosidade, seno conseguir escapar para a atmosfera. Um outro problema que pode ser provocado pelo hidrognio dissolvido no ao slido a trinca a frio ou trinca atrasada (esse problema ser melhor descrito no item: Reaes no estado slido). Na soldagem dos metais no ferrosos, reao gs-metal de maior importncia envolve a dissoluo, reao e evoluo do hidrognio ou vapor dgua. Portanto, todos os esforos devem ser empreendidos para que esses gases sejam excludos da poa de fuso. Na soldagem do alumnio ou 47

magnsio e suas ligas, o hidrognio freqentemente introduzido na poa de fuso pelos xidos hidratados ou atravs da superfcie do metal de adio ou da superfcie do metal de base, ou ambos. O gs segregado da massa metlica durante a solidificao produzindo porosidade. Por essa razo, os consumveis (metal de adio) para soldagem de alumnio e magnsio devem ser armazenados limpos, em recipientes selados e desumidificados. A limpeza mecnica ou aquecimento a vcuo em temperaturas de 150C recomendada para o metal de base ou metais de adio que tiverem sido expostos a umidade. Como a diferena de solubilidade do hidrognio entre a fase lquida e a fase slida no magnsio menor que no alumnio, a tendncia formao de porosidade induzida pelo hidrognio menor no magnsio. No caso do cobre e suas ligas, o hidrognio reage com o oxignio presente na poa de fuso durante a solidificao, produzindo vapor dgua e conseqentemente, porosidade. O metal de adio para as ligas de cobre, possui desoxidantes para evitar essa reao. A porosidade causada por vapor dgua no se forma nas ligas de zinco, alumnio e berlio, porque esses elementos formam xidos estveis. Entretanto, nas ligas cobre-nquel e ligas de nquel, a porosidade induzida pela presena de vapor dgua pode se formar no metal de solda. Portanto, os metais de adio para essas ligas devem conter desoxidantes fortes. As ligas de titnio so fragilizadas pela reao com alguns gases, incluindo, nitrognio, hidrognio e oxignio. Conseqentemente, esses elementos devem ser excludos da atmosfera do arco eltrico. A soldagem do titnio e suas ligas devem ser realizadas sob uma atmosfera inerte especialmente projetada para essa finalidade ou sob vcuo. A zona termicamente afetada do titnio e suas ligas tambm bastante fragilizada pela reao com nitrognio e oxignio. A soldagem do titnio e suas ligas deve ser realizada de modo que toda superfcie que atinja temperaturas acima de 260 C esteja protegida por uma atmosfera de gs inerte. A aparncia da superfcie da junta soldada um indicador eficiente da efetividade da proteo. Uma colorao bronze clara indica uma pequena quantidade de contaminantes; azul cintilante indica mais contaminantes, e uma camada branca de escamas de xidos indica contaminao excessiva. O hidrognio o maior causador de porosidade nas soldas de titnio. A fonte de hidrognio, como em outros metais ferrosos e no ferrosos, pode ser a superfcie do metal de adio. Adicionalmente, o hidrognio solubilizado no metal de adio e no metal de base, pode contribuir significativamente para o total de hidrognio na poa de fuso.

3.2.3 - Reaes Metal-LquidoFreqentemente durante a soldagem so produzidas fases lquidas no metlicas que interagem com a poa de fuso. Essas fases lquidas so denominadas genericamente de escria e so produzidas pela fuso de fluxos intencionalmente adicionados. A escria produzida pelos processos eletrodo revestido, arco submerso e eletroescria so projetados para absorver produtos de reao de desoxidao e outros contaminantes produzidos no arco eltrico e na poa de fuso. A quantidade e o tipo de produtos no metlicos da reao de desoxidao gerados durante a soldagem ao arco eltrico dos aos esto diretamente relacionados com o tipo de proteo e desoxidantes utilizados. Esses produtos (principalmente silicatos de alumnio, mangans e ferro) geralmente sobrenadam na superfcie da poa de fuso e se incorporam na escria. Entretanto alguma quantidade pode ficar retida no metal de solda como incluses nometlicas. A limpeza do metal de solda influenciada pela quantidade de produtos da reao de desoxidao formada e pela capacidade deste produto ser removido para a escria. Naturalmente 48

que quanto mais ativa (oxidante) for a atmosfera do arco eltrico, maior ser a quantidade de desoxidantes requerida, e maior ser a quantidade de produtos de reao (escria). Outro efeito importante que resulta da interao entre as fases slida e lquida a descontinuidade de soldagem conhecida como trinca a quente. Esse fenmeno aparece durante a solidificao do metal de solda, quando o lquido interdendrtico (a ltima regio a solidificar), possui baixo ponto de fuso (muito inferior ao do metal que se solidifica inicialmente). Nessas condies, as tenses de contrao produzida durante a solidificao do metal de solda se concentram em pequenas regies no estado lquido, produzindo micro-trinca entre as dendritas. O termo trinca a quente usado porque essas trincas ocorrem a temperaturas prximas a temperatura de solidificao do metal ou liga. Elas so produzidas por qualquer variao na composio qumica produzida por segregao no metal de solda que promove a formao de compostos de baixo ponto de fuso na regio interdendrtica. A formao de compostos de baixo ponto de fuso na regio interdendrtica est associada presena de impurezas como enxofre, chumbo, fsforo e outros elementos que formam eutticos de baixo ponto de fuso. Em algumas ligas ferrosas como nos aos inoxidveis, tem-se verificado que na presena de silicatos produz trincas. O controle da fissurao a quente nas ligas ferrosas usualmente conseguida com a limitao das quantidades e tipos de sulfatos que se formam e da quantidade e tipo dos elementos de liga que podem provocar a fissurao. No caso dos aos carbono e baixa liga, uma relao entre o percentual de mangans e de silcio de 30 vezes ou mais utilizado para evitar trincas a quente no metal de solda. Em aos inoxidveis austenticos, utiliza-se uma estrutura duplex (austentica com ferrita delta) no metal de solda para evitar a fissurao a quente. Por essa razo, o metal de adio para ao inoxidvel austentico formulado de tal forma a produzir metal de solda com 2% a 8% de ferrita delta a temperatura ambiente. Em teores maiores que 8%, a ferrita delta deteriora as propriedades do metal de solda.

3.2.4 - Reaes no Estado SlidoCom relao ao comportamento do metal de solda, existem vrias reaes que ocorrem no estado slido que podem modificar as suas propriedades. Em particular, existem interaes durante a soldagem que promovem a fissurao a frio ou trinca retardada (recebe essa denominao porque a fissurao pode acontecer at 24 horas depois de completada a operao de soldagem). Esse fenmeno tpico na soldagem de aos que suscetvel transformao martensita e que apresentam quantidades significativas de hidrognio dissolvido. A trinca a frio pode ocorrer no metal de solda ou na zona termicamente afetada. A trinca a frio ocorre quando a solda j resfriou at a temperatura ambiente e s ocorre quando existe a presena de trs elementos: microestrutura frgil (martensita), hidrognio dissolvido e tenses residuais. Para evitar esse fenmeno, deve-se tomar algumas precaues. A primeira medida avaliar o risco de formao de microestrutura frgil atravs do clculo do carbono equivalente, conforme a frmula abaixo:

OBS: Essa expresso para o clculo do carbono equivalente recomendada pelo International Institute of Welding (IIW), sendo que existem muitas outras distintas na leitura especializada. 49

Se o valor do carbono equivalente superior a 0,40 h a necessidade de cuidados especiais para evitar a fissurao pelo hidrognio. Nesse caso, recomendvel especificar um pr-aquecimento para o metal de base de modo que a velocidade de resfriamento no seja muito alta, e assim, evite a formao da martensita. Outro efeito causado pelo pr-aquecimento o de proporcionar um maior escape do hidrognio dissolvido, pois a permanncia em maiores temperaturas por um tempo maior, favorece o processo difusional do hidrognio, que tende a escapar para a atmosfera. Outro cuidado importante para evitar a fissurao a frio utilizar processos de soldagem nos quais o teor de hidrognio seja mnimo. Reduzindo o teor de hidrognio dissolvido no metal de solda, haver menor risco de fissurao. O hidrognio possui relativa solubilidade na austenita e praticamente insolvel na ferrita (figura 45). Com o resfriamento rpido, a austenita se transforma em um agregado ferrita/carboneto e/ou martensita, sendo que o hidrognio mantido em soluo slida. No caso de aos carbono essa transformao acontece a temperaturas relativamente elevadas (prximo de 700 C) mesmo com resfriamento rpido. Conseqentemente, os tomos de hidrognio ainda possuem mobilidade suficiente para difundir no sentido da atmosfera. Adicionalmente, os produtos de transformao de austenita a temperatura elevada (ferrita e carboneto) que se formam no metal de solda e na zona termicamente afetada, so relativamente dcteis e resistentes a fissurao. O resfriamento rpido de um ao tempervel provoca a transformao de austenita a temperaturas baixas, nos quais os tomos de hidrognio possuem baixa mobilidade e a microestrutura martenstica (sensvel a fissurao). Essa combinao de hidrognio dissolvido e microestrutura frgil muito susceptvel a fissurao a frio.

Figura 45 Variao da solubilidade do hidrognio no ao em funo da temperatura. A associao do hidrognio com a trinca a frio levou ao desenvolvimento dos eletrodos revestidos de baixo hidrognio. O revestimento desses eletrodos de baixo hidrognio deve ser mantido afastado da umidade, pois a umidade (gua) uma potente fonte de hidrognio. Para prevenir a contaminao pela umidade, os eletrodos so fornecidos