CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA E MICROESTRUTURAL DO AÇO INOX DÚPLEX SUBMETIDO A DIFERENTES PROCESSOS DE SOLDAGEM. Introdução

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1 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA E MICROESTRUTURAL DO AÇO INOX DÚPLEX SUBMETIDO A DIFERENTES PROCESSOS DE SOLDAGEM Simoni Maria Gheno 1 *, Jeferson de Oliveira 1 Tecnologia em Mecânica: Processos de Soldagem - Fatec Sertãozinho 2 Escola de Engenharia USP São Carlos Resumo Os aços inoxidáveis dúplex se tornaram comercialmente disponíveis nos anos 30 na produção industrial e após pesquisa realizada na Suécia, França e Estados Unidos. A utilização desses aços tem merecido destaque em relação aos outros tipos de aços inoxidáveis, por conta da interessante combinação de excelentes propriedades mecânicas e alta resistência à corrosão. Dessa forma, o desenvolvimento tecnológico cada vez mais exige maiores demandas de processos tecnológicos que solucionem os problemas reais. Neste contexto, merece destaque o desenvolvimento de pesquisas em Tecnologia em Processos de Soldagem, pertencente a uma área que surgiu justamente para atender à demanda do mercado atual. A área de Tecnologia em Processos de Soldagem fundamental em projetos, máquinas e equipamentos industriais tem sido integrada à indústria metal-mecânica com sinergia e de modo crescente, de forma a produzir equipamentos e controlar processos de maneira confiável, segura, rentável e menos poluente, entre outras vantagens. A união entre mecânica e soldagem está cada vez mais presente tanto na linha de montagem como no próprio produto final, assim, é importante e urgente desenvolver pesquisas que satisfaçam a essa necessidade. O objetivo desse estudo foi entender o comportamento dos aços inoxidáveis Palavras-chave: aço inox, soldagem, microestrutura. Introdução Os aços inoxidáveis dúplex possuem microestrutura ferrítico-austenítica em que as duas fases são inoxidáveis, ou seja, apresentam teores de cromo de pelo menos 13% em peso. Na prática, esse termo é reservado para ligas em que as duas fases estão presentes em volumes separados relativamente grandes e em frações volumétricas aproximadamente iguais (NILSSON, 1992). Os aços inoxidáveis dúplex possuem excelentes propriedades mecânicas, com limite de escoamento duas a três vezes o limite de escoamento de aços austeníticos, mantendo bons níveis de ductilidade e tenacidade (NILSSON, 1992; REICK et al., 1992; HAYES et al., 1990; SCHAEFFLER, 1949). Além disso, apresentam alta resistência a várias formas de corrosão tais como generalizada, por pite, por frestas, intergranular e sob tensão (NILSSON, 1992; REICK et al., 1992). Outro importante ponto a ser considerado é o fato de o comportamento mecânico dos aços inoxidáveis dúplex estarem intimamente relacionados com a característica de cada fase; por isso, o balanceamento entre as frações volumétricas de austenita e ferrita deve estar próximo de 50% para cada uma das fases, a fim de serem maximizadas as propriedades mecânicas. A presença de microestrutura bifásica nos aços inoxidáveis é determinada principalmente pelos teores de Fe, Cr e Ni. A alta resistência mecânica e a boa tenacidade associadas à alta resistência à corrosão intergranular, sob tensão e à corrosão e fadiga termomecânica permitem o uso dos aços inoxidáveis dúplex em numerosas aplicações nas atividades industriais, como nos segmentos químico, petroquímico, polpa e papel, geração de energia e extração de petróleo e gás (DUPOIRON et al., 1996; SEDRIKS, 1996; SHEK et al., 1997; RYAN et al., 2002; SANTOS, 2008; GHENO et al., 2008). A resistência à corrosão é determinada pela capacidade que esses materiais têm de se passivar e permanecer nesse estado no ambiente a que estiver exposto. Essa propriedade está relacionada, principalmente, aos elementos de liga presentes na composição química do aço, embora outros fatores como tamanho de grão, distribuição e morfologia de inclusões, precipitação de fases e qualidade da superfície também exerçam influência. Os mecanismos de corrosão mais comuns são: corrosão por pite e corrosão sob tensão. Geralmente, os aços inoxidáveis dúplex apresentam elevada resistência a todos esses mecanismos (DEGARMO et al., 2003; SANTOS, 2008). A excelente combinação de resistência à corrosão, resistência mecânica, tenacidade, soldabilidade e baixo teor de níquel, que é um elemento de alto custo, torna os aços inoxidáveis dúplex adequados para muitas aplicações em vários segmentos industriais, como mostra a Tabela 1 (NILSSON, 1992).

2 Tabela 1 Aplicações de aços inoxidáveis dúplex em vários segmentos industriais (NILSSON, 1992). Tipo de Aço Segmento 23%Cr, sem 22%Cr + Mo, 25%Cr 26-27%Cr PRE>40 Industrial Mo, PRE=25 30<PRE<25 32<PRE<40 Processamento Químico Tubulações Petroquímico Polpa e Papel Geração de Energia Fóssil Extração de petróleo e gás (on e offshore) Reatores tubulares com revestimento de aço-carbono Digestores, preaquecedores e evaporadores Reaquecedores, aquecedores de água de alimentação Resfriadores, tubulações e linhas de distensão PRE= pitting resistance equivalente Bombas, tanques de produtos químicos, serpentinas para fusão de enxofre e centrifugadores Unidades de dessalinização e destilação Digestores contendo sulfatos e sulfitos Tubos de injeção de alta velocidade em poços geométricos Estruturas e revestimentos (H 2S+CO 2) Extratores de ureia, reatores, agitadores e trocadores de calor Carcaças de bombas de dessulfuração Digestores preaquecedores Transporte de gás sulfuroso, bombas de injeção de água salgada e Evaporação salina, tubulações, bombas, sistemas de refrigeração da água do mar Tubulações para meios contendo Cl ou HCl Equipamentos de branqueamento contendo cloretos Trocadores de calor e sistemas em condições geotérmicas ou salinas Sistemas de refrigeração, bombas, separadores, vasos de pressão e blocos de válvulas A presença de microestrutura bifásica nos aços inoxidáveis é determinada principalmente pelos teores de Fe, Cr e Ni. Um diagrama de fases para um inoxidável dúplex, considerando somente Fe, Cr e Ni na composição [SEDRIKS, 1996]. A quantidade de ferrita na microestrutura varia com a temperatura. Dependendo da composição química, a liga pode solidificar como ferrita ou austenita. Um material com 65% de Fe, 25% de Cr e 10% de Ni solidifica como ferrita ocorrendo a precipitação de austenita durante o resfriamento. Quanto mais lenta a taxa de resfriamento, maior a quantidade de austenita formada, pois dessa forma o sistema pode aproximar-se mais do estado de equilíbrio. Comercialmente, é muito empregado um tratamento térmico no intervalo de ºC seguido de resfriamento em água para obter proporções aproximadamente iguais de ferrita e austenita. Considerando a importância do estudo da união de materiais, sabe-se que existem diversas maneiras de unir duas partes metálicas. Entre elas está a soldagem, que é um processo de junção, utilizando uma fonte de calor, com ou sem aplicação de pressão. A soldagem envolve muitos fenômenos metalúrgicos como, por exemplo, fusão, solidificação, transformações no estado sólido, deformações causadas pelo calor e tensões de contração, que podem causar muitos problemas práticos (MARQUES et al., 2005; WAINER et al., 1992). Os processos de soldagem podem ser classificados de acordo com o tipo de fonte de energia ou de acordo com a natureza da união. Industrialmente, os processos de soldagem mais empregados são os que utilizam a eletricidade como geração da energia para realizar a união. Para promover a fusão entre as duas partes que serão unidas, pode-se utilizar o arco elétrico ou a resistência elétrica, por meio do aquecimento por efeito Joule. A soldagem por resistência envolve as seguintes variantes de processo: soldagem a ponto, soldagem com costura, soldagem topo-a-topo e soldagem com ressalto. Já a soldagem com arco elétrico pode ser subdividida entre soldagem com eletrodo consumível e soldagem com eletrodo não consumível. No primeiro caso, estão englobados os processos de soldagem com eletrodo revestido, processo de soldagem MIG/MAG, processo de soldagem com eletrodo tubular e processo de soldagem com arco submerso. Os processos que utilizam eletrodo não consumível são soldagem TIG e soldagem com plasma (MARQUES et al., 2005; WAINER et al., 1992). Todos os processos citados podem ser utilizados para a soldagem dos aços inoxidáveis (MODENESI, 2001). A escolha do processo de soldagem envolve basicamente quatro fatores: projeto da junta, espessura do material, natureza do material a ser soldado, custo de fabricação (MARQUES et al., 2005; WAINER et al., 1992). Material Parte Experimental

3 Foi analisado um aço inoxidável dúplex fornecido pela Engemasa Engenharia e Materiais LTDA, na forma de barras. A composição química foi analisada no laboratório de espectroscopia de massa, da FATEC de Sertãozinho. Caracterização Microestrutural Os ensaios de caracterização microestrutural, após os tratamentos térmicos, foram desenvolvidos por microscopias ótica (MO) e eletrônica de varredura (MEV). As amostras foram embutidas em baquelite, lixadas e polidas e atacadas com Beraha s: 90 ml H2O + 10 ml HCl 37% + 0,8 g de metabissulfito de potássio, segundo a norma ASTM E Esse reagente permite obter excelente contraste entre a ferrita e austenita. Para as observações no MEV, as amostras foram submetidas a polimentos e ataques leves sucessivos. A obtenção da quantidade das fases foi feita em um microscópio ótico Zeiss com ampliação de até 1000x da FATEC de Sertãozinho. A microestrutura e a microanálise química foram feitas em um microscópio eletrônico de varredura do Laboratório de Caracterização Estrutural do DEMa UFSCar. Caracterização das propriedades mecânicas A resistência de um metal a penetrações é uma medida de dureza e também uma indicação de sua resistência. Para executar o ensaio de dureza, uma carga fixa força o penetrador no corpo de prova. Para obter valores de dureza das fases ferrita e austenita e correlacioná-los com o envelhecimento, foram realizados ensaios de microdureza Vickers utilizado um microdurômetro da Future-Tech Corp. (Tóquio, Japão), modelo FM-7E com carga de 25 g e tempo de carregamento de 15 segundos, conforme norma ASTM E 384. A média e desvio padrão foram obtidos dos valores de microdureza com base em dez (10) impressões em cada fase. Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal marca Instron, 250kN da FATEC Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho Soldagem do aço inox dúplex A soldagem das amostras de aço inox dúplex foi feita por meio do processo de soldagem TIG, que é um dos processos mais utilizados para a soldagem dos aços inoxidáveis (MODENESI, 2001). A soldagem do aço inox dúplex foi feita pelo processo TIG - Tungstenio Inert Gas na qual se utilizou a LINCON 5350 Power Wave 450A, da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho FATEC. Resultados e Discussão A Tabela 2 mostra a composição química do aço inox dúplex obtida por Espectroscopia de Massa. Tabela 2 Composição química (porcentagens em peso) para o aço inox dúplex obtida por Espectroscopia de Massa. Elemento Composição (%) Fe 67,81 Cr 24,9 Ni 5,71 Mn 0,68 Si 0,83 C 0,051 P 0,022 S 0,002 Caracterização microestrutural Os ensaios de caracterização microestrutural, após os tratamentos térmicos, foram desenvolvidos por microscopias ótica (MO). A microestrutura dos aços inoxidáveis dúplex que é o metal de base das amostras utilizadas neste trabalho, é constituída por partes aproximadamente iguais de uma estrutura bifásica de ferrita e austenita, sendo a primeira, a fase matriz e a segunda, a dispersa, conforme é apresentado na micrografia da Figura 1. A formação dessa microestrutura ocorre a partir da solidificação ferrítica do metal líquido na faixa de temperatura de 1440 a 1490 o C, seguida da precipitação de austenita no estado sólido (1200 o C), por nucleação e crescimento. Essas fases são geralmente intercaladas, o que pode ser explicado pela presença de elementos de liga. Observa-se a distribuição de placas de austenita imersas numa matriz ferrítica na forma poligonal, com as interfaces muito bem-definidas. De acordo com a literatura também, a composição química aliada ao tratamento termomecânico favoreceu uma microestrutura com uma proporção ferrita/austenita bem-balanceada (PADILHA et al., 1994).

4 Tensão [MPa] Figura 1 Microestrutura do aço inoxidável dúplex solubilizado contendo aproximadamente 50% de ferrita e 50% de austenita; aumento de 500x. Caracterização das propriedades mecânicas A resistência de um metal a penetrações é uma medida de sua dureza e também uma indicação de sua resistência. Foi obtida a média dos valores de microdureza com base em dez (10) impressões em cada fase, e o valor médio da dureza foi 248HV. Os resultados dos ensaios de tração das amostras de aço inox dúplex estão apresentados na Figura 2. A máquina de tração forneceu dados de tensão aplicada versus variação no comprimento útil no corpo de prova. É possível observar os valores da tensão limite de escoamento, limite de resistência e o alongamento das amostras. Os dois primeiros parâmetros foram calculados a partir das curvas tensão-deformação, e o alongamento por meio da marcação dos corpos de prova. Não foi verificada diferença significativa em termos de ductilidade para os corpos de prova e ambos apresentaram tensão de escoamento em torno de 600Mpa e tensão de ruptura em torno de 700Mpa CP01 CP Deformação [%] Figura 2 Microestrutura do aço inoxidável dúplex solubilizado contendo aproximadamente 50% de ferrita e 50% de austenita; aumento de 500x. Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas em toda a sua extensão, pelo menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer com que a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de tração permite medir satisfatoriamente a resistência do material. A uniformidade da deformação permite ainda obter medições para a variação dessa deformação em função da tensão aplicada, como mostra a Tabela 3.

5 Tabela 3 Dados de Tensão-deformação. CP d0[mm] df[mm] L0[mm] Lf[mm] A[%] RA[%] σesc 0,2% [MPa] σr [MPa] 1 6,0 4,0 25,0 34,5 38,0 55,3 592,6 702,3 2 6,0 4,2 25,0 33,9 35,5 51,0 604,5 716,9 Soldagem do aço inox dúplex A soldagem do aço inox dúplex foi feita por meio do processo TIG - Tungstenio Inert Gas. As peças de aço inoxidável dúplex foram soldadas em junta de topo e sobrepostas, como mostra a Figura 3 (a,b). Figura 3 Processo de Soldagem TIG (a) junta de topo, (b) junta sobreposta. A seguir, são apresentados os resultados obtidos na caracterização de cada uma das regiões correspondentes do metal de base e do cordão de solda. Os resultados de cada característica e propriedade serão apresentados isoladamente para cada região do material em cada amostra e, posteriormente, inter-relacionados e discutidos com detalhes. Primeiramente foi feito ensaio de macroscopia para analisar as amostras. Ao longo do processo, notou-se que a estrutura do material apresentou o defeito de falta de fusão, que foi mais bem caracterizado após a análise de microscopia óptica, cujo objetivo foi não só quantificar, como também verificar os defeitos apresentados nas amostras. Todas as quatro amostras analisadas apresentaram o defeito de falta de fusão. As amostras soldadas foram embutidas e preparadas para análise microestrutural (Figuras 4 e 5). A Figura 4 mostra micrografias da zona fundida e do metal de base (aço inox dúplex). Observou-se na Figura 5 a zona termicamente afetada (ZTA), zona fundida e do metal de base (aço inox dúplex). Figura 4 Análise microestrutural das amostras soldadas na junta em ângulo da amostra 1, aumento de 50x.

6 Figura 5Análise microestrutural das amostras soldadas em ângulo da amostra 2, aumento de 50x. Verifica-se, nas Figuras 4 e 5, uma junta de ângulo, onde foram realizadas análises macroscópicas e microscópicas. No ensaio macroscópico, pôde-se observar a junta soldada de uma forma ampla, onde é possível identificar a junta soldada e um pequeno vazio entre as chapas unidas, esse vazio pode ser proveniente aos parâmetros de soldagem utilizados durante o processo, a não obtenção de um calor suficiente ocasionou essa falta de penetração, sendo prejudicial à resistência mecânica do corpo de prova. Na análise microscópica, foi possível observar a zona fundida, uma zona termicamente afetada extremamente restrita e o metal de base; comparando as microscopias das amostras, observa-se que na Figura 5 há uma zona termicamente afetada bem mais definida do que na figura anterior, isso ocorre devido a alguma variação de processo durante a soldagem. Em relação à zona fundida, observou-se que, durante a solidificação da poça de fusão, uma estrutura colunar grosseira de grãos de ferrita é produzida por crescimento epitaxial a partir dos grãos de ferrita da ZTA. Continuando o resfriamento, ocorreu a precipitação da austenita e das demais fases intermetálicas, nitretos e carbonetos possíveis. A austenita precipita-se nos contornos de grão da ferrita ou no interior dos mesmos (LONDOÑO, 1997). São três modos de crescimento da austenita a partir da ferrita: (i) austenita alotrimórfica de contorno de grão, (ii) austenita de Widmanstatten que se nucleia na austenita de contorno de grão e vai crescendo para o interior do grão de ferrita logo que os sítios de nucleação nos contornos de grão da ferrita tornam-se saturados, (iii) austenita intragranular é a última a se formar, e quanto maior a velocidade de resfriamento, maior é a tendência de sua precipitação (MUTHUPANDI et al., 2003). As amostras soldadas transversalmente foram embutidas e preparadas para análise microestrutural das soldas realizadas em topo (Figuras 6 e 7). Em ambas as micrografias, observou-se a zona fundida e o metal de base (aço inox dúplex).

7 Figura 6 Análise microestrutural das amostras soldadas em topo amostra 1, aumento de 50x. Figura 7 Análise microestrutural das amostras soldadas em topo amostra 2, aumento de 50x. Nas Figuras 6 e 7, também foram realizadas análises macro e microscópicas, porém em juntas de topo. Pode-se observar semelhanças com as juntas de ângulo, o vazio entre as chapas a serem unidas também é visível na análise macroscópica; devido às duas juntas (topo e ângulo) terem sido soldadas com os mesmos parâmetros, ocorreu o mesmo defeito e, como dito anteriormente, esse defeito pode ser prejudicial à resistência mecânica do material quando exposto a esforço mecânico. Conclusão Os dados de microdureza indicam um efeito combinado de temperatura e tempo de tratamento térmico na dureza da ferrita e austenita no valor de 248HV. Os resultados dos ensaios de tração mostraram que as deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas em toda a sua extensão, pelo menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer com que a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de tração permite medir satisfatoriamente a resistência do material.

8 Os procedimentos de soldagem adotados mostraram que, ao longo do processo, a estrutura do material apresentou o defeito de falta de fusão, que foi mais bem caracterizado após a análise de microscopia óptica, cujo objetivo foi quantificar e verificar os defeitos apresentados nas amostras. Todas as quatro amostras analisadas apresentaram o defeito de falta de fusão, esse defeito pode ser associados aos parâmetros de soldagem utilizados, tais como: corrente de soldagem, velocidade de soldagem, aporte térmico, ocasionando a falta de penetração no centro do cordão de solda, quando submetido a algum esforço mecânico esse defeito pode prejudicar a resistência mecânica do material. Por utilizar um processo de soldagem a TIG e apesar da falta de penetração obtida em todas as amostras, observa-se uma solda isenta de poros, trincas, mordeduras e sobreposição. Agradecimentos Agradecemos à Fatec de Sertãozinho pelo uso dos laboratórios, especialmente à auxiliar docente, a Profª Laura Alves Coelho. Referências DEGARMO, E.P.; BLACK, J.T.; KOHSER, R.A. Materials and Processes in Manufacturing. 9. ed., John Wiley, DUPOIRON, F.; AUDOUARD, J. P. Scandinavian Journal of Metallurgy, v. 25, n. 3, 1996, p GHENO, S. M.; SANTOS, F.S.; KURY, S.E. Journal of Applied Physics 103, , HAYES, F. H.; HETHERINGTON, M. G.; LONGBOTTOM, R. D. Thermodynamics of duplex stainless steels. Materials Science and Technology, v. 6, n. 3, 1990, p LONDOÑO, A, J, R. Estudo da precipitação de nitreto de cromo e fase sigma por simulação térmica da zona afetada pelo calor na soldagem multipasse de aços inoxidáveis dúplex Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica) - Escola Politécnica da USP, São Paulo, Brasil. MARQUES, P.V.; MODENESI, P.J.; BRACARENSE, A. Q. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. Belo Horizonte: UFMG, MODENESI, P.J. Soldabilidade dos aços inoxidáveis, ABS, MUTHUPANDI, V.; BALA S., P.; SHANKAR, V.; SESHADRI, S. K.; SUNDARESAN, S. Effect of weld metal chemistry and heat input on the structure and properties of duplex stainless steel welds. Materials Science & Engineering, 2003, p NILSSON, J. O. Materials Science and Technology, v. 8, n. 8, 1992, p PADILHA, A.F.; GUEDES, L.C. Aços Inoxidáveis Austeníticos: Microestrutura e Propriedades. Hemus Ltda., 1994, p REICK, W.; POHL, M.; PADILHA, A. F. O desenvolvimento dos aços inoxidáveis ferrítico-austeníticos com microestrutura dúplex. Metalurgia & Materiais. v. 48, n. 409, 1992, p RYAN, M. P. et al. Why stainless steel corrodes. Nature, v. 415, n. 6873, 2002, p SANTOS, F.S. Espectroscopia de Fotoelétrons (Xps) no Estudo de Filmes Passivos sobre Aços Inoxidáveis Envelhecidos em Baixas Temperaturas p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) UFSCar, São Carlos, São Paulo. SCHAEFFLER, A. L. Constitution diagram for stainless steel weld metal. Metal Progress. v. 56, n. 11, 1949, p B. SEDRIKS, A. J. Corrosion of stainless steels. 2. ed. New York: John Wiley & Sons, SHEK, C. H.; WONG, K. W.; LAI, J. K. L. Review of temperature indicators and the use of duplex stainless steels for life assessment. Materials Science and Engineering R, v. 19, n. 5/6, 1997, p WAINER, E.; BRANDI, S. D.; MELLO, F.D.H. Soldagem: Processos e Metalurgia, ABS, 1992.

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