Abstrato:

Este trabalho tem como objetivo analisar a influência da baixa temperatura na tenacidade de um aço de alta resistência HARDOX 450 ^®juntas soldadas pelo processo Metal Core Arc Welding (MCAW). Testes de resistência ao impacto (teste Charpy V-notch) foram realizados no metal base de 10 mm (BM), metal de solda (WM) e zona afetada pelo calor (HAZ) em temperaturas de -100 °C, -80 °C, -60 °C, -20 °C, 0 °C e 25 °C para obter a curva de transição dúctil-frágil para cada uma dessas regiões. Adicionalmente, foram realizados o ensaio de tração e a caracterização metalográfica para complementar a avaliação da junta soldada. Os resultados dos ensaios de impacto mostraram maiores valores de tenacidade do metal base em comparação às outras duas regiões da junta soldada analisadas (WM e HAZ). A baixa tenacidade presente na ZTA está relacionada à sua microestrutura composta por ferrita de Widmanstätten e grão grosso. No entanto,

Palavras-chave:
Charpy; Dúctil-frágil; MCAW

Resumo:

O presente trabalho visa analisar a influência da temperatura baixa na tenacidade ao impacto de juntas de aço de alta resistência HARDOX 450 ^®soldadas através do processo Metal Core Arc Welding (MCAW). Para tanto foram realizados ensaios de tenacidade ao impacto (ensaio de Charpy com descrito em V) no metal base de 10 mm (MB), no metal de solda (MS) e na zona termicamente afetada (ZTA) em temperaturas de -100 °C , -80 °C, -60 °C, -20 °C, 0 °C e 25 °C com o objetivo de levantar a curva de transição dúctil-frágil para cada uma dessas regiões. Adicionalmente, foi realizado ensaio de tração e caracterização metalográfica a fim de complementar a avaliação da junta soldada. Os resultados dos ensaios de impacto mostraram maiores valores de tenacidade do metal base em relação às outras duas regiões da junta vende evidência (MS e ZTA). A baixa tenacidade apresentada na ZTA está relacionada à sua microestrutura composta por ferrita de Widmanstätten e grão grosseiro. Contudo,

Palavras-chave:
Charpy; Dúctil-frágil; MCAW

1. Introdução

Atualmente, as indústrias estão focadas na fabricação de componentes e equipamentos sujeitos ao desgaste excessivo por abrasão, principalmente na área de mineração (transportadores, britadores, revestimentos de calhas, entre outros), caminhões fora de estrada, implementos rodoviários e agrícolas, trabalham continuamente para aprimorar os produtos desenvolvidos. Assim, o setor de engenharia das empresas busca progressivamente ligas metálicas de alto desempenho que atendam às suas necessidades. Portanto, uma nova geração de aços, categorizados como aços resistentes à abrasão de baixa liga, temperados e revenidos ou aços martensíticos de baixa liga, está sendo amplamente utilizada para atender a essa demanda. Esses aços possuem microestrutura martensítica de alta dureza em toda a espessura da chapa, devido à combinação de carbono e elementos de liga, como Mn, Ni, Mo, Cr e B, que são frequentemente adicionados aos aços estruturais para melhorar a resistência e tenacidade por meio de modificação. da microestrutura. Além disso, sabe-se que o Boro é um agente eficaz para aumentar a temperabilidade dos aços. Portanto, é possível obter alta resistência após o processo de têmpera com a utilização de baixas taxas de resfriamento. O aço temperado e revenido de alta resistência está sendo amplamente utilizado em aplicações onde são necessários altos níveis de resistência mecânica (possui resistência à tração superior a 1200 MPa) e resistência à abrasão, combinando tenacidade e soldabilidade. Esses aços apresentam boa soldabilidade, sendo os processos de soldagem a arco a técnica mais utilizada. Dentre esses processos, o MCAW vem ganhando cada vez mais espaço devido às características operacionais, como versatilidade, boa produtividade, alta taxa de deposição. Além disso, apresenta benefícios metalúrgicos devido ao fluxo interno no metal de solda depositado.

As estruturas metálicas são frequentemente submetidas a baixas temperaturas e, dependendo da aplicação, estão sujeitas a impactos, como equipamentos utilizados em ambientes de mineração quando expostos a climas frios. Em países como a Rússia e o Canadá, por exemplo, onde as temperaturas de trabalho podem exceder -20 °C, sabe-se, no entanto, que os materiais ferríticos apresentam uma transição dúctil-frágil quando submetidos a temperaturas negativas. A curva de transição dúctil-frágil é a dependência da energia absorvida pela amostra Charpy em relação à temperatura. Como os resultados obtidos no ensaio Charpy são qualitativos, a obtenção da curva de transição auxilia os engenheiros na escolha do material mais adequado para aplicações onde ocorre essa perda de tenacidade devido à queda de temperatura.

Com base na crescente utilização de aços de alta resistência, este trabalho tem como objetivo avaliar a tenacidade ao impacto nas três regiões (metal base, zona termicamente afetada e metal de solda) de uma junta soldada de aço HARDOX 450 ® quando submetida ^a temperaturas abaixo da temperatura ambiente para avaliar a mudança na tenacidade à medida que a temperatura diminui.

2. Materiais e métodos

Neste artigo, seis placas com 150 mm de largura, 500 mm de comprimento e 10 mm de espessura cada uma, foram unidas pelo processo Metal Cored Arc Welding, e foi realizada manualmente por um soldador, pois não possuíamos uma soldagem mecanizada ou automatizada. processo para fazer este trabalho.

Foi utilizada uma ranhura de 1/2 V porque esta configuração facilitou a etapa de marcação para estabelecer a ZAC específica (Figura 1 ) local para auxiliar a usinagem do entalhe em V dos corpos de prova Charpy. Utilizando este tipo de ranhura é possível visualizar a linha de fusão na junta soldada após o ataque com Nital, além da região do metal de soldagem (Figura 2 ).

As placas foram pré-aquecidas a 150 °C com auxílio de um maçarico devido ao seu alto equivalente em carbono, conforme diagrama de Graville, que estabelece que o material é soldável, porém suscetível à trinca a frio. O procedimento de soldagem foi realizado em dois passes (passe de raiz e passe de enchimento), com a seguinte vazão: uma mistura de Ar + 15% CO ₂ (vazão de 15 l/min) como gás de proteção, a corrente contínua polaridade positiva de 300 A, tensão de 32 V e velocidade de soldagem de aproximadamente 0,5 m/min. Esses parâmetros resultaram em um aporte térmico de 1,04 kJ/mm.

As juntas soldadas foram analisadas utilizando a condição como soldada com dimensões de 300 mm x 500 mm x 100 mm.

Para realizar o processo de soldagem foi utilizado um eletrodo com núcleo metálico ASME SFA-5.28 E110C-G com diâmetro de 1,2 mm. A Tabela 1 mostra a composição química do metal base e do eletrodo utilizado o carbono equivalente da placa.

Amostras foram extraídas do material soldado para a realização de testes de impacto Charpy-V no metal base (BM, 24 amostras), metal de solda (WM, 24 amostras) e zona termicamente afetada (HAZ, 24 amostras). Além disso, foram retiradas amostras para realização de ensaio de tração no metal base e na região da junta soldada. A Figura 3 mostra uma disposição esquemática dos corpos de prova na placa. Porém, a figura não representa o número real de amostras em cada placa soldada.

As amostras referentes à região soldada foram preparadas para metalografia (retificada, polida e atacada com Nital 5%) para revelar o MS e a ZTA. Assim, foi possível ajustar corretamente a posição de usinagem do entalhe no ensaio Charpy-V ou posicionar esta região revelada precisamente no centro da amostra para usinagem do corpo de prova para o ensaio de tração. A usinagem dos corpos de prova foi realizada utilizando usinagem por descarga elétrica com fio. A marcação para usinagem do entalhe em V na ZTA foi de 1,0 mm da linha de fusão (Figura 2 ). As amostras para o ensaio de impacto Charpy tiveram as dimensões de 10 mm x 10 mm x 55 mm, conforme norma ASTM E23.

Uma amostra da chapa soldada foi extraída para análise microestrutural da região transversal do cordão de solda. A amostra foi preparada seguindo a seguinte ordem de lixa granulométrica: malhas 120, 220, 320, 400, 600 e 1200. Posteriormente foi realizado o polimento do feltro com pasta de diamante de 4,0 μm e granulometria de 1,0 μm. A microestrutura foi revelada com Nital 2% e condicionada por imersão por 5 s. A amostra foi analisada através de microscópio óptico Leica modelo DM2700M para identificação das microestruturas do metal base, do metal de solda e da zona termicamente afetada.

Os ensaios de tração foram realizados para caracterizar as propriedades mecânicas do metal base e da junta soldada; Foram realizados 10 ensaios, sendo 5 amostras referentes ao metal base e 5 amostras da região soldada. Os testes foram realizados com temperatura de 25 °C, utilizando máquina eletromecânica Instron 5585 H e taxa de carregamento de 0,45 mm/min. Foram utilizados corpos de prova de tamanho menor (Figura 4 ) conforme norma ASTM E8/E8M para realizar os testes de tração. A escolha desse tipo de corpo de prova, de menores dimensões, está relacionada à alta resistência do metal base, pois, se fosse utilizado um corpo de prova padrão, a carga necessária para romper a amostra ultrapassaria a capacidade da máquina, que é de 250 kN.

Os testes de impacto Charpy-V foram realizados em seis temperaturas diferentes (25 °C, 0 °C, -20 °C, -60 °C, -80 °C e -100 °C) para obter a curva de transição dúctil-frágil do metal base (BM), metal de solda (WM) e zona termicamente afetada (HAZ). Serão realizados quatro (4) testes por temperatura por local. Serão 72 testes no total, sendo 24 no BM, 24 na ZAC e 24 no WM.

As amostras testadas em baixa temperatura realizaram diferentes procedimentos para obter a temperatura desejada. As amostras testadas a 0 °C foram imersas em uma mistura de álcool etílico e gelo. Porém, os corpos de prova testados nas temperaturas de – 80 °C, -60 °C e -20 °C foram imersos em uma mistura de gelo seco e álcool etílico. Além disso, a temperatura de -100°C foi alcançada utilizando nitrogênio líquido. O monitoramento da temperatura foi realizado utilizando um termopar tipo T utilizando equipamento de aquisição de dados Spider, que utiliza o software Catman. Todas as amostras testadas em baixa temperatura foram colocadas em um tanque especialmente desenvolvido para este tipo de procedimento, onde foram imersas em suas respectivas misturas. O tempo de imersão das amostras nas respectivas temperaturas e o procedimento de teste foram de acordo com o

Padrão ASTM E-23. Todos os testes foram realizados em um testador de impacto Instron Charpy/Izod modelo SI-1D3 com capacidade de 400 J e velocidade do impactor de 5,19 m/s.

3 Resultados e discussão

3.1 Análise microestrutural

Figura 5 (a) Microestrutura do metal base (BM) constituída por martensita revenida, (b) microestrutura do metal de solda (WM) constituída por ferrita acicular (AF) e ferrita poligonal (PF) e (c) Microestrutura de metais afetados pelo calor. -zona (HAZ) composta por bainita (B), ferrita de Widmanstätten com segunda fase não alinhada FS(NA) e ferrita de Widmanstätten com segunda fase alinhada FS(A).

A Figura 5(a) mostra uma microestrutura composta por martensita revenida, podendo ser quase tão resistente quanto a martensita, mas com maior ductilidade e tenacidade. A microestrutura do metal de solda,A Figura 5 (b) é predominantemente composta por ferrita acicular (FA). Porém, também apresenta ferrita poligonal (PF). Uma microestrutura composta por ferrita acicular (AF) no metal de solda é de grande importância por promover uma estrutura tenaz e resistente, e sua microestrutura fina e entrelaçada evita significativamente o início e propagação de trincas. Em relação à microestrutura encontrada na região da ZTA,Na Figura 5(c) , foi encontrado um grão grosso devido ao aporte térmico do processo de soldagem. De acordo com o trabalho realizado por Thewlis, a microestrutura da região ZTA é caracterizada por apresentar bainita (B) e ferrita de Widmanstatten que podem ser subdivididas em ferrita de Widmanstätten com segunda fase alinhada FS(A) e ferrita com segunda fase não alinhada FS(NA). Segundo Eroǧlu et al. A ferrita Widmanstätten não é desejada devido à sua baixa tenacidade.

3.2 Ensaios mecânicos

A Tabela 2 apresenta os valores médios dos ensaios de tração do metal base e dos ensaios relativos à junta soldada.

Os resultados obtidos para o metal base estão de acordo com os valores fornecidos pelo fabricante (empresa SSAB). Porém, a junta soldada apresentou resultados bem inferiores aos obtidos com MB. Este resultado já era esperado devido à queda da resistência mecânica na região da ZTA causada pelo ciclo térmico da soldagem, que promove um efeito denominado zona mole. Portanto, a região soldada representa uma ligação fraca o que diminui as propriedades mecânicas obtidas no ensaio de tração nesta região.

A Figura 6 apresenta os resultados de resistência ao impacto obtidos no ensaio Charpy nas diferentes regiões (BM, WM e ZTA). Entre as temperaturas de -60 °C a 25 °C, a redução da tenacidade do metal de solda ao metal base variou de 19,5% a 23%. Contudo, a diferença na queda de tenacidade da zona afetada pelo calor em comparação com o metal base foi superior a 32%. A ficha técnica do fornecedor do aço informava energia de impacto típica de 50 J testada a -40 °C.

A Figura 7 mostra alguns corpos de prova fraturados após o ensaio de impacto onde pode-se observar uma redução na contração lateral com a diminuição da temperatura para todas as regiões analisadas, sendo este fato mais pronunciado quando comparamos as amostras com a temperatura de 25 °C com a de -100 °C.

Os resultados apresentados emA Figura 6 mostra claramente a influência da temperatura no valor da energia absorvida em cada uma das regiões testadas. No entanto, além da diminuição da temperatura, a temperatura de transição dos aços é afetada pela limpeza do aço (ou seja, número de inclusões por volume) e pelo tamanho efetivo dos grãos, que variam com o tipo, tamanho e fração volumétrica das fases.

No estudo realizado por Jang et al. Foi visto que a energia absorvida durante o ensaio de impacto depende do campo de tensões na frente do entalhe, que está diretamente ligado à posição do entalhe nas regiões da junta soldada (BM, WM e HAZ), devido ao diferença microestrutural de cada região (Figura 5 ), ​​proporcionando diferentes propriedades mecânicas. A relação entre os resultados do ensaio BM Charpy e sua respectiva microestrutura (martensita revenida), bem como seu desempenho, pode estar associada à adição de elementos de liga como Mn, Ni, Cr e B (Tabela 1 ) e o processo de fabricação da placa, que proporciona uma microestrutura refinada, contribuindo para o aumento da tenacidade e também da resistência mecânica.

Sobre WM, a presença de ferrita poligonal contribui para a diminuição da tenacidade, embora a presença de ferrita acicular aumente. A baixa tenacidade apresentada na ZTA está relacionada à sua microestrutura composta por ferrita de Widmanstätten e grão grosso. A ferrita Widmanstätten possui uma estrutura que possui placas paralelas na matriz, portanto pode ser um caminho de fácil propagação de trincas, diminuindo a tenacidade do material.

Percebe-se que a partir da temperatura de -80 °C, ambas as regiões (BM, WM e HAZ) começam a entrar na região de nível inferior da curva de transição (Figura 6 ) Testes em temperaturas acima de 25 °C teriam que ser realizados para determinar o nível superior da curva de transição.

4. Conclusão

De acordo com os resultados obtidos na presente pesquisa, as principais conclusões são:

• O metal base apresentou tenacidade ao impacto superior, e a região ZTA apresentou pior desempenho devido à presença de ferrita de Widmanstätten e grão grosso;
• Todas as regiões tiveram sua tenacidade significativamente influenciada pela queda de temperatura de 25 °C para -80 °C. Porém, nas temperaturas de -80 °C e -100 °C, a energia de impacto nas três regiões (BM, WM e HAZ) mostrou-se semelhante;
• O aço Hardox 450 ^® soldado apresentou condições de tenacidade satisfatórias em baixas temperaturas nas regiões BM e WM até a temperatura de -40 °C considerando os parâmetros de soldagem utilizados;
• A Zona Afetada pelo Calor teve suas propriedades mecânicas comprometidas devido aos parâmetros de soldagem aplicados que requerem atenção quando essas juntas são submetidas a cargas.

Reconhecimentos

Os autores agradecem ao Laboratório de Metalurgia Física-UFRGS (LAMEF), em especial ao Professor Telmo Strohaecker ( in memoriam ), pela possibilidade de realização e orientação deste trabalho. Gostaríamos também de agradecer à empresa Randon Implementos pela doação do material utilizado.

• Como citar: Costa VM, Cunha PHCP, Vieira ER. Análise da tenacidade ao impacto de uma junta soldada de aço de alta resistência Hardox 450. Soldagem & Inspeção. 2023;28:e2802.https://doi.org/10.1590/0104-9224/SI28.02

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