Processos Metalúrgicos Aluno: Deivid Junio Garcia Início

Relatório Final de Iniciação Científica
Faculdade de Tecnologia José Crespo Gonzales
Estudo influência do tratamento de solubilização no cordão de solda realizado pelo
processo GTAW autógeno e automático no Aço Inoxidável AISI 321H
Orientador: Prof. Msc. Marcos Dorigão Manfrinato
Aluno: David Junio Garcia
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por me proporcionar força e determinação nessa
etapa da minha vida.
Agradeço a minha mãe Maria Neusa de Oliveira e ao meu irmão Claudinei Marcos
Vieira por me fazerem um homem de carácter e com princípios, que ajudaram na
construção dessa conquista.
A minha namorada Josi Oliveira por estar sempre me motivando.
A uma amiga, mãe, professora e adjetivos, Zeia Colli que me ajudou muito e sempre
me motivou na vida pessoal e acadêmica, apresentando os benefícios da graduação.
Ao meu orientador Msc Marcos Dorigão Manfrinato e Dra Luciana Sgarbi, pela
orientação e suporte no presente trabalho.
Ao corpo docente da FATEC de Sorocaba, por ter agregado todo tipo de conhecimento
para a vida, que levarei para o resto dela.
Aos meus amigos que contribuíram de alguma forma.
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RESUMO
O objetivo desse trabalho é determinar o efeito do tratamento de solubilização
nas propriedades do aço 321H após o processo de soldagem GTAW autógena. O
processo de soldagem foi realizado na empresa Senior Flexonics Brasil, adotando o
procedimento de soldagem e soldador qualificado, conforme norma ASME. Após a
soldagem foram realizados ensaios não destrutivos dos cordões de solda como o
liquido penetrante e raios-X. Após a soldagem os cordões de solda foram submetidos
a um processo chamado planish, que consiste em uma leve redução do reforço de
solda por meio de uma espécie de laminação que torna os grãos dos materiais
encruada aumentando suas propriedades mecânicas, e em seguida foi feito
tratamento de solubilização a 1050°C para remover os precipitados de carbonetos de
cromo (Cr23C6) que ocorrem preferencialmente nos contornos de grãos na zona
afetada pelo calor. O cordão de solda com tratamento de solubilização e sem
tratamento foram caracterizados e comparados, ambos tiveram os resultados dos
testes de análise metalográfica, determinação dos microconstituintes presentes na
zona fundida, zona afetada pelo calor e metal de base, medidas de perfil de
microdureza conforme norma Petrobras N133 revisão 14, determinação da resistência
a tração com carregamento de carga perpendicular ao cordão de solda. Todos os
ensaios foram realizados no material soldado com e sem tratamento de solubilização.
Obtido os resultados pode se comparar que o tratamento térmico dissolveu a estrutura
encruada pelo processo planish, e também os carbonetos, tais fenômenos refletiram
no comportamento dos testes de dureza e tração apresentados no trabalho.
Palavra chave: Soldagem autógena, aço inoxidável, Solubilização, carboneto
2
ABSTRACT:
The objective of this study is to determine the effect of treatment in the solubilization
properties of steel 321H after the GTAW welding process autogenous. The welding
process was performed in the company Senior Flexonics Brazil, adopting the welding
procedure and qualified welder, ASME standard. After welding were performed nondestructive testing of weld beads as the penetrating liquid and X-rays. After welding
the weld seams were subjected to a process called planish, which consists of a mild
reduction of the weld reinforcement by means of a sort of lamination makes foundry
hardened grains of the material increasing their mechanical properties, and then it was
made Treatment solubilizing at 1050 °C to remove the precipitated chromium carbide
(Cr23C6) which occur preferentially in the grain boundaries in the heat affected zone.
The weld bead with treatment of solubilization and untreated were characterized and
compared, both had the results of metallographic analysis tests, determination of
microconstituents present in the molten zone, the heat affected zone and base metal
hardness profile measures as standard Petrobras N133 review 14, determining the
tensile strength with cargo loading perpendicular to the weld bead. All assays were
performed in the welded material with and without treatment solubilization. Obtained
results can be compared that the heat treatment dissolved the structure foundry
hardened by planish process, and also the carbides such phenomena reflected in the
behavior of hardness tests and tensile presented in the work.
Keyword: autogenous welding, stainless steel, solubilization, carbide
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4
Sumário
1 - INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 6
2 - OBJETIVO ........................................................................................................................................ 9
4 – MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................................... 22
5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................................. 26
5.1 - Análise Química ....................................................................................................................... 26
5.2 – Metalografia ............................................................................................................................. 26
5.3 – Microdureza ............................................................................................................................. 31
5.4 - Ensaio de Tração ...................................................................................................................... 32
6 – CONCLUSÕES............................................................................................................................... 35
7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................ 36
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1 - INTRODUÇÃO
As ligas de aços inoxidáveis apresentam características de possuir boa resistência à
corrosão devido ao alto teor de cromo presente em solução sólida, geralmente no mínimo 12%
de cromo. São baseadas nos sistemas ferro-cromo, ferro-cromo-carbono e ferro-cromo-níquel,
mas podem conter adições de outros elementos de liga tais como molibdênio, manganês, silício,
cobre, titânio, nióbio, vanádio e nitrogênio, que alteram suas microestruturas e propriedades
(Metals Handbook, 1987).
Os aços inoxidáveis são divididos em categorias distintas de acordo com sua
microestrtutura predominante e presença de precipitados endurecedores, as quais são:
Ferríticos, Austeníticos, Martensíticos, Duplex, Super Duplex, Hiper Duplex e endurecíveis por
precipitação.
Os aços inoxidáveis austeníticos são utilizados para fabricar estruturas, trocadores de
calor, riser, juntas de expansão metálicas ou reparo em componentes (Tremarin, 2007). Os aços
inoxidáveis apresentam baixa condução térmica de calor, dessa forma, a utilização de qualquer
processo de fabricação à quente apresenta elevados gradientes térmicos na região vizinha do
local. Um dos processos de fabricação mais utilizado na produção de tais equipamentos, são as
soldagens. Utiliza-se geralmente os processos de soldagem a TIG, MAG, arco submerso e
eletrodo revestido para fabricar os equipamentos ou executar algum reparo. (Tremarin, 2007).
Para qualquer processo de soldagem a condução de calor do cordão de solda modifica a
granulometria, transformação de fase e precipitação de carbonetos nos contornos de grãos,
como ilustra a Figura 1, causando um efeito chamado sensitização (Manfrinato, 2014).
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Figura 1: Microestrutura típica de uma zona afetada pelo calor (ZAC) (Manfrinato, 2014).
Quando aquecidos para trabalhos a quente ou soldagem entre 450 e 850ºC, os aços
inoxidáveis austeníticos sensitizam. Os elementos cromo e carbono se combinam nessa faixa
de temperaturas para precipitar nos contornos de grão como carbonetos de cromo (Cr23C6).
Esta precipitação é conhecida como sensitização. Como cada molécula de carboneto de
cromo contém, em peso, aproximadamente 95% de cromo, uma grande quantidade de cromo é
removida das adjacências dos contornos de grão durante essa precipitação. Como consequência
tem-se uma forte descromatização das regiões próximas aos contornos de grão, regiões que não
resistirão ao ataque de certos meios agressivos. Esta forma de corrosão é conhecida como
corrosão intergranular e a Figura 2 ilustra esse tipo de corrosão em um aço inoxidável (Paredes,
2011).
Figura 2: Corrosão intergranular no contorno de grão – ASTM A240 Gr304 (Lippold, 2005)
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Em função desse fenômeno o aço inoxidável austenitico AISI 321 foi desenvolvido para
evitar a sensitização, através da adição de titânio. Este elemento apresenta maior afinidade com
o carbono do que com o cromo e induzem a formação de carbonetos, reduzindo drasticamente
a quantidade de carbono na matriz.
A adição de elemento estabilizante nesse aço inoxidável tem o objetivo de eliminar a
sensitização e inibir o crescimento de grão pelo ancoramento dos contornos de grão por
partículas de precipitados (Silva, 2007). Dessa forma, este tipo de aço inoxidável estabilizado
pode ser utilizado em equipamentos para indústria de petroquímica e química que operam na
faixa de temperatura de 500°C à 800°C, mas para tal devem passar por um tratamento térmico
de solubilização (Tavares, 2008).
Este tratamento térmico é uma espécie de têmpera e visa garantir a manutenção da
estrutura austenítica à temperatura ambiente. Consiste em aquecer-se o aço a uma temperatura
suficientemente elevada entre 1050°C a 1100°C a fim de remover as modificações estruturais
resultantes dos processos de soldagem, dissolver os carbonetos presentes (sobretudo os de
cromo) e, após o tempo necessário à temperatura, resfriar rapidamente em água (Chiaverini,
2008). Podemos também utilizar materiais com baixo teor de C, como os aços inoxidáveis com
o sufixo “L” (304L, 316L, etc.), com o baixo teor de C retardando a formação de carbonetos
(Lippold, 2005).
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2 - OBJETIVO
O tratamento térmico de solubilização tem sido largamente utilizado em aços
inoxidáveis austeníticos soldados que irão trabalhar em ambientes corrosivos. Estes estão
submetidos a condições severas de fadiga, vibração mecânica e corrosão. O tratamento térmico
de solubilização tem o objetivo de eliminar os carbonetos formados na zona afetada pelo calor
proveniente do cordão de solda, com isso recuperar as propriedades de resistência à corrosão
do aço inoxidável austeníticos.
O objetivo deste trabalho foi realizar a soldagem TIG de uma junta em “I” soldada de
maneira autógena e automática para determinar as propriedades mecânicas do cordão de solda
e da zona afetada pelo calor. Realizou-se a solubilização da junta soldada para verificar se
ocorreu a perda de propriedades mecânicas. Através da realização deste trabalho, pretendeu-se:
comparar os valores de dureza e de tração da junta soldada obtido para o material soldado e
material soldado e solubilizado, e determinar os fatores que influenciam no resultado, como por
exemplo, microestrutura, composição química dos contornos de grãos e parâmetros de
processo;
9
3 - REVISÃO BIBIOGRAFICA
3.1 - SOLDAGEM
A soldagem é o mais importante processo de união de metais mais utilizado
industrialmente. Este método de união, tem importante aplicação desde a indústria
microeletrônica até a fabricação de navios, indústrias químicas, petroquímicas e nucleares.
A definição adotada pela Associação de Soldagem Americana (AWS), órgão de maior
expressão no assunto define soldagem como ¨ Processos de união de metais para obter a
coalescência (união) localizada de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma
temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição¨.
Uma maneira de classificar os processos de soldagem consiste em agrupa-los em dois
grupos baseando-se no método dominante para produzir a solda, Figura 3: Processo de
soldagem por pressão/deformação ou processo de soldagem por fusão (Marques, 2009).
Figura 3: Processos de soldagem e afins, segundo AWS (Marques, 2009).
O processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) utiliza como fonte de calor um arco
elétrico mantido entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a peça a soldar. A proteção
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gasosa da região de soldagem é feita por um fluxo de gás inerte, como ilustra a Figura 4. A
soldagem pode ser feita com ou sem metal de adição (autógena) e pode ser manual ou
automática (Wainer, 2011).
Figura 4: Processo de Soldagem TIG esquemático (Wainer, 2011).
Uma característica importante desse processo é o excelente controle da energia
transferida para a peça, devido ao controle independente da fonte de calor. Isso torna o processo
bastante adequado para a soldagem de peças de pequenas espessuras, e aliado à eficiente
proteção contra contaminação, permite a soldagem de materiais de difícil soldabilidade, com
ótimos resultados.
Outra característica típica do processo de processo TIG é a possibilidade de se usar o
próprio metal de base como metal de adição quando este não estiver disponível ou se tornar
inviável, sendo definida como soldagem autógena. A soldagem autógena é aquela onde não se
adiciona metal de adição, ou seja, no caso de união de duas peças, elas são posicionadas juntas
(sobrepostas ou em raiz sem abertura, entre outros tipos de junta) e o eletrodo de tungstênio
funde as duas peças sem adicionar qualquer consumível (vareta ou arame em bobina). É comum
em chapas muito finas. A soldagem TIG pode, portanto, ser autógena ou com metal de adição
(Marques, 2009).
Este processo é aplicável na maioria dos metais e suas ligas, numa ampla faixa de
espessura. Entretanto, em virtude de seu custo relativamente elevado, é usado principalmente
na soldagem de metais não ferrosos e aços inoxidáveis, na soldagem de peças de pequena
espessura (da ordem de 1 a 2 mm) e em passes de raiz de tubulações (Marques, 2009).
3.2 - AÇO INOX
Há quase um século, os aços são os materiais industriais mais amplamente
empregados. Possivelmente, o principal fator que levou o aço a ocupar este papel preponderante
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na engenharia é o amplo espectro de propriedades e características de desempenho que pode
ser obtido a custos baixos, especialmente devido à disponibilidade do ferro na crosta terrestre e
à extrema otimização dos processos de fabricação do aço (Costa e Silva, 2010).
Naturalmente, o aço é um material em constante evolução, e os padrões de qualidade,
bem como os níveis de propriedades que podem ser atingidos hoje com aços convencionais,
superam, em muito, as características de aços que eram considerados especiais há poucas
décadas (Costa e Silva, 2010).
Os aços inoxidáveis são um grande grupo de ligas especiais desenvolvidas
primordialmente para resistir a corrosão. Outras características desejáveis podem incluir
excelente conformidade, alta tenacidade a temperatura ambiente e as temperaturas criogênicas,
a boa resistência a oxidação e a fluência em temperaturas elevadas. O cromo é o elemento de
liga que confere resistência à corrosão de aços inoxidáveis, mais muitos outros elementos
podem ser adicionados para estabilizar as outras fases, proporcionar maior resistência a
corrosão, ou produzir melhores propriedade mecânicas (Krauss, 1995).
Os aços inoxidáveis são ligas resistentes à corrosão e, apresentam um teor mínimo de
cromo de 12%, necessário para conferir ao mesmo tal propriedade. Outros elementos de liga
também elevam a resistência contra a corrosão, como o Cu, Al, Si, Mo e, particularmente o Ni,
que é um dos principais elementos de liga dos aços inoxidáveis austeníticos (Fortis, 2009).
A resistência à corrosão de ligas à base de Fe e Cr está associada ao fenômeno de
passivação, isto é, à formação de uma camada de óxidos mistos (de ferro, cromo e de outros
elementos de liga e a dissolução dessa camada no meio corrosivo.
As composições mais comuns dos aços inoxidáveis (por exemplo 12% Cr, 18% Cr,
8% Ni etc.) foram descobertas no começo do século XX. A partir dessas composições foram
estudados os efeitos de diversos elementos de liga e residuais como, carbono, nitrogênio,
molibdênio etc. Novas composições vêm sendo desenvolvidas desde então com base nos
resultados da pesquisa. Uma vez que a microestrutura tem efeito dominante sobre as
propriedades, os aços inoxidáveis são classificados com base na microestrutura em temperatura
ambiente.
Para fins de classificação e de discussão de suas propriedades, os aços inoxidáveis em
cinco categorias (Costa e Silva, 2010).
12

Aços inoxidáveis martensíticos
Estes aços caracterizam-se por serem aços-cromo, contendo cromo entre 11,5 e 18,0; eles
tornam-se martensíticos e endurecem pela têmpera. Dentro desse grupo podem ser ainda
classificados três classes: turbina, cutelaria e resistência ao desgaste.

Aços inoxidáveis Ferriticos
Nesse grupo, o cromo é ainda o principal elemento de liga, podendo atingir valores muito
elevados, superiores a 25%. Como o teor de carbono é baixo máximo de 0,20%- a faixa
austenítica fica totalmente eliminada e, em consequência esses aços não são endurecíveis pela
têmpera.

Aços inoxidáveis Austenítico
A maior parte dos aços austeníticos comumente empregados pertence ao grupo mais conhecido
e populares são os 18-8 em que o teor médio de cromo é 18% e o de níquel 8%.

Aços inoxidáveis Dúplex
O desenvolvimento dos aços inoxidáveis denominados ``dúplex`` vem resultando, nos últimos
anos, na sua crescente utilização, principalmente em aplicações industriais que exigem maior
resistência à corrosão, maior resistência à oxidação e tenacidade adequada, dos que as
apresentadas pelos outros aços inoxidáveis. Esses aços se caracterizam por ter uma estrutura
bifásica ferrítico-austenítica, determinada sobretudo pelos teores de ferro, cromo e níquel.

Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação
São aços desenvolvidos logo após a Segunda Guerra Mundial que se caracterizam por poderem
ter suas propriedades mecânicas melhoradas por tratamento de envelhecimento (Chiaverini,
2008).
3.3 - AÇO INOXIDAVEL AUSTENITICO
Os aços inoxidáveis austeníticos representam o maior dos grupos gerais de aços
inoxidáveis e são produzidos em quantidades mais elevadas do que qualquer outro grupo. Eles
têm boa resistência à corrosão na maioria dos ambientes. Os aços inoxidáveis têm forças
equivalentes às dos aços macios, cerca de 210MPa (30Ksi) força mínima de rendimento à
temperatura ambiente, e não são transformação endurecível. Propriedades de impacto de baixa
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temperatura são bons para estas ligas, o que os torna úteis em aplicações criogênicas.
Temperaturas de serviço pode ser de até 760°C ou mesmo superior, mas a resistência de
oxidação destes aços está limitada a tais temperaturas elevadas. Aços inoxidáveis podem ser
significativamente reforçada pelo trabalho a frio. Eles são muitas vezes usados em aplicações
que requerem uma boa resistência atmosférica ou elevada temperatura de corrosão. Eles são
geralmente considerados bom a ser soldável se as devidas precauções forem seguidas.
Elementos que promovem a formação de austenita, principalmente o níquel, são
adicionados a estes aços em grandes quantidades (geralmente acima de 8% em peso). Outros
elementos de promoção da austenita são C, N e Cu. Carbono e nitrogênio são forte promotor
de austenita, tal como pode ser visto a partir do valor em várias fórmulas de equivalência de
níquel.
Aços inoxidáveis incluem tanto as ligas da série 200 e 300, conforme designado pelo
Instituto Americano de Aço Inoxidável (AISI). As ligas da série 200 contêm altos níveis de
carbono, manganês e nitrogênio e são usados em aplicações especiais, tais como onde é
necessária resistência requerida. Estas ligas também têm teor de níquel mais baixo do que as
ligas da série 300 para equilibrar os altos níveis de carbono e nitrogênio. As ligas da série 300
são as mais utilizadas dos aços inoxidáveis austeníticos. A Tabela 1 apresenta a composição
química nominal de alguns aços inoxidáveis austeníticos da série 300 comumente encontrada
no mercado
Tabela 1: Composição química nominal do aço inoxidável austenítico da série 300 (Costa e
Silva, 2010).
14
Os aços inoxidáveis, AISI 321 e AISI 347, contêm pequenas adições de Nb e Ti
respectivamente para combinar com carbono e reduzir a tendência para a corrosão intergranular
devido à precipitação do carboneto de cromo.
As ligas contendo titânio e nióbio, tais como o tipo AISI 321 e AISI 347, são
conhecidos como os aços inoxidáveis estabilizados já que a adição destes dois elementos
estabiliza a liga contra a formação de M23C6 carbonetos de cromo. Uma vez que o nióbio e
titânio formam estáveis carbonetos do tipo MC a uma temperatura elevada, a formação de
carbonetos ricos em cromo é restrita. A adição destes elementos em níveis de até 1,0% em peso
reduz eficazmente o teor de carbono e torna a matriz de precipitação de carbonetos de cromo
mais difícil. Este reduz a possibilidade de sensibilização que pode conduzir a corrosão
intergranular nas ligas austeníticas. (Lippold, 2005).
3.4 - SENSITIZAÇÃO
Quando aquecidos para trabalhos a quente ou soldagem entre 450 e 850ºC, os aços
inoxidáveis austeníticos sensitizam. Cromo e carbono se combinam nessa faixa de temperaturas
para precipitar nos contornos de grão como carbonetos de cromo (Cr23C6). Esta precipitação é
conhecida como sensitização. Como cada molécula de carboneto de cromo contém, em peso,
aproximadamente 95% de cromo, uma grande quantidade de cromo é removida das adjacências
dos contornos de grão durante essa precipitação. Como consequência temos um forte
descromização das regiões próximas aos contornos de grão, regiões que não resistirão ao ataque
de certos meios agressivos. Esta forma de corrosão é conhecida como corrosão intergranular
(Paredes, 2011).
O efeito do carboneto Cr23C6 é bem conhecido que ocorre a precipitação de carbonetos
nos ZAC durante a soldagem. Geralmente, a precipitação de carbonetos é fácil, Figura 5, porque
esta requer apenas difusão de carbono para os locais com maior concentração de fortes
formadores de carboneto, como Cr, Mo, etc (Guan, 2005).
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Figura 5: Micrografia óptica da interface do metal de base e zona fundida para o aço
inoxidável AISI 321 (Guan, 2005).
A sensitização foi devida à energia térmica, a qual promovida a migração do carbono
para formar carbonetos (Cr23C6), a Figura 6 os quais geram zonas esgotadas onde a
concentração de cromo insuficiente para formar o filme passivo (Santillan, 2010).
Figura 6: Carbono precipitado na ZAC (Zona afetada Pelo Calor (Santillan, 2010).
O carbono exerce profunda influência no comportamento da sensitização, possibilitando
o estudo dos carbonetos presentes na estrutura austenítica. O uso de ligas de baixo carbono
minimiza o risco de sensitização, conforme ilustra a Figura 7. O tempo e temperatura de
precipitação é mostrado na figura contento a curva típica de aços do gênero (Lippold, 2005).
16
Figura 7: Curvas de sensitização para vários teores de carbono (Paredes, 2011).
3.5 - CORROSÃO
Pode - se definir corrosão como ação de deterioração, geralmente em metais, causada
por um agente químico ou eletroquímico de seu meio, associada de esforços físicos ou não. Tal
deterioração pode causar alterações em suas características sejam elas: resistência ao desgaste,
variações da composição química e modificações estruturais. Os processos de corrosão são
considerados reações químicas e eletroquímicas que se passam geralmente na superfície de
separação entre o metal e o meio corrosivo.
A corrosão pode ocorrer sob diferentes formas, e o conhecimento das mesmas é muito
importante nos processos corrosivos. As formas (ou tipos) de corrosão podem ser apresentadas
considerando- se a aparência ou forma de ataque e as diferentes causas de corrosão e seus
mecanismos que estão ilustrados na Figura 8, como: Uniforme, por placas, alveolar, puntiforme
ou por pite, intergranular (ou intercristalina), intragranular (ou transgranular ou transcristalina),
filiforme, por esfoliação, grafitica, dezincificação, em torno de cordão de solda e empolamento
pelo hidrogênio (Gentil, 2006).
17
Figura 8: Formas de corrosão (http://www.icz.org.br/portaldagalvanizacao/galvanizacaocorrosao.php)

Corrosão Intergranular
A corrosão intergranular pode ocorrer em numerosos meios, particularmente em
condições ácidas, como em ambientes ricos em ácido sulfúrico, misturas de ácido sulfúrico e
nítrico ou clorídricos e nítricos, ácido nítrico quente e ácido orgânico quente. Aços contendo
Mo e com um teor máximo de 0,08% sofrem corrosão intergranular devido à soldagem
somente em condições severas como, por exemplo, quando imersos em ácido acético quente
com cloretos.
A teoria mais aceita para a corrosão intergranular em aços inoxidáveis austeníticos
soldados envolve a formação de uma região empobrecida em Cr, junto aos contornos de grão,
devido à precipitação de carbonetos de cromo. Os próprios carbonetos de cromo precipitados
não são atacados, mas como eles contêm maior teor de cromo que a matriz, a sua formação
requer a difusão deste elemento das áreas adjacentes, que se tomam empobrecidas de cromo e,
portanto, menos resistentes à corrosão, conforme ilustra a Figura 9.
Alternativamente tem sido sugerido que os precipitados são coerentes e que as tensões
devido a esta coerência se concentram nos contornos de grão, tornando-os sensíveis à corrosão
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preferencial. Outra teoria baseia-se no ataque preferencial dos contornos de grão devido á
precipitação dos carbonetos, que seriam mais nobres e que, portanto, tornariam os contornos de
grão anódicos. Em geral, não é possível achar evidências sobre qual teoria é mais provável.
Existem várias maneiras de se minimizar o risco de corrosão intergranular em soldas.
O método mais comum envolve a adição de Nb ou Ti ao metal de base, já que estes elementos
possuem maior afinidade pelo carbono que o cromo e tenderiam a formar carbonetos do tipo
NbC ou TiC. Estes possuem menor solubilidade que o carboneto de cromo, tendendo a não se
dissolverem durante trabalho a quente e recozimento do aço. Assim a quantidade de carbono
em solução em aços estabilizados com Nb ou Ti é, em geral, muito baixa e, quando o aço é
aquecido na faixa de temperaturas de sensibilização à corrosão intergranular, o carboneto de
cromo não se precipita. Para este objetivo é adicionada uma quantidade de titânio 4 a 5 vezes
maior que o teor de carbono do aço ou uma de nióbio 8 a 10 vezes maior (Paredes, 2011).
Figura 9: Mecanismo de corrosão intergranular baseado no empobrecimento de cromo das
regiões adjacentes aos contornos de grão (Paredes, 2011)
O ataque intergranular também pode ocorrer em determinadas situações nas séries
estabilizadas, tais como o tipo 347 e 321, como ilustra a Figura 10. Este ataque, ocorre
normalmente em uma região apenas muito estreita adjacente ao limite da zona fundida. Às
vezes é chamado de ataque ¨knifeline¨ linha de faca, ilustrada pela Figura 11, porque a solda
aparece como se tivesse sido cortado com uma faca. Este tipo ocorre quando os carbonetos
estabilizados (NBC) ou TiC dissolver a temperaturas elevadas na região imediatamente
adjacente à zona de fusão. Após arrefecimento carbonetos ricos CR- formará mais rapidamente
do que o NbC ou TiC, resultando numa região estreita sensibilizado. Mais distante do limite de
fusão NBC e TiC não se dissolvem e sensibilização não ocorre (Lippold, 2005).
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Figura 10- Precipitação de carbonetos no contorno de grão e esgotamento de cromo local
(Lippold, 2005)
Figura 11: Ataque intergranular( knifeline) na ZAC de um aço inoxidável austenítico
(Lippold, 2005)
3.6 - TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS
Esses aços não são endurecíveis
por não possuírem temperaturas de transformação
típicas A1e A3. Contudo, podem ser submetidos a determinados tratamentos térmicos a seguir
descritos: alivio de tensões, Estabilização, tratamentos termos-químico e solubilização.
Solubilização - Este tratamento é uma espécie de têmpera e visa garantir a manutenção
da estrutura austenítica à temperatura ambiente. Consiste em aquecer-se o aço a uma
temperatura suficientemente elevada para remover as modificações estruturais resultantes dos
processos de fabricação, dissolver os carbonetos presentes (sobretudo os de cromo) e, após o
tempo necessário à temperatura, resfriar rapidamente. O resfriamento deve ser rápido para
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evitar a precipitação de carbonetos, a qual acontece na faixa 450ºC - 850ºC. A Tabela indica
alguns valores de temperatura para o tratamento de solubilização, conforme ilustra a Tabela 2.
O tempo à temperatura depende das dimensões das peças e deve ser o mínimo necessário. Para
espessuras da ordem de 1,5 a 3,0 mm o tempo é de 3 a 5 minutos. O resfriamento é em água ou
o ar em peças de muito pequena espessura (décimos de milímetros) (Chaverini, 2008).
Tabela 2: Tabela com as temperaturas de solubilização para os aços inoxidáveis austeníticos
conforme indicação da norma ASTM A358/A358M.
Um conhecimento detalhado das mudanças na microestrutura e nas propriedades
mecânicas que ocorrem no AISI 321 antes e após o tratamento solubilização é de grande
interesse, uma vez que a ductilidade e tenacidade do AISI 321 aços inoxidáveis podem alterar
drasticamente após o serviço durante um longo tempo.
A fragilização do composto
intermetálico, não só tem propriedades prejudiciais como a perda ductilidade e aumento da
dureza, mas também sobre a resistência à corrosão intergranular. Depois de tratamento de
solubilização a 1050°C, as microestruturas do AISI 321 em serviço para 80.000 horas a 700°C
indica que o teor de fase sigma diminui significavamente, e os grãos de austenita crescem (Guo,
2011).
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4 – MATERIAIS E MÉTODOS
Para o desenvolvimento deste trabalho, foi utilizado o aço inoxidável austeníticos AISI
321H de espessura 1,54mm, e para comprovar sua composição química nominal realizou-se a
análise química com auxílio do espectrômetro de emissão óptica, Espectromax LMX06.
Para a execução deste trabalho, foi realizado a soldagem TIG automática de maneira
autógena em chapa de dimensões de 300mm x 100 mm. Os parâmetros de soldagem, como
tensão, corrente, tipo de gás, vazão de gás de solda e de proteção, velocidade de soldagem, são
parâmetros comerciais e estão apresentados na Tabela 3.
Tabela 3: Parâmetros de soldagem pelo processo GTAW automático e autógeno.
Tensão Corrente
8,6 V
130 A
Tipo de
gás
Ar
Vazão gás de
solda
14 L /min
Vazão gás de
proteção
3 L/min
Velocidade de
soldagem
18 pol/min
A soldagem GTAW foi realizada em um equipamento Seam welder da marca JetLine,
ilustrada na Figura 12, com controlador de altura da tocha e velocidade de soldagem. O
equipamento possui uma fonte de tensão da marca Miller modelo MaxStar200.
Figura 12: Dispositivo de solda automática GTAW JetLine pertencente à empresa Senior do
Brasil Ltda (Kawano, 2013).
O dispositivo de soldagem GTAW automático possui uma tocha refrigerada e utiliza um
eletrodo de tungstênio com thório (EWTh-2) de 2,4mm de diâmetro e 30° de ângulo de
22
apontamento do eletrodo. O gás de proteção do arco elétrico e também da raiz foi o argônio. A
Figura 13 apresenta a fixação das chapas utilizando pinças, o backing (barramento) de cobre
com a entrada de gás de proteção para a raiz, igual ao realizado por (Kawano, 2013).
Figura 13: Ilustração do sistema de fixação de chapas e alimentação de gás de proteção do
barramento de cobre da JetLine (Kawano, 2013).
Após o término do processo de soldagem as chapas foram submetidas a um processo
chamado planishing no qual executa se uma conformação mecânica, para a diminuição do
reforço da solda, conforme ilustra a Figura 14, pois o procedimento possibilita apenas 10% de
reforço em relação a espessura da chapa, porém, o processo aumenta as propriedades pois a
chapa sofre conformação, no entanto, o material fica encruado.
Figura 14: Sistema do processo planishing (http://www.techweld.net/planishing.html)
23
Parte da chapa soldada foi submetida ao tratamento térmico de solubilização. A
temperatura de solubilização foi de 1040°C, o tempo de patamar de 25 minutos e o resfriamento
feito em água a tempera ambiente, 25°C.
Após a realização do processo de solda e o tratamento de solubilização, um pedaço de
cada chapa foi cortada na Cut off para a realização da metalografia do material estudado, e
assim determinar o tamanho da zona afetada pelo calor (ZAC), zona fundida (ZF) e
microestrutura do metal de base (MB).
Para avaliar a microestrutura formada na zona fundida, zona afetada pelo calor e o metal
de base os cordões de solda foram cortados transversalmente. Após o corte foram embutidas
em baquelite e posteriormente lixadas. A sequência de lixamento em água obedeceu à ordem
crescente de granulométrica da lixa (120, 240, 320, 400, 600, 1200 e 2000). Após a lixamento
as amostras foram polidas com óxido de alumina de granulométrica de 1μm e 0,5μm. As
amostras foram preparadas conforme o estabelecido pela norma ASTM E 3-11.
Para revelar a microestrutura do aço inoxidável austenítico ASTM A240 Gr 321H
utilizou-se a reagente água régia (50%HCl e 50% HNO3). Posteriormente foram feitas as
análises de microscopia óptica para determinar a microestrutura do material estudado e
realizada análise via MEV/EDS da marca Hitachi, para uma varredura dos contornos de grão e
determinação de precipitados na ZAC.
Foram realizadas análises de microdureza do perfil do cordão de solda, conforme
especificação da norma Petrobras N133, conforme ilustra a Figura 15. A carga utilizada foi de
0,1 kg, utilizando um microdurômetro da marca Mitutoyo modelo HM 220. Assim, foi
determinado o perfil de dureza ao longo da zona fundida, zona afetada pelo calor e metal de
base.
Figura 15: Perfil de microdureza para soldagem realizada em chanfro em V (Petrobras N
133).
24
O levantamento das propriedades mecânicas do material, tais como limite de
escoamento, limite de resistência, foram realizados em uma máquina de ensaio de tração
uniaxial, utilizado uma máquina universal da marca EMIC com capacidade de 100kN com uma
velocidade de deformação de 3 mm/min.
Os ensaios de tração foram realizados de acordo com as normas ASTM A370-14 e
ASTM E8M-13. As dimensões dos corpos de prova de tração estão de acordo com a norma
ASTM E8M-13 e a Figura 16 apresenta as dimensões e o cordão de solda no centro do corpo
de prova. Foram realizados o ensaio de tração para o material soldado e para o material soldados
e solubilizados. Os corpos de prova foram cortados em uma máquina de eletroerosão a fio.
Realizou-se o ensaio de tração para 3 corpos de prova por condição de soldagem e também 3
corpos de prova soldado e solubilizado.
Figura 16: Dimensões do corpo de prova de tração, conforme a norma ASTM E8M-13.
25
5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 - ANÁLISE QUÍMICA
O resultado da análise de composição química está apresentado na Tabela 4. Conforme
analisado através da composição química nominal deste material, observa-se que os valores
obtidos estão de acordo com a norma.
Tabela 4: Composição química encontrada pelo espectrômetro do AISI 321H (ASTM A240
grade 321H).
Obtido
Nominal
C
Si
Mn
Cr
Ni
Ti
P
S
0,04
0,2
1
19
9,48
0,2
0,03
0,005
0,04-
1,00
1,00
17 - 19
9 - 12
0,60
0,04
0,03
0,10
max
max
max
max
max
5.2 – METALOGRAFIA
Na Figura 17 é apresentada a imagem metalográfica da região de transição da solda dos
materiais com e sem tratamento térmico. Com o ensaio é possível analisar as regiões da material
base (MB), zona afetada pelo calor (ZAC) e zona fundida (ZF).
26
A
B
C
D
Figura 17: Cordão de solda do aço inoxidável austenítico AISI 321H soldado pelo processo
GTAW autógeno. (a) sem tratamento e aumento de 500x, (b) sem tratamento e aumento de
200x, (c) com tratamento e aumento de 500x, (d) com tratamento e aumento de 200x.
Com a análise da Figura 17(d) na resolução de 200x, foi possível observar um aumento
no tamanho de grãos do material que foi submetido ao tratamento térmico de solubilização.
Ocorreu a dissolução dos precipitados de contorno de grão na zona de afeta pelo calor como
pode ser observados nas Figuras 17(b) e 17(d).
Os constituintes de menor tamanho como os carbonetos, existentes no material, são
impossíveis de serem analisados com o método comum de microscopia óptica. Foi necessário
recorrer ao o uso do MEV/EDS, pois, pelo fato de ser eletrônico possibilita a visão por meio de
projeção. Tais carbonetos estão apresentados na Figura 18.
27
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 18: Presença dos carbonetos na matriz e no contorno de grão. (a) Sem tratamento
4000x, (b) Com tratamento 4000x, (c) Sem tratamento 3000x, (d) Com tratamento 3000x
Os carbonetos se comportaram de maneiras diferentes no material solubilizado e no
material não solubilizado. Foi possível perceber que ao ser submetido ao tratamento térmico de
solubilização os carbonetos se encontram na matriz ao invés do contorno de grão, e suas
dimensões e composições químicas foram alteradas. Para o material solubilizado os carbonetos
de contornos de grão foram eliminados e surgiram carbonetos dentro do grão, como ilustra a
Figura 18(d). A variação da composição química pontual dos carbonetos e do grão foram
analisadas via EDS e estão apresentados na Figura 19.
28
%wt
(a)
Fe
70,4
Cr
19,45
Ni
7,05
C
3,08
Ti
0
%wt
(b)
Fe
72,34
Cr
15,96
Ni
9,09
C
2,06
Ti
0
Figura 19: Composição química em percentagem em peso (%wt) para diferentes regiões na
ZAC do aço AISI 321H soldado sem tratamento térmico de solubilização. (a) contorno de
grão; (b) região central do grão.
Pela análise química pontual realizada pela técnica EDS na ZAC, conforme ilustra a
Figura 19, ocorreu a formação de carbonetos de cromo no contorno de grão, porém não é
possível determinar exatamente qual é o tipo de carboneto de cromo que se formou no contorno
do grão. Comparando a composição química do elemento cromo no contorno de grão e no
centro do grão verifica-se que a composição química no contorno é muito maior no contorno
de grão que no interior do grão, dessa forma, a quantidade de ferro é maior no centro do grão.
O aumento da concentração de ferro e a diminuição da concentração do cromo no centro do
grão diminuem a resistência a corrosão do material pois diminuir o filme passivo do oxido de
cromo.
29
Observa-se também nas imagens MEV da Figuras 18(a) e 18(c) (ZAC sem sofrer
tratamento térmico de solubilização) a presença de precipitados no meio do grão. As análises
químicas pontuais dos carbonetos precipitados no centro do grão foram realizadas via EDS
estão apresentadas na Figura 20.
A presença de titânio nos dois pontos da análise química pontual da Figura 20,
demonstra que os carbonetos dentro do grão são possivelmente carbonetos de titânio (TiC).
%wt
(a)
Fe
67,91
Cr
12,65
Ni
8,46
C
5,34
Ti
5,63
%wt
(b)
Fe
69,61
Cr
14,40
Ni
6,88
C
6,05
Ti
3,06
Figura 20: Composição química em percentagem em peso (%wt) para diferentes precipitados
no centro do grão na região na ZAC do aço AISI 321H soldado sem tratamento térmico de
solubilização. (a) ponto 1; (b) ponto 2.
A Figura 21 apresenta a análise química pontual via EDS da ZAC do aço AISI 321H
soldado com tratamento térmico de solubilização. Nesta Figura 21 não se observa a presença
de carbonetos nos contornos de grão, apenas carbonetos dentro do grão. O tratamento térmico
de solubilização dos carbonetos de contornos de grão foi eficiente, pois na Figura 21(a) a
30
composição química do elemento cromo, 17,30%wt, está de acordo com a composição química
apresentada pela Tabela 4, composição química nominal do aço AISI 321H, o cromo varia de
17 a 19%wt. A Figura 21(b) apresenta a composição química do carboneto dentro do grão após
realizar o tratamento de solubilização e observa-se a presença de titânio e um aumento da
composição de carbono em relação a matriz, Figura 21(a), que possivelmente pode ser um
precipitado de carboneto de titânio (TiC).
%wt
(a)
Fe
70,01
Cr
17,30
Ni
6,85
C
5,83
Ti
0,00
%wt
(b)
Fe
67,53
Cr
17,79
Ni
7,02
C
7,19
Ti
0,47
Figura 21: Composição química em percentagem em peso (%wt) para diferentes regiões do
grão na região na ZAC do aço AISI 321H soldado com tratamento térmico de solubilização. (a)
centro do grão; (b) precipitado dentro do grão.
5.3 – MICRODUREZA
O perfil de microdureza do cordão de solda contempla as distintas regiões do metal de
base (MB), zona afetada pelo calor (ZAC) e zona fundida (ZF), conforme ilustra a Figura 22.
O material sem tratamento térmico apresentou maior microdureza que o material que se realizou
31
o tratamento de solubilização. Todas as regiões do cordão de solda, ou seja, o metal de base, a
zona afetada pelo calor e também na zona fundida apresentaram maior microdureza pois após
a soldagem o cordão de solda sofreu o processo de planish, que consistem em deformação
(encruar os grãos) do cordão de solda afim de diminuir o reforço de solda da face e da raiz.
O tratamento de solubilização além de realizar a eliminação dos carbonetos presentes
nos contornos de grãos, faz uma recristalização e cresce os grãos, conforme ilustrado na Figura
17(d). O aumento do tamanho de grão produz uma redução da microdureza, como observado
na Figura 22 e essa diminuição da dureza aumenta a ductilidade e diminui a resistência
mecânica a tração das regiões do cordão de solda.
Figura 22: Perfil de microdureza do cordão de solda na transversal conforme norma Petrobras
N133 para o aço inoxidável AISI 321H soldado sem tratamento térmico (S/T) e com
tratamento térmico de solubilização (C/T).
5.4 - ENSAIO DE TRAÇÃO
Foram realizados três ensaios de tração para o material sem solubilização e três ensaios
para o material solubilizado. A Figura 23 apresenta a curva tensão-deformação para os corpos
de prova com dimensões conforme a Figura 16.
32
Figura 23: Curva tensão deformação para corpos de prova de tração soldado do aço inoxidável
AISI 321H com carregamento de tração no sentido perpendicular ao cordão de solda.
Os corpos de prova soldados não submetidos ao tratamento térmico de solubilização
possuem um limite de resistência a tração de 662,2 MPa, bem maior que os corpos de prova
que foram submetidos ao tratamento de solubilização, 605 MPa. O limite de escoamento para
os corpos de prova sem tratamento térmico foi de 321,2 MPa e para os corpos de prova com
tratamento térmico de solubilização foi de 224,5 MPa. Os corpos de prova sem tratamento
térmico de solubilização apresentaram maiores propriedades mecânicas devido ao processo
planish, que deformam os grãos do cordão de solda e da zona afetada pelo calor, levando ao
seu encruamento, com isso, aumenta a sua dureza e resistência mecânica a tração.
As ductilidades dos corpos de prova submetidos ao tratamento de solubilização foram
maiores que as dos corpos de prova sem tratamento térmico, isto ocorreu devido ao aumento
do tamanho de grão durante o tratamento térmico de solubilização.
O processo de planish produz efeitos diferentes nas propriedades de dureza, dessa
forma, sua ductilidade fica comprometida, conforme os resultados do perfil de dureza e ensaio
de tração.
Para melhorar a visualização dos resultados das curvas tensão-deformação a Tabela 5
apresenta as médias das deformações (L), redução percentual de área (Ra%), limite de
escoamento (Le[MPa]) e limite de resistência a tração (LR [MPa]).
33
Tabela 5: Valores em média de 3 corpos de prova para as condições de ensaio de tração com
tratamento de solubilização e sem tratamento para o aço inoxidável AISI321H soldado.
ΔL (mm)
Corpo de prova sem
tratamento
Corpo de prova com
tratamento térmico
de solubilização
Ra %
Le (MPa)
LR (MPa)
16,7 ± 1,36 42,8 ± 5,17 321,2 ± 9,39
662,2 ± 11,37
20,8 ± 0,72 45,3 ± 4,65 224,5 ± 3,55
605,0 ± 12,17
As análises da superfície de fratura dos corpos de prova revelaram que o local do
rompimento de todos os corpos de prova submetidos ao ensaio de tração foi no material de base,
longe da zona afetada pelo calor, comprovando que o procedimento de soldagem autógeno TIG
foi eficiente, mesmo na condição sem o tratamento térmico de solubilização, como ilustra a
Figura 24. A seta da Figura 24 apresenta a região da zona fundida. Outra observação da Figura
24 é que todas as fraturas foram dúcteis, como era esperado pela curva tensão-deformação,
Figura 23 e a Tabela 5 apresentarem alta deformação plástica.
A
B
Figura 24: Superfície de fratura para os corpos de prova de tração do aço inoxidável AISI
321H soldado e carregado no sentido transversal ao cordão de solda. (a) corpo de prova sem
tratamento térmico, (b) corpo de prova com tratamento térmico de solubilização.
34
6 – CONCLUSÕES
O estudo atual proporcionou o conhecimento da influência do tratamento de
solubilização no cordão de solda realizado pelo processo GTAW autógeno e automático no Aço
Inoxidável AISI 321H. Foi possível constatar que os corpos de prova que não foram submetidos
ao tratamento térmicos obtiveram maior resistência mecânica em função da sua estrutura
encruada. Uma vez que o encruamento gera tensões e existe uma ligeira diminuição no tamanho
de grãos, com grãos menores há menos chances de o material escoar. O tratamento de
solubilização por sua vez dissolve carbonetos, mas, alivia as tensões residuais do material, logo
é entendido a comparação no ensaio de tração
Embora a presença de carbonetos em regiões de contorno de grão também influencie no
ganho de resistência, o principal objetivo do tratamento térmico se aplica na dissolução dos
carbonetos, pois, a presença dos carbonetos em locais indesejados geram a corrosão
intergranular.
Conforme analisado, o efeito da solubilização exerceu uma influência na resistência do
material tornando se visível, no entanto, o material precisa ser tratado em função da proteção
contra a corrosão intergranular, porém, as defasagens encontradas das propriedades mecânicas
não influenciam no projeto.
35
7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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