Renata Garcia de Miranda Gonçalves Correlação entre Microestrutura e Propriedades Mecânicas em Metal de Solda com DiferentesTeores de Mn, Submetido a Tratamentos Térmicos Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pósgraduação em Engenharia Metalúrgica do Departamento de Ciências dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio. Orientadora: Profª. Ivani de Souza Bott Rio de Janeiro Setembro de 2002
Renata Garcia de Miranda Gonçalves Correlação entre Microestrutura e Propriedades Mecânicas em Metal de Solda com DiferentesTeores de Mn, Submetido a Tratamentos Térmicos Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pósgraduação em Engenharia Metalúrgica do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Profª. Ivani de Souza Bott Orientadora Departamento de Ciências dos Materiais - Puc-Rio Prof.: Luís Felipe Guimarães de Souza, D.Sc. Departamento de Mecânica - CEFET Prof.: Jorge Carlos Ferreira Jorge, D.Sc. Departamento de Mecânica - CEFET Prof.: Ney Augusto Dumont Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio Rio de Janeiro, 30 de setembro de 2002
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e da orientadora. Renata Garcia de Miranda Gonçalves Graduou-se em Engenharia Mecânica (CEFET) em 1987, Técnica em Metalurgia (UFJF) em 1980. Gonçalves, Renata Garcia de Miranda Ficha Catalográfica Correlação entre Microestrutura e Propriedades Mecânicas em Metal de Solda com Diferentes Teores de Mn, Submetido a Tratamentos Térmicos / Renata Garcia de Miranda Gonçalves; orientadora: Ivani de Souza Bott Rio de Janeiro: PUC, Departamento de Ciências dos Materiais e Metalurgia, 2002. V. 104.p.:il., 29,7cm 1. Dissertação (Mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Ciências dos Materiais e Metalurgia. Inclui referências bibliográficas. 1. Metal de solda. 2. 2,25%Cr-1,0%Mo. 3. eletrodo revestido. 4. solda multipasse. 5. tratamento póssoldagem. 6. tratamento de step-cooling. I. Bott, Ivani S. (Ivani de Souza). II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Ciências dos Materiais e Metalurgia. III. Título.
Para meus filhos, Gustavo, Paula e Flávia, pelo apoio e incentivo.
Agradecimentos À minha orientadora Professora Ivani de Souza Bott pelo estímulo e parceria para a realização deste trabalho. À Capes e à PUC-Rio, pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não poderia ser realizado. Aos meus filhos pelo apoio, incentivo, compreensão e carinho de todas as horas. À minha boa amiga Sara por todo apoio. Aos meus colegas da PUC-Rio. Aos professores que participaram da Comissão examinadora. A todos professores e funcionários do Departamento (em especial aos amigos Lusinete e Marcos Henrique) pelos ensinamentos e pela ajuda. À Estela Surian pela fabricação dos eletrodos, amizade e apoio. Ao professor Luís Felipe Guimarães Souza (D.Sc.), do CEFET-RJ, pelo apoio nos testes. Ao Senai pelas soldas executadas, em especial ao soldador Geraldo. À CSN pelo resultado da composição química. A todos os amigos e familiares que de uma forma ou de outra me estimularam ou me ajudaram.
Resumo Gonçalves, Renata Garcia de Miranda; Bott, Ivani de Souza. Correlação entre Microestrutura e Propriedades Mecânicas em Metal de Solda com DiferentesTeores de Mn, Submetido a Tratamentos Térmicos. Rio de Janeiro, 2002. 104p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Tradicionalmente, tanto os metais de solda, quanto os aço da classe Cr-Mo, são considerados susceptíveis ao fenômeno de fragilização ao revenido. O presente trabalho tem como objetivo avaliar metais de solda do tipo 2,25%Cr- 1,0%Mo com diferentes teores de Mn (0,4% 1,1%) obtidos pelo processo de eletrodo revestido submetidos aos tratamentos térmicos de alívio de tensões (TTAT), de step-cooling (TTSC) e TTAT seguido de TTSC. Verificou-se através de ensaios de impacto Charpy-V que o TTAT, promoveu um ganho de tenacidade e resistência para teores de Mn entre 0,9% 1,1%, enquanto que a aplicação do TTSC não promoveu mudanças significativas na tenacidade para todos os teores estudados. Observou-se que, as variações microestruturais em função dos tratamentos térmicos aplicados para uma estrutura predominantemente bainítica, detectáveis por microscopia eletrônica de varredura, foram pequenas para os teores de Mn estudados. A utilização dos índices tradicionais como o fator X, fator PE e fator J de susceptibilidade à fragilização se mostrou incompatível com as respostas obtidas nos ensaios de impacto dos metais de solda avaliados, sugerindo a necessidade de uma revisão dos fatores para a avaliação da tendência para a fragilização ou mesmo considerar que os materiais atualmente produzidos não sejam mais susceptíveis ao fenômeno fragilização ao revenido mesmo após tratamentos térmicos de alívio de tensões. Palavras Chave Metal de solda; 2,25%Cr-1,0%Mo; eletrodo revestido; solda multipasse;. tratamento pós-soldagem; tratamento de step-cooling.
Abstract Gonçalves, Renata Garcia de Miranda. Bott, Ivani de Souza (Advisor).. Microstructure and Mechanical Properties Correlations For HeatTreated Steel Weld Metals with different Mn Contents. Rio de Janeiro, 2002. 104p. MSc. Dissertation - Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Traditionally, both Cr-Mo class steels and the weld metals produced in joining such materials have been considered to be susceptible to the phenomenon of temper embrittlement. The current study evaluates 2,25%Cr-1,0%Mo type weld metals with varying Mn levels (0,4% 1,1%), produced using coated electrodes with an SMAW process. The welded joints were subjected to three types of heat treatment; either stress relief annealing, or step cooling or stress relief annealing and step cooling. Charpy-V impact testing results indicated a gain in toughness and tensile strength for materials with Mn levels in the 0,9% to 1.1% range, and that the step cooling alone did not cause any appreciable changes in toughness for any of the Mn levels studied. Furthermore, scanning electron microscopy revealed that the bainitic microstructure of the materials studied was relatively little affected by the applied heat treatments. The values obtained for the traditional embrittlement indexes, X -Factor, PE-Factor and J-Factor were observed to be inconsistent and incompatible with the actual quantified impact behaviour of the weld metals investigated. This would suggest that a reevaluation of these traditional embrittlement indexes should be considered. The temper embrittlement susceptibility of steels of this type as they are currently manufactured may, in this way, come to be considered much lower than would otherwise be the case, even after post weld heat treatments. KeyWords Weld metal; 2,25%Cr-1,0%Mo; SMAW; multipass weld; post weld heat treatment; step-cooling.
Sumário 1 Introdução 15 2 Revisão Bibliográfica 17 2.1 Caracterização Metalográfica em Metal de Solda Cr-Mo 17 2.2 O Fenômeno da Fragilização pelo Revenido 22 2.2.1 Influência da Composição Química 22 2.2.2 Influência dos Tratamentos Térmicos 24 2.3 Parâmetros de Susceptibilidade à Fragilização 25 2.4 Tratamento Térmico de Step-Cooling (TTSC) 30 2.5 Efeito dos Elementos de Liga 32 2.5.1 Carbono (C) 33 2.5.2 Cromo (Cr) 35 2.5.3 Molibdênio (Mo) 35 2.5.4 Fósforo (P) 35 2.5.5 Niquel (Ni) 36 2.5.6 Manganês (Mn) 37 2.5.7 Silício (Si) 38 2.5.8 Enxofre (S) 39 2.6 Influência do Processo de Soldagem 40 3 Materiais e Procedimentos Experimentais 42 3.1 Materiais Utilizados 42 3.2 Procedimento Experimental 44 3.3 Análise Química 45 3.4 Tratamentos Térmicos 46 3.5 Ensaios Mecânicos 47 3.5.1 Ensaio de Impacto Charpy-V 47 3.5.2 Ensaio de Tração 49 3.5.3 Ensaio de Microdureza HV 50 3.5.4 Ensaio Metalográfico 51
3.5.5 Ensaio Macrográfico 51 3.5.6 Ensaio Fratográfico 52 4 Resultados Experimentais 53 4.1 Soldagem 53 4.2 Análise Química 53 4.3 Ensaios Mecânicos 55 4.3.1 Ensaio de Impacto Charpy-V 55 4.3.1.1 Influência do Tratamento Térmico na Tenacidade 56 4.3.1.2 Influência do Teor de Mn sobre os Tratamentos Térmicos 61 4.3.2 Ensaio de Tração 64 4.3.3 Ensaio de Microdureza 67 4.3.4 Análise Fratográfica 70 4.3.4.1 Para ensaio Charpy-V, variando os tratamentos térmicos e a porcentagem de Mn 70 4.3.4.2 Para ensaio de tração, variando os tratamentos térmicos e a porcentagem de Mn 75 4.3.5 Ensaios Metalográficos 76 4.3.5.1 Macrografia 76 4.3.5.2 Microscopia Ótica (MO), variando os tratamentos térmicos e a porcentagem de Mn 76 4.3.5.3 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), variando os tratamentos térmicos e a %Mn 81 5 Discussão 88 5.1 Susceptibilidade à Fragilização 89 5.2 Influência do teor de Mn e Tratamentos Térmicos 92 5.2.1 Correlação entre Energia Charpy-V, Teores de Mn e Tratamentos Térmicos 93 5.2.2 Microdureza 94 5.2.3 Ensaio de Tração 95 6 Conclusão 97
7 Referências bibliográficas 98
Lista de tabelas Tabela 1 Terminologia dos Constituintes Microestruturais no Metal de Solda [7]. 21 Tabela 2 - Composição química de depósito do eletrodo puro. 42 Tabela 3 Composição química para os eletrodos E9018-B3 e E8018-B3L (elementos químicos dados em peso percentual ) 43 Tabela 4 - Propriedades mecânicas do metal de solda depositado (E9018- B3 e E8018-B3L) 43 Tabela 5 - Tipo de revestimento, posições de soldagem e tipo de corrente utilizada para metal de solda depositado (E9018-B3 e E8018-B3L) 43 Tabela 6- Parâmetros de Soldagem 45 Tabela 7 Tratamentos Térmicos realizados 46 Tabela 8 - Composição química dos metais de solda depositado (% em peso) 54 Tabela 9 - Resultados do Ensaio de Impacto Charpy-V. 56 Tabela 10 - Resultados dos ensaios de tração 64 Tabela 11 Valores obtidos para o Ensaio de Microdureza Vickers (HV)68 Tabela 12 - Avaliação dos índices de fragilização J e X. 89 Tabela 13 Correlação entre os valores obtidos em ensaios e os valores esperados na proposta de BRUSCATO [22]. Os valores de energia a 10 C na condição TTAT foram retirados das Figura 18 a Figura 21. 91 Tabela 14 - Comparação do limite de resistência e escoamento na condição de CS e TTAT para teores de Mn entre 0,9 e 1,1%, valores dados em Mpa, retirados da tabela 10. 95 Tabela 15 - Comparação do alongamento obtido na condição de CS e TTAT+TTSC para 0,4 e 0,6%Mn, valores em %, retirados da tabela 10. 95 Tabela 16 - Efeito do TTAT e TTAT+TTSC nas propriedades mecânicas do aço 2,25%Cr-1,0%Mo, com TTAT à temperatura de 690 C por 20h [73]. 96
Lista de figuras Figura 1 Diferentes regiões presentes em metal de solda obtido em solda multipasse. (1) RGC região de grão colunar, (2) RGG - região de grão grosso e (3) RGF região de grão fino. 17 Figura 2 - Diagrama CCT para 0,1% C no aço 2,25%Cr-1,0%Mo []. 19 Figura 3 Comparação das microestruturas como soldadas de diferentes teores de C no metal de solda, aumento: 10.000X MEV [11]. 20 Figura 4 - Efeito da composição química na energia de impacto Charpy - V, a 10 C, de metal de solda de aços 2,25%Cr-1,0%Mo após TTSC, fragilizado ao revenido [23]. 26 Figura 5 - Efeito da composição química na energia de impacto Charpy - V, a 0 C, de metal de solda de aços 2,25%Cr-1,0%Mo após TTAT [23]. 27 Figura 6 Dependência da Temperatura de Transição com a composição química para metal de solda depositado por eletrodos revestidos e arco submerso [23]. 28 Figura 7 Efeito do teor de Mn na tenacidade de metal de solda 2,25%Cr- 1,0%Mo após TTSC e após TTSC. O teor de Si do consumível é de aproximadamente 0,30% [24]. 30 Figura 8 - Ciclo térmico padrão do tratamento de step-cooling (TTSC) [19]. 32 Figura 9- Diagrama de resfriamento contínuo (CCT) do aço 2,25%Cr- 1,0%Mo [8]. 33 Figura 10 Esquema de montagem das chapas para soldagem com eletrodos revestidos seguindo a metodologia de trabalhos anteriores. (cotas em mm) 44 Figura 11 - Esquema do ciclo térmico do tratamento de step-cooling utilizado [19]. 47 Figura 12 - Esquema de retirada do corpo-de-prova para ensaio Charpy - V (cotas em mm). 48 Figura 13 Perspectiva mostrando o posicionamento dos corpos-deprova de Charpy-V, em relação aos cordões de solda. 48
Figura 14 - Geometria do corpo-de-prova de tração (cotas em mm). 49 Figura 15 Perspectiva mostrando o posicionamento dos corpos-deprova de tração MINITRAC, em relação aos cordões de solda. 49 Figura 16 - Detalhe mostrando as regiões do metal de solda onde foi realizado o ensaio de microdureza Vickers (cotas em mm). 50 Figura 17 - Aspecto da junta soldada obtida pelo processo de eletrodo revestido. 53 Figura 18 - Energia absorvida x temperatura para 0,4%Mn. 57 Figura 19 - Energia absorvida x temperatura para 0,6%Mn. 58 Figura 20 - Energia absorvida x temperatura para 0,9%Mn. 59 Figura 21 - Energia absorvida x temperatura para 1,1%Mn. 60 Figura 22 - Energia absorvida x porcentagem de Mn à 0 C 61 Figura 23 - Energia absorvida x porcentagem de Mn à 22 C. 62 Figura 24 - Energia absorvida x porcentagem de Mn à 60 C. 63 Figura 25 - Limite de resistência x porcentagem de Mn. 65 Figura 26 - Limite de escoamento x porcentagem de Mn. 65 Figura 27 - Alongamento x porcentagem de Mn. 66 Figura 28 - Redução de área x porcentagem de Mn. 67 Figura 29 - Microdureza Vickers x porcentagem de Mn. 69 Figura 30 Superfícies de fratura dos corpos-de-prova de impacto Charpy-V ensaiados à 0, 22 e 60, com 0,4%, 0,6%, 0,9% e 1,1%Mn, na condição de CS, observados por MEV. 71 Figura 31 - Superfícies de fratura dos corpos-de-prova de impacto Charpy-V ensaiados à 0, 22 e 60, com 0,4%, 0,6%, 0,9% e 1,1%Mn, na condição de TTAT, observados por MEV. 72 Figura 32 Superfícies de fratura dos corpos-de-prova de impacto Charpy-V ensaiados à 0, 22 e 60, com 0,4%, 0,6%, 0,9% e 1,1%Mn, na condição de TTSC, observados por MEV. 73 Figura 33 - Superfícies de fratura dos corpos-de-prova de impacto Charpy-V ensaiados à 0, 22 e 60, com 0,4%, 0,6%, 0,9% e 1,1%Mn, na condição de TTAT+TTSC, observados por MEV. 74 Figura 34 -Superfícies de fratura dos corpos-de-prova de tração- MINITRAC, com 0,4%Mn, nas condições de CS, TTAT, TTSC e
TTAT+TTSC, observados por MEV. 75 Figura 35 Aspecto macrográfico de uma das juntas soldadas. Ataque nital 5%. 76 Figura 36 - Aspecto microestrutural dos metais de solda 0,4; 0,6; 0,9 e 1,1%Mn na condição de: CS observados por MO. Ataque: nital 2%. Aumento: 500x. 77 Figura 37 - Aspecto microestrutural dos metais de solda 0,4; 0,6; 0,9 e 1,1%Mn na condição de: TTAT observados por MO. Ataque: nital 2%. Aumento: 500x 78 Figura 38 - Aspecto microestrutural dos metais de solda 0,4; 0,6; 0,9 e 1,1%Mn na condição de: TTSC observados por MO. Ataque: nital 2%. Aumento: 500x 79 Figura 39 - Aspecto microestrutural dos metais de solda 0,4; 0,6; 0,9 e 1,1%Mn na condição de: TTAT+TTSC observados por MO. Ataque: nital 2%. Aumento: 500x 80 Figura 40 - Aspecto microestrutural dos metais de solda com Mn 0,4%, 0,6%,0,9% e 1,1%, na condição de CS, observados por MEV.Ataque: nital 2%. 82 Figura 41 -Aspecto microestrutural dos metais de solda com Mn 0,4%, 0,6%,0,9% e 1,1%,na condição de TTAT observados por MEV. Ataque: nital 2% 83 Figura 42 - Aspecto microestrutural dos metais de solda com Mn 0,4%, 0,6%, 0,9% e 1,1%, na condição de: SC, observados por MEV. Ataque: nital 2%. 84 Figura 43 - Aspecto microestrutural dos metais de solda com Mn 0,4%, 0,6%, 0,9% e 1,1%,na condição de:ttat+sc, por MEV.Ataque:nital 2%.85 Figura 44 Microestrutura predominantemente bainítica observada por MO. Ataque: nital-picral. [2]. 86 Figura 45 Microestrutura predominantemente bainítica observada por MEV. Ataque: nital 2%. [2]. 87 Figura 46 - Efeito da composição química na energia de impacto Charpy V, à 10 C, de metal de solda de aços 2,25%Cr-1,0%Mo após TTSC, fragilizado ao revenido [22]. 91