Versão final. encadernação paginação, Notas de estudo de Engenharia Agronômica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA INFLUÊNCIA DO METAL DE ADIÇÃO NA SUSCEPTIBILIDADE À CORROSÃO SOB TENSÃO DE JUNTAS SOLDADAS DISSIMILARES DE AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO 316 E AÇO INOXIDÁVEL DÚPLEX 2304 Autor: Leonardo Albergaria Oliveira Orientador: Prof. Dr. Edmilson Otoni Corrêa Itajubá, Junho de 2013 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 1 DISSERTAÇÃO DE MESTRADO INFLUÊNCIA DO METAL DE ADIÇÃO NA SUSCEPTIBILIDADE À CORROSÃO SOB TENSÃO DE JUNTAS SOLDADAS DISSIMILARES DE AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO 316 E AÇO INOXIDÁVEL DÚPLEX 2304 Autor: Leonardo Albergaria Oliveira Orientador: Prof. Dr. Edmilson Otoni Corrêa Curso: Mestrado em Engenharia Mecânica Área de Concentração: Projeto e Fabricação Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica como parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica. Junho de 2013. Itajubá/MG – Brasil Resumo Oliveira, L. A. (2013), Influência Do Metal De Adição Na Susceptibilidade à Corrosão Sob Tensão De Juntas Soldadas Dissimilares De Aço Inoxidável Austenítico 316 e Aço Inoxidável Dúplex 2304, Dissertação (Mestrado em Projeto e Fabricação), Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá – MG. Devido à grande utilização de soldas dissimilares nas indústrias, este trabalho é de grande importância. Neste trabalho, apresenta-se investigação da influência dos metais de adição E316L e E2209 quanto à susceptibilidade à corrosão sob tensão (CST), em juntas soldadas do aço inoxidável austenítico AISI 316 e do aço inoxidável duplex AISI 2304, em solução aquosa de MgCl2 (43%). Estes dois tipos de metal de adição foram utilizados com o intuito de se produzir juntas soldadas com zonas fundidas de diferentes composições químicas. Para analisar a microestrutura das juntas soldadas foi utilizado um microscópio ótico. As propriedades mecânicas das juntas soldadas foram analisadas através de ensaios de tração e dureza Vickers. Para avaliar a susceptibilidade das juntas soldadas à corrosão sob tensão, foi usado o método de ensaio de corrosão sob tensão utilizando carga constante. As amostras foram caracterizadas quanto à microestrutura após o ensaio. A susceptibilidade à CST foi avaliada em termos do tempo para fratura. A susceptibilidade à CST foi avaliada em termos do tempo para fratura. Os testes de CST revelaram que o eletrodo E316L apresentou melhor resistência a fissuração por corrosão sob tensão. Palavras-Chave: Corrosão Sob Tensão. Aços Inoxidáveis. Soldagem. Abstract Oliveira, L. A. (2013), Influence Of Metal From Corrosion Susceptibility In Addition Under Tension From Dissimilar Welded Joints Stainless Steel Austenitic 316 Stainless Steel and Duplex 2304, Dissertation (Master in Design and Manufacturing), Institute of Mechanical Engineering, Federal University of Itajubá, Itajubá – MG, Brazil. This work presents the investigation of the influence of the filler metals E316L and E2209 on the susceptibility to stress corrosion cracking (SCC) of welded joints of austenitic stainless steel AISI 316 and duplex stainless steel AISI 2304 in aqueous solution of MgCl2 (43%). These two types of filler metals were used for the purpose of producing welded joints fusion zones with different chemical compositions. To analyze the microstructure of the welded joints was used an optical microscope. The mechanical properties of the welded joints were analyzed by tensile tests and Vickers hardness. To assess the susceptibility of welded joints to stress corrosion method was used for corrosion test under load using load constant. Samples were characterized micro structurally after the test. The susceptibility to CST was assessed in terms of time to fracture. The CST tests revealed that the electrode E316L showed better resistance to stress corrosion cracking Word Keys: Stress Corrosion Cracking Tension, Stainless steels, Welding. SUMÁRIO SUMÁRIO.................................................................................................................................. i LISTA DE TABELAS................................................................................................................. iii LISTA DE FIGURAS..................................................................................................................v 1. INTRODUÇÃO 1 2. OBJETIVOS..........................................................................................................................3 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.................................................................................................. 4 3.1 Aços Inoxidáveis..............................................................................................................4 3.1.1 Influência dos Elementos de Liga no Aço Inoxidável................................................5 3.1.2 Aços Inoxidáveis Austeníticos...................................................................................6 3.1.3 AISI 316.................................................................................................................... 8 3.2 Aços Inoxidáveis Dúplex................................................................................................. 9 3.2.1 Características dos Aços Inoxidáveis Dúplex.........................................................10 3.2.2 Propriedades Mecânicas dos Aços Inoxidáveis Dúplex......................................... 10 3.3 Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis...........................................................................12 3.3.1 Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis Austeníticos................................................... 13 3.3.2 Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis Dúplex........................................................... 16 3.4 Processo de soldagem GMAW..................................................................................... 17 3.5 Corrosão........................................................................................................................20 3.5.1 Corrosão Sob Tensão.............................................................................................20 3.5.2 Mecanismos de Propagação das Trincas...............................................................23 3.5.3 Efeitos da Tensão na CST...................................................................................... 24 3.5.4 Fatores Relevantes da Corrosão Sob Tensão........................................................25 3.5.5 Ensaios de Corrosão Sob Tensão.......................................................................... 28 3.5.5.1 Ensaios de Corpo de Prova não Entalhado.........................................................29 4 MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................................... 32 4.1 Materiais........................................................................................................................32 4.1.1 Metais Utilizados.....................................................................................................32 4.1.2 Metais de Adição.................................................................................................... 32 4.1.3 Solução de Ataque..................................................................................................33 4.2 Métodos.........................................................................................................................34 4.2.1 Confecção dos Corpos de Prova............................................................................34 4.2.2 Ensaios Mecânicos e Metalográficos..................................................................... 37 4.2.2.1 Ensaios de Tração...............................................................................................38 4.2.2.2 Ensaios de Microdureza Dureza Vickers.............................................................38 4.2.2.3 Ensaios Metalográficos..................................................................................................39 4.2.3 Ensaios de Corrosão sob Tensão............................................................................................40 4.2.3.1 Dispositivo de Ensaio de Corrosão sob Tensão.................................................................. 40 4.2.3.2 Procedimento de Ensaio de Corrosão sob Tensão................................................... 41 4.2.4 Inspeção Visual.................................................................................................................. 42 CP – Corpo de prova CST – Corrosão Sob Tensão MB – Metal Base ZF – Zona Fundida ZTA – Zona Termicamente Afetada UNIFEI – Universidade Federal de Itajubá LISTA DE FIGURAS Figura 1. Diagrama da série 300 dos aços inoxidáveis austeníticos (S/A., 2001)..................................7 Figura 2. Microestrutura típica de um aço inoxidável austenítico (1) AISI 316L X 400 e microestrutura típica de um aço inoxidável dúplex (2) SAF2205 X 400 (SENATORE, FINZETTO e PEREA, 2007)........................................................................................................................................ 11 Figura 3. Diagrama pseudo-binário Fe-Cr-Ni para um teor de ferro de 70% (PINTO, 2006)............... 14 Figura 4. Trincas intergranulares na ZTA e na região não misturada da zona fundida de uma peça fundida de aço inoxidável. Aumento de 100x (MODENESI, 2001)...................................................... 15 Figura 5. Morfologia da fase sigma após envelhecimento isotérmico à 750°C (SILVA, 2011).............17 Figura 6. Processo básico de soldagem MIG/MAG (FORTES e VAZ, 2005)...................................... 18 Figura 7. Desenho esquemático da secção transversal de uma solda (WAINER, BRANDI e MELLO, 1992)...................................................................................................................................................... 19 Figura 8. Condições mínimas para a ocorrência de Corrosão sob tensão (FERNANDES, 2010)......... 21 Figura 9. Corrosão sob tensão no aço AISI-446 em solução de NaCl (250x) (SILVA, 2011)............... 23 Figura 10. Comportamento de aços inoxidáveis a CST em solução efervescente de cloreto de magnésio 42%. Fonte: (ASM Handbook ,1989).................................................................................... 26 Figura 11. Comportamento da velocidade da trinca em relação a temperatura do meio corrosivo (SPEIDEL, 1981)....................................................................................................................................27 Figura 12. Fissuração por Corrosão Sob Tensão em arames de Fe-Cr-Ni submetidos a uma solução fervente de cloreto de magnésio (FONTANA, 1986).............................................................................28 Figura 13. Evolução da tensão real e da tensão nominal nos ensaios a carga e ou a deformação constante (GEMELLI, 2001).................................................................................................................. 30 Figura 14. Curva esquemática para o tempo de falha típico em função de uma tensão aplicada em ensaios de corrosão.................................................................................................................................31 Figura 15. Foto do medidor de pH e a solução...................................................................................... 33 Figura 16. Apresentação do equipamento utilizado, a tocha e o carro tartaruga, utilizadas para a união das chapas............................................................................................................................................... 35 Figura 17. Chapa já soldada................................................................................................................... 35 Figura 18. Sequência de preparação das chapas.....................................................................................36 Figura 19. Geometria e dimensões do corpo de prova após usinagem...................................................36 Figura 20. Corpo de prova usinado no centro de usinagem Fadal CNC 88HS da UNIFEI (FERNANDES, 2010)............................................................................................................................ 37 Figura 21. Foto do corpo de prova 316+316+2304 lixado e polido....................................................... 37 Figura 22. Máquina utilizada para ensaios de tração..............................................................................38 Figura 23. Microscópio ótico e microprocessador de dados.................................................................. 40 Figura 24. Bancada de ensaio de Corrosão Sob Tensão......................................................................... 41 Figura 25. Corpo de prova isolado......................................................................................................... 41 Figura 26. Microestrutura do aços inoxidável austenítico 316...............................................................43 Figura 27. Microestrutura do aço inoxidável Duplex 2304....................................................................44 Figura 28. Foto mostrando a penetração do cordão de solda................................................................. 44 Figura 29. Foto do topo da junta. 316+316+Duplex.............................................................................. 45 Figura 30. Foto da raiz da junta de 316+316+Duplex............................................................................45 Figura 31. Foto do topo da junta de 316+ Duplex +Duplex...................................................................45 Figura 32. Foto da raiz da junta de 316+ Duplex +Duplex.................................................................... 46 Figura 33. Microestrutura da união utilizando o metal de adição 316 no lado do metal base duplex... 46 Figura 34. Microestrutura da união utilizando o metal de adição 316 no lado do metal base Austenítico.............................................................................................................................................. 47 Figura 35. Microestrutura da união utilizando o metal de adição 2209 no lado do metal baseaustenítico........................................................................................................................................47 Figura 36. Microestrutura da união utilizando o metal de adição 2209 no lado do metal base duplex..48 Figura 37. Resultado do ensaio de tração do Corpo de prova 316+316+Duplex...................................49 Figura 38. Resultado do ensaio de tração do Corpo de prova 316+2209+Duplex.................................49 Figura 39. Gráfico das medições do aço inoxidável 316 após ser recebido........................................... 50 Figura 40. Gráfico das medições do aço inoxidável 2304 após ser recebido.........................................51 Figura 41. Gráfico de medições da união dos aços inoxidáveis 316+ 2304 com o metal de adição 316l...................................................................................................................................................... 51 11 Figura 42. Gráfico de medições da união dos aços inoxidáveis 316+ 2304 com o metal de adição 2209...................................................................................................................................................... 53 Figura 43. Macrografia do corpo de prova fraturado 316+Duplex+Duplex após CST.........................54 Figura 44. São macrografias do corpo de prova fraturado 316+316+Duplex após CST......................55 Figura 45. Fratura e trincas transgranular na ZTA e no metal base 316 após ensaio de CST. No corpo de prova 316+316+Duplex cp2.............................................................................................................. 56 Figura 46. Trinca transgranular no metal adição 316L do lado do metal base AISI316 após ensaio de CST do corpo de prova, 316+316+Duplex 3 500x.................................................................................57 Figura 47. Microestrutura do corpo de prova 316+316L+2304............................................................. 57 Figura 48. Microestrutura do corpo de prova 316+316L+2304............................................................. 58 Figura 49. Microestrutura da zona fundida do metal de adição 316L com a presença de uma rede de ferrita delta de forma continua. Ataque eletrolítico: acido oxálico 10%................................................ 59 Figura 50. Fratura na região da zona fundida e trinca no metal base AISI 2304 após ensaio de CST, próxima a região de fratura. No corpo de prova 316+316+Duplex cp1.................................................60 Figura 51. A seta apresenta trincas internas na ZTA do metal base 316. Com ampliação 200x............ 61 Figura 52. Fotografia da fratura do corpo de prova 316+2209+2304................................................... 62 Figura 53. A seta apresenta trinca na ZTA do lado do metal base 316 e no metal adição 2209 após ensaio de CST do corpo de prova 316+Duplex+Duplex........................................................................ 62 Figura 54. Fotografia da microestrutura da ZTA do metal base 2304 do corpo de prova 316+2209+2304...................................................................................................................................... 63 Figura 55. A foto apresenta trincas internas na ZTA do metal base 316 do corpo de prova 316+2209+2304...................................................................................................................................... 64 12 Verificar a influência do metal de adição sobre a microestrutura e a resistência à corrosão sob tensão de juntas soldadas dissimilares de aço inoxidável austenítico 316 e do aço inoxidável duplex 2304. 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 Aços Inoxidáveis Aço inoxidável é o termo empregado para identificar uma família de aços contendo 11% ou mais do elemento cromo (PANOSSIAN, 1993), elemento químico que garante ao material elevada resistência à corrosão. O elemento cromo distribuído de forma homogênea por todo o aço, ao entrar em contato com o oxigênio do ar, forma uma camada fina, contínua e resistente de óxido sobre a superfície do aço, protegendo-o contra ataques corrosivos do meio ambiente. Sua resistência a corrosão é função da película de óxido que se forma na superfície do material, chamada película passiva. Estável e com espessura finíssima a película passiva torna-se muito aderente ao inox e tem sua resistência aumentada à medida que se adiciona mais cromo à mistura. Mesmo quando o aço sofre algum tipo de dano, sejam arranhões, amassamentos ou cortes, o oxigênio do ar imediatamente combina-se com o cromo, formando novamente a película protetora. O desenvolvimento dos aços inoxidáveis é atribuído ao inglês Harry Brearly, em 1912. Ao experimentar um liga ferro-cromo com aproximadamente 13% de cromo, ele fez algumas observações metalográficas e constatou que a liga fabricada resistia à maior parte dos reagentes frequentemente usados em metalografia; a essa liga ele denominou “Stainless Steel”, ou seja, “aço sem manchas”. Brealy e Strauss, na verdade, quiseram dizer que esse aço não era atacado ou “manchado” quando submetido aos ataques metalográficos da época. No mesmo ano, na Alemanha, Eduard Maurer afirmava que uma liga ferro-cromo elaborada por Brenno Straus resistiu por vários meses aos vapores agressivos do laboratório em que trabalhava. Os aços inoxidáveis descobertos por Brealy e Strauss são, basicamente, os tipos conhecidos hoje como ABNT 420 e ABNT 302. Na mesma época, foram feitos tratamentos térmicos a altas temperaturas para conseguir boa dutilidade (no tipo ABNT 302) e alta dureza (no tipo ABNT 420). No primeiro caso, o tratamento foi dado por Maurer. Na Alemanha, já em 1914, uma liga à base de ferro e contendo 20% de cromo, 7% de níquel e 0,25% de carbono foi utilizada numa fábrica de anilina e soda; imediatamente, os aços inoxidáveis foram adotados nas fábricas de amônia sintética do país. As ligas ferro-cromo (17% cromo) e ferro-cromo-níquel (18% cromo e 8% níquel) foram amplamente usadas nos anos de 1920/1930 nos Estados Unidos, Inglaterra e Alemanha, em fábricas de amônia e ácido nítrico (MODENESI, 2001). O progresso obtido desde então nos processos de fabricação e refino de ligas metálicas permitiram o desenvolvimento de aços inoxidáveis com diferentes composições químicas, microestruturas e propriedades químicas e mecânicas. Estes aços são divididos em diferentes classes que variam de acordo com os elementos químicos presentes nos mesmos, tais elementos são responsáveis pela estabilização da microestrutura ferrítica, austenítica ou ambas. Alguns aços inoxidáveis chegam a ter em sua composição uma quantidade de até 30% Cr, além de outros elementos que podem ser adicionados tais como; Ni, N, Mo, Ti, Nb, Al, Cu (CORROSION, 2003) (SEDRIKS, 1996). Para determinados usos, os teores de cromo podem ser aumentados e outros elementos tais como o molibdênio, nióbio, titânio e nitrogênio são adicionados, visando atender as necessidades específicas dos usuários: 3.1.1 Influência dos Elementos de Liga no Aço Inoxidável O elemento Cr (cromo): há resistência à corrosão dos aços inoxidáveis dependendo do seu teor de cromo contido; quanto maior o cromo contido, maior a resistência à corrosão. O elemento Ni (níquel): muda a estrutura cristalográfica da liga, torna o aço mais dúctil, tem pequeno efeito na resistência à corrosão e o torna o aço não magnético. O elemento C (carbono): com o cromo somente, torna o aço endurecível por têmpera. Os elementos Ti (titânio) e Nb (nióbio) impedem a combinação do carbono com o cromo, evitando perda de resistência à corrosão, e melhoram a soldabilidade. Na Tabela 1 estão apresentadas as principais classes e nomenclaturas dos aços inoxidáveis Conforme foi mostrado na Tabela 1, os aços inoxidáveis podem ser divididos em cinco famílias: quatro são baseadas nas características cristalográficas/microestruturais do aço: ferríticos, martensíticos, austeníticos, dúplex (austenita + ferrita). A 5ª família, ligas endurecidas por precipitação, é baseada no tipo de tratamento térmico usado, ao invés da microestrutura (S/A., 2001). Os aços inoxidáveis são bastante utilizados como utensílios domésticos; nas indústrias, alimentícia, de cutelaria, e bebidas, entre outras; na área petroquímica, na construção de navios, na área médica etc. Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 1. Classes e nomenclaturas dos aços inoxidáveis (ANTUNES, 2010). Classes das Ligas Aços mais comuns Austenítico S30100 S30400 S30403 S31600 S31603 S32100 S31000 S30815 N08904 S31254 Ferrítico S40900 S41003 S43000 S43932 S44400 Martensítico S41000 S42000 S43100 S44004 Duplex S32101 S32304 S32205 S32750 S32520 Endurecidas por precipitação S17400 S17700 S15500 É uma liga de composta aço cromo-níquel-molibdênio, são não-temperável e não- magnético. Apresenta resistência à oxidação até a temperatura de 875°C, porém a resistência à corrosão intergranular é garantida até a temperatura de 300°C (FERNANDES, 2010). Esta liga possui molibdênio em sua composição, o que aumenta a sua resistência mecânica e a resistência ao ataque corrosivo em meios clorados e não oxidantes. (FERNANDES, 2010). Esta liga é conformada a frio, mas exige maiores esforços de conformação do que os aços não ligados (FERNANDES, 2010). Caracteriza-se por um coeficiente de dilatação térmica linear cerca de 50% superior ao dos aços para construção mecânica (FERNANDES, 2010). O aço inoxidável 316 tem boa soldabilidade, independentemente do processo utilizado. Para evitar a corrosão intergranular, a temperatura máxima de trabalho é de 200°C, e é necessário solubilizar os carbonetos precipitados durante a soldagem. Esta liga em estado recozido apresenta as seguintes propriedades mecânicas: (FERNANDES, 2010) · Limite de escoamento a 0,2 %: 294 N / mm2; · Resistência à tração: 588 N / mm2; · Alongamento: 40%; · Estricção: 50%; · Dureza Rockwel: 150 HB aproximadamente; Este aço é utilizado para a constituição de estruturas que têm alta resistência à corrosão, tais como recipientes, válvulas, tubos, equipamentos hospitalares, peças para as indústrias; química, petrolífera, têxtil, alimentícia, etc. É utilizado em ambientes em que seja necessário o trabalho com substâncias corrosivas, tais como ácidos sulfurosos, ácidos sulfúricos, ácidos sulfurosos, banhos clorados, soluções alcalinas, soluções salinas etc. A composição química típica do aço AISI 316 é mostrada na tabela 2 (FERNANDES, 2010). Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 2. Composição química (% em peso) do aço AISI 316. ABNT/SAE/AISI C máx Mn Max. P máx. S máx. Si Max Ni Cr Mo 316 0,08 2,00 0,045 0,030 0,030 10,0-14,0 16,0-18,0 2,0-3,0 (Catálogo Carbinox) Composição Química conforme Norma AISI. 3.2 Aços Inoxidáveis Dúplex 3.2.1 Características dos Aços Inoxidáveis Dúplex Os aços denominados aços inoxidáveis dúplex fazem parte de uma classe de materiais com microestrutura bifásica, composta por uma matriz ferrítica e ilhas de austenita, com frações volumétricas aproximadamente iguais dessas fases. Essa classe de materiais é caracterizada por apresentar interessante combinação de elevadas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão (LOUREIRO, 2010). Estes aços apresentam alto percentual de elementos de liga, como cromo, níquel, molibdênio e nitrogênio, que devem estar balanceados em forma apropriada a fim de possuírem frações volumétrica similares de todas as fases e conceder a ferrita e austenita resistência à corrosão e resistência mecânica (LOUREIRO, 2010). Os diferentes tipos de aços inoxidáveis dúplex são, usualmente, separados em três grupos, com relação à composição química (SENATORE, FINZETTO e PEREA, 2007): a) Aços inoxidáveis dúplex de baixa liga: devido ao menor teor de elementos de liga são materiais econômicos, não possuem molibdênio na composição química e podem substituir aços inoxidáveis austeníticos como TP304L e 316L. Um tipo utilizada é o UNS S32304 (SAF 2304). b) Aços inoxidáveis dúplex de média liga: nessa família, enquadram-se os dúplex mais utilizados. A qualidade típica é o UNS S31803 (SAF 2205). Apresentam resistência à corrosão intermediária entre os austeníticos comuns TP304L e 316L e aços inoxidáveis superausteníticos com 5 e 6% de molibdênio. c) Aços inoxidáveis dúplex de alta liga: comumente designados por superdúplex. O UNS S32750 (SAF 2507) apresenta elevada resistência à corrosão comparável aos superausteníticos que possuem entre 5 e 6% de molibdênio. 3.2.2 Propriedades Mecânicas dos Aços Inoxidáveis Dúplex A combinação entre os elevados valores de alongamento da austenita com o elevado limite de escoamento da ferrita nos aços inoxidáveis duplex formam um conjunto de notáveis propriedades mecânicas (SENATORE, FINZETTO e PEREA, 2007) apud (VALERIANO, 2012). Os aços inoxidáveis duplex apresentam elevado limite de escoamento, na ordem de duas vezes o valor dos aços austeníticos. Além disso, apresentam um alongamento mínimo em torno de 25% (VALERIANO, 2012). O comportamento mecânico dos aços inoxidáveis dúplex está 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 se maximizar as propriedades mecânicas (SENATORE, FINZETTO e PEREA, 2007) apud (VALERIANO, 2012) A Tabela 3 compara os elementos de liga dos aços inoxidáveis de microestrutura dúplex com os aços inoxidáveis austeníticos (VALERIANO, 2012). Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 3. Composição química dos principais aços inoxidáveis Na figura 2 pode-se visualizar a diferença entre as microestruturas dos Aços inoxidáveis. Figura SEQ Figura \* ARABIC 2. Microestrutura típica de um aço inoxidável austenítico (1) AISI 316L X 400 e microestrutura típica de um aço inoxidável dúplex (2) SAF2205 X 400 (SENATORE, FINZETTO e PEREA, 2007). A Tabela 4 faz comparação entre as propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis austeníticos e os dúplex (LOUREIRO, 2010)(S/A., 2001). Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 4. Comparação entre as propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis dúplex e austeníticos: Os aços inoxidáveis dúplex apresentam alta resistência ao impacto na temperatura ambiente (25°C). Sua tenacidade está limitada a fração volumétrica e distribuição da ferrita. 3.3 Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis Nas mais diversas aplicações dos aços inoxidáveis há necessidade de se realizar união pelo método de soldagem, um dos principais processos industriais de união de metais. O processo de soldagem é largamente utilizado na recuperação de peças desgastadas e para aplicação de revestimentos de características especiais, frequentemente o aço inoxidável é depositado sobre superfícies metálicas. Esta grande utilização se deve a diversos fatores e, em particular, à sua relativa simplicidade operacional (MODENESI, 2001). Na região zona termicamente afetada (ZTA), pode ocorrer o surgimento de trincas e fissuras, nesta região e menos comuns do que as fissuras na região da zona fundida, sendo posivel acontecer na soldagem em seções relativamente espessas de certos tipos de aços inoxidáveis, particularmente os que contêm nióbio. As trincas formadas são intergranulares, podem se iniciar na ZTA ou nas regiões não misturadas e parcialmente fundidas e se propagar para a ZTA, como pode ser visualizado na figura 4. Figura SEQ Figura \* ARABIC 4. Trincas intergranulares na ZTA e na região não misturada da zona fundida de uma peça fundida de aço inoxidável. Aumento de 100x (MODENESI, 2001). As trincas podem se iniciar à margem da solda e propagar internamente na direção à superfície ou seguindo o contorno da solda. Os elementos Nb, Zr e B são prejudiciais, e quando o tamanho de grão é aumentado por um tratamento térmico a sensibilidade aumenta em aços contendo Nb. A formação de trincas pode ser suprimida pelo uso de um metal de adição cuja temperatura de fusão seja menor que à do metal base, indicando que a fissuração ocorre a temperaturas muito elevadas. Duas das modificações metalúrgicas produzidas pelo rápido ciclo térmico a que está submetida a ZTA de um aço inoxidável austenítico relacionam-se aos efeitos da precipitação de partículas de segunda fase e ao crescimento do tamanho de grão. Os principais precipitados da ZTA são os carbonetos M23C6,enquanto que no metal de solda precipitam a ferrita delta e a fase sigma. Os carbonetos M23C6 são ricos em cromo e precipitam nos contornos de grão da zona termicamente afetada, sendo cercados por uma fina camada empobrecida deste elemento. Este fenômeno é conhecido como sensitização (ANTUNES, 2010). Segundo (IRVING, 1992), este fenômeno da sensitização nos aços inoxidáveis austeníticos pode ser assim explicado: para formar os carbonetos M23C6, é necessária uma quantidade adicional de cromo, o qual é obtido das regiões de contorno de grão. Os átomos de cromo no contorno difundem-se rapidamente para o carboneto, fazendo com que átomos de cromo das regiões vizinhas ao contorno difundam-se em direção a ele para substituir aqueles que passaram a constituir o carboneto. Desta forma, estas regiões do contorno de grão não formam a camada passiva de autoproteção por não terem cromo suficiente. Esta microestrutura sensitizada torna-se menos resistente à corrosão devido à camada empobrecida em cromo e ao fato d e a região de precipitação constituir-se em ponto preferencial de ataque. Após a soldagem dos aços inoxidáveis austeníticos, sua microestrutura do metal fundido difere da microestrutura do metal de base. Por estes aços serem susceptíveis a fissuração durante a solidificação, a composição do metal fundido deve ser ajustada de forma a ter a presença de certa quantidade de ferrita delta. Se o teor de ferrita exceder em 10%, isso geralmente resulta numa rede contínua de ferrita ao longo dos limites dos grãos, com um efeito altamente prejudicial à resistência a corrosão do aço inoxidável austenítico. Assim, o teor de ferrita do metal de enchimento de aços inoxidáveis austeníticos é mantido dentro dos limites de 2 a 10%, segundo Ribbe, 1997 apud (ANTUNES, 2010). 3.3.2 Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis Dúplex. A soldabilidade dos aços inoxidáveis duplex é boa e parecida com a dos aços inoxidáveis austeníticos da série 300 (304L, 316L etc.). Nestes aços, pode ser utilizada a maioria dos processos de soldagem usuais, tais como: TIG, MIG, plasma, eletrodo revestido, arame tubular (EUTECTIC, 2006; CASTOLIN, 2006). Problemas sérios podem aparecer devido a alterações metalúrgicas ocorridas nas operações de soldagem, mas não detectadas por práticas convencionais (CASTOLIN, 2006) (EUTECTIC, 2006) De um modo geral, essas ligas solidificam-se abaixo de 1440° C e apresentam somente ferrita nessa temperatura. Com a continuação do resfriamento da liga em torno de 1200° C, inicia-se a formação da austenita. Ao final tem-se aproximadamente 50% de cada uma dessas fases na microestrutura do aço. O aquecimento da zona fundida (ZF) e da zona termicamente afetada (ZTA) acima de 1200° C é comum (SOUZA, 2012). Durante o resfriamento dessas regiões, a austenita tende a se formar novamente, entretanto as velocidades de resfriamento são elevadas após a soldagem e a nova quantidade formada de austenita pode não ser suficiente para garantir o bom desempenho do material (MODENESI, 2001). O controle dos parâmetros de soldagem, principalmente corrente, tensão e velocidade de soldagem, podem influenciar para que a junta receba a quantidade de calor adequada e resfrie com condições de temperatura e tempo para que as quantidades desejadas de austenita voltem a ser formadas (E. B. NUNES, 2011). Também deve-se levar em consideração os possíveis problemas causados pelo aparecimento de precipitados indesejáveis na microestrutura da junta soldada. Essas fases, conhecidas por secundárias (fase sigma, fase chi etc.), podem fragilizar as excelentes propriedades mecânicas e a resistência à corrosão dos aços duplex que se formam durante um resfriamento rápido ou lento da junta soldada (CASTOLIN, 2006) (EUTECTIC, 2006). A formação da fase sigma (σ) em aços inoxidáveis duplex se inicia com nucleação nos contornos de grãos, pontos triplos de grãos ou discordâncias. Estes núcleos formam-se, predominantemente, nos contornos entre ferrita-ferrita e ferrita-austenita, em temperaturas entre 600º C e 1000º C. Durante a precipitação desta fase, há difusão dos elementos Cr e Mo da ferrita para sigma, podendo causar também a transformação de ferrita em austenita. Devido à lenta difusão de Mo da matriz de ferrita, quando comparado ao Cr, pode-se afirmar que o molibdênio é o responsável pelo equilíbrio na formação de sigma (SILVA, 2011) Figura SEQ Figura \* ARABIC 5. Morfologia da fase sigma após envelhecimento isotérmico a 750° C (SILVA, 2011). 3.4 Processo de soldagem GMAW No processo de soldagem ao arco elétrico com gás de proteção (GMAW – Gás Metal Arc Welding), também conhecida como soldagem MIG/MAG (MIG – Metal Inert Gas e MAG – Metal Active Gas), um arco elétrico é estabelecido entre a peça e um consumível na forma de arame. O arco funde continuamente o arame à medida que este é alimentado à poça de fusão. O metal de solda é protegido da atmosfera pelo fluxo de um gás (ou mistura de gases) inerte ou ativo. A figura abaixo mostra esse processo e uma parte da tocha de soldagem (FORTES e VAZ, 2005). Figura SEQ Figura \* ARABIC 6. Processo básico de soldagem MIG/MAG (FORTES e VAZ, 2005) O conceito básico de GMAW foi introduzido em meados de 1920, e tornado comercialmente viável após 1948. O processo de soldagem MIG (Metal Inert Gas) se baseia em uma fonte de calor de um arco elétrico mantido entre a extremidade de um arame consumível nu, alimentado continuamente, e a peça a ser soldada. A proteção da região da solda é feita por uma atmosfera protetora de gás inerte (comercialmente, Ar e He). Inicialmente foi empregado com um gás de proteção inerte na soldagem. Consequentemente, o termo soldagem MIG foi aplicado primeiro e, posteriormente, no emprego de gases ativos, o termo de soldagem MAG foi aplicado. Então a soldagem MIG/ MAG é uma referência ao processo. Desenvolvimentos subsequentes acrescentaram atividades com baixas densidades de corrente e com correntes contínuas pulsadas, emprego em uma ampla gama de materiais, e o uso de gases de proteção reativos ou ativos (particularmente o dióxido de carbono, CO2) e misturas de gases. Esse desenvolvimento Figura SEQ Figura \* ARABIC 8. Condições mínimas para a ocorrência de corrosão sob tensão (FERNANDES, 2010). A corrosão sob tensão é uma fissuração provocada pela corrosão associada a tensões residuais ou a tensões externas constantes. Por ser localizada, a perda de massa do material corroído é, em geral, muito pequena. Entretanto, esse tipo de corrosão traz consequências práticas importantes, tendo em vista o grande número de materiais metálicos utilizados e por ser um fenômeno difícil de previsão. A fissuração dos materiais induzida pelo meio não se restringe aos materiais dúcteis. Observou-se também que, quando expostos a certos meios corrosivos, alguns materiais como vidros, plásticos e cerâmicas mostraram uma grave degradação de suas propriedades mecânicas. Distinguem-se vários fatores importantes da corrosão sob tensão, dentre elas (GEMELLI, 2001): A) Tensões. As tensões de origem interna surgem por meio das operações de conformação mecânica (laminação, trefilação, extrusão, embutimento etc.), dos tratamentos térmicos (têmpera, transformação de fase), dos tratamentos de superfície, dos gradientes térmicos etc. As tensões externas são mais facilmente definidas, e resultam das condições de utilização. Baixas tensões, a partir de 50% do limite de elasticidade do material, podem provocar corrosão sob tensão. Quando uma trinca é observada do interior do material, há uma concentração de tensão induzida pela presença dessa trinca. Entretanto, quando a trinca é observada de dentro do meio agressivo, as paredes da trinca praticamente não apresenta tensões, enquanto uma alta concentração de tensão é encontrada na ponta da trinca. O meio corrosivo está em contato com um material altamente heterogêneo. O material apresenta-se praticamente livre de tensões, mas com uma alta concentração de tensão localizada na ponta da trinca. A simulação numérica de trincas mostra que essa heterogeneidade se estende sobre curtas distâncias, da ordem de algumas distâncias interatômicas. B) Meio corrosivo e material. A manifestação do fenômeno de corrosão e o seu tipo de propagação no interior do metal depende do metal (ou liga) e meio corrosivo, conforme pode- se observar na tabela 6 referente a alguns materiais e meios que permitem a ocorrência de CST. Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 5. A Tabela que indica alguns sistemas material-meio corrosivo: Material Meio corrosivo Aços inoxidáveis austeníticos Soluções contendo íons de alogenetos (Cl̄, Br , 1̄) OH̄+H2O H20 a alta temperatura Ácidos politiônicos Aços ao carbono -OH+H2O N03+HP I;I2S + Hp Água do mar ., Ligas de alumínio Cl-+HP Br+H2O 1-+ H20 Latão Cu-30Zn Soluções de amoníaco e mercúrio Ligas de titânio Soluções de H2N03, soluções contendo íons agressivos (Cl, Br, 1-) Os aços inoxidáveis austeníticos são sensíveis à corrosão sob tensão em meios que contêm íons. Essa sensibilidade depende da temperatura e da concentração de íons agressivos. Um aço inoxidável Fe-18Cr-10Ni, por exemplo, começa a se trincar a partir de 0° C quando imerso em uma solução que contenha entre 2,5 e 4 mg/l de íons de Cl̄. Acima de 5 mg/l de íons de CI- o aço se trinca a partir de 40° C (GEMELLI, 2001). Resíduos de certos elementos químicos específicos presentes na solução podem provocar fissuras. Assim, basta uma concentração de 50 X 10-6 M de NaCI em água a 80°C para provocar a corrosão de um aço inoxidável contendo 18% Cr e 10% Ni e submetido a uma baixa tensão (GEMELLI, 2001). A resistência dos aços inoxidáveis austeníticos depende também da sua composição química. Em solução de cloreto de magnésio, a resistência à fissura aumenta com a concentração de molibdênio, cromo e níquel (GEMELLI, 2001). O fenômeno da CST ocorre em materiais que apresentam boa resistência à corrosão generalizada, tais como aços austeníticos, ligas de titânio etc. Também os aços inoxidáveis ferríticos são susceptíveis a este fenômeno, porém em muito menor escala comparativamente aos aços austeníticos (SILVA, 2011). Conforme Figura 9. Figura SEQ Figura \* ARABIC 9. Corrosão sob tensão no aço AISI-446 em solução de NaCl (250x) (SILVA, 2011). 3.5.2 Mecanismos de Propagação das Trincas A ocorrência da CST e o mecanismo que a envolve ainda não estão totalmente explicados, assim não existe um mecanismo universal estabelecido. A complexa inter-relação entre o metal e as propriedades do meio é a razão de não existir um mecanismo definido (SILVA, 2011). Existem três estágios principais que envolvem a corrosão sob tensão do ponto de vista de Wolynec (1988 Apud Silva 2011). - No 1º estágio, acontece o ataque corrosivo de forma lenta, no qual produz uma corrosão tipo pite ou outra forma de concentração de tensão, que pode desenvolver uma trinca. - No 2º estágio, acontece o desenvolvimento da trinca no ponto inicial a partir da corrosão no primeiro estágio. Este efeito e o efeito da tensão promovem a propagação da trinca, com consequente aumento de tensão na extremidade da trinca. - No 3º estágio, a trinca continua se propagando, devido unicamente pela à ação da tensão de tração e da perda de área do componente com a corrosão; desta forma, ocorre a fratura rápida sob ação da tensão. A fratura está associada ao fato de a tensão aplicada exceder a resistência do aço. Em soluções de cloretos, as maneiras de ataque estão associadas com heterogeneidades estruturais (como exemplo, onde ocorreu a corrosão por pites, normalmente em inclusões de MnS e a corrosão intergranular, ocorre ao longo dos contornos de grão empobrecidos em cromo), enquanto que as trincas de CST em cloretos adotam um caminho transgranular com alguns segmentos de trinca seguindo os planos de escorregamento da rede austenítica ( Duffo e AL, 1988 apud Silva, 2011). Estudos feitos por (SEDRIKS, 1996) sobre o trincamento por cloretos demostram que o degrau de escorregamento criado pela deformação rompe a camada de filme passivo, o que expõe a superfície metálica ao meio corrosivo. Existe uma competição entre a ruptura do filme e a tendência de o material passivar pela formação do filme de proteção e a interrupção do desenvolvimento de tal filme pela formação de bandas de escorregamento que o rompe o filme, portanto esta interação leva ao trincamento transgranular (SILVA, 2011). A fissuração intergranular pode ocorrer em situações em que os contornos de grãos são menos passivados do que o interior do grão (SEDRIKS, 1996). Manfredi et al(1987 apud SILVA, 2011), observaram que a fissuração transgranular por CST do aço inoxidável AISI-304 em solução de MgCl2 (SILVA, 2011), ocorriam por uma reação anódica com o meio corrosivo, onde os compostos de baixo ponto de fusão, geralmente filmes salinos ricos em cloretos, são formados sob sua superfície metálica. Desta maneira, a propagação das trincas se dá pelo mecanismo de ruptura dos filmes. Ainda segundo os autores, a fissuração ocorre provavelmente devido à segregação de impurezas de baixo ponto de fusão nos contornos de grão. O fator metalúrgico; os aspectos metalúrgicos, como composição química média de algumas ligas, interações das discordâncias, orientação preferencial dos grãos, composição e distribuição dos precipitados e ocorrência das transformações de fase, influenciam na CST (FERNANDES, 2010). A escolha de materiais que são imunes a CST torna-se necessário pois a composição química do metal altera a susceptibilidade, como, por exemplo, nos aços inoxidáveis compostos por Fe-Cr-Ni que adquirem uma susceptibilidade máxima com o níquel (Ni) em torno de 9% (BRASIL, 2003). Quando o elemento químico nitrogênio é adicionado aos aços inoxidáveis, isso possibilita uma melhora na resistência ao desgaste, na resistência à corrosão e na sua resistência mecânica. Já a sua substituição por carbono, permite a obtenção de materiais com elevado limite de escoamento. O que difere em suas propriedades mecânicas e na resistência a corrosão quando os aços inoxidáveis são ligados com carbono (C) ou nitrogênio está relacionado às diferenças na configuração eletrônica da rede cristalina (GARZÓN, 2005). O trincamento por CST geralmente é causado pela contaminação acidental em processos industriais através de soluções aquosas contendo cloretos ou pela contaminação da superfície do material, durante a fabricação ou o seu transporte. As soluções que contêm cloretos são as condições mais severas quando entram em contato com a superfície do material. conforme mostra a Figura 12 (GEMELLI, 2001). Algumas precauções podem ser tomadas para evitar a contaminação, por exemplo, por água do mar durante a fabricação, transporte e armazenagem desses materiais. Em aços inoxidáveis austeníticos a CST pode ocorrer com elevadas concentrações de íons hidroxila, e em ambientes oxigenados com água fervente o trincamento por CST também pode ocorrer (MODENESI, 2001). Os aços inoxidáveis são ligados com carbono (C) ou nitrogênio, e isto está relacionado às diferenças na configuração eletrônica da rede cristalina (GARZÓN, 2005). Figura SEQ Figura \* ARABIC 12. Fissuração por Corrosão Sob Tensão em arames de Fe- Cr-Ni submetidos a uma solução fervente de cloreto de magnésio (FONTANA, 1986). Segundo (GENTIL, 2007), são observadas algumas características de interação de tensões estáticas e corrosão associadas ao fenômeno do trincamento por CST como, por exemplo: deformação do metal, fraturas frágeis e seletividade dos meios corrosivos em relação aos metais. Segundo (MODENESI, 2001) ressalva que os aços inoxidáveis austeníticos podem sofrer contaminação superficial em contato com o zinco, por ser este um metal de baixo ponto de fusão, causando penetrações e fissuração intergranular nesses aços. Também é aconselhável evitar qualquer contaminação superficial com tintas, por exemplo, se estes aços forem expostos a temperaturas superiores a 400 °C. 3.5.5 Ensaios de Corrosão Sob Tensão Tem sido desenvolvido diferentes técnicas experimentais para se fazer uma avaliação comportamental de materiais que são susceptíveis a CST, e algumas dessas técnicas retratam o comportamento o mais real possível sob esforços mecânicos e a meios corrosivos (GENTIL, 2007). Por ser um tema muito vasto, a CST envolve uma análise de avaliação do material e do ambiente em condições de tensões aplicadas ou residuais, que podem afetar o seu desempenho durante o decorrer de seu uso. O uso de métodos de ensaios de CST serve para avaliar fatores como: histórico de processo, composição do produto, condições ambientais de serviço e carga de trabalho (FERNANDES, 2010). Também é fundamental estabelecer uma conexão entre os resultados das avaliações dos testes de CST em laboratório com as aplicações reais de serviços. Por isso esses ensaios nos fornecem resultados com um maior nível de confiança, resultando em um menor custo para as indústrias e empresas (GENTIL, 2007). Os métodos utilizados para verificar a CST são os ensaios de iniciação de trincas, ensaios de crescimento de trinca e ensaios de propagação de trincas. De acordo com (GEMELLI, 2001), o estudo da CST e a fragilização por hidrogênio são feitos através de ensaios realizados em laboratório classificados em: - Ensaios com carga ou deformação constante; - Ensaios com velocidade de deformação constante. De acordo com o dispositivo de ensaio utilizado podem ser obtidos resultados quantitativos ou qualitativos. Nos ensaios quantitativos geralmente são feitos em uma máquina de tração. Dependendo do corpo de prova utilizado, os ensaios são classificados em três tipos (GEMELLI, 2001): - ensaios estáticos com corpo de prova não entalhado; - ensaios estáticos com corpo de prova entalhado; - ensaios de tração a baixa velocidade de deformação. Neste contexto, somente serão abordados os ensaios deste estudo - os ensaios estáticos com corpos de prova não entalhados, pois foram utilizados equipamentos do laboratório do IEM (Instituto de Engenharia Mecânica da UNIFEI) para realizar esta pesquisa. 3.5.5.1 Ensaios de Corpo de Prova não Entalhado. 4.1.2 Metais de Adição Com o intuito de avaliar a influência da composição química do metal de adição na susceptibilidade a corrosão sob tensão da união de aços inoxidáveis dissimilares, utilizou-se como metais de adição arames sólidos com 1,2 mm de diâmetro de aços inoxidáveis austeníticos AISI 316L e o arame de adição de aço inoxidável dúplex o 2209. Na Tabela 10, apresenta-se a composição nominal dos dois aços inoxidáveis utilizados. Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 10. Composição dos arames (ESAB, 2010). Liga Composição (% em peso) Arames C Cr Mo Ni Mn Si P Cu AISI 316L 0,02 17,5 2,8 12,2 1,7 1 0,02 0 ER2209 0,03 22,5 3,3 8,5 1,7 0,5 0 0,3 4.1.3 Solução de Ataque Para o ensaio de corrosão sob tensão usou-se como meio corrosivo solução aquosa de cloreto de magnésio MgCl com concentração de 43%. Na preparação da solução, foi utilizado cloreto de magnésio hexa hidratado (MgCl2 .6H2O) e água destilada. Para cada 150 ml de solução, adicionou-se 200g de cloreto de magnésio hexa-hidratado (MgCl2.6H2O) e 17,6 ml de água destilada. A solução preparada tem seu ponto de ebulição em aproximadamente 145° C. A faixa de temperatura utilizada foi de 145°C±2, que pode ser conseguida com pequenas variações na concentração da solução preparada. Foi encontrado o valor de 4.02 para o pH da solução a 25°C . Figura SEQ Figura \* ARABIC 15. Foto do medidor de pH e a solução. 4.2 Métodos. Para a realização do trabalho, foram usadas chapas de aço inoxidável 316 e 2304 com espessuras de 3 mm e 4 mm, respectivamente. 4.2.1 Confecção dos Corpos de Prova. Os corpos de prova foram confeccionados, preparados superficialmente e utilizados de acordo com as normas ASTM G58-78 (G58-78) e ASTM E8-79 (E8-79). O processo de confecção dos corpos de prova, desde o recebimento até o produto final seguiu as seguintes etapas: · As chapas foram recebidas nas dimensões de 195 x 300 mm. · Foram, em seguida, recortadas em uma serra de fita horizontal na medida de 65 x 300 mm. · Nessas tiras foram feitos, então, chanfro de 30°, foi deixado 1 mm para a raiz e as chapas foram unidas com a utilização do processo de soldagem MIG/MAG, através da utilização de uma fonte de multiprocesso da Esab AristoPower460 e também da utilização do carro tartaruga para que se pudesse manter a velocidade de passe constante. As chapas foram soldadas no laboratório de soldagem da UNIFEI, pelo processo de soldagem MIG (Metal Inert Gas), de forma que obteve-se um total de seis juntas soldadas: três com a utilização do metal de adição E316L e três com s utilização do metal de adição o 2209. Os parâmetros de solda utilizados para ambos os metais de adição, foram valores recomendados pelo fabricante do arame para obtenção da melhor solda e estão apresentados na Tabela 11. Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 11. Tabela dos parâmetros de soldagem utilizados. Parâmetros Utilizados para o Processo de Soldagem Arame 316 2209 Corrente (A) 115 122 Voltagem (V) 18,7 19 Velocidade de alimentação do arame (m/mim) 3 4,5 Gas de proteção Argônio Argônio Vazão do gás de Proteção (l/min) 14 14 Stick-out (mm) 9 9 O equipamento para a soldagem e os acessórios utilizados estão na figura 16. Figura SEQ Figura \* ARABIC 16. Apresentação do equipamento utilizado, a tocha e o carro tartaruga, utilizadas para a união das chapas. . Após a usinagem, os corpos de provas foram rebarbados e lixados com lixas d’água de SiC com granulação 80,120,200,400 e 600 e, em sequência, polidos com alumina, de gralonumetria de 1μm. Figura SEQ Figura \* ARABIC 21. Foto do corpo de prova 316+316+2304 lixado e polido. 4.2.2 Ensaios Mecânicos e Metalográficos Para avaliar os aspectos microestruturais da região da solda e zonas adjacentes quanto à susceptibilidade à corrosão sob tensão por cloretos, foram realizados ensaios metalográficos dos corpos de prova antes e depois dos ensaios de corrosão sob tensão, por meio de microscopia ótica. Também foram realizados ensaios mecânicos de tração e dureza Vickers em corpos de prova soldados. 4.2.2.1 Ensaios de Tração Para a realização dos ensaios mecânicos de tração foi utilizada uma máquina de tração interligada a um sistema de aquisição de dados (microcomputador) do LEN - Laboratório de Ensaios Destrutivos e Não Destrutivos. A Figura 22 apresenta o equipamento utilizado nos ensaios de tração. Figura SEQ Figura \* ARABIC 22. Máquina utilizada para ensaios de tração. 4.2.2.2 Ensaios de Microdureza Dureza Vickers O ensaio de microdureza de um metal é normalmente relacionado com a resistência à penetração da superfície. Souza(2004) e Linnert (1994) apud (SILVA, 2011) afirmam que a microdureza e o limite de resistência dos materiais apresentam uma forte correlação. Sendo assim, o seu conhecimento é de fundamental importância para o estudo do comportamento dos materiais quando submetidos a condições nas quais a estrutura de um material é modificada, como ocorre durante o processo de união das chapas. A dureza também pode identificar a resistência à deformação plástica permanente (SOUZA, 1977). A microdureza na junta soldada pode representar vários comportamentos aos qual a estrutura do material foi submetida, dependendo dos ciclos térmicos impostos durante a soldagem e da composição química dos metais de adição, e a equivalência entre as propriedades mecânicas do metal de adição e do metal de base. De forma geral, a ZTA (especialmente na zona adjacente à linha de fusão) sofre um processo de endurecimento como consequência da aplicação do calor durante o processo de soldagem (MODENESI, 2001). As avaliações nos testes preliminares para levantamento dos perfis de microdureza tiveram como objetivo relacionar as mudanças microestruturais induzidas pela diferentes condições de soldagem, devido ao fato de os metais de adição serem diferentes. Os ensaios de microdureza foram realizados nas amostras nas condições: como recebida e soldado, no laboratório de Metalurgia e Materiais (LMM) da UNIFEI. As amostras foram lixadas, polidas e embutidas antes do ensaio, conforme procedimentos estabelecidos pela norma ASTM E384 (1999). As medidas foram realizadas por meio de um microdurômetro com penetrador de diamante, com carga de 9,8N, da marca Digimess, modelo Tester HV 1000, em uma linha horizontal, ao longo de toda a extensão da junta soldada, abrangendo o MB, a ZTA e a ZF, totalizando 20 pontos, espaçados por uma distância de 1,2 mm. 4.2.2.3 Ensaios Metalográficos Primeiramente, foram realizados ensaios metalográficos com os metais de base e com as juntas soldadas antes do ensaio de corrosão sob tensão. Depois da obtenção dos corpos de prova para ensaio de corrosão sob tensão, foi retirada uma amostra de cada metal de adição para os ensaios metalográficos. Após os ensaios de corrosão sob tensão, foi retirada uma amostra de 20 mm (medido a partir da extremidade fraturada) de cada corpo de prova rompido. A preparação das amostras compreendeu sequência de lixamentos com lixas d’água de granulometrias 220, 320, 400, 600 e 1200, seguida do polimento em politriz giratória, com alumina de granulometria de 1 μm como abrasivo e, em seguida, polimento com OPU. Foram testados vários tipos de ataques e, após várias tentativas, adotou-se o ácido oxálico para a visualização das microestruturas. A aquisição das micrografias foi realizada no Laboratório de Metalurgia e Materiais (LMM) do Instituto de Engenharia Mecânica – IEM, da Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI, por meio de um microscópio óptico interligado a um microcomputador (analisador de imagens). Os aparelhos utilizados são apresentados na Figura 23. Figura SEQ Figura \* ARABIC 23. Microscópio ótico e microprocessador de dados. O exame das amostras ao microscópio ótico possibilitou a determinação da morfologia e a localização das trincas e da região onde ocorreu a ruptura (ZF, ZTA ou MB) e a avaliação das trincas de corrosão sob tensão. 4.2.3 Ensaios de Corrosão sob Tensão. Os ensaios de corrosão sob tensão foram realizados no Instituto de Engenharia Mecânica – IEM da Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI, utilizando-se um equipamento cujo dispositivo de ensaio com carregamento tipo carga constante fora desenvolvido no Laboratório de Instrumentação da UNIFEI. 4.2.3.1 Dispositivo de Ensaio de Corrosão sob Tensão O mecanismo de funcionamento do banco de ensaio de corrosão sob tensão constituiu- se de um dispositivo de aplicação de carga sobre o corpo de prova por um sistema de peso morto com sistema de polias, que confere boa uniformidade e repetibilidade da carga. O corpo de prova é situado em uma cuba de alumínio revestida em Teflon onde fica submerso na solução de teste, que esta sofre aquecimento, por um sistema de resistências. O controle de temperatura utiliza um termopar e um sistema de refrigeração por líquido, que possui um condensador e uma bomba para circulação de um líquido. O controle do tempo de ensaio foi feito por um cronômetro digital, que era interrompido no momento da ruptura dos corpos de prova. A Figura 24 apresenta uma foto do dispositivo de ensaio de corrosão sob tensão em funcionamento. limpeza superficial em solução aquosa 10% de HNO3 por 20 minutos, à temperatura de 60° C, conforme recomendação prática ASTM G1-72 (G1-72). 4.2.4 Inspeção Visual A análise da fratura dos corpos de prova submetidos aos ensaios de corrosão sob tensão foi realizada inicialmente por inspeção visual. As fraturas foram classificadas, em função de sua aparência em frágil (FR), dúctil (DU) ou dúctil/frágil (FR/DU). 5.RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1 Caracterização Microestrutural 5.1.1 Metais Utilizados para as Juntas. Nos materiais utilizados na obtenção das juntas, logo após o recebimento, foi realizada a caracterização microestrutural, conforme pode ser observado nas figuras abaixo. Na Figura 26 do aço inoxidável 316 nota-se que é formada por grãos poligonais de austenita e verifica-se também a presença de maclas mostrada com as setas. Figura SEQ Figura \* ARABIC 26. Microestrutura do aços inoxidável austenítico 316. A Figura 27 mostra a microestrutura do aço inoxidável dúplex 2304; verifica-se a fase austenítica mais clara (ϒ) e a fase ferrítica (α) mais escura, com também os contornos de grão. Figura SEQ Figura \* ARABIC 27. Microestrutura do aço inoxidável Dúplex 2304. 5.1.2 Juntas. Na realização da soldagem, foram utilizados os parâmetros determinados pelo fabricante dos metais de adição. As soldas obtiveram boa penetração, conforme pode-se observar nas Figura 28 e um cordão de soldagem bem uniforme. 100X do grão na ZTA. Segundo (ANTUNES, 2010), a forma mais utilizada de controlar esse crescimento de grão é a utilização de estabilizantes (Ti, Nb) e o controle da energia de soldagem, de forma que, quanto menor a energia de soldagem, menor é o crescimento de grão. Figura SEQ Figura \* ARABIC 33. Microestrutura da união utilizando o metal de adição 316 no lado do metal base dúplex. Figura SEQ Figura \* ARABIC 34. Microestrutura da união utilizando o metal de adição 316 no lado do metal base Austenítico. A Figura 34 poder ser observado o crescimento de grão na ZTA, devido ao ciclo de aquecimento e resfriamento que ocorre durante o processo de soldagem que afeta a microestrutura e a composição da solda e do metal adjacente, devido a isto a resistência a corrosão das juntas soldadas pode diferir daquela do metal base recozido por tratamento térmico. Vários fatores contribuem para este fato, entre os quais citam (BARBOSA, 1995) são eles: microssegregação, precipitação de fase secundarias, recristalização crescimento de grão na zona afetada pelo calor, possibilidade de sensitização. Figura SEQ Figura \* ARABIC 35. Microestrutura da união utilizando o metal de adição 2209 no lado do metal base austenítico. 200X Figura SEQ Figura \* ARABIC 36. Microestrutura da união utilizando o metal de adição 2209 no lado do metal base duplex. 5.2 Ensaio de Tração Foram realizados ensaios de tração com as juntas soldadas com os metais de adição E316L e 2209. Os testes mostraram que as juntas soldadas com o metal de adição E316L se comportaram de forma mais frágil em relação às juntas soldadas com o eletrodo 2209. A figuras mostram as curvas da tensão encontradas nos ensaios de tração para as juntas soldadas com o metal de adição 2209 e E316L. As Figura 37 e 38 mostram os gráficos dos ensaios de tração dos corpos de prova, de onde pode ser retirada a tensão de escoamento para, ser posteriormente utilizada no ensaio de corrosão sob tensão. Os rompimentos dos corpos de prova, para ambas as juntas soldadas, ocorreram no metal de base austenítico, o que pode ser atribuído à menor resistência a tração deste material. Através dos gráficos, pode-se observar que, para as juntas soldadas com o metal de adição E316L, a tensão de escoamento e o limite de resistência à tração se mostraram relativamente inferiores em relação às juntas soldadas com o metal de adição 2209, o que comprova a maior fragilidade das juntas soldadas com o metal de adição E316L. As tensões de escoamento foram de 312MPa para o arame 316L e de 351MPa para o arame 2209. Foi calculada uma tensão de escoamento média para ser utilizada no ensaio de CST. O valor encontrado foi de 331MPa. 2 221,50 223,30 3 219,10 226,40 4 216,70 223,30 5 216,70 222,10 Média 219,22 224,06 Média Geral 221,64 Figura SEQ Figura \* ARABIC 40. Gráfico das medições do aço inoxidável 2304 após ser recebido. Figura SEQ Figura \* ARABIC 41. Gráfico de medições da união dos aços inoxidáveis 316+ 2304 com o metal de adição 316l. Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 14. Tabela de medições da união dos aços inoxidáveis 316+ 2304 com o metal de adição 316L. Aço 316 + A-316 + Aço 2304 (Duplex) Quantidade de Endentações Lado de baixo à solda Centro da Chapa Lado de cima à solda Média Aço 316 1 166,20 166,20 169,00 167,13 2 169,00 168,60 168,20 168,60 3 169,80 170,60 170,20 170,20 4 173,10 170,60 169,00 170,90 5 183,10 169,80 177,40 176,77 Região afetada 6 185,40 174,40 175,60 178,47 pela solda(ZTA) 7 182,70 174,40 178,20 178,43 8 175,20 178,10 183,60 178,97 9 186,40 193,10 199,10 192,87 10 199,10 196,60 195,10 196,93 11 204,40 200,20 213,50 206,03 12 216,70 217,90 213,30 215,97 13 230,20 220,30 223,90 224,80 14 223,00 218,50 228,90 223,47 15 227,70 223,30 225,80 225,60 Aço 2304 (Duplex) 16 225,00 214,70 223,30 221,00 17 223,90 216,70 220,90 220,50 18 225,20 219,10 221,50 221,93 19 226,10 221,50 220,30 222,63 20 226,40 225,20 222,10 224,57 Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 15. Tabela de medições da união dos aços inoxidáveis 316+ 2304 com o metal de adição 2209. Figura SEQ Figura \* ARABIC 42. Gráfico de medições da união dos aços inoxidáveis 316+ 2304 com o metal de adição 2209. 1ª Amostra Aço 316 + A duplex + Aço 2304 (Duplex) Quantidade de Endentações Lado de baixo à solda Centro da Chapa Lado de cima à solda Média Aço 316 1 145,60 145,90 140,20 143,90 2 145,20 147,20 142,70 145,03 3 143,90 149,20 143,30 145,47 4 147,50 149,20 143,60 146,77 5 146,20 153,30 145,50 148,33 Região afetada pela solda(ZTA) 6 152,60 155,40 148,50 152,17 7 153,30 157,50 149,80 153,53 8 154,30 158,30 174,00 162,20 9 176,50 181,80 185,40 181,23 10 174,40 168,60 182,20 175,07 11 193,10 189,20 175,60 185,97 12 203,70 189,20 173,10 188,67 13 217,90 213,30 210,40 213,87 14 211,00 213,30 216,70 213,67 15 215,60 215,60 220,90 217,37 Aço 2304 (Duplex) 16 216,70 215,60 216,70 216,33 17 220,30 219,10 216,10 218,50 18 219,10 214,40 220,30 217,93 19 222,10 222,10 222,00 222,07 20 221,30 223,50 223,30 222,70 Apesar do elevado valor médio de dureza (220HV) do metal base 2304, este não atingiu a dureza máxima requerida para aços inoxidáveis a serem utilizados em equipamentos petrolíferos, no qual segundo a norma NACE MR0175 (CÂNDIDO, 2000) exige uma dureza de até 250 HV. 5.4 Ensaios de Corrosão Sob Tensão. Os ensaios de corrosão sob tensão foram realizados utilizando-se uma tensão equivalente a 75% da média da tensão de escoamento e uma temperatura aproximada de 145°C. O valor do limite de escoamento da junta soldada foi baseado nos valores obtidos nos ensaios de tração mecânica, de forma que se usou a média aritmética destes valores, por tratar-se de metais base e metais de adição diferentes nas juntas . Os corpos de prova ensaiados com 75% da tensão de escoamento, o valor foi de 247 MPA, foram susceptíveis ao trincamento por corrosão sob tensão nos ensaios. O tempo necessário para ocorrência da fratura foi o parâmetro adotado para avaliar a susceptibilidade ao trincamento por corrosão sob tensão dos corpos de prova soldados. 5.4.1 Análise Microestrutural após o Ensaio de CST. 5.4.1.1 Juntas Soldadas com Metal de Adição E316L Avaliações microestrutural juntamente com os resultados dos ensaios de CST mostram que ZTA do metal base 316 é a região mais susceptível a CST. De acordo com a literatura, este aço inoxidável austenítico apresenta essa característica, o que pode ter levado ocorrer mais fraturas nesta região, conforme Figura 45. Figura SEQ Figura \* ARABIC 45. Fratura e trincas transgranulares na ZTA e no metal base 316 após ensaio de CST. No corpo de prova 316+316+Dúplex cp2. As microestruturas sugerem que as trincas se iniciaram no metal de adição e se propagaram em direção a ZTA do aço inoxidável 316. Na fotografia, pode-se notar a ocorrência de trincas transgranulares e algumas trincas ramificadas, na ZTA, onde ocorreu a fratura, que pode ter sido ocasionada pela presença de ferrita delta que se encontrava na região da zona fundida. A possível presença da ferrita delta de forma continua na ZF do metal de adição 316L provavelmente facilitou a propagação da trinca até a fratura no metal base 316, conforme mostra Figura 46. Figura SEQ Figura \* ARABIC 46. Trinca transgranular no metal adição 316L do lado do metal base AISI316 após ensaio de CST do corpo de prova, 316+316+Duplex 3 500x. Na Figura 46 a seta apresenta uma trinca na zona fundida que aparentemente não se propagou devido à presença de uma rede de ferrita delta descontínua localizada. Também pode-se notar o crescimento dos grãos e sensitização na ZTA do metal base 316. Figura SEQ Figura \* ARABIC 47. Microestrutura do corpo de prova 316+316L+2304 A microestrutura apresentada na Figura 47 fratura no metal de adição, provavelmente devia a formação ferrita delta em redes continuas e uma trinca na ZTA do metal 2304, que, provavelmente, pode ter sido ocasionada pela formação de fase sigma, a propagação desta trinca foi de forma mais lenta, por isso deve ter ocorrido a fratura na ZF onde a propagação da trinca foi de maneira mais rápida. Figura SEQ Figura \* ARABIC 50. Fratura na região da zona fundida e trinca no metal base AISI 2304 após ensaio de CST, próxima a região de fratura. No corpo de prova 316+316+Duplex cp1. A microestrutura sugere que a trinca iniciou-se na zona fundida e se propagou pela rede de ferrita delta contínua que se apresenta nesta região e que facilitou a propagação da trinca até a fratura. A Figura 50 também apresenta uma trinca na zona de ligação do lado onde está o metal base duplex, apesar de o metal base duplex ser mais resistente a CST, provavelmente por causa da precipitação da fase sigma. Dúplex não apresentar qualquer indício de CST na ZTA, apresenta uma trinca o que provavelmente, se deve ao fato de que elementos como Cr, C, Ni, etc., provenientes do metal de adição migram para a ZTA durante a soldagem. (CHAWLA e GUPTA, 1995) e ocasionaram as fissuração. A Figura 45 apresenta a fratura do corpo de prova 316+316+dúplex cp2 é muito parecido com o do corpo de prova 316+316+dúplex cp3. Onde aparentemente a fratura ocorreu devida a uma trinca que se propagou na ZTA. De acordo com (BARBOSA, 1995) os ciclos térmicos produzidos durante a soldagem produzem modificações metalúrgicas em sua estrutura, tais como precipitações de partículas de segunda fase que constituem pontos preferenciais de ataque, além do crescimento do grão. Os corpos de prova, em toda a sua extensão, apresentaram trincas transgranulares e trincas transgranulares ramificadas. Segundo (ALYOUSIF e NISHIMURA, 2006) as predominâncias de trincas transgranulares indicam que o mecanismo predominante de fratura foi de trincamento por CST, com pequena presença do mecanismo de fragilização por hidrogênio. Figura SEQ Figura \* ARABIC 51. A seta apresenta trincas internas na ZTA do metal base 316. Com ampliação de 200x. 5.4.1.2 Juntas Soldadas com Metal de Adição 2209. A avaliação microestrutural da junta soldada com metal de adição 2209 indica que a ZTA do metal base 316 é a região mais susceptível a CST. De acordo com a literatura, este aço inoxidável austenítico apresenta essa característica, o que pode ter levado ocorrer mais fraturas nesta região. Na figura 53 pode-se notar uma trinca que, provavelmente, devido à fase sigma e crescimento de grãos na ZTA, pode-se ressaltar que a região da ZTA está sujeita à precipitação de carbonetos e carbonitretos, o que pode resultar em heterogeneidade composicional na região dos contornos de grão, tornando essas áreas anódicas em relação ao restante do grão, acelerando, por conseguinte, o desenvolvimento de trincas transgranulares (BARBOSA, 1995) e fragilizando a região, o que ocasionando sua fratura. Cabe ressaltar que a temperatura de ensaio foi a temperatura crítica, segundo (FERNANDES, 2010), para a corrosão do aço inoxidável 316 e a mais alta para que aconteça a CST. Em temperaturas altas, o seio do grão se torna uma região mais resistente à propagação de trincas, sendo o contorno de grão a região menos resistente e preferencial para a propagação de trincas. Como as trincas observadas se propagaram através do seio do grão (transgranularmente), é provável que, devido às altas taxas de corrosão nestas temperaturas, a dissolução de metal na ponta da trinca foi mais rápida do que a difusão de hidrogênio para dentro da estrutura, tornando o mecanismo de CST predominante. Figura SEQ Figura \* ARABIC 52. Fotografia da fratura do corpo de prova 316+2209+2304 A microestrutura mostra, na Figura 52a fratura na região da ZTA e trincas no metal base 316 de forma predominantemente transgranulares. Figura SEQ Figura \* ARABIC 55. A foto apresenta trincas internas na ZTA do metal base 316 do corpo de prova 316+2209+2304. A microestrutura mostra que na ZTA do metal base 316 que ocorreu maior incidência da CST, devido ao fato de ter apresentado maior número de trincas e também à presença de trincas internas. As trincas e fraturas dos corpos de prova ensaiados se propagaram de forma semelhante às trincas observadas nos trabalhos de (FERNANDES, J. C., 2010) e (ALYYOUSIF, 0. M., 2006). E também fraturas de aspecto frágil por ação da CST. Foram observados também por Labanowski, em seus estudos sobre CST de juntas soldadas dissimilares, que a maioria das trincas surgiam na ZTA e na zona de ligação e se propagavam na direção do metal de base, reforçando a ideia de que a região da ZTA/ZF (Zona de Ligação) é a mais susceptível ao trincamento por corrosão sob tensão. A maioria das trincas apresentaram-se no sentido perpendicular ao sentido de aplicação da tensão. 6. CONCLUSÃO Nos ensaios de tração, ambas as juntas soldadas apresentaram limites de escoamento muito próximos, sendo o que ensaio de tração, ambas romperam no metal base austenítico por fratura dúctil. A região da junta do metal de adição no ensaio de tração não apresentou deformação, apenas no metal de base austenítico. Os valores de dureza encontrados nas juntas soldadas apresentaram um valor intermediário aos metais de base. As juntas soldadas com o metal de adição E316L apresentaram maior dureza na ZTA e ZF do que as com o metal de adição 2209. A dureza das juntas ainda ficou abaixo da dureza máxima requerida para aços inoxidáveis a serem utilizados em equipamentos petrolíferos, os quais segundo a norma NACE MR0175 (National Association of Corrosion Engineers) exige-se uma dureza de até 250 HV. A região da ZF e ZTA do aço inoxidável austenítico 316 da junta com metal de adição 316L foram onde ocorreu maior parte das fraturas provavelmente devia a presença de redes de ferrita delta. A região da ZTA do aço inoxidável austenítico 316 da junta com metal de adição 2209 foi onde ocorreram as fraturas, provavelmente devida à migração do elemento cromo do metal de adição 2209 para a ZTA do 316, que foi o ocasionou o menor tempo de fratura desta juntas. A região do metal fundido e a ZTA em ambos os metais de adição apresentaram trincas. A maioria das trincas apresentaram-se no sentido perpendicular ao sentido de aplicação da tensão. A região do metal base Dúplex não apresentou indícios da ocorrência CST, confirmando a maior resistência a CST deste aço. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALYOUSIF, 0. M.; NISHIMURA, R. Corrosion Science. 2006. ANTUNES, P. D. Influência do Metal de Adição na Susceptibilidade à Corrosão Sob Tensão de Juntas Soldadas do Aço Inoxidável Ferrítico aisi 444 em Meios Contendo Cloreto de Magnésio. Universidade Federal do Itajubá. Itajubá, p. 63. 2010. (AWS), W. H. Fundamentals of Welding. 9ª. v. 1, 2004. BARBOSA, R. P. 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