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8/14/2019 ESAB OK 1901102rev0_ApostilaMetalurgiaSoldagem

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Seu parceiro emSoldagem e Corte

METALURGIADA

SOLDAGEM

Superfcie de fratura de um corpo de prova de impacto Charpy-V tirado de um metal desolda de uma liga de nquel. A fratura est localizada no metal de solda prximo linha de fuso (Svetsaren, vol. 47, No. 2, 1993, pp. 29).


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NDICE

INTRODUO..........................................................................................1

METAIS E LIGAS METLICAS.....................................................................2

PROPRIEDADES E ENSAIOS DOS METAIS..................................................34

PRINCPIOS DOS CONSUMVEIS DE SOLDAGEM.........................................70

PROPRIEDADES DO METAL DE SOLDA......................................................73

DEFEITOS DO METAL DE SOLDA..............................................................81

AZONA TERMICAMENTE AFETADA(ZTA)..................................................86

BIBLIOGRAFIA.......................................................................................94

Elaborado, traduzido (parte) e adaptado por Cleber Fortes Engenheiro Metalrgico, M.Sc.

ssistncia Tcnica Consumveis ESAB BR

Revisado por Welerson Arajo Engenheiro Metalurgista, M.Sc. Desenvolvimento e Pesquisa ESAB BR

ltima reviso em 15 de abril de 2004


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METALURGIA DA SOLDAGEM

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Introduo

A soldagem envolve muitos fenmenos metalrgicos como, porexemplo, fuso, solidificao, transformaes no estado slido, de-formaes causadas pelo calor e tenses de contrao, que podem

causar muitos problemas prticos. Os problemas podem ser evitadosou resolvidos aplicando-se princpios metalrgicos apropriados aoprocesso de soldagem.

A metalurgia da soldagem difere da metalurgia convencional emcertos pontos de vista, porm um entendimento da metalurgia dasoldagem necessita de um amplo conhecimento da metalurgia geral.Por esse motivo, so descritos primeiramente alguns conceitos da

metalurgia geral e depois so discutidos conceitos da metalurgia dasoldagem.

Esse texto destina-se a profissionais atuantes na rea de solda-gem, tanto na tcnica quanto na comercial. Seu principal objetivo apresentar informaes bsicas no mbito tecnolgico, no tendo apretenso de realizar uma abordagem cientfica. Para estudos maisprofundos, sugerimos consultar outras publicaes existentes.


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Captulo 1

Metais e ligas metlicas

Origem e fabricao

Os metais provm dos depsitos naturais de minrios na crostaterrestre. A maioria dos minrios contaminada com impurezas quedevem ser removidas por meios mecnicos ou qumicos. O metalextrado do minrio purificado conhecido como metal primrio oumetal virgem, e o metal proveniente da ganga designado metal se-cundrio.

H dois tipos de minrios, os ferrosos e os no ferrosos. O termoferroso provm do latimferrum , significando ferro; um metal ferroso aquele que possui alto teor de ferro. Metais no ferrosos como o co-bre e o alumnio, por exemplo, so aqueles que contm pouco ounenhum ferro. A quantidade de ferro na crosta terrestre de aproxi-madamente vinte vezes a de todos os outros metais no ferrosos juntos; por isso o ferro o metal mais importante e o mais emprega-do.

O alumnio, por causa de sua aparncia atraente, resistncia re-lativamente alta e baixa densidade, o segundo metal mais usado. Ominrio de alumnio comercialmente explorvel, conhecido como bau-xita, um depsito formado prximo superfcie da crosta terrestre.

Alguns dos processos qumicos que ocorrem durante a fabrica-o do ao ocorrem tambm durante a soldagem, de modo que ametalurgia da soldagem pode ser encarada imaginando-se a solda-gem ao arco eltrico como a miniatura de uma siderrgica.


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O maior percentual de ferro comercialmente produzido vem doprocesso com alto-forno, que realiza uma reao qumica entre umacarga slida e a coluna de gs ascendente resultante no forno. Os

trs diferentes materiais empregados na carga so minrio, fundentese coque. O minrio consiste de xido de ferro e o fundente principal o calcrio, que se decompe em xido de clcio e dixido de carbono(veja a Equao [1]). A cal reage com as impurezas do minrio deferro e flutua sobre a superfcie na forma de escria. O coque, que seconstitui principalmente de carbono, o combustvel ideal para altos-fornos porque produz o gs monxido de carbono (veja a Equao

[2]), o principal agente redutor do minrio de ferro (Fe2O3) para ferrometlico (Fe), veja a Equao [3].

[1] 23 COCaOCaCO +

[2] CO2OC2 2 +

[3] 232 CO3Fe2CO3OFe ++

A atividade bsica do alto-forno reduzir o xido de ferro paraferro metlico e remover as impurezas do metal. Os elementos redu-zidos passam para a massa de ferro e os elementos oxidados dissol-vem-se na escria. O metal proveniente do alto-forno denominadoferro-gusa e empregado como um material intermedirio para poste-riores processos de refino.

O ferro-gusa contm quantidades excessivas de elementos quedevem ser reduzidos antes que o ao seja produzido. Reduzir umelemento significa receber eltrons: no caso do ferro, ele passa deFe++ ou Fe+++ para Fe, onde cada tomo de ferro recebe dois ou trseltrons. Para o refino do ao so empregados diversos tipos de for-nos eltricos, conversores e outros, cada um desses realizando suatarefa de remoo e reduo de elementos como carbono, silcio,fsforo, enxofre e nitrognio atravs da saturao do metal lquido


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com oxignio e ingredientes formadores de escria. O oxignio reduzos elementos formando gases que escapam para a atmosfera en-quanto a escria reage com as impurezas e as separa do metal fun-

dido.Depois de passar pelo forno de refino, o metal purificado em

lingoteiras feitas de ferro fundido. Os lingotes obtidos possuem seoquadrada e so constitudos de ao saturado de oxignio. Para evitara formao de grandes bolsas de gases no metal fundido, uma quan-tidade considervel de oxignio deve ser removida. Esse processo conhecido como desoxidao e realizado atravs de aditivos que

expulsam o oxignio na forma de gases ou enviam-no em direo escria. Existem diversos graus de oxidao, sendo os seguintes ostipos de aos resultantes:

Aos efervescentes

A fabricao de aos efervescentes envolve uma desoxidaomnima. medida que o lingote se solidifica, uma camada de ferroquase puro formada nas paredes e no fundo da lingoteira, e prati-camente todo o carbono, fsforo e enxofre segregam no ncleo dolingote. O oxignio forma com o carbono o gs monxido de carbono(CO) que aprisionado no metal em solidificao na forma de bolhasque desaparecem durante o processo de laminao a quente. A prin-cipal vantagem dos aos efervescentes a superfcie livre de defeitos

que pode ser produzida com a ajuda da camada de ferro quase puro.A maioria dos aos efervescentes constituda de aos de baixo car-bono contendo menos de 0,1% desse elemento.

Aos parcialmente desoxidados

Aos parcialmente desoxidados regulam a quantidade de oxig-nio no metal fundido pelo uso de uma pesada tampa que travada no


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topo da lingoteira depois de permitir que o metal atinja um leve graude efervescncia. Aos parcialmente desoxidados contm uma com-posio mais uniforme no ncleo do lingote que os aos efervescen-

tes. Por isso, os aos parcialmente desoxidados so empregados emaplicaes que requerem bom acabamento superficial, composiomais homognea e melhores propriedades mecnicas que as dosaos efervescentes.

Aos acalmados

Diferentemente dos aos efervescentes ou parcialmente desoxi-dados, aos acalmados so fabricados removendo-se totalmente ooxignio antes que o lingote se solidifique para evitar a efervescncia.Essa remoo auxiliada pela adio de ligas ferro-silcio que secombinam com o oxignio para formar escria, deixando assim ummetal ntegro e homogneo.

Aos parcialmente acalmados

Aos parcialmente acalmados so um meio-termo entre aos e-fervescentes e acalmados. adicionada uma pequena quantidade deum agente desoxidante, geralmente ferro-silcio ou alumnio. A quan-tidade de desoxidante a estritamente suficiente para cortar qualquerreao de efervescncia, deixando algum oxignio dissolvido.

Aos desoxidados a vcuo

O objetivo da desoxidao a vcuo remover o oxignio do aofundido sem adicionar elementos que formem incluses no metli-cas. Isso realizado aumentando-se o teor de carbono do ao e en-

to submetendo o metal fundido desgaseificao a vcuo. O carbo-


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no reage com o oxignio e forma monxido de carbono, e ento osnveis de oxignio e de carbono caem para os limites especificados.Como no so usados elementos desoxidantes formadores de xidos

slidos, o ao produzido por esse processo possui alta pureza.

Classificaes dos aos

As classificaes mais comuns para os aos so:aos carbono,aos de baixa liga,aos de mdia liga, eaos de alta liga,

que so referidas como "tipos" de aos.

Aos carbono

O ao basicamente uma liga de ferro e carbono, alcanandoseus nveis de resistncia e de dureza principalmente atravs da adi-o de carbono. Os aos carbono so classificados quanto compo-sio qumica em quatro grupos, dependendo de seus nveis de car-

bono.baixo carbono - at 0,14% carbono;ao doce - de 0,15% at 0,29% carbono;ao de mdio carbono - de 0,30% at 0,59% carbono;ao de alto carbono - de 0,60% at 2,00% carbono.Os aos de baixo carbono e doce so os grupos mais produzidos

por causa de sua relativa resistncia e boa soldabilidade.


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Aos de baixa liga

Os aos de baixa liga, como o nome j diz, contm pequenasquantidades de elementos de liga que produzem considerveis me-lhorias em suas propriedades. Os elementos de liga so adicionadospara melhorar a resistncia mecnica e a tenacidade, para diminuirou aumentar a resposta ao tratamento trmico e para retardar os pro-cessos de formao de carepa e corroso. Aos de baixa liga sogeralmente definidos como aqueles que possuem teor total de liga de1,5% a 5,0%. Os elementos de liga mais comuns so o mangans,silcio, cromo, nquel, molibdnio e vandio. Aos de baixa liga podemconter quatro ou cinco desses elementos de liga em diversos teores.

Aos de baixa liga possuem maior limite de escoamento e de re-sistncia que aos doces ou aos carbono estruturais. Como elesapresentam altas razes resistncia-peso, possvel reduzir o pesode carros, caminhes, equipamentos pesados, etc. com o uso deaos de baixa liga.

Aos carbono comuns, que apresentam fragilidade a baixas tem-peraturas, no so confiveis em aplicaes crticas. Por isso, aosde baixa liga com adio de nquel so freqentemente empregadosem situaes de baixa temperatura.

Os aos perdem muito de sua resistncia a altas temperaturas.Para evitar essa situao, so adicionadas pequenas quantidades decromo ou de molibdnio.

Aos de mdia liga

Aos de mdia liga so definidos como aqueles que possuem te-or de elementos de liga entre 5% e 10%.


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Estrutura cristalina dos metais

Quando um metal lquido resfriado, seus tomos se arranjamem um modelo cristalino regular, e dizemos que o lquido se solidifi-cou ou se cristalizou. Sob o ponto de vista metalrgico podemos dizerque o vidro (dixido de silcio, SiO2), em seu estado natural de umarranjo irregular dos tomos, apresenta-se no estado lquido. Suaaltssima viscosidade faz com que o ele leve muito tempo para fluir.J o vidro temperado apresenta um arranjo cristalino regular prpriode um material slido.

Todos os metais se solidificam na forma cristalina. Num cristal ostomos ou as molculas so mantidos numa posio determinada eno esto livres para se movimentar como as molculas de um lqui-do ou de um gs. Esse posicionamento determinado conhecidocomo rede cristalina. medida que a temperatura de um cristal aumentada, mais energia trmica (calor) absorvida pelos tomos oumolculas, e seu movimento de vibrao aumenta. medida que adistncia entre os tomos aumenta, o arranjo cristalino se desfaz e ocristal se funde. Se a rede contiver apenas um tipo de tomo, comono ferro puro, as condies sero as mesmas em todos os pontos darede, e o cristal fundir-se- a uma determinada temperatura (veja aFigura 1).

Entretanto, se a rede contiver dois ou mais tipos de tomos, co-mo em qualquer ao liga, a fuso pode se iniciar a uma temperaturamas no ocorrer de forma completa at que seja atingida uma tempe-ratura mais alta (veja a Figura 2). Isso cria uma situao em que exis-te uma combinao de lquido e slido dentro de uma faixa detemperaturas.


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Figura 1 - Transformao slido-lquido, ferro puro

Cada metal possui uma estrutura cristalina caracterstica que seforma durante a solidificao e assim permanece enquanto o materialficar temperatura ambiente. Entretanto, alguns metais podem sofreralteraes na estrutura cristalina medida que a temperatura muda,fenmeno conhecido como transformao de fase. Por exemplo, o

ferro puro solidifica-se a 1.535C, quando o ferro delta (Fe-) trans-forma-se numa fase chamada ferro gama (Fe- ). O ferro gama co-mumente conhecido como austenita, e uma estrutura no magnti-ca. temperatura de 910C, o ferro puro transforma-se novamentena estrutura de ferro delta, porm a essa temperatura a fase deno-minada ferro alfa (Fe- ). Essas duas fases possuem nomes diferen-tes para separar claramente a fase a alta temperatura (Fe-) da fase a

baixa temperatura (Fe- ). A capacidade de os tomos de um material


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se transformarem em duas ou mais estruturas cristalinas a temperatu-ras diferentes definida como alotropia. Os aos so ligas metlicasalotrpicas.

Figura 2 - Transformao slido-lquido, liga metlica

Ento os metais slidos possuem uma estrutura cristalina na qualos tomos de cada cristal so arrumados num modelo geomtricoespecfico. Esse arranjo ordenado de tomos, chamado de rede cris-talina, responsvel por muitas das propriedades dos metais. Asestruturas de rede mais comuns encontradas nos metais esto lista-das na Tabela I, e seus arranjos atmicos esto ilustrados na Figura3.


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Estruturas cristalinas comuns dos metais

Cbico de faces centradas [Figura 3(a)]

alumnio cobalto1 cobre ouroferro2 chumbo nquel prata

Cbico de corpo centrado [Figura 3(b)]

cromo ferro2 molibdnio nibiotitnio3 tungstnio vandio zircnio3

Hexagonal compacto [Figura 3(c)]

cobalto1 magnsio estanhotitnio3 zinco zircnio3 1 O cobalto cbico de faces centradas a altas tempe-raturas e transforma-se em hexagonal compacto abaixas temperaturas.2 O ferro cbico de corpo centrado (Fe-) prximo temperatura de fuso e novamente a baixas tempera-turas (Fe- ), mas a temperaturas intermedirias oferro cbico de faces centradas (Fe- ).3 O titnio e o zircnio so cbicos de faces centradasa altas temperaturas e hexagonais compactos a bai-xas temperaturas.

Tabela I - Estruturas cristalinas comuns dos metais

Os elementos de liga, chamados desolutos , ficam localizados na

matriz do metal predominante em um ou em dois modos. Os tomosde soluto podem ocupar os stios da rede substituindo alguns dostomos da matriz, chamados de solvente . Alternativamente, se ostomos de soluto forem suficientemente pequenos, eles podem seajustar nos espaos entre os tomos do solvente.


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Figura 3 - As trs estruturas cristalinas mais comuns dos metais

Elemento de liga substitucional

Se os tomos do soluto ocuparem os lugares da rede conformeest mostrado na Figura 4, ento o tipo de liga chamado desoluo slida substitucional .


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Figura 4 - Solues slidas substitucionais

Elemento de liga intersticial

Quando os tomos do soluto forem pequenos em relao aos -tomos da matriz ento eles podem se localizar (ou se dissolver) nosespaos entre os tomos da matriz sem ocupar stios da rede cristali-na. Esse tipo de soluo slida chamadaintersticial , e ilustrada naFigura 5. Pequenas quantidades de carbono, nitrognio e hidrogniopodem se ligar intersticialmente ao ferro e a outros metais.

Figura 5 - Solues slidas intersticiais


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Ligas multifsicas

s vezes os tomos do soluto no podem se dissolver comple-tamente, tanto intersticial quanto substitucionalmente. O resultado emtais casos a formao de grupos atmicos mistos (diferentes estru-turas cristalinas) dentro de uma nica liga. Cada estrutura cristalinadiferente designada uma fase e a liga denominadaliga multifsica . As fases individuais podem se distinguir entre si pela observaoatravs de um microscpio com aumento de 50 a 2000 vezes quandoa liga adequadamente preparada. O processo de lixar, polir, atacare examinar os metais com o auxlio de um microscpio chamado demetalografia . O ensaio metalogrfico um mtodo de estudar as ca-ractersticas dos metais e ligas metlicas.

Um exemplo de liga multifsica o ao de baixo carbono perlticocom estrutura cristalina composta de duas fases, a ferrita e os carbo-netos de ferro.

Metais comerciais consistem de um elemento bsico ou primrioe pequenas quantidades de um ou mais elementos de liga. Os ele-mentos de liga podem ser intencionalmente acrescentados ou, ento,podem ser residuais. Metais comerciais podem ser ligas monofsicasou multifsicas. Cada fase possui sua prpria estrutura cristalina.

O arranjo geral dos gros, contornos de gro e fases presentesnuma liga metlica chamado de microestrutura da liga. Amicroestrutura fortemente responsvel pelas propriedades fsicas emecnicas do metal. Ela afetada pela composio qumica,tratamento trmico e histrico mecnico do metal. A microestrutura afetada pela soldagem por causa de seus efeitos trmicos oumecnicos, ou ambos, mas as alteraes ficam confinadas regioda solda. As alteraes metalrgicas na regio local do metal de base(chamada de zona termicamente afetada ) podem ter um profundoefeito no desempenho em servio de uma junta soldada.


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Gros e contornos de gro

medida que o metal resfriado at seu ponto de solidificao,um pequeno agrupamento de tomos comea a se arranjar numaestrutura cristalina (veja a Figura 6). Esses pequenos cristais espa-lhados no meio lquido encontram-se orientados em todas as direese, medida que a solidificao continua, mais cristais se formam apartir do metal lquido circundante. Normalmente os cristais assumema forma de dendritas, ou de uma estrutura em forma de rvore. Com acontinuao do processo de solidificao os cristais comeam a setocar, dificultando sua liberdade de crescimento, de modo que o lqui-do remanescente se solidifica na forma de cristais adjacentes at otrmino da solidificao. Agora o slido compe-se de cristais indivi-duais usualmente em orientaes diferentes. O encontro dos cristaisentre si denominado contorno de gro (veja a Figura 7).

Figura 6 - Processo de solidificao dos metais

Uma srie de condies influencia o tamanho de gro inicial. importante saber que a taxa de resfriamento e a temperatura tmgrande influncia na estrutura de gros recentemente solidificada eno tamanho de gro.


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Figura 7 - Contorno de gro (esquemtico)

A formao dos primeiros cristais se inicia no local de menortemperatura da solda. Esse local situa-se no ponto onde o metal fun-dido e o metal de base no fundido se encontram. Com a continuaodo processo de solidificao pode ser observado que os gros nocentro so menores e possuem uma textura mais fina que os gros

localizados nos limites exteriores do depsito de solda (veja a Figura8). Esse fenmeno ocorre porque, medida que o metal de solda seresfria, o calor do centro do depsito de solda dissipar-se- em dire-o ao metal de base atravs dos gros mais externos que se solidifi-caram primeiro. Conseqentemente, esses gros permanecem, j noestado slido, mais tempo a altas temperaturas, o que favorece seucrescimento. O tamanho de gro pode ter efeito na integridade da

solda no sentido que gros pequenos so mais resistentes e maisdcteis que gros grandes. Se surgir uma trinca, a tendncia queela se inicie na rea onde os gros so maiores.

Muitos fenmenos singulares que afetam as propriedades mec-nicas de uma liga a baixas e a altas temperaturas ocorrem em con-tornos de gro, onde o ordenamento dos tomos irregular. Existemmuitos vazios ou tomos ausentes nos contornos de gro. Os espa-

os entre os tomos podem ser maiores que o normal, permitindo que


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tomos individuais se desloquem com relativa facilidade. Por causadisso, a difuso dos elementos (o movimento dos tomos individuais)atravs da rede cristalina do solvente geralmente acontece mais rapi-

damente nos contornos de gro que em seu interior. A desordem re-sultante torna mais fcil para tomos grandes segregarem nos con-tornos de gro. Tais segregaes levam freqentemente formaode fases indesejveis que afetam adversamente as propriedades dometal como reduo da ductilidade ou aumento da susceptibilidade fissurao durante a soldagem ou tratamento trmico.

Figura 8 - Processo de solidificao de uma junta soldada

Metais com granulao fina possuem geralmente melhores pro-priedades mecnicas para servio temperatura ambiente e a baixastemperaturas. Por outro lado, metais com granulao grosseira apre-

sentam geralmente melhor desempenho a altas temperaturas.Para sumarizar essa seo deve ser compreendido que todos os

metais se compem de cristais (gros). A forma e as caractersticasdos cristais so determinadas pelo arranjo de seus tomos. O arranjoatmico de um elemento pode mudar a diferentes temperaturas, sen-do que esse arranjo atmico ou a microestrutura determina aspropriedades dos metais.


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Influncia dos elementos de liga

Ligar o processo de adicionar um metal ou um no metal aosmetais puros tais como cobre, alumnio ou ferro. Desde o tempo emque se descobriu que as propriedades dos metais puros poderiam sermelhoradas adicionando-se outros elementos, os aos ligados torna-ram-se mais conhecidos. Na realidade os metais que so soldadosraramente esto no estado puro. As propriedades mais importantesque podem ser melhoradas pela adio de pequenas quantidades deelementos de liga so a dureza, a resistncia mecnica, a ductilidadee a resistncia corroso. Os elementos de liga mais comuns e seusefeitos nas propriedades dos aos so os seguintes:

Carbono (C)

O carbono o elemento mais eficaz, mais empregado e de me-nor custo disponvel para aumentar a dureza e a resistncia dos aos.Uma liga contendo at 2,0% de carbono em combinao com o ferro denominada ao, enquanto que a combinao com teor de carbonoacima de 2,0% conhecida como ferro fundido. Embora o carbonoseja um elemento de liga desejvel, teores altos desse elemento po-dem causar problemas; por isso, necessrio um cuidado especialquando se soldam aos de alto teor de carbono e ferro fundido.

Enxofre (S)

O enxofre normalmente um elemento indesejvel no ao por-que causa fragilidade. Pode ser deliberadamente adicionado paramelhorar a usinabilidade do ao. O enxofre causa a quebra dos cava-

cos antes que eles se enrolem em longas fitas e obstruam a mquina.


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Normalmente todo esforo feito para reduzir o teor de enxofre parao menor nvel possvel porque ele pode criar dificuldades durante asoldagem.

Mangans (Mn)

O mangans em teores at 1,0% est normalmente presente emtodos os aos de baixa liga como agente desoxidante ou dessulfuran-te. Isso significa que ele prontamente se combina com o oxignio e oenxofre para neutralizar o efeito indesejvel que esses elementospossuem quando esto em seu estado natural. O mangans tambmaumenta a resistncia trao e a temperabilidade dos aos.

Cromo (Cr)

O cromo, combinado com o carbono, um poderoso elemento de

liga que aumenta a dureza dos aos. Adicionalmente as suas proprie-dades de endurecimento, o cromo aumenta a resistncia corroso ea resistncia do ao a altas temperaturas. o principal elemento deliga dos aos inoxidveis.

Nquel (Ni)

A principal propriedade do ao que melhorada pela presenado nquel sua ductilidade ou sua tenacidade ao entalhe. A esse res-peito o mais eficaz dos elementos de liga para melhorar a resistn-cia ao impacto do ao a baixas temperaturas. Consumveis com altoteor de nquel so empregados para soldar os diversos tipos de ferrofundido. tambm utilizado combinado com o cromo para dar origemao grupo denominado aos inoxidveis austenticos.


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Molibdnio (Mo)

O molibdnio aumenta fortemente a profundidade de tmpera ca-racterstica do ao. muito usado em combinao com o cromo paraaumentar a resistncia do ao a altas temperaturas. Esse grupo deaos referido como aos ao cromo-molibdnio.

Silcio (Si)

A funo mais comum do silcio nos aos como agente desoxi-dante. Normalmente aumenta a resistncia dos aos, mas quantida-des excessivas podem reduzir a ductilidade. Em consumveis de sol-dagem algumas vezes adicionado para aumentar a fluidez do metalde solda.

Fsforo (P)

O fsforo considerado um elemento residual nocivo nos aosporque reduz fortemente sua ductilidade e tenacidade. Normalmentetodo esforo feito para reduzir o teor de fsforo para os menoresnveis possveis. Entretanto, em alguns aos o fsforo adicionadoem quantidades muito pequenas para aumentar sua resistncia.

Alumnio (Al)

O alumnio basicamente empregado como um agente desoxi-dante dos aos. Ele pode tambm ser adicionado em quantidadesmuito pequenas para controlar o tamanho dos gros.


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Cobre (Cu)

O cobre contribui fortemente para aumentar a resistncia cor-roso dos aos carbono pelo retardamento da formao de carepa temperatura ambiente, porm altos teores de cobre podem causarproblemas durante a soldagem.

Nibio (Nb)

O nibio empregado em aos inoxidveis austenticos como es-tabilizador de carbonetos. J que o carbono nos aos inoxidveisdiminui a resistncia corroso, um dos modos de torn-lo ineficaz a adio de nibio, que possui maior afinidade pelo carbono que ocromo, deixando este livre para a proteo contra a corroso.

Tungstnio (W)

O tungstnio usado nos aos para dar resistncia a altas tem-peraturas. Ele tambm forma carbonetos que so extremamente du-ros e portanto possuem excepcional resistncia abraso.

Vandio (V)

O vandio mantm o tamanho de gro pequeno aps tratamentotrmico. Ele tambm ajuda a aumentar a profundidade de tmpera eresiste ao amolecimento dos aos durante os tratamentos trmicos derevenimento.


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Nitrognio (N)

Usualmente feito todo esforo para eliminar o hidrognio, o oxi-gnio e o nitrognio dos aos porque sua presena causa fragilidade.O nitrognio tem a capacidade de formar estruturas austenticas; porisso, ocasionalmente adicionado aos aos inoxidveis austenticospara reduzir a quantidade de nquel necessria e, portanto, os custosde produo desses aos.

Sumrio de elementos de ligaDeve ser entendido que a adio de elementos a um metal puro

pode influenciar a forma cristalina da liga resultante. Se um metalpuro possuir caractersticas alotrpicas (capacidade de um metalalterar sua estrutura cristalina) a uma temperatura especfica, entoessa caracterstica ocorrer a uma faixa de temperatura no metal

ligado, e no a uma determinada temperatura como tpico de metaispuros. A faixa qual a mudana ocorre pode ser estreita ou larga,dependendo das ligas e das quantidades de elementos de liga adi-cionados. Todas essas transformaes induzidas por elementos deliga dependem do aporte trmico e da taxa de resfriamento. Essesfatores so controlados na siderrgica, mas como a atividade de sol-dagem envolve aquecimento e resfriamento heterogneos do metal, necessrio um cuidado especial durante a soldagem de aos de bai-xa, mdia e alta liga.


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Tratamentos trmicos

A temperatura qual o metal aquecido, o perodo de tempo emque ele mantido quela temperatura e a taxa sob a qual ele resfri-ado, todos esses parmetros influenciam na estrutura cristalina dometal. Essa estrutura cristalina, normalmente denominadamicroestru- tura , determina as propriedades especficas dos metais. H vriosmodos de se manipular a microestrutura, seja na siderrgica ou noprocedimento de soldagem. Dentre os mtodos mais comuns de semanipular a microestrutura esto os tratamentos trmicos.

Tratamentos trmicos raramente so requeridos para aos debaixo carbono ou estruturais, embora sejam ocasionalmente empre-gados para evitar empenamento ou para garantir baixa dureza e facili-tar a usinagem.

Pr-aquecimentoOs metais em sua maioria so bons condutores de calor. Conse-

qentemente o calor na regio de soldagem rapidamente escoadopor toda a massa envolvida no processo, acarretando um resfriamen-to relativamente rpido. Em alguns metais esse resfriamento rpidopode contribuir para a formao de microestruturas prejudiciais na

regio de soldagem. O pr-aquecimento da junta a ser soldada umamaneira de reduzir a taxa de resfriamento do metal. A temperatura depr-aquecimento pode variar de 50C a 540C, sendo mais comu-mente aplicada na faixa de 150C a 200C.

Durante a soldagem de aos de alto carbono ou de alta liga exis-te o perigo de que o depsito de solda e a zona termicamente afetadacontenham altos percentuais de martensita, um constituinte duro do

ao. Tais soldas possuem alta dureza e baixa ductilidade e podem


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mesmo vir a trincar durante o resfriamento. O objetivo do pr-aquecimento (e tambm do ps-aquecimento) manter o teor demartensita da solda a um nvel mnimo. De ambos os tratamentos

resultam melhor ductilidade, baixa dureza e menor probabilidade defissurao durante o resfriamento.

A martensita forma-se realmente durante o resfriamento da soldae da zona termicamente afetada. A quantidade de martensita formadapode ser limitada reduzindo-se a taxa de resfriamento da solda. Opr-aquecimento aumenta a temperatura do metal vizinho solda, detal modo que o gradiente de temperatura (isto , a diferena de tem-

peratura) entre a solda e sua vizinhana fique reduzido. O resultado que a zona de soldagem aquecida resfria-se mais lentamente, vistoque a taxa de resfriamento diretamente proporcional ao gradientede temperatura entre as massas quente e fria.

Em resumo, o pr-aquecimento reduz:o risco de trincas por hidrognio;as tenses de contrao;a dureza na zona termicamente afetada (ZTA).Se esses tratamentos trmicos devem ou no ser aplicados de-

pende do teor de carbono e de outros elementos de liga no metalsendo soldado. Se corpos de prova soldados sem tratamento trmicoapresentarem baixa ductilidade ou dureza muito alta, indicativo danecessidade de pr-aquecimento ou ps-aquecimento. Alm da com-posio qumica, a rigidez da junta a ser soldada e o processo desoldagem tambm influenciam a necessidade de se realizar um pr-aquecimento.

A necessidade do pr-aquecimento aumenta com os seguintesfatores:

teor de carbono do material de base;teor de ligas do material de base;

tamanho da pea;


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temperatura inicial;velocidade de soldagem;dimetro do consumvel.

Como determinar a temperatura de pr-aquecimento

A composio do material de base deve ser conhecida para seescolher a temperatura de pr-aquecimento correta, pois ela contro-lada por dois principais fatores:

o teor de carbono do material de base;o teor de ligas do material de base;Basicamente quanto maior for o teor de carbono do material de

base, maior ser a temperatura de pr-aquecimento requerida. Esseraciocnio se aplica tambm ao teor de ligas, mas num grau levemen-te menor.

Um mtodo simples para determinar a necessidade de pr-aquecimento de uma solda o do carbono equivalente (Ceq). A tem-perabilidade de um ao est relacionada ao seu teor de carbono a-crescido dos teores de certos elementos de liga.

Quanto maior for o carbono equivalente maior ser a temperaturade pr-aquecimento requerida.

Outros fatores importantes para se determinar a temperatura depr-aquecimento so a espessura e o tamanho do componente. Atemperatura de pr-aquecimento aumenta com o tamanho e a espes-sura do componente.

Para o clculo do carbono equivalente determina-se o teor apro-ximado de outros elementos de liga que produzem a mesma durezaque 1% de carbono. Ento o carbono equivalente (Ceq), que umaindicao da temperabilidade, pode ser calculado por:


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[4]13

%Cu

5

%Cr

4

%Mo

15

%Ni

6

%Mn%CeqC +++++=

NOTA: O Ceq calculado da anlise de panela normalmente menor que o Ceq baseado na anlise do produto por causa da segregao que ocorre no lingo-te.

Essa frmula vlida quando os teores esto dentro das faixas:%C < 0,50%Mn < 1,60%Ni < 3,50

%Mo < 0,60%Cr < 1,00%Cu < 1,00Outra equao para o carbono equivalente, largamente utilizada,

dada pelo IIW (International Institute of Welding ):

[5] 15

%Cu%Ni

5

%V%Mo%Cr

6

%Mn%CeqC

++

++++=

A espessura do metal de base pode tornar necessrio o pr-aquecimento mesmo para aos de baixo carbono. Existem vriosmtodos para se calcular a temperatura de pr-aquecimento conside-rando tambm a espessura, sendo as Equaes [6] e [7] as maisusuais.

[6] 0,25C350C)(oaqueciment-prdeaTemperatur eqtotalo =

onde

[7] (mm)espessuraC0,005C eqeqtotal =


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onde o carbono equivalente pode ser calculado pelas Equaes [4] ou[5] ou mesmo por outra frmula mais conveniente.

A Tabela II fornece valores sugeridos de temperaturas de pr-aquecimento para diferentes valores de carbono equivalente:

Carbono equivalenteCeq (%)

Temperatura depr-aquecimento

recomendada

< 0,30 opcional

0,31 - 0,45 100C - 200C

0,45 - 0,60 200C - 250C

> 0,60 250C - 300C

Aos ferramenta,aos mola,

aos de composiodesconhecida

~ 300C

Tabela II - Temperatura de pr-aquecimento recomendada x Ceq

Alguns aos, particularmente aqueles possuindo carbono equiva-lente maior que 0,45%, podem requerer, alm de pr-aquecimento,ps-aquecimento. Esses tratamentos so especialmente recomenda-dos para a soldagem de sees espessas. Entretanto, para a maioriados aos carbono e de baixa liga, apenas o pr-aquecimento ne-cessrio de um modo geral.

O pr-aquecimento a 120 - 150C geralmente empregado nasoldagem multipasse em sees de espessura maior que 25 mm parareduzir a susceptibilidade da solda fissurao.

Quando a temperatura de pr-aquecimento correta for determi-nada essencial que esta temperatura seja medida e mantida duran-te a operao de soldagem. Normalmente todas aplicaes que re-querem pr-aquecimento requerem tambm resfriamento lento.


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Ps-aquecimento

Ps-aquecimento, dentro deste contexto, significa o aquecimentoda junta soldada imediatamente aps a solda ter sido realizada. bem diferente de outros tratamentos executados aps o resfriamentoda solda tais como alvio de tenses, revenimento e recozimento.

O ps-aquecimento tem a mesma funo do pr-aquecimento:mantm a temperatura da pea em um nvel suficientemente elevadode tal maneira que a junta soldada resfrie lentamente. Assim como nopr-aquecimento, o resultado uma ductilidade maior na regio dasolda. O ps-aquecimento raramente aplicado de forma isolada; quase sempre conjugado com o pr-aquecimento.

O ps-aquecimento mais freqentemente empregado em aosaltamente temperveis, mas algumas vezes utilizado em aos me-nos temperveis se for difcil a aplicao de um pr-aquecimentoadequado devido dimenso das peas sendo soldadas.

Alm do pr-aquecimento e do ps-aquecimento vrios outrostratamentos trmicos so empregados em juntas soldadas para influ-enciar nas propriedades do metal de solda:

alvio de tenses;recozimento pleno;normalizao;tmpera;

revenimento.Esses tratamentos so similares de dois pontos de vista. Primei-

ro, usualmente requerem temperaturas mais altas que o pr-aquecimento e o ps-aquecimento. Segundo, embora sejam ativida-des de "ps-aquecimento" no sentido de que so aplicados aps asolda ter sido executada, diferem do ps-aquecimento no fato de quea solda deixada resfriar antes que o tratamento seja iniciado. So


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largamente utilizados em soldas de aos carbono bem como de aosde baixa, mdia e alta liga.

Alvio de tenses

Os metais se expandem quando aquecidos e se contraem quan-do resfriados. A dilatao diretamente proporcional variao detemperatura ou, de outro modo, quantidade de calor aplicada. Numa junta soldada o metal mais prximo da solda est sujeito s maisaltas temperaturas e, medida que aumenta a distncia da solda, atemperatura mxima atingida diminui. O aquecimento heterogneocausa contraoexpanso tambm heterognea e pode causar dis-tores e tenses internas no metal de solda. Dependendo de suacomposio e aplicao o metal pode no ser capaz de resistir a es-sas tenses e trincar ou pode ocorrer falha prematura da pea. Umamaneira de minimizar essas tenses ou de alivi-las pelo aqueci-mento uniforme da estrutura aps a soldagem ter sido realizada. Ometal aquecido a temperaturas logo abaixo do ponto onde possaocorrer alguma alterao microestrutural e ento resfriado lenta-mente.

Seguindo a atividade de soldagem, o resfriamento e a contraodo metal de solda originam tenses na solda e nas regies adjacen-tes. O objetivo do alvio de tenses reduzir essas tenses. Essetratamento leva a junta soldada a uma condio mais durvel; a ducti-

lidade aumentada sobremaneira, embora a resistncia mecnicadiminua ligeiramente. Certos cdigos permitem maiores tenses deprojeto, desde que seja aplicado o alvio de tenses. Tipicamente, oalvio de tenses consiste no aquecimento da pea a uma temperatu-ra em torno de 600C e em sua manuteno por uma hora para cada25 mm de espessura. O conjunto ento resfriado lentamente em arcalmo at 300C. Se temperaturas altas como 600C forem impratic-

veis, podem ser empregadas temperaturas mais baixas com um tem-


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po de encharcamento mais longo. A Tabela III ilustra os tempos reco-mendados conforme a temperatura empregada para o alvio de ten-ses.

TEMPO E TEMPERATURA DE ALVIO DE TENSES

Temperatura(C)

Tempo(h/25 mm)

595 1

565 2

535 3510 5

480 10

Tabela III - Tempo e temperatura de alvio de tenses

Recozimento pleno

O recozimento pleno possui outra funo adicional em relao aoalvio de tenses simples: alm de levar a pea soldada a uma condi-o sem tenses, assegura ductilidade e baixa dureza solda e zona termicamente afetada. Alm disso, consegue-se tambm umamicroestrutura fina e uniforme.

Esse tratamento trmico consiste:no aquecimento do conjunto 30C a 60C acima da temperaturacrtica, isto , aquela em que ocorre a alterao microestrutural(nos aos, de 840C at 1.000C):na manuteno do patamar de temperatura por um tempo sufici-ente para promover uma mudana uniforme;e no resfriamento lento do conjunto, usualmente dentro do forno.


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Peas soldadas raramente sofrem recozimento porque tempera-turas muito altas podem causar distores na estrutura soldada.

Normalizao

Esse tratamento na realidade uma outra forma de recozimento.As temperaturas utilizadas so as mesmas que no caso do recozi-mento (usualmente 60C acima da temperatura de transformaomicroestrutural), mas a normalizao pressupe resfriamento em arcalmo at a temperatura ambiente em vez de resfriamento no forno.As tenses internas so aliviadas, porm a solda no fica com amesma ductilidade e baixa dureza obtidas com o recozimento pleno.

Pelos tratamentos trmicos de alvio de tenses e recozimentoou normalizao h uma restaurao parcial ou completa das propri-edades originais dos aos (veja a Figura 9).

Figura 9 - Alteraes microestruturais e mecnicas decorrentes dos trata-

mentos trmicos ps-soldagem (esquemtico)


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Tmpera

A dureza de um ao pode ser aumentada aquecendo-o de 30C a60C acima da temperatura de alterao microestrutural, e entomergulhando o metal em uma soluo lquida que rapidamente oresfrie. O resfriamento rpido, conhecido comotmpera , forma umamicroestrutura denominadamartensita , que distorce a rede cristalinado ao e aumenta sua dureza e sua resistncia mecnica. As solu-es de tmpera usadas nesse processo so classificadas de acordocom a velocidade com que resfriam o metal, isto , leo (rpido), -gua (mais rpido) e salmoura (o mais rpido).

Revenimento

Depois que o metal sofre tmpera, usualmente revenido. O re-venimento um processo no qual o metal reaquecido at uma tem-

peratura abaixo de 725C, mantido a essa temperatura por um certointervalo de tempo, e ento resfriado at a temperatura ambiente. Orevenimento reduz a fragilidade que caracterstica dos aos tempe-rados, produzindo portanto um balano entre alta resistncia e tena-cidade. O termo tenacidade, aplicado aos metais, normalmente signi-fica resistncia fratura frgil ou tenacidade ao entalhe sob certascondies ambientais. Os aos que sofrem esse tipo de tratamentotrmico so conhecidos comoaos temperados e revenidos .


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Captulo 2

Propriedades e ensaios dosmetais

A utilidade de um metal especfico determinada pelo clima e

condies nas quais ele ser empregado. Um metal que estampadopara transformar-se em um pra-lama de automvel deve ser maismacio e flexvel que uma chapa de blindagem que sofrer esforosdinmicos. Por outro lado, um material utilizado em um oleoduto emambiente de baixa temperatura deve apresentar desempenho bemdiferente de outro material empregado em caldeiras. Torna-se eviden-te que, antes que um metal seja recomendado para uma aplicao

especfica, devem ser avaliadas as propriedades fsicas e mecnicasdo metal de base e do metal de solda projetados para a junta a sersoldada.

Algumas das propriedades mais importantes dos metais do pontode vista da soldagem e as tcnicas de avaliao so mostradas aseguir.

Tenso

O conceito de tenso pode ser entendido como uma razo entrea carga aplicada e a rea resistente.


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[8]reaforatenso =

Normalmente, a carga medida em:quilograma-fora (Kgf), que o peso exercido por uma massa de1 Kg;newton (N);libra-fora (p).A rea resistente pode normalmente ser medida em:milmetro quadrado (mm2), que a rea representada por umquadrado de 1 mm de lado;polegada quadrada (in2), que a rea representada por um qua-drado de uma polegada de lado.Podemos ento relacionar as diversas grandezas nas unidades

do Sistema Internacional e do Sistema Ingls:

[9] N4,448p1 =

[10] N9,807Kgf1 =

[11] mm25,4in1 =

[12] 22 mm645,16in1 =

Sistema Internacional:

[13] MPamm

NmmMNtensodeunidade 22 ===

Sistema Ingls:

[14] 2inp

1000psi1000ksitensodeunidade ===


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Ento, como se relacionam as unidades?

[15] MPa6,895mm

N6,895mm645,16

N4,4481000ksi1 22 ===

[16] MPa6,895ksi1 =

[17] psi145,0326MPa1 =

Deformao

Considere que duas marcas sejam feitas na superfcie de umcorpo de prova em estado no deformado e que L0 seja a distnciainicial entre as duas marcas. Carregando-se o corpo de prova haverum aumento na distncia entre as duas marcas, de modo que a novadistncia entre elas seja L.

A deformao absoluta (deformation ) definida como a diferenaentre as distncias final e inicial.

[18] 0L-LL(mm)absolutadeformao ==

A deformao relativa (strain ) definida como a variao relativanas dimenses, isto , a razo entre a diferena entre as dimensesfinal L e inicial L0 e a dimenso inicial L0. No importa em que unidade

de comprimento as dimenses sejam medidas, porque a deformao uma grandeza adimensional.

[19]0

00 L

L-LL Lrelativadeformao ==


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Ensaio de trao

A resistncia trao um dos mais importantes fatores na sele-o do material, especialmente se for membro estrutural, parte deuma mquina ou de um vaso de presso.

O ensaio de trao realizado conforme est mostrado na Figura10. O corpo de prova usinado para as dimenses exatas estabele-cidas por norma e preso mquina de trao em ambas as extremi-

dades. Ele ento tracionado at o ponto de ruptura e as informa-es so registradas num grfico.

Figura 10 - Equipamento para ensaios de trao

O teste de trao fornece quatro informaes bsicas:limite de escoamento;limite de resistncia;

alongamento;


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reduo de rea.

Limite de escoamento

Quando um metal tracionado at seu limite de escoamento, elesofre um aumento no comprimento, porm retorna as suas dimensesoriginais quando cessa o esforo ao qual havia sido submetido. Di-zemos que esteve sob o regime elstico, representado pela letra A daFigura 11. medida que a carga aumentar, o metal atingir um pontoalm do qual o corpo de prova no mais retornar a sua dimensooriginal quando cessar a carga.

Figura 11 - Curva cargaalongamento

A tenso limite de escoamento definida como o ponto em que o

metal atinge o limite de suas caractersticas elsticas, no mais retor-nando a sua forma original. A unidade dessa grandeza N/mm2 ouMPa.

A frmula para se calcular a tenso limite de escoamento (LE)

[20])(mminicialresistenteseodarea

(N)escoamentodecarga(MPa)LE 2=


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Limite de resistncia

Uma vez que o metal excedeu seu limite de escoamento, conti-nuar a se deformar e, se a carga for subitamente aliviada, no retor-nar a sua forma original, mas permanecer com uma deformaoresidual. Esse fenmeno denominado deformao plstica e estrepresentado pela letra B da Figura 11. A deformao plstica aumen-ta para promover um alvio nas tenses trativas, tornando-se neces-srio que a carga continue aumentando para continuar a deformarplasticamente o metal. Finalmente chega-se a um ponto em que ometal no consegue mais sofrer deformao plstica e a carga atingeseu valor mximo. Dizemos que o material atingiu sua capacidademxima de encruamento.

A tenso limite de resistncia definida como o ponto em que ocorpo de prova atinge a carga mxima durante o ensaio de trao. Aunidade dessa grandeza N/mm2 ou MPa.

A frmula para se calcular a tenso limite de resistncia (LR)

[21])(mminicialresistenteseodarea

(N)mximacarga(MPa)LR 2=

Alongamento

Antes que um corpo de prova de trao seja colocado na mqui-na duas marcas devem ser feitas a uma determinada distncia naparte til do corpo de prova. Aps a fratura do corpo de prova a dis-tncia entre as marcas medida e o alongamento calculado toman-do-se como referncia a distncia original entre as duas marcas (vejaa Figura 11). O valor do alongamento percentual (%) e fornece umaindicao da ductilidade do metal temperatura ambiente.

A frmula para se calcular o alongamento (AL)


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[22] 100(mm)inicialocompriment

(mm)inicialocompriment-(mm)finalocompriment(%)AL =

Reduo de rea

medida que o corpo de prova carregado at o ponto de fratu-ra, a rea da seo resistente diminui, veja a Figura 11. Essa reareduzida calculada e registrada como um percentual da rea daseo original do corpo de prova. O valor da reduo de rea per-centual (%) e mede a ductilidade ou a fragilidade relativa do metal.

A frmula para se calcular a reduo de rea (RA)

[23] 100)(mminicialrea

)(mmfinalrea-)(mminicialrea(%)RA 222

=

Ductilidade, tenacidade e fragilidade

O comportamento de um metal ou liga metlica em fratura podeter vrias classificaes, dependendo do critrio abordado.

Sob o ponto de vista de energia absorvida durante o processo defratura, podemos ter a fratura frgil, associada com uma pequenaquantidade de energia absorvida e a fratura tenaz, onde consumidauma grande quantidade de energia antes de ocorrer a fratura.

Sob o ponto de vista da deformao plstica que ocorre na vizi-nhana das superfcies de fratura, a fratura pode ser classificada co-mo dctil ou frgil. Quando a deformao plstica precedendo a fratu-ra intensa, dizemos que a fratura dctil. Como a deformao pls-tica ocorre com consumo de energia, a fratura dctil est vinculada aum comportamento tenaz. Por outro lado, a fratura frgil aquela que


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ocorre com baixo nvel de deformao plstica e portanto com pe-queno consumo de energia.

Sob o ponto de vista de micromecanismos de fratura, podemosdizer que a fratura dctil normalmente ocorre por cisalhamento, en-quanto que a fratura frgil ocorre por clivagem.

Assim, podemos sumarizar as diversas classificaes dos pro-cessos de fratura conforme mostra a Tabela IV:

Ponto de vista Classificao da Fratura

Modo cristalogrfico cisalhamento clivagemAspecto da fratura fibrosa granular

Deformao plstica dctil frgil

Energia absorvida tenaz frgil

Tabela IV - Diversas classificaes dos processos de fratura

Encruamento

Quando os metais so deformados plasticamente temperaturaambiente ocorre uma srie de alteraes microestruturais. Cada groindividual deve mudar sua forma para acompanhar a deformaocomo um todo. medida que a deformao prossegue cada gro deformado, e conseqentemente ele se torna mais resistente e maisduro, ficando mais difcil deform-lo posteriormente, isto , sua ducti-lidade diminui. Esse comportamento denominadoencruamento (work hardening ), veja a Figura 12.


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Figura 12 - Curva de encruamento (esquemtica)

Da mesma forma, quando o metal deformado abaixo de suatemperatura crtica ocorre um aumento gradativo em sua dureza eresistncia e uma diminuio em sua ductilidade. Esse fenmeno conhecido comotrabalho a frio (cold working ).

Temperatura de transio

Normalmente os materiais apresentam uma variao de tenaci-dade ou de ductilidade com a variao da temperatura. Metais comestrutura cristalina cbica de faces centradas como, por exemplo,cobre, alumnio, nquel e ao inoxidvel austentico apresentam uma


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queda suave de tenacidade com a diminuio da temperatura. Porsua vez, metais com estrutura cristalina cbica de corpo centradocomo, por exemplo, aos ferrticos, apresentam sensvel queda em

tenacidade em uma certa faixa de temperatura. A Figura 13 ilustra, deforma esquemtica, a variao de tenacidade com a temperatura,para ambos os tipos de estrutura cristalina.

Figura 13 - Curvas de ductilidade em funo da temperatura

Deve ser notado que a causa da transio do comportamentodos aos ferrticos de dctil para frgil quando a temperatura diminui uma mudana no modo metalrgico de fratura de cisalhamentopara clivagem por uma inibio dos micromecanismos de deforma-o plstica. Como uma conseqncia desse aumento da restrio deformao plstica, e no como uma causa, temos uma passagemde escoamento em larga escala para escoamento restrito no compor-tamento mecnico macroscpico do material, fazendo com que omaterial frature logo aps o limite de escoamento ser atingido.


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No s a temperatura, mas qualquer parmetro que restrinja adeformao plstica pode provocar uma queda na tenacidade ou naductilidade como, por exemplo, a taxa de deformao ou o estado de

tenses reinante.O efeito da taxa de deformao na tenacidade ou na ductilidade

pode ser observado na Figura 14. Nota-se que, quanto maior for ataxa de deformao, menor ser a tenacidade ou a ductilidade.

Figura 14 - Efeito (esquemtico) da taxa de deformao na tenacidade ouductilidade de metais com transio dctil-frgil.

O comportamento sob deformao plana refere-se fratura sob

tenses elsticas, que essencialmente frgil. O comportamentoplstico refere-se fratura dctil sob condies de escoamento gene-ralizado, normalmente acompanhado, mas no necessariamente, degrandes lbios de cisalhamento. A transio entre os dois extremos a regio elasto-plstica. A Figura 15 mostra a relao entre os micro-mecanismos de fratura atuantes em cada regio e a variao da te-nacidade com a temperatura e taxa de deformao.


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REGI O IE INICIAOPOR CLIVAGEM

REGI O IIE CISALHAMENTOCRESCENTE

REGI O IIIE INICIAO PORCISALHAMENTO PURO

REGI O ID

PROPAGAOPOR CLIVAGEM

REGI O IID CISALHAMENTOCRESCENTE

REGI O IIID

PROPAGAO PORCISALHAMENTO PURO

ESTTICO (E)

DINMICO (D)

TEMPERATURA

T E N A C I D A D E

F R A T U R A

0

Figura 15 - Relao (esquemtica) entre os micromecanismos de fratura,tenacidade e taxa de deformao com a temperatura em metaiscom transio dctil-frgil.

Para carregamento esttico, a regio de transio ocorre a tem-peraturas mais baixas que para carregamento dinmico. Ento, paraestruturas sujeitas a carregamento esttico, a curva de transio est-tica deve ser usada para prever seu comportamento em servio, en-quanto que, para estruturas sujeitas a carregamento dinmico, usa-sea curva de transio dinmica. Da mesma forma, para estruturas sujeitas a taxas intermedirias de carregamento, usa-se a curva de

transio intermediria. Quando as taxas reais de carregamento noso bem definidas, a curva de carregamento dinmico usada paraprever o comportamento da estrutura em servio. Essa prtica con-servadora e explica porque muitas estruturas que apresentam baixatenacidade ao entalhe, medida pelos ensaios de impacto, no falham,mesmo com temperaturas de servio bem abaixo da temperatura detransio sob condies de carregamento dinmico.


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A presena de um entalhe (ou de outro concentrador de tenses)em um componente, que pode alterar o estado de tenses reinantepara triaxial na regio do entalhe, dificulta a deformao plstica e,

conseqentemente, reduz a ductilidade (ou a tenacidade) a uma de-terminada temperatura. A presena de um entalhe tende a aumentar atemperatura de transio dctil-frgil, tendo, portanto, um efeito simi-lar ao aumento da taxa de deformao, como mostrado na Figura16.

TEMPERATURA

D U C T I L I D A D E

0

COM ENTALHE

SEM ENTALHE

Figura 16 - Efeito de concentradores de tenses na ductilidade de metaiscom transio dctil-frgil.

Ensaio de impacto Charpy

O ensaio de impacto Charpy tem sido extensivamente usado nosensaios mecnicos de produtos de ao e em pesquisa por mais dequatro dcadas.


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O ensaio de impacto Charpy est relacionado com ocomportamento do material sujeito a carregamento dinmico (altastaxas de carregamento) e a um estado triaxial de tenses associado a

um entalhe em V.As caractersticas essenciais para um ensaio de impacto so: um

corpo de prova adequado, um suporte no qual o corpo de prova colocado, um martelo com energia cintica conhecida e um dispositi-vo de medio da energia absorvida na quebra do corpo de prova.

O corpo de prova padro conforme a especificao ASTM E23pode ser visto na Figura 17.

Figura 17 - Corpo de prova de impacto Charpy.

O dispositivo de ensaio, bem como o suporte para colocao docorpo de prova, so mostrados na Figura 18.

O corpo de prova colocado no suporte por meio de um disposi-tivo de centralizao. O martelo, preso a uma altura determinada parafornecer uma energia cintica conhecida no momento do impacto como corpo de prova, liberado e rompe o corpo de prova na regio do

entalhe, continuando sua trajetria at uma certa altura. A medio daenergia absorvida no impacto feita por meio de um cursor que a-companha o martelo em todo o seu curso at seu retorno, indicando adiferena entre a energia inicial e a energia final do martelo.

Para ensaios com temperatura controlada, o tempo entre a reti-rada do corpo de prova do banho e a sua fratura no deve exceder5 seg. O tempo de permanncia do corpo de prova temperatura de

ensaio deve ser de, no mnimo, 10 min para meios lquidos.


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Figura 19 - Clculo da expanso lateral

Figura 20 - Aparncia da fratura


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Tabela V - Percentual de fratura fibrosa para medidas feitas em milmetros(%fratura frgil=100 %fratura fibrosa)

As curvas de energia absorvida, expanso lateral ou percentualde fratura por cisalhamento apresentam uma variao semelhantecom a temperatura, mostrada na Figura 21.

E N E R G I A A B S O R V I D A

TEMPERATURA

TRANSIO

FRATURA DCTIL

FRATURA FRGIL

Figura 21 - Energia absorvida na fratura em funo da temperatura

O problema da fratura por clivagem forma de fratura mais fr-gil que pode ocorrer em materiais cristalinos to srio que o en-


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L

W

T

Dimenses (mm) P-1 P-2 P-3

Espessura (T) 25 2,5 19 1,0 16 0,5Largura (W) 350 10 130 10 130 10Comprimento (L) 90 2,0 50 1,0 50 1,0Comprimento da solda 63,5 25,0 44,5 25,0 44,5 25,0

Figura 22 - Dimenses dos corpos de prova padronizados

Aps a deposio do cordo de solda deve ser aberto um entalhecom serra ou com disco abrasivo, conforme mostrado na Figura 23,tomando-se cuidado para que o entalhe no atinja a superfcie dometal de base.

O corpo de prova deve ser colocado, com o cordo virado parabaixo, em um dispositivo mostrado na Figura 24, que permite a flexolimitada do corpo de prova, quando atingido pelo peso caindo livre-mente. O apoio mostrado na Figura 25 garante que o corpo de provano seja solicitado acima de seu limite de escoamento.

A temperatura de ensaio deve ser controlada com uma precisode 1C e o tempo decorrido entre a retirada do corpo de prova do

banho e a liberao do peso deve ser de, no mximo, 20 seg.


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CORDO DE SOLDA

METAL DE BASE

1,5 mm mx.

1,0 - 2,0 mm

Figura 23 - Entalhe do cordo de solda

Esse ensaio do tipo passa-no passa, ou seja, o corpo de pro-va considerado fraturado se for desenvolvida uma trinca at umaaresta ou at ambas as arestas da superfcie do corpo de prova con-tendo o cordo de solda. O corpo de prova considerado como nofraturado se for desenvolvida uma trinca visvel no cordo mas que

no se propaga para nenhuma das arestas da superfcie tracionada.O teste deve ser considerado como invlido se no se desenvolverqualquer trinca visvel no cordo de solda ou se no houver evidnciade que o corpo de prova encostou-se ao batente. A invalidao de umensaio pode decorrer de uma energia de impacto insuficiente, do usode um metal de adio insuficientemente frgil ou de algum desali-nhamento no conjunto corpo de prova-dispositivo de ensaio. Qualquerensaio considerado invlido deve ser descartado.

A temperaturaNDT determinada aps uma srie de ensaios adiferentes temperaturas, sendo definida como a mxima temperatura qual o corpo de prova no quebra. Para confirmao da temperatu-ra NDT , deve-se obter pelo menos dois corpos de prova no quebra-dos a uma temperatura 5C acima da temperatura julgada comoNDT .


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Dimenses (mm) P-1 P-2 P-3

Abertura (S) 305 1,5 100 1,5 100 1,5Deflexo do esbarro (D) 7,60 0,05 1,50 0,05 1,90 0,05

Espessura (C) 38 38 38

Comprimento (E) 90 50 50Largura (F) G G GAltura (G) 50 25 50 25 50 25Raio (R) 1,0 0,1 1,0 0,1 1,0 0,1Largura do esbarro (H) 90 50 50Largura do cordo (I) 22 3 22 3 22 3Profundidade do rebaixo (J) 10 10 10

Figura 24 - Dimenses do dispositivo de ensaio de queda livre de peso

O ensaio inicial deve ser conduzido a uma temperatura estimadacomo NDT , baseando-se em dados da literatura ou em conhecimentoanterior do material. Recomenda-se que as temperaturas de ensaiosejam mltiplas de 5C.


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Figura 25 - Apoio limitador da deflexo do corpo de prova

Uma outra abordagem executar pelo menos dois ensaios auma temperatura determinada por requisito de projeto e obter resulta-dos do tipo no quebrou, garantindo assim que o material apresentatemperaturaNDT abaixo da temperatura de projeto.

Uma caracterstica importante do ensaio de impacto Pellini suareprodutibilidade, que permite a obteno da temperaturaNDT comgrande preciso.

A filosofia desse ensaio mostrar que, abaixo de uma determi-nada temperatura, denominada NDT , o material circundando umazona frgil contendo uma descontinuidade planar (trinca) no maiscapaz de impedir a propagao instvel (catastrfica) de uma trincasob carregamento dinmico.


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Tenacidade fratura

A Mecnica da Fratura Linear Elstica (MFLE ) surgiu em funodas limitaes na aplicao dos conceitos tradicionais para prever ocomportamento dos materiais sob a presena de descontinuidadesinternas e superficiais. Dos estudos de mecnica da fratura efetuadosem materiais de baixa ductilidade resultou o conceito de tenacidade fratura do material, que se constitui, basicamente, na resistncia deum material propagao de uma trinca.

Para que a tenacidade fratura seja considerada uma proprieda-de do material deve ser independente de tamanho, geometria e nveisde carregamento para um material com uma determinada microestru-tura. Uma medio confivel de tenacidade fratura um pr-requisito para o projeto de componentes estruturais com base nosprincpios da Mecnica da Fratura.

Existem mtodos padronizados para a determinao da tenaci-dade fratura sob condies de deformao plana (K Ic ), que sovlidos quando certas premissas oriundas dos estudos deMFLE soatendidas, significando, em primeira anlise, realizar ensaios comcorpos de prova de grande espessura em metais dcteis.

Por sua vez, a Mecnica da Fratura Elasto-Plstica (MFEP ) sur-giu em funo das limitaes na aplicao, a materiais dcteis, docritrio de tenacidade fratura como uma propriedade do material.Sob tais situaes, a MFEP utiliza diversos mtodos para lidar comrelaes no lineares entre o campo de tenses e o de deformaes,como, por exemplo, oCTOD e a integral J.

O mtodo CTOD baseia-se na medio do deslocamento da a-bertura da ponta da trinca como parmetro crtico de iniciao doprocesso de fratura. O mtodo da integral J introduz um tratamentomatemtico que relaciona campos de tenses e deformaes ao lon-go de um caminho ao redor da ponta da trinca. Apesar de estes m-


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todos j estarem bem desenvolvidos experimentalmente, o problemaainda no est analiticamente resolvido, com cada mtodo apresen-tando suas limitaes.

Ensaio CTOD

O termo CTOD , que a abreviatura da expresso inglesacrack tip opening displacement , representa a distncia entre as duas super-fcies de uma trinca, medida na ponta da trinca.

O processo de fratura de um metal dctil pressupe que, antesque a trinca se propague, ocorra uma deformao plstica localizadaem sua vizinhana, que denominada azona plstica na ponta da trinca . A plastificao da ponta da trinca fenmeno conhecido tam-bm como embotamento (blunting ) ocorre antes de sua propaga-o, em conseqncia da concentrao de tenses devido presen-a da trinca, que causa um aumento localizado da tenso a um valoracima da tenso limite de escoamento do material. Para haver cres-cimento de uma trinca, necessrio que a abertura na ponta da trinca(CTOD ) atinja um valor crtico dependente do material, da temperatu-ra, da taxa de deformao (para materiais sensveis a este parme-tro) e do estado de tenses reinante na ponta da trinca (condies detenso plana ou de deformao plana).

O valor crtico deCTOD , dependendo do critrio de falha que seutilize, pode ser interpretado como oCTOD de incio de propagaoestvel da trinca (CTOD de iniciao,i), ou o CTOD de incio de pro-pagao instvel da trinca (c ou u), ou o CTOD de carga mxima(m).

Inicialmente, os corpos de prova para o ensaio deCTOD eramapenas entalhados, sem abertura da pr-trinca de fadiga. Contudo, apresena da pr-trinca de fadiga mostrou-se importante porque simu-


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la uma condio mais crtica de trinca real na pea e tambm porquemantm uma continuidade com o ensaio deK Ic (ensaio da mecnicada fratura linear elstica similar ao ensaioCTOD , e realizado para

materiais de baixa ductilidade). Atualmente os corpos de prova maisempregados podem ser observados na Figura 26, na Figura 27 e naFigura 28.

Figura 26 - Corpo de prova compacto [C(T)]

Figura 27 - Corpo de prova preferencial [SE(B)]


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Figura 28 - Corpo de prova subsidirio [SE(B)]

A profundidade do entalhe deve ser de, no mximo, 0,45 W, detal modo que a trinca possa ser estendida por fadiga at aproxima-damente 0,45 W. importante notar que as dimenses ao e W soconseqncia de uma escolha anterior da espessura, B.

O objetivo de entalhar o corpo de prova simular um plano detrinca ideal com uma ponta bem aguda raio essencialmente nulo para seguir as consideraes assumidas na anlise da tenacidade

fratura. Como a trinca de fadiga considerada a mais aguda que se


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pode conseguir em um laboratrio, o entalhe usinado estendido porfadiga. A trinca de fadiga deve ser propagada pelo menos 0,05 W frente do entalhe usinado para eliminar quaisquer efeitos de geome-

tria ou encruamento do entalhe. Alguns exemplos de entalhe usinadoso mostrados na Figura 29. O entalhechevron tem vrias vanta-gens, comparado com o entalhe em linha reta, porque mantm a trin-ca plana e assegura que ela se estenda bem alm da raiz do entalhe(0,05 W). Alm disso, a usinagem do entalhechevron mais simples,pois pode ser executada por uma operao de aplainamento, enquan-to que o entalhe em linha reta deve ser usinado por fresamento ou

por eletro-eroso, para produzir um raio de fundo o mais agudo e omais uniforme possvel. Para corpos de prova de juntas soldadas, oentalhe chevron altamente recomendvel, principalmente em soldassem alvio de tenses.

Figura 29 - Geometria do entalhe para corpos de prova deCTOD

Com a introduo da pr-trinca de fadiga, tornou-se necessrio odesenvolvimento de uma equao que calculasse o valor deCTOD apartir de medies da abertura na boca da trinca. OCTOD , assim,calculado por simples relaes geomtricas de semelhana de trin-gulos, mas isso apenas uma aproximao, visto que o ponto derotao move-se de uma posio inicial, prxima ponta da trinca,


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As cargas e deslocamentos correspondentes aos eventos espe-cficos no processo de iniciao e extenso da trinca so usados paradeterminar os valores deCTOD correspondentes. Para valores dec,u e m a carga e o deslocamento do clip-gage correspondentes soobtidos diretamente dos grficos.

No caso de uma curva contnua suave, na qual a carga aumentacom o aumento do deslocamento at o incio de propagao instvelda trinca (oupop-in ), e onde no ocorreu um significativo crescimentoestvel da trinca, oCTOD crtico,c, deve ser determinado a partir dacarga e da componente plstica do deslocamento doclip-gage cor-respondentes aos pontos Pc e vc mostrados na Figura 31a e na Figura31b.

No caso em que uma significativa extenso estvel da trinca pre-cede a extenso instvel da trinca (oupop-in ), ou quando ocorre umpatamar de carga mxima, as curvas carga versus deslocamentosero dos tipos mostrados na Figura 31c, na Figura 31d e na Figura31e, onde so mostrados os valores de P e v a serem usados no

clculo deu (Figura 31c e Figura 31d) oum (Figura 31e).Se o pop-in for atribudo a uma extenso instvel da trinca aprisi-

onada no plano da pr-trinca de fadiga, o resultado deve ser conside-rado como uma caracterstica do material testado. Esta extenso detrinca porpop-in pode ser avaliada por uma mudana na flexibilidade,que se traduz em uma descontinuidade na curva P versus Vg, e tam-bm por um exame nas superfcies de fratura aps o teste. Quando

este exame no mostrar evidncias claras de que a mxima extensode pop-in excedeu 0,04 bo, o seguinte procedimento pode ser usadopara avaliar a significncia de pequenospop-ins , referentes Figura32: trace a tangente OA e uma linha paralelaBC passando pelo pontode carga mxima associado com opop-in ; trace a linha BD paralelaao eixo da carga; marque o pontoE em 0,95 BD , trace a linha CEF ;marque o pontoG em que a carga volta a aumentar. Se o pontoG


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estiver dentro do nguloBCF , o pop-in pode ser ignorado; caso con-trrio, os valores dec ou u devem ser calculados no pontoB .

Figura 32 - Significncia depop-in


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Os valores crticos deCTOD como, por exemplo,c, i e u serovalidados se atenderem s seguintes condies:

estes valores de CTOD devem ser menores ou iguais am;as diferenas entre as sete medies centrais da pr-trinca defadiga no devem exceder 0,05 W;a diferena entre o mximo e o mnimo das nove medies dapr-trinca de fadiga no deve exceder 0,10 W;a frente da pr-trinca de fadiga deve estar afastada do entalheusinado de pelo menos 0,025 W ou 1,3 mm, o que for menor;

o plano da superfcie da pr-trinca de fadiga no deve excederum ngulo de 10 do plano do entalhe; ea frente da pr-trinca de fadiga no deve ser multiplanar nemramificada.

Ensaio de dureza

A resistncia de um metal a penetraes uma medida de suadureza e tambm uma indicao de sua resistncia. Para executar oensaio de dureza, uma carga fixa fora o penetrador no corpo deprova. A profundidade de penetrao ou o tamanho da impresso medido. A medio convertida para um nmero de dureza atravsdo emprego de uma srie de tabelas bem estabelecidas. As tabelasmais comuns so a Brinell, Vickers, Knoop e Rockwell. A durezaRockwell adicionalmente dividida em diferentes escalas e, depen-dendo do material a ser testado, da forma do penetrador e da cargaaplicada, as tabelas de converso podem diferir. Por exemplo, ummaterial relacionado como tendo uma dureza nas escalas Rb ou Rcsignifica que sua dureza foi determinada a partir da escala Rockwell

"B" ou da escala Rockwell "C".


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Resistncia fadiga

Em todo o processo de fadiga pressupe-se a ocorrncia de es-foros cclicos cuja tenso mxima fica abaixo da tenso limite deresistncia do metal (veja a Figura 33). A cada ciclo o metal sofrepequenos danos plsticos cumulativos at que no consiga maisabsorv-los e frature.

Um ensaio comum de fadiga colocar o corpo de prova em uma

mquina que aplica repetidamente o mesmo ciclo de carregamento,que inclui tenso mxima, tenso mnima, amplitude de tenso, ten-so mdia, perodo, freqncia, tipo de onda, etc. A resistncia fadi-ga calculada pelo nmero de ciclos que o metal sofre antes de atin-gir o ponto de fratura.

Figura 33 - Esforos cclicos no processo de fadiga


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Resistncia fluncia

Se uma tenso abaixo da tenso limite de resistncia do metalfor aplicada temperatura ambiente causar algum alongamentoinicial, mas no haver qualquer alongamento subseqente se a ten-so for mantida num nvel constante. Se essa mesma tenso for apli-cada ao mesmo metal aquecido a uma temperatura alta a situaoficar bem diferente. Embora a tenso seja mantida num nvel cons-tante o metal continuar a se alongar gradualmente. Essa caracters-tica denominada fluncia (creep ) e representa a degradao tempo-ral que um determinado material sofre pela ao de altas temperatu-ras. Eventualmente o metal pode se romper dependendo da relaoentre a temperatura de servio e a temperatura de fuso do metal, donvel de tenso ou de carga aplicado e do tempo de aplicao dacarga. Esses trs fatores determinam a capacidade de o metal resistir fluncia e, portanto, sua resistncia fluncia.

Resistncia oxidao

Os tomos do metal apresentam uma tendncia de se combina-

rem com o oxignio do ar formando xidos que, quando afloram superfcie, so chamados de ferrugem e carepa. Em alguns metaisesses xidos aderem fortemente superfcie e formam uma camadaimpermevel continuidade do processo de oxidao, como evi-dente nos aos inoxidveis. Em outros metais a aderncia da camadade xidos no to forte, alm do que a camada pode no ser im-permevel ao oxignio, de modo que o processo de oxidao conti-nua, degradando ainda mais o metal medida que o tempo avana.


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Coeficiente de dilatao

Todos os metais se expandem quando aquecidos e se contraemquando resfriados. A alterao dimensional est relacionada estru-tura cristalina e varia com os diferentes materiais, e as taxas de ex-panso e contrao so expressas numericamente pelo coeficientede dilatao ou de expanso trmica.

Condutividade trmica

Alguns metais absorvem e transmitem calor mais rapidamenteque outros e so classificados como tendo alta condutividade trmica.Essa caracterstica explica o fato de que alguns metais se fundiro ou

sofrero transformaes a temperaturas muito mais baixas que ou-tros.


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possvel. A proteo com o dixido de carbono, freqentemente utili-zada na soldagem de aos, exclui o nitrognio s custas da formaode xidos, de modo que so normalmente adicionadas quantidades

bem maiores de desoxidantes que o necessrio. A proteo contra aatmosfera originada por fluxos geradores de escria mais eficazgraas camada protetora de fluxo fundido e aos gases formados apartir de componentes no fluxo que so decompostos pelo calor.

O modo como o desoxidante usado depende do processo desoldagem. Como exemplos, na soldagem com gs de proteo umelemento metlico no arame ou no fluxo, porm nos eletrodos reves-

tidos os desoxidantes localizam-se no revestimento.Freqentemente elementos de liga presentes no metal de base

atuam como desoxidantes como, por exemplo, em ligas de cobre compequenos teores de zinco ou silcio. Mesmo em metais ferrosos, ondeno usual contar com elementos de liga para atender a uma funode desoxidante, ocorrem reaes complexas entre esses elementosde liga e os consumveis ou com a atmosfera acima do metal fundido.

Elementos como carbono, silcio, mangans, titnio, alumnio e cromoso prontamente oxidados, perdendo-se uma parcela de seus teoresiniciais durante a soldagem se o metal de adio e o fluxo nofornecerem uma compensao.

Os consumveis possuem um efeito poderoso no modo como ometal transferido do eletrodo para a poa de fuso. Na soldagemmanual com eletrodo revestido, a presena de uma grande quantida-

de de rutilo (xido de titnio TiO2) no revestimento promove umatransferncia suave de pequenas gotas de metal fundido, mas comum alto teor de carbonato de clcio (CaCO3) a transferncia ocorreem grandes glbulos que fazem curto-circuito com a poa de fuso.Quando se utilizam gases de proteo como argnio ou hlio na sol-dagem de aos necessrio adicionar pequenas quantidades deoxignio (O2) ou de dixido de carbono (CO2) para resultar em umatransferncia suave e sem respingos de pequenas gotas de metalfundido. Tais adies so prejudiciais quando se soldam ligas de alu-


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mnio, mas com esses metais a suavidade de transferncia de metale o perfil do cordo de solda podem ser modificados empregando-semisturas de argnio e hlio.

Num processo de soldagem que faz uso de um fluxo, formar-se-um resduo do fluxo denominado escria, que permanece sobre asuperfcie da poa de fuso. A viscosidade, a tenso superficial, oponto de fuso e outras caractersticas dessa escria influenciam naforma final da superfcie do cordo de solda, sua molhabilidade com ometal de base (o modo como o metal de solda se mistura com o metalde base) e a facilidade com que a soldagem pode ser executada em

outras posies diferentes da plana. Tambm importante que,quando as soldas forem realizadas em chanfros profundos, que aescria seja facilmente removvel para permitir que os cordes desolda posteriores sejam depositados sem causar problemas.

As consideraes de transferncia de metal, facilidade de solda-gem, controle da composio do cordo de solda, propriedades dasolda e, naturalmente, custos, so importantes na seleo de consu-

mveis.


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Captulo 4

Propriedades do metal de solda

Poa de fuso e diluio

Seria ideal se o metal de solda propriamente dito e a zona afeta-da pelo calor tivessem exatamente as mesmas propriedades e carac-tersticas que as do metal de base. Entretanto, isso no possvel,porque o metal de solda fundido, enquanto que a maioria dos me-tais de base utilizada no estado forjado ou no laminado. Materiaisconformados sempre apresentam maior resistncia, ductilidade etenacidade que os materiais comparveis no estado fundido. O metalde solda , no entanto, uma miniatura de um fundido que rapida-mente resfriado, e suas propriedades freqentemente se assemelhams de um material conformado. Essa particularmente a situaocom metais ferrosos, porm a combinao de propriedades menossatisfatria em alguns metais no ferrosos como ligas de alumnio ede cobre.

Por causa das foras eletromagnticas do arco, a poa de fusomovimenta-se internamente em modelos variados de fluxo depen-dendo do tipo de junta, da corrente de soldagem e do ngulo que atocha ou o eletrodo faz com a linha da solda. Essa turbulncia resultanuma uniformidade de temperatura e composio dentro do metallquido com exceo da regio mais aquecida nas imediaes da raizdo arco. A composio final do metal de solda o resultado de umamistura do eletrodo ou do metal de adio fundido com o metal de

base que fundido. O metal depositado do eletrodo ou do metal de


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adio denominado "diludo" pelo metal de base fundido. Quandonenhum metal adicionado, consistindo ento o metal de solda intei-ramente de metal de base, a diluio definida como 100%. Na sol-

dagem manual com eletrodo revestido, o passe de raiz pode ter 30%de diluio e os passes subseqentes tero uma diluio ligeiramentemenor. Como resultado da uniformidade do metal de solda, possvelcalcular sua composio se as propores de metal de base e deeletrodo fundido puderem ser estimadas. Isso pode ser feito freqen-temente de uma observao da seo reta da solda, como mostra aFigura 34. Tais clculos, que envolvem apenas propores simples,

so importantes quando utilizado um eletrodo ou metal de adio decomposio diferente da do metal de base, como em juntas dissimila-res, em revestimento inoxidvel de aos carbono ou na soldagem deligas de alumnio. Pode tambm ser necessrio considerar a diluiose o metal de base tiver alto teor de enxofre ou se contiver alumnioque, se adicionado poa de fuso, pode afetar o teor de oxignio eprejudicar a tenacidade do depsito de solda.

[31] 100soldadecordodorea

hachuradapartedarea%diluio =

Figura 34 - Estimativa de diluio a partir da geometria da solda: (a ) juntatopo a topo; (b ) junta com chanfro emV


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Aporte trmico

A maioria dos processos de soldagem por fuso caracterizadapela utilizao de uma fonte de calor intensa e localizada. Esta ener-gia concentrada pode gerar em pequenas regies temperaturas ele-vadas, altos gradientes trmicos, variaes bruscas de temperatura e,conseqentemente, extensas variaes de microestrutura e proprie-dades em um pequeno volume de material.

Na soldagem a arco eltrico o aporte trmico (heat input ) defi-nido como o calor cedido junta soldada por unidade de comprimentoe calculado pela equao

[32]soldagemdeVelocidade

CorrenteTensotrmicoAporte =

Se considerarmos as vrias unidades usualmente empregadas,

podemos dizer que

[33](mm/min)soldagemdeVelocidade

(A)Corrente(V)Tenso06,0(KJ/mm)trmicoAporte =

ou

[34] (cm/min)soldagemdeVelocidade(A)Corrente(V)Tenso

006,0(KJ/mm)trmicoAporte

=

Aps a soldagem a dissipao de calor ocorre principalmente porconduo na pea das regies de maior temperatura para o restantedo metal.


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Ciclo trmico de soldagem

A variao da temperatura em diferentes pontos da pea durantea soldagem pode ser estimada na forma de uma curva denominadaciclo trmico de soldagem (veja a Figura 35). Os pontos mais prxi-mos da junta sofrero uma variao de temperatura devido passa-gem da fonte de calor.

Figura 35 - Ciclo trmico de soldagem

Essa curva apresenta os seguintes pontos importantes:temperatura de pico (Tp), que a temperatura mxima atingidano ponto. Tp diminui com a distncia ao centro da solda e indica aextenso das regies afetadas pelo calor de soldagem;


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temperatura crtica (Tc), que a temperatura mnima para ocorreruma alterao relevante como uma transformao de fase, porexemplo;

tempo de permanncia acima de uma temperatura crtica (tp),que o tempo em que o ponto fica submetido a temperaturassuperiores a uma temperatura crtica;velocidade de resfriamento, que definida por

[35] t

TT 21

Repartio trmica

Se considerarmos o ciclo trmico de cada ponto prximo junta,podemos dizer que a temperatura de pico (Tp) de cada ponto variacom sua distncia ao centro do cordo de solda. Colocando na formade um grfico as temperaturas de pico contra a distncia ao cordode solda obtemos uma curva esquemtica semelhante exibida naFigura 36. Esta curva conhecida comorepartio trmica .

Os ciclos trmicos de soldagem e a repartio trmica so princi-palmente dependentes dos seguintes parmetros:

tipo de metal de base, relativamente a sua condutividade trmica,pois quanto maior a condutividade trmica do metal, maior suavelocidade de resfriamento;geometria da junta (uma junta em T possui trs direes para oescoamento de calor, enquanto uma junta de topo possui apenasduas (veja a Figura 41 pgina 89); por isso juntas em T resfri-am-se mais rapidamente que juntas de topo para as mesmascondies de soldagem;


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a espessura da junta aumenta com a velocidade de resfriamentoat uma espessura limite; acima desse limite, a velocidade deresfriamento in

esab ok 1901102rev0_apostilametalurgiasoldagem

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