MORFOLOGIA DOS GRÃOS DE AUSTENITA FORMADOS NO CORDÃO DE SOLDA FEITO PELO PROCESSO DE ARCO SUBMERSO

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1 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. MORFOLOGIA DOS GRÃOS DE AUSTENITA FORMADOS NO CORDÃO DE SOLDA FEITO PELO PROCESSO DE ARCO SUBMERSO A. A. C. Asselli, M. R. V. de Araújo, R. C. Tokimatsu, W. J. Yamakami, V. A. Ventrella e J. Gallego Caixa Postal 31 Ilha Solteira, SP CEP.38- gallego@dem.feis.unesp.br MAPROTEC - Departamento de Engenharia Mecânica UNESP/Ilha Solteira RESUMO No presente trabalho foi realizado um estudo sobre a morfologia da estrutura austenítica prévia existente no metal de solda depositado sob diferentes condições de processamento. A soldagem por arco submerso foi realizada sobre chapas de aço estrutural, utilizando-se dois níveis de energia (1 e 3 kj/mm) e um fluxo ativo comercial. A observação de amostras preparadas em três planos ortogonais distintos, correspondentes às seções transversal, longitudinal e normal em relação a direção de soldagem, permitiu constatar que os antigos contornos de grão da austenita poderiam ser identificados pela presença de ferrita primária com morfologia poligonal (alotriomórfica) ou alinhada (Widmänstatten). Empregando-se microscopia ótica e técnicas de metalografia quantitativa, constatou-se que a forma dos antigos grãos austeníticos pode ser considerada prismática, cujas dimensões variariam de acordo com a seção de corte observada. Assim a seção normal mostrou uma estrutura equiaxial, enquanto nas seções transversal e longitudinal prevaleceu o aspecto colunar. A presença de inclusões no metal de solda foi analisada e houve indícios que estas partículas tenham alguma interferência sobre a estrutura austenítica do metal de solda. Palavras-chave: soldagem arco submerso, austenita, inclusões, metalografia quantitativa, microscopia ótica INTRODUÇÃO As propriedades mecânicas da soldagem estão diretamente relacionadas com a microestrutura formada na poça de fusão. Dependendo da composição química do aço e do processamento a solidificação pode se iniciar pela formação da ferrita delta 36

2 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. (mais comum) ou da austenita. A nucleação da fase sólida ocorre de forma epitaxial sobre a linha de fusão, onde grãos cuja orientação cristalográfica seja paralela a <1> e ao fluxo térmico tem o seu crescimento acelerado (1). O resfriamento subseqüente determina os produtos da transformação de fase no metal de solda, onde a estrutura dos grãos de austenita tem uma importância ímpar. Existe uma interação entre o tamanho do grão austenítico com a fração volumétrica da ferrita com diferentes morfologias (2,3). A transformação de fase é um fenômeno cuja nucleação heterogênea requer um substrato. Os contornos de grão podem ser considerados como os sítios preferenciais mais importantes para a nucleação, onde são formadas as ferritas primárias: a alotriomórfica surge com pequenos super-resfriamentos, enquanto com maiores gradientes térmicos forma-se uma morfologia com maior orientação cristalográfica - a ferrita de Widmanstätten. As interfaces entre a matriz e as inclusões formadas durante a soldagem também podem atuar na nucleação dos produtos da transformação de fase austenita-ferrita, contribuindo com a formação da ferrita idiomórfica e, em casos especiais, da ferrita acicular considerado o melhor microconstituinte para o metal de solda pela ótima relação entre resistência mecânica e tenacidade. No presente trabalho foi realizado um estudo sobre a antiga estrutura austenítica formada no metal de solda depositado por soldagem com arco submerso. A análise da microestrutura existente nas seções longitudinal, normal e transversal do cordão de solda determinou que a morfologia desses grãos foi preponderantemente colunar, afetada significativamente pela variação da energia de soldagem utilizada nos ensaios. MATERIAIS E MÉTODOS O metal base usado nos ensaios foi dividido em dois lotes, nos quais foi realizada a têmpera em água após a austenitização em 9 ou 11 C por uma hora. Em cada ensaio foi depositado um cordão de solda por arco submerso (SAS) sobre a superfície da chapa (bead on plate), sendo empregada uma determinada energia de soldagem - 1, ou 3,kJ/mm. Um código foi usado para identificar o metal base (9 ou 11) e a energia (1 ou 3) usados na soldagem, separados pelas letras AL. Deste modo a amostra 9AL1 corresponderia à soldagem da chapa tratada a 9 C com um aporte térmico de 1,kJ/mm. Para a proteção da poça de fusão foi empregado um fluxo granulado ativo, conforme especificação AWS F7AZ-EM12K. 37

3 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. Pequenos pedaços foram cortados com disco abrasivo refrigerado nas seções longitudinal (L), normal (N) e transversal (T) dos cordões, conforme nomenclatura indicada por Liu (4). A preparação metalográfica das superfícies foi realizada da maneira convencional, com o lixamento até a grana #1 seguido de polimento mecânico com alumina 1µm. A observação e a documentação das inclusões não metálicas foram feitas com as amostras na condição polida, tendo sido empregado o reativo de Marshall (ml ácido sulfúrico, 8g ácido oxálico, 1ml peróxido de hidrogênio, 1ml água destilada) recém preparado para a revelação da microestrutura do metal de solda. A caracterização quantitativa da dispersão de inclusões e da estrutura austenítica prévia foi realizada a partir de micrografias digitais tiradas em campos contíguos distintos, onde foi usada uma câmera digital com resolução de 3 megapixels acoplada ao microscópio ótico. O tamanho e a quantidade de inclusões observadas foram determinados com o auxílio do freeware Image Tool (). Os interceptos lineares da antiga estrutura austenítica foram determinados, a partir da presença de ferrita primária, em 4 orientações distintas (, 4, 9 e 13 ) de um conjunto de linhas-teste aplicado sobre as micrografias de cada seção de corte. Os resultados foram processados estatisticamente com o auxílio de uma planilha eletrônica. As quantidades mínimas de inclusões e interceptos lineares observados em cada seção dos cordões de solda preparados foram superiores a 16 para cada um dos parâmetros analisados. RESULTADOS E DISCUSSÃO A formação da ferrita primária, seja morfologicamente classificada como poligonal PF(G) ou com segunda fase alinhada FS(A) (6), facilitou a identificação da localização dos antigos contornos de grão da austenita anterior à transformação de fase. A Figura 1 apresenta exemplares da microestrutura do metal de solda analisada nas diferentes seções examinadas, onde se pode verificar que a microestrutura austenítica era morfologicamente anisotrópica. No aspecto qualitativo notou-se que os grãos de austenita vistos nas seções longitudinal e transversal eram alongados, com o eixo maior normalmente orientado em uma direção praticamente normal à linha de fusão. Entretanto, o mesmo tipo de estrutura austenítica não foi observado na seção normal do metal de solda, que foi constituído essencialmente por grãos austeníticos de natureza equiaxial. Este 38

4 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. comportamento da microestrutura do metal de solda é semelhante ao reportado por Basu e Raman(7) em sua investigação com soldas produzidas por SAS. As distribuições de freqüência dos interceptos lineares medidos nas diferentes orientações do metal de solda são mostradas na Figura 2, onde as curvas são preponderantemente assimétricas positivas e apresentam comportamento leptocúrtico distribuições cuja freqüência modal é bastante evidenciada(8). seção longitudinal seção normal seção transversal Figura 1: Microestruturas típicas do metal de solda observado nas seções longitudinal, normal e transversal, com a ferrita primária revelando a antiga estrutura austenítica. Amostras 9AL1 em (a)-(c); 9AL3 em (d)-(f); 11AL1 em (g)-(i) e 11AL3 em (j)-(l). Ataque: reativo de Marshall. Ampliação padronizada em 7 vezes. 39

5 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. A análise estatística das curvas mostradas na Figura 2 é sintetizada na Tabela 1, onde são apresentados o número N e os tamanhos médio L e máximo L max dos interceptos lineares medidos, bem como o seu desvio padrão DP. O erro padrão EP e o coeficiente de variação CV foram calculados pelas equações (A) e (B), respectivamente. DP EP = 2 (A) N DP CV = (B) L Tabela 1: medidas estatísticas dos interceptos lineares medidos nas diferentes seções do metal de solda. amostra seção N L [µm] DP [µm] EP [µm] CV L max [µm] L ,2 38 9AL1 N ,32 14 T ,2 L ,49 9AL3 N ,38 26 T ,7 4 L ,6 11AL1 N ,43 T ,6 47 L , AL3 N ,33 26 T ,43 8 Da análise dos resultados observou-se que as seções normais do metal de solda apresentaram os menores interceptos lineares médios e máximos, quando comparados com os respectivos valores das seções longitudinal e transversal. Independentemente da seção observada também se notou o incremento dos tamanhos dos interceptos causado pelo aumento da energia de soldagem de 1 para 3kJ/mm, sendo menos intenso o efeito do tratamento térmico realizado no metal base. O aspecto geométrico observado está em conformidade com os estudos realizados por Bhadeshia e colaboradores (2) em soldas produzidas por arco submerso. Esses pesquisadores indicaram que a morfologia do antigo grão de austenita poderia ser representada por um prisma de base hexagonal, com a aresta lateral a e o eixo maior c estaria alinhado com a direção de crescimento colunar desta fase durante o resfriamento do metal de solda. 31

6 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. seção longitudinal seção normal seção transversal AL1-L 9AL1-N 9AL1-T (a) (b) (c) AL3-L 9AL3-N 9AL3-T (d) (e) (f) AL1-L 11AL1-N 11AL1-T (g) (h) (i) AL3-L 11AL3-N 11AL3-T (j) (k) (l) Figura 2: Distribuição de freqüência dos interceptos lineares relacionados com a antiga estrutura austenítica, medidos nas seções longitudinal, normal e transversal do metal de solda. Amostras 9AL1 em (a)-(c); 9AL3 em (d)-(f); 11AL1 em (g)- (i) e 11AL3 em (j)-(l). O intercepto linear medido na seção transversal T foi afetado pela linha de fusão, de onde a solidificação da ferrita delta ou da própria austenita avança epitaxialmente. Neste caso a largura máxima da aresta dos prismas hexagonais (2a) poderia ser influenciada pelo tamanho de grão do metal base, sendo o seu comprimento máximo relacionado à geometria da poça de fusão particularmente a 311

7 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. largura e a penetração/reforço do cordão. Como pode ser visto na Tabela 1, o efeito do tratamento térmico do metal base sobre o tamanho dos interceptos medidos nesta seção foi pequeno em relação à energia de soldagem. Dois motivos podem ser indicados: o primeiro refere-se ao fato que a geometria dos cordões variou pouco nos ensaios de soldagem realizados, como mostra os exemplos da Figura 3, e o segundo estaria relacionado ao engrossamento do metal base pelo tratamento térmico ter sido muito menor que a ordem de grandeza dos interceptos medidos nesta seção. Entretanto, notou-se um incremento nos interceptos lineares medidos na seção T de cordões depositados sobre um mesmo metal base, mas com diferentes aportes térmicos. Figura 3: Macrografias da seção transversal do metal de solda das amostras 9AL1 em (a) e 9AL3 em (b). Ataque: reativo de iodo. Ampliação: 4 vezes. A estrutura colunar da austenita observada na seção longitudinal L foi afetada pela energia usada no processo, controlada especialmente pela velocidade de soldagem. Assim, o aumento do aporte de calor de 1, para 3,kJ/mm foi conseguido com a redução da velocidade de soldagem de para 19mm/min, afetando a orientação e o deslocamento da frente de solidificação em relação à linha de centro do cordão. Estando a interface da poça de fusão mais estacionária haveria um favorecimento de uma estrutura mais grosseira para um grau de superresfriamento similar, considerando que a espessura da chapa usada nos ensaios foi padronizada em 9,mm. A seção normal dos cordões investigados apresentou uma estrutura preponderantemente equiaxial, sugerindo que este corte seria aproximadamente paralelo à base do prisma hexagonal (2). Neste tipo de estrutura a dispersão dos 312

8 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. tamanhos dos interceptos medidos tenderia a ser pequena, considerando que os grãos não teriam uma orientação preferencial. Sendo o coeficiente de variação dependente do desvio padrão dos interceptos lineares medidos torna-se possível caracterizar através deste parâmetro estatístico se a estrutura seria composta por grãos equiaxiais ou colunares. No primeiro caso a dispersão dos valores medidos nas quatro orientações seria relativamente pequeno, enquanto com grãos colunares a variação das cordas sobre as linhas teste seria bem maior. Do exposto e considerando os resultados mostrados na Tabela 1, torna-se evidente que a seção normal seria constituída por grãos com morfologia equiaxial, enquanto nas seções L e T a morfologia seria preponderantemente colunar. O intercepto linear médio global L g envolve simultaneamente todas as medições feitas sobre as seções L, N e T, sendo este parâmetro usado como medida do tamanho de grão da austenita (2). Na Figura 4(a) são apresentados os valores experimentais e a sua respectiva dispersão, expressa pelo desvio padrão, que mostraram boa conformidade com outros resultados reportados na literatura (7,9). Apesar do tamanho de grão médio ter aumentado com o incremento da energia de soldagem, a Figura 4(b) ilustra que houve simultaneamente uma queda na dispersão dos interceptos lineares e produzindo uma estrutura grosseira mas homogênea. 14,6 intercepto linear médio L g [µm] amostra 9AL amostra 11AL Basu & Raman (2) Bhadeshia et al (198) energia de soldagem [kj/mm] coeficiente de variação CV g,,,4,4 amostra 9AL amostra 11AL energia de soldagem [kj/mm] (a) (b) Figura 4: Variação do intercepto linear médio global L g (a) e do coeficiente de variação global CV g (b) com a energia de soldagem aplicada nos ensaios. O efeito das inclusões não metálicas sobre a estrutura austenítica pode ser considerado controverso. Bhadeshia e Svensson (1) indicaram que essas partículas seriam incapazes de atuar no ancoramento dos contornos de grão da austenita, seja os grãos formados a partir da ferrita delta ou diretamente do aço líquido. 313

9 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. Investigando soldas produzidas por arco submerso, Basu e Raman (7) verificaram que as inclusões poderiam afetar tanto a estrutura austenítica quanto a formação da ferrita acicular. A Tabela 2 apresenta alguns importantes parâmetros estatísticos extraídos das distribuições de freqüência mostradas na Figura, especialmente o número de partículas observadas N, o seu tamanho médio d, as densidades de inclusões planar N A e volumétrica N V e a fração volumétrica V V. Tabela 2: Parâmetros estatísticos da dispersão de inclusões encontradas nas seções longitudinal, normal e transversal analisadas do metal de solda. amostra N d [µm] N A [mm -2 ] N V [mm -3 ] V V D C [µm] 9AL , , AL , , AL , , AL , ,7 26 freqüência relativa [%] amostra 9AL1 (a) tamanho da inclusão [µm] freqüência relativa [%] amostra 9AL3 (b) tamanho da inclusão [µm] freqüência relativa [%] amostra 11AL tamanho da inclusão [µm] (c) freqüência relativa [%] amostra 11AL tamanho da inclusão [µm] Figura : Distribuição de freqüência do tamanho das inclusões observadas por microscopia ótica nas seções longitudinal, normal e transversal do metal de solda. Amostras 9AL1 em (a); 9AL3 em (b); 11AL1 em (c) e 11AL3 em (d). (d) 314

10 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. A análise dos resultados mostra que o efeito dos parâmetros de soldagem sobre as inclusões é complexo. Verifica-se pela Tabela 2 que o aumento de energia contribuiu para diminuir tanto o tamanho quanto a fração volumétrica das partículas formadas durante a soldagem das chapas tratadas termicamente a 9 C/1h, mas um efeito contrário foi observado nas amostras feitas das chapas 11AL1 e 11AL3. Diversos modelos matemáticos para o ancoramento de contornos de grão de raio R por partículas estáveis com raio r foram desenvolvidos por diferentes pesquisadores (1), cuja forma geral é r R = A (C) V V Onde A é uma constante que depende do modelo teórico proposto. Os resultados da aplicação da expressão (C), com A =,17 proposto por Rios (11), para as microestruturas analisadas estão apresentados na última coluna da Tabela 2. Os tamanhos de grão crítico D C calculados foram comparativamente maiores que os tamanhos dos interceptos lineares medidos a partir da estrutura austenítica prévia. Isto significa que as inclusões poderiam retardar, mas não impedir, o deslocamento deste contorno. Um outro aspecto interessante sobre a aplicação da equação (C) seria considerar as variações no tamanho dos interceptos/grãos e das inclusões, representadas graficamente nas Figuras 2 e. Considerando que A é constante e que a fração volumétrica das inclusões dependeria fundamentalmente do teor de oxigênio (12), se for feita a integração numérica em ambos os membros da equação a mesma não teria a sua validade questionada. Efetuada a integração dos histogramas apresentados verificou-se que a razão entre as áreas dos interceptos lineares e dos tamanhos das inclusões levou a obter resultados muito próximos e que variaram entre,6 e 21,9. A multiplicação desta razão pelos valores de fração volumétrica indicados na Tabela 2 permitiu determinar os valores da constante A, cujos valores oscilaram entre,6 e,2 previstos pelo modelo de ancoramento de contornos de grão proposto por Gladman (1). Apesar desta interessante relação entre as distribuições de freqüência, a aplicação prática deste procedimento de análise ainda será objeto de estudos mais detalhados. 3

11 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. CONCLUSÕES - As distribuições de freqüência dos interceptos lineares, usados para caracterizar a antiga estrutura austenítica, mostraram variações entre as amostras analisadas que dependem da seção do metal de solda. - A seção normal das amostras apresentou uma microestrutura classificada como equiaxial, enquanto nas seções longitudinal e transversal os grãos austeníticos teriam uma formação colunar. Este aspecto confirma que a morfologia dos grãos austeníticos existentes no metal de solda pode ser associada a prismas com base hexagonal alongados. - O coeficiente de variação dos interceptos lineares mostrou ser um parâmetro estatístico adequado para caracterizar o tipo de estrutura austenítica observado, ou seja, equiaxial ou colunar. - O incremento da energia de soldagem de 1, para 3,3 kj/mm resultou no aumento do tamanho de grão da austenita prévia. - Há indícios que houve alguma interação entre a estrutura austenítica e as inclusões não metálicas existentes no metal de solda. Embora estudos mais específicos sejam previstos para o futuro, verificou-se que a razão entre as áreas obtidas por integração numérica das distribuições do tamanho de grão e das inclusões foi aproximadamente constante para a série de amostras analisadas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio técnico prestado pelo LCE-UFSCar e pela SERVTEC, à FAPESP pela concessão de auxílio à pesquisa e de uma bolsa de estudos (AACA) e à CAPES pela bolsa de mestrado (MRVA). REFERÊNCIAS 1. BHADESHIA, H. K. D. H.; SVENSSON, L.-E. Modelling the evolution of microstructure in steel weld metal. In: CERJAK, H; EASTERLING, K. E. Mathematical Modelling of Weld Phenomena. London: Institute of Metals, 1993, pp BHADESHIA, H. K. D. H. et al. The austenite grain structure of low-alloy steel weld deposits. Journal of Materials Science, v. 23, pp ,

12 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, a 19 de Novembro de 6, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. 3. BABU, S. S. The mechanism of acicular ferrite in weld deposits. Current Opinion in Solid State and Materials Science, v. 8, pp , LIU, S. Metallography of HSLA steel weldments. Key Engineering Materials, v. 69-7, pp. 1-, IMAGE TOOL. Software livre disponível para download em: acesso em 1 de março de DOLBY, R. E. Guidelines for the classification of ferritic steel weld metal microstructural constituents using the light microscope. Welding in the World, v. 24, n. 7-8, pp , BASU, B.; RAMAN, R. Microstructural variations in a high-strength structural steel weld under isoheat input conditions. Welding Journal, pp , Nov., COSTA NETO, P. L. O. Estatística. São Paulo: Ed. Edgard Blucher, BHADESHIA, H. K. D. H. et al. A model for the development of microstructure in low-alloy steel weld deposits. Acta Metallurgica, v. 33, n. 7, pp , MANOHAR, P. A. et al. Grain growth predictions in microalloyed steels. ISIJ International, v. 36, n. 2, pp. 194-, RIOS. P. R. A theory for grain boundary pinning by particles. Acta Metallurgica, v. 3, n. 12, pp , GRONG, O.; KLUKEN, A. O. Microstructure and properties of steel weld metals. Key Engineering Materials, v. 69-7, pp , STUDY OF THE AUSTENITE GRAIN STRUCTURE IN SUBMERGED ARC WELD METALS ABSTRACT The morphology of prior austenite grains in submerged arc weld metals deposited on different heat input levels (1 and 3kJ/mm) was investigated by light microscopy. Lineal intercept measurements from the transverse, normal and longitudinal sections have shown that the austenite grain shape can be approximated as hexagonal prisms, where the normal section is closely parallel to the basal plane. The austenite grain size was affected by the applied heat input and there is some evidence that inclusions could be able to participate in weld metal austenite grain size control. Key-words: SAW, austenite, grain boundary, lineal intercept analysis, microscopy. 317