RELAÇÃO ENTRE MICROESTRUTURA / TENACIDADE AO IMPACTO DO METAL DE SOLDA DO AÇO API X-70 SOLDADO POR ELETRODO REVESTIDO AWS E8010-G

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1 RELAÇÃO ENTRE MICROESTRUTURA / TENACIDADE AO IMPACTO DO METAL DE SOLDA DO AÇO API X-70 SOLDADO POR ELETRODO REVESTIDO AWS E8010-G * D. V. Bubnoff, ** V. A. Ventrella * Aluno do Programa de Pós-Graduação do DEM / UNESP. ** Prof. Assistente Doutor do DEM / UNESP (ventrela@dem.feis.unesp.br) UNESP / Depto de Engenharia Mecânica Av. Brasil Centro 56 - Ilha Solteira SP - CEP Fone: (018) RESUMO Neste trabalho estudou-se o metal de solda do aço API 5LX Grau 70 (limite de escoamento mínimo de 480 MPa), soldado através do processo Eletrodo Revestido, utilizando-se o eletrodo AWS E G. Suas microestruturas foram caracterizadas via microscopia ótica, para análise qualitativa e quantitativa dos constituintes microestruturais, em corpos de prova transversais ao cordão de solda. Foram realizados ensaios de impacto Charpy V para a obtenção de uma correlação entre microestrutura e propriedades mecânicas, no caso a tenacidade ao impacto. Os resultados mostraram que a taxa de resfriamento da junta soldada de aços API X-70 influi na microestrutura final do metal de solda e, a melhoria da tenacidade está relacionada à fração volumétrica de ferrita acicular presente no metal de solda. Espera-se que a conclusão deste trabalho forneça contribuições científicas e tecnológicas de grande valor, pois a soldagem do aço API X-70 é de suma importância, visto que o aço API X-70 é amplamente utilizado na indústria petrolífera, como por exemplo, o Gasoduto Bolívia-Brasil, apresentando características de elevada resistência, aliada a boa soldabilidade e baixo nível de inclusões. Palavras-chaves: soldagem, microestrutura, tenacidade, metal de solda e aço API. INTRODUÇÃO Aços baixa liga API Na fabricação de tubos de grande espessura, há necessidade de uso de aços de alta resistência mecânica à tração, como por exemplo, os aços da série API 5L X70 (limite de escoamento mínimo de 480 MPa). Especificações internacionais requerem elevadas propriedades de impacto para este aço. Estas exigências refletem não apenas a necessidade dos aços e das juntas soldadas possuírem uma temperatura de transição a mais baixa possível (característica essencial para usos em regiões frias), mas também um elevado patamar superior de energia de impacto (particularmente em gasodutos, cujas elevadas tensões de serviço podem contribuir para a ocorrência de falha no modo dúctil de propagação de trincas) (1). Os aços API, com características de elevada resistência, aliada a boa soldabilidade, baixo nível de inclusões e boa qualidade superficial, são especificados pela Americam Petroleum Institute (API), no caso a API 5L (2). De acordo com as exigências dos tubos, as qualidades API-5L-A e B são usadas em tubulações de baixa pressão, enquanto que as API-5L-X42, X46, X52, X60 e X-70 são utilizadas em tubulações de alta pressão. O principal guia para a soldagem de tubulações é a norma API 1104, a qual fornece dados necessários à obtenção de juntas soldadas com boas qualidades. As juntas em tubulações são soldadas no campo e somente do lado externo. Como o tubo é fixo, a soldagem deve ser realizada em todas as posições. O tipo de eletrodo revestido geralmente utilizado na soldagem de tubulações é o AWS EXX10, pois possui elevada penetração e pode ser utilizado em todas as posições. Nos dias atuais o eletrodo revestido celulósico começa a ser substituído pelo processo automático com arame tubular. Isso vem acontecendo muito lentamente, pois a indústria de soldagem de tubulações é muito conservadora (3).

2 Microestrutura e tenacidade do metal de solda de aços API Até hoje a terminologia dos diversos constituintes presentes em metais de solda dos aços baixa liga, no caso os aços API, não está totalmente padronizada. Na breve descrição apresentada a seguir, será utilizada a terminologia adotada pelo Instituto Internacional de Soldagem (IIW / IIS), baseada fundamentalmente em observações feitas com microscopia ótica e na relação constituintetenacidade (4). Alguns autores trabalhando com aços API puderam observar essas microestruturas (5,6). a) Ferrita Primária de Contorno de Grão - PF(G) É o primeiro produto a se formar na decomposição da austenita, formando-se a taxas de resfriamento muito lento. b) Ferrita Poligonal Intragranular - PF(I) Aparece na forma de grãos, normalmente poligonais, e nucleia quase que exclusivamente no interior dos grãos austeníticos. c) Ferrita Acicular - AF Constituinte que se apresenta na forma de grãos extremamente finos de ferrita não paralelas, nucleando-se no interior do grão da austenita. d) Ferrita com Segunda Fase Alinhada - FS(A) Constituinte formado por grãos grosseiros e paralelos que crescem ao longo de um plano, formando duas ou mais ripas de ferrita paralelas. e) Ferrita com Segunda Fase Não Alinhada - FS(NA) Formada por ferrita circundando microconstituintes ou ripas de ferrita acicular. Não se apresenta em forma paralela como a FS(A). f) Agregado Ferrita-Carboneto - FC Constituinte com estrutura fina de ferrita e carbonetos, incluindo perlita e ferrita com interfaces de carboneto. g) Martensita - M Constituinte formado como produto final de transformação da austenita sob condições de alta taxa de resfriamento e elevado teor de C. MATERIAIS E MÉTODOS O material utilizado neste estudo foi composto por chapas de aços API 5LX Grau 70, com 10,8 mm de espessura. A designação do aço é realizada pela Americam Petroleum Institute (API), especificamente a API 5L. Sua aplicação está voltada para as condições onde resistência mecânica, tenacidade e peso são requisitos principais. Dentre estas cita-se tubulações para gás natural, tubulações para petróleo, estruturas off-shore, etc. A composição química nominal e as propriedades mecânicas do aço API X-70 estão apresentadas na tabela I. Como consumíveis de soldagem foram utilizados eletrodos revestido do tipo AWS E-8010G com 3,25 mm de diâmetro (7). As diferentes microestruturas do metal de solda foram obtidas através de variações na temperatura de pré-aquecimento do metal base, conforme pode ser observado na tabela II, mantendo-se constantes os parâmetros como corrente e velocidade de soldagem. A figura 1 mostra uma representação esquemática de um corpo de prova soldado e preparado para o ensaio Charpy. Figura 1: Representação esquemática do corpo de prova soldado e preparado para o ensaio Charpy.

3 Tabela I: Composição química (% em peso) e propriedades mecânicas do aço API X-70. Material API X-70 C-0,10 Mn-1,60 Al-0,02 P-0,015 Nb-0,04 V-0,06 Lim. Escoam. ( MPa ) Lim. Resist. ( MPa ) Tabela II: Diferentes condições de pré-aquecimento dos corpos de prova. Corpos de Prova Temperatura do Metal Base ( C) ER-01 0 ER ER Corpos de prova soldados O procedimento de soldagem adotado para a obtenção dos corpos de prova foi através da variação da temperatura de pré-aquecimento, isto é, metal de base a 0 C, com pré-aquecimento de 150 C e pré-aquecimento de 300 C. Os parâmetros utilizados na obtenção dos corpos de prova estão descritos a seguir. - posição de soldagem plana, passe único - arame AWS E8010G com 3,25 mm de diâmetro - corrente contínua com eletrodo positivo, 100 A - soldagem de juntas de topo, chanfro V 60 - Velocidades de soldagem = 100 mm/min Análise Metalográfica do Metal de Solda As juntas soldadas foram cortadas transversalmente em relação à direção de soldagem sendo posteriormente lixadas até lixas 1200 e polidas com alumina de 1,0 a 0,05 µm. O ataque químico da superfície foi obtido através de solução com reagente Nital 2 %. A caracterização dos constituintes microestruturais via microscopia ótica foi obtida inicialmente com aumentos de 500 e 1000 X, utilizando-se um banco metalográfico NEOPHOT-21. A metalografia quantitativa foi realizada de acordo com o guia do IIW Subcomissão IXJ, onde se recomenda um aumento de 500 X e o uso de 1000 pontos. Os constituintes microestruturais foram classificados em: Ferrita Primária-PF, Ferrita Acicular-AF, Ferrita com Segunda Fase-FS, Agregado Ferrita-Carboneto- FC e Martensita-M, os quais são apresentados de forma quantitativa na tabela-3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Em função das diferentes taxas de resfriamento do metal de solda, do aço API X-70, obtido através do processo de soldagem por eletrodo revestido, do tipo AWS E-8010G, observou-se que a decomposição da austenita gerou diferentes tipos de microestruturas, as quais são apresentadas a seguir, seguindo-se a nomenclatura mais aceita internacionalmente para identificação desses microconstituintes, que é a proposta pelo documento do IIW.

4 As microestruturas observadas no presente trabalho, através de microscopia ótica, confirmam a complexidade metalúrgica do metal de solda ferrítico. A variação da temperatura de pré-aquecimento do metal de solda alterou substancialmente as tendências microestruturais encontradas a baixa temperatura. Através da tabela III, é possível observar que houve alteração das frações volumétricas dos constituintes microestruturais do metal de solda, principalmente a ferrita acicular (AF) e a ferrita com segunda fase (FS). Tabela III: Constituintes microestruturais e energia de impacto Charpy (J) da região colunar do metal de solda. Amostras PF (%) AF (%) FS(%) FC (%) Energia absorvida (J) ER ER ER A ferrita primária de contorno de grão - PF(G) apareceu em todas as condições, principalmente no corpo de prova ER-03, obtido com baixa taxa de resfriamento, foi o constituinte de mais fácil identificação do metal de solda devido ao seu aspecto claro e liso, sempre na forma de veios, delineando o contorno de grão colunar da austenita prévia, e, portanto conferindo-lhe uma forma alongada. A ferrita poligonal intragranular PF(I) apareceu nos corpos de prova ER-02 e ER-03, na forma de grãos, normalmente poligonais, nucleando-se exclusivamente no interior dos grãos austeníticos, presumivelmente em inclusões ou outros sítios de nucleação heterogênea, ocorrendo nas situações onde as taxas de resfriamento foram lentas. A ferrita acicular apareceu em todos os corpos de prova soldados, conforme se pode constatar na tabela III, tendo maior incidência na amostra ER-02. Apareceu na forma de grãos extremamente finos de ferrita não paralela, separadas por contornos de alto ângulo, nucleando-se sempre no interior do grão da austenita prévia sob taxas de resfriamento mais elevadas do que a ferrita primária. Apareceu também na forma de ripas isoladas de elevada razão de aspecto. A ferrita com segunda fase alinhada FS(A) apareceu na forma de grãos grosseiros e paralelos, crescendo sempre ao longo de um plano bem definido, formando duas ou mais ripas de ferrita paralelas. A nucleação da FS(A) ocorreu no contorno de grão austenítico, sua predominância foi maio na amostra ER-01, a qual sofreu elevada taxa de resfriamento. A ferrita com segunda fase não alinhada FS(NA) teve pouca incidência, sempre próxima à ripas de ferrita acicular. Observou-se pequena quantidade de agregados ferrita-carboneto, somente nas amostras ER-02 e ER-03, os quais foram detectados fora dos contornos do grão da austenita, apresentando-se como um constituinte de aparência escura, pois sua estrutura interna apresentou uma resolução abaixo da obtida por microscopia ótica. Analisando-se as figuras 2, 3 e 4 com aumento de 500 X, juntamente com a tabela III, podese observar o efeito da temperatura do metal de base na formação da microestrutura do metal de solda e na tenacidade resultante. Na figura 2 onde o metal de base foi mantido a 0 C, observou-se uma microestrutura composta com alta fração volumétrica de ferrita com segunda fase alinhada FS(A) e ferrita de contorno de grão PF(G). Esse tipo de microestrutura é indesejável para o metal de solda, pois apresenta baixa resistência à propagação de trincas e conseqüentemente um baixo valor de energia absorvida. Analisando a figura 3, onde o metal de base sofreu um pré-aquecimento de 150 C, observa-se que ocorreu uma redução da fração volumétrica da ferrita com segunda fase (FS) acompanhado da formação de grande quantidade de ferrita acicular (AF), mostrando que um préaquecimento é suficiente para alterar a microestrutura do metal de solda e melhorar sua tenacidade. A micrografia apresentada na figura 4, onde o metal de base sofreu um pré-aquecimento de 300 C, mostra que ocorreu uma ligeira redução da fração volumétrica da ferrita acicular (AF) e conseqüente aumento da ferrita primária (PF) devido às baixas taxas de resfriamento e como conseqüência houve uma redução da energia de impacto absorvida.

5 Figura 2: Micrografia do metal de solda da amostra ER-01 obtida por microscopia ótica. Aumento 500 X. Ataque nital 2 %. Figura 3: Micrografia do metal de solda da amostra ER-02 obtida por microscopia ótica. Aumento 500 X. Ataque nital 2 %. 10 µm Figura 4: Micrografia do metal de solda da amostra ER-03 obtida por microscopia ótica. Aumento 500 X. Ataque nital 2 %.

6 CONCLUSÔES As diferentes temperaturas do metal de base, conseqüentemente diferentes taxas de resfriamento do metal de solda do aço API X-70, resultou em alterações significativas na microestrutura. Metal de base, sem pré-aquecimento, favoreceu a formação dos constituintes microestruturais de baixa temperatura de transformação, como a FS(A), formando uma junta soldada de baixa tenacidade. Com o pré-aquecimento de 150 C favoreceu-se a formação de ferrita acicular, reduzindo, portanto a ferrita com segunda fase e conseqüentemente aumentando a tenacidade. Com o pré-aquecimento de 300 C reduziu-se a fração volumétrica de ferrita acicular, aumentando, portanto a fração de ferrita primária e reduzindo a tenacidade. REFERÊNCIAS 1. KIRKWOOD,P.R.; TAIT,W.P. Developments in welding consumables for the seam welding of high strength X70 line pipe, Paper 33 IIW, pp AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE Specification for Line Pipe 5L. API, Washington, April, 1995, 25p. 3. WIDGERY, D. Line pipe welding beyond 2000, Svetsaren, vol. 54, 1999, pp DOLBY,R.E. (1986) Guidelines for classification of ferritic steel weld metal microstructural constituents using the light microscope, Welding in the World, Vol. 24, No 7/8, pp ALBARRAN,J.L.; LOPEZ,H.F.; MARTINEZ,L. Crack growth in a micro alloyed steel under sulfide stress cracking conditions, Journal of Materials Engineering and Performance, v.7, ORTEGA.L. P. C. Efeito da adição de Ti e B na tenacidade do metal de solda obtido por arco submerso em juntas de dois passes. Tese de Mestrado, COPPE/UFRJ, AMERICAN WELDING SOCIETY Specification for Low Alloy Steel Covered Arc Welding Electrodes AWS A5.5, Miami, USA, MICROSTRUCTURE / IMPACT TOUGHNESS RELATIONSHIP OF API X-70 STEEL WELDED BY AWS E8010-G STICK * D. V. Bubnoff, ** V. A. Ventrella * Pos-Graduation Student of DEM / UNESP. ** Professor of DEM / UNESP (ventrela@dem.feis.unesp.br) UNESP / Mechanic Engineering Department Phone: (018) Av. Brasil Centro 56 - Ilha Solteira SP - CEP ABSTRACT The present work has been studied the API X-70 steel weld metal (Minimum Yield Strength 480 Mpa) welded by Shielded Metal Arc Welding, in different cooling rates, using AWS E8010G stick. The microstructures were characterized by optical microscopy, to qualitative and quantitative analysis of the micro structural constituents, present in transversal welded samples. Impact Charpy V tests showed that API X-70 steel weld metal cooling rate is related with weld metal microstructure obtained and, good toughness is related to high volume fraction of acicular ferrite. Important scientific and technologic contributions were obtained with this work since API X-70 steel is largely used in petroleum industry, like Bolivia-Brazil pipeline, showing high tensile strength with good weldability and low inclusions level. Key words: welding, microstructure, toughness, weld metal and API steel.