influência da agitação mecânica no refino de grão da zona fundida
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TCC - Trabalho de Conclusão de Curso
Discente: Stephany Ramos Freire
Orientador: Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.
2008
Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec
“INFLUÊNCIA DA AGITAÇÃO MECÂNICA NO REFINO DE GRÃO DA ZONA FUNDIDA”
Introdução
• O refinamento de grão acarreta em mudanças nas
propriedades mecânicas dos aços.
• Técnicas de refinamento de grão na soldagem são bastante
utilizadas com este intuito e a excitação mecânica é uma
delas.
• Trata-se de um processo físico de incrementar a agitação da
poça de fusão através de ondas mecânicas que resultará em
mudanças no fluxo de calor na soldagem e efeitos na
fragmentação dendrítica.
• Este trabalho visa verificar os efeitos que a vibração mecânica
tem sobre o refino da zona fundida do cordão de solda. >>> TCC 2008.1 >>> “INFLUÊNCIA DA AGITAÇÃO MECÂNICA NO REFINO DE GRÃO DA ZONA FUNDIDA” >>> STEPHANY RAMOS FREIRE <<< TCC 2008.1 >>> “INFLUÊNCIA DA AGITAÇÃO MECÂNICA NO REFINO DE GRÃO DA ZONA FUNDIDA” >>> STEPHANY RAMOS FREIRE <<<
Para que o mecanismo de aumento da resistência
mecânica dos metais seja entendido deve-se compreender a
relação entre o movimento das discordâncias e o
comportamento mecânico destes.
Refinamento de Grão
O aumento da Resistência mecânica através do
refinamento de grão tem a ver com a...
Refinamento de Grão
>>> “A habilidade de um metal para se deformar plasticamente depende da habilidade das discordâncias para se moverem” (Calister, 2002) <<<
>>> LEI DE HALL-PETCH >>> “A diminuição do tamanho de grão aumenta a resistência ao escoamento do material” <<<
Refinamento de Grão
Lei de Hall-Petch
TAMANHO DE GRÃO RESISTÊNCIA AO ESCOAMENTO
Esta Lei baseia-se no princípio de que o contorno de grão atua como barreira ao movimento das discordâncias pelos motivos básicos a seguir:
Efeito no Limite de Escoamento
>>> LEI DE HALL-PETCH >>> “A diminuição do tamanho de grão aumenta a resistência ao escoamento do material” <<<
> Orientações cristalográficas diferentes;
> Desordem atômica ;
> Menor caminho livre ;
(Naylor e Cochrane, 2002)
Efeito no Limite de Escoamento
>>> DUREZA >>> “A propriedade do material de resistir à deformação permanente ” (ASM, 1993) <<<
Efeito na Dureza
Existe uma equação matemática que relaciona o
limite de resistência a tração com a dureza Brinell, e que
pode ser aplicada para a maioria dos aços.
Dados obtidos para tamanho de grão e dureza, nas amostras temperadas de um aço AISI 52100
(Goldenstein, 2003)
Efeito na Dureza
>>> DUREZA >>> “A propriedade do material de resistir à deformação permanente ” (ASM, 1993) <<<
>>> “A tenacidade também pode ser definida como a área sob a curva de tensão-deformação do material, ou seja, uma perfeita associação entre limite de resistência e ductilidade ” (SILVA, 1999) <<<
Efeito na Tenacidade
A tenacidade é definida como a capacidade de um
material de absorver energia até a sua fratura (Calister, 2002;
ASM, 1993).
Baseando-se na definição de tenacidade e no conceito de
que o refinamento de grão aumenta o limite resistência dos aços
sem diminuir a sua ductilidade, deduz-se que a tenacidade
também será afetada pelo tamanho de grão.
>>> “A tenacidade também pode ser definida como a área sob a curva de tensão-deformação do material, ou seja, uma perfeita associação entre limite de resistência e ductilidade ” (SILVA, 1999) <<<
Efeito na Tenacidade
Influência do tamanho de grão sobre a temperatura de transição dúctil-frágil de um aço carbono
Refinamento de Grão
TENACIDADE
DUREZA
L.R.ETAMANHO
DE
GRÃO
>>> “Grãos refinados são desejados na maioria das aplicações, salvo algumas exceções como para aplicações em que o material estará sujeito à fluência, onde tamanhos maiores de grão são desejados.” <<<
Técnicas de Refinamento de Grão na Soldagem
• Na soldagem existem alguns métodos de controle de grão que
são utilizados com o intuito de evitar a formação de grãos
grosseiros e garantir a continuidade das propriedades do
material soldado e até diminuir a probabilidade do surgimento
de defeitos como o trincamento a quente, por exemplo.
• Alguns destes métodos serão citados a seguir.
Técnicas de Refinamento de Grão na Soldagem
Inoculação
Oscilação do arco
Pulsação do arco
Nucleação superficial estimulada
Excitação Eletromagnética
Excitação Ultrassônica
Vibração mecânica
>>> “O resultado da inoculação é formação de grãos equiaxiais com estrutura refinada advindos da nucleação heterogênea, inibindo o crescimento epitaxial ” <<< Kou, 2003
A inoculação consiste em adicionar elementos que
funcionarão como agentes de nucleação (inoculantes) no metal
líquido a ser solidificado.
Nucleação heterogênea num aço inoxidável ferrítico causada pela partícula de TiN (Nitrato de Titânio) .
(Kou, 2003)
Efeito de inoculantes na estrutura dos grãos da liga 2090 Al-Li-Cu soldada (GTAW)(a) 2319 Al-Cu (b) 2319 Al-Cu inoculado com 0.38% Ti.
Inoculação
A oscilação do arco elétrico pode ser produzida
magneticamente ou mecanicamente através da vibração da
tocha.
Oscilação do arco elétrico
>>> “O refinamento de grão é obtido por nucleação heterogênea através da fragmentação de dendritas” <<< Kou, 2003
Efeito da amplitude de vibração do arco elétrico, para uma mesma
freqüência, no tamanho de grão na soldagem de uma liga Al–2.5Mg
Pulsação do arco elétrico
Alguns estudos dizem que o refinamento do grão acontece pois
o arco pulsado garante a energia necessária para a adequada fusão do
metal quando se atinge a corrente de pico e promove uma dissipação do
calor quando se atinge a corrente de base.
>>> “Esta pequena nucleação superficial é lançada para dentro da poça de fusão e cresce podendo formar grãos equiaxiais” <<< Kou, 2003
Esta técnica baseia-se na injeção de um gás inerte
resfriado, geralmente Argônio, que é direcionado para a
superfície da poça de fusão causando um resfriamento
localizado que resulta na nucleação de grãos na superfície.
Nucleação superficial estimulada
>>> “A excitação promovida por este campo, tende a uniformizar a temperatura da poça de fusão estimulando a nucleação heterogênea, em conjunto com agentes inoculantes” <<<
A agitação da poça de fusão pode ser induzida aplicando-
se um campo eletromagnético alternado, paralelo ao eletrodo de
soldagem.
(Kou, 2003)
Excitação Eletromagnética
Efeitos da agitação eletromagnética da poça na estrutura do grão na soldagem TIG de um aço inoxidável ferrítico AISI Tp 409
>>> “O arco elétrico pode ser utilizado como emissor de ondas ultrassônicas e se mostra um meio bastante efetivo de excitação da poça de fusão, pois atua diretamente sobre ela” <<< Zhang et al, 2000. <<<
Na soldagem, a excitação ultrassônica é geralmente
obtida através da excitação do metal de base ou da excitação do
arco elétrico.
Excitação Ultrassônica
Efeito da agitação ultrassônica da poça na estrutura do grão na soldagem MAG de um aço carbono JIS H08Mn2Si. (a) sem excitação e (b) excitação ultrassônica de 50 kHz
de freqüência
Ao aplicar-se vibração durante a soldagem a poça de
fusão é afetada. Durante a solidificação, as dendritas podem ser
quebradas antes que se atinja um tamanho grosseiro de grão.
Além de produzir uma microestrutura mais refinada, o que pode
melhorar as propriedades mecânicas, este procedimento
também contribui para diversificar as direções de crescimento
de grão, homogeneizando a distribuição de impurezas no metal
fundido, inibindo a formação de trincas de solidificação.
Vibração Mecânica
Para a verificação dos efeitos da vibração mecânica na
soldagem utilizou-se 3 chapas de aço carbono SAE 1020 com
espessura de 3/4” 20X20 cm.
Procedimento Experimental
PROCESSO DE SOLDAGEM MAG (GMAW)
POSIÇÃO DE SOLDAGEM PLANA
CORRENTE 200 A
TENSÃO 30 V
VELOCIDADE DE SOLDAGEM 25 cm/min
VELOCIDADE DE ALIMENTAÇÃO DO ARAME 10 m/min
DIÂMETRO DO ARAME 1 mm
GÁS 100% CO2
VAZÃO DO GÁS 20 l/min
METAL DE ADIÇÃO AWS ER-70S-6
MODO DE TRANSFERÊNCIACURTO-
CIRCUITO
Depositou-se um cordão de solda em cada chapa,
mantendo-se os mesmos parâmetros de soldagem, variando-se
apenas a freqüência de vibração.
Procedimento Experimental
As freqüências de vibração foram medidas diretamente nas
chapas, antes de ser realizada a deposição do cordão de solda. Na
chapa 1, soldou-se sem vibração, na chapa 2 com vibração de 80 Hz e
na chapa 3 com 160 Hz, mantendo-se a mesma amplitude.
Procedimento Experimental
Para proporcionar a vibração, foi utilizado o vibrador
pneumático Mavi® Luft Max Turbo T-50-2, que produz vibração
mecânica quando acionado pneumaticamente.
Procedimento Experimental
Após o procedimento de soldagem, as chapas foram removidas
e levadas para a preparação de amostras para o ensaio metalográfico.
Foram realizados cortes transversais ao cordão de solda e preparadas
três amostras, uma de cada chapa.
Procedimento Experimental
As amostras foram lixadas com lixas d’água e depois foram
atacadas quimicamente com Nital a 2% para se fazer a macrografia.
Procedimento Experimental
Macrografia das amostras soldadas com aumento de 10x. Freqüências de vibração aplicadas: a) 0 Hz, b) 80 Hz e c) 160 Hz
2 mm 2 mm2 mm
Após a macrografia, as amostras foram lixadas novamente,
polidas com pasta de diamante e atacadas quimicamente com Nital a 2%
para a realização da micrografia.
Procedimento Experimental
Micrografia da Zona Fundida (ZF) das amostras soldadas. Freqüências de vibração aplicadas: a) 0 Hz, b) 80 Hz e c) 160 Hz
100 μm 100 μm 100 μm
Resultados e Discussões
• A análise macrográfica demonstra claramente que o perfil térmico da solda é alterado com a aplicação de vibração mecânica. A penetração do cordão de solda é visivelmente maior na amostra que sofreu vibração de 160 Hz, em relação às outras amostras.
• Pode-se atribuir este fato à maior agitação da poça de fusão que proporciona uma maior homogeneização do calor e uma alteração na convecção do metal líquido.
Onde:
η = 0,9I = 200 AU = 30 VV = 4,1 mm/s
Hinput = η . I . U
V
Hinput = η . I . U
V
Heat Input = 1317,07 J/mm
Resultados e Discussões
Resultados e Discussões
• A micrografia também revela que a microestrutura da Zona
Fundida (ZF) do cordão de solda também foi alterada.
• Percebe-se que houve um refinamento de grão nas
amostras que sofreram agitação por vibração mecânica além
de uma maior heterogeneidade na direção de crescimento dos
grãos.
Conclusões
• Com base nos resultados obtidos conclui-se que, de fato, a
excitação mecânica tem efeitos sobre a solda, alterando
principalmente o perfil de distribuição de calor na peça, além do
efeito de fragmentação dendrítica, o que proporciona mudanças
na penetração do cordão de solda e na microestrutura da Zona
Fundida (ZF).
• Nos dois casos em que se utilizou a vibração, 80 Hz e 160
Hz, houve um refino na microestrutura do cordão de solda,
além do aumento na penetração, sem incutir nenhuma
descontinuidade, em função da excitação, na mesma.
Sugestões de Pesquisa Verificar a alteração no tamanho de grão para vários valores de freqüência
de vibração, visando construir uma possível relação matemática entre estas grandezas.
Verificar o efeito da vibração, na freqüência de ressonância do sistema, na microestrutura da solda.
Verificar o efeito da excitação mecânica na transformação de fases que ocorrem no processo de soldagem.
Verificar, para diferentes materiais, os valores de freqüência de vibração mais significativos para alteração microestrutural da solda.
Verificar o efeito desta técnica na prevenção de trincas de solidificação nos aços inoxidáveis austeníticos.
Desenvolver um dispositivo que permita que esta técnica de refinamento de grão seja usada com mais facilidade na área industrial.
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