RELAÇÃO ENTRE A ENERGIA CHARPY E A DUTILIDADE ATRAVÉS DA ESPESSURA DO AÇO API 5L X80 Aluno: José Carlos Benatti Neto Orientadora: Ivani de S. Bott Co Orientadora: Adriana F. Ballesteros Introdução Aços modernos produzidos por laminação controlada são utilizados em estruturas offshore, dutos e vasos de pressão para citar alguns. O processo de laminação controlada permite a obtenção de aços com alta resistência, alta tenacidade a fratura e boa soldabilidade. Embora estes aços possuam tensão de escoamento e tenacidade ao impacto apropriado, quando ensaiados em tração e por impacto Charpy apresentam na superfície de fratura uma trinca central longitudinal. Esta observação está associada a (through-thickness) ductilidade e a resistência a trincas induzidas pelo hidrogênio. Este tipo de ductilidade é importante porque aços com baixa ductilidade são susceptíveis a decoesão lamelar. O comportamento em fratura, de um modo geral é dependente da temperatura, no entanto fatores como, taxa de deformação, espessura da amostra e estado de tensões. Trinca de delaminação únicas ou múltiplas tem sido encontrada tanto em amostras de tamanho reduzido obtidas para análise laboratorial como em amostras de tamanho real. A ductilidade é uma propriedade dependente do volume do material analisado (das dimensões do CP) e da direção de solicitação (anisotropia). No caso da expressão through-thickness-ductility esta é a medida da ductilidade considerando a medida ao longo da espessura do componente (eixo Z) utilizado para determinar tendência para decoesão lamelar em chapas laminadas. A presença destas trincas podem ser observadas tanto em ensaio de tração como em ensaios de impacto Charpy, e como neste ensaio de impacto é medida a energia absorvida, é interessante observar se o número de trincas está associado a características microestruturais e o quanto a presença destas trincas pode influenciar a quantidade de energia absorvida. Objetivo Correlacionar a presença de trincas de delaminação com a energia Charpy e características microestruturais. Metodologia Caracterização metalográfica utilizando microscopia óptica e eletrônica de varredura para identificação do microconstituinte AM associado a propagação de trincas de delaminação em ensaio de impacto charpy. Análise de imagens para contagem dos constituintes AM. Página 1
Material e Métodos O tubo tipo API 5L X80 com composição química e valores de carbono equivalentes apresentados na tabela 1, foi fabricado pelo processo UOE, isto é, primeiro dobra-se a chapa em U, depois conforma-se a mesma em O. Em seguida é realizada a soldagem pelo processo de arco submerso, sendo o primeiro passe interno e o segundo externo. A fabricação é finalizada quando o tubo é submetido a uma expansão ( E ), para ajustar seu diâmetro. Tabela 1 Composição Química do Aço APIX80 Elementos (% em peso) C Mn Si Nb V Ti Mo Cr Cu Ceq (IIW) Ceq (Pcm) Nb+V+Ti 0,05 1,76 0,17 0,066 0,025 0,016 0,20 0,15 0,02 0,42 0,17 0,11 Elementos (em ppm) P S Sn As B Ca Ni N Al 160 20 20 20 3 30 200 57 350 As amostras analisadas foram retiradas de diferentes regiões do tubo (Tabela 1) após o mesmo ter sido curvado a quente. A Figura 1, mostra de forma esquematica as regiões originadas pelo curvamento do mesmo. Linha Neutra Figura 1 Esquema de regiões de um tubo após curvamento Página 2
Tabela 1 Identificação dos Corpos de Prova por região do tubo Curvado CRL (região1) Corpo de prova Charpy Longitudinal do trecho reto CRT (região 1) Corpo de prova Charpy Transversal do trecho reto CZNT Corpo de Prova Charpy Transversal da Zona de Transição da Linha Neutra (oposta à solda na curva) Neste estágio do trabalho foram selecionados para a análise vinte (4) corpos de prova conforme Tabela 1. As amostras foram ensaiadas em teste de impacto Charpy e codificadas. Onde o número que precede a identificação representa a temperatura de ensaio. Os corpos de prova foram ensaiados por teste de impacto Charpy a temperatura de 0 ºC. O objetivo foi correlacionar a presença do microconstituinte AM no caminho de propagação das trincas de delaminação com a energia Charpy. Resultados Contagem do microconsituinte AM Os corpos de prova das amostras do tubo API 5L X80 retirados nas duas direções longitudinal e transversal, e ensaiados no teste de impacto Charpy a 0 0 C, foram cortados pelo processo de eletro-erosão na direção perpendicular á propagação da fratura (dividindo a superfície de fratura Charpy em duas partes) e com uma profundidade de um centímetro. Após este processo de corte com eletro-erosão, uma parte dos corpos de prova foi destacada com corte por processo mecânico na máquina de corte Struers com disco de 125 milímetros de diâmetro e 0,3 milímetros de espessura A porcentagem de microconstituinte Austenita-Martensita (AM) foi contada utilizando ferramentas manuais do sofware Axiovision (Release 4.7.1/ 08-2008). O procedimento consiste em fazer uma divisão das micrografias adquiridas por MEV com aumento de 1000 vezes, em três (3) áreas de 750 micrômetros quadrados para um total de 2250 micrômetros quadrados de área avaliada em cada imagem capturada. Para os corpos de prova ensaiados na temperatura de 0 C existe variação na percentagem do microconstituinte AM numa faixa de 4 a 6 % (tabela 2), porém energia absorvida não mostra uma tendência (Figura 2). Página 3
Energia Charpy a 0C (J) 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 % Constituinte AM Figura 2 Microconstituinte AM vs. Energia absorvida a temperatura de 0 C Tabela 2 Porcentagem de AM para o teste de impacto Charpy a temperatura de 0ºC. Corpo de prova Temperatura de ensaio percentagem AM % erro Percentagem Ferrita e carbetos Energía (J) Total Delaminações CRL 01 0 4 ± 0,48 Balance 225,36 11 CZNT 01 0 5 ± 0,13 Balance 144,91 29 CRT 01 0 5 ± 0,13 Balance 143,47 18 CZNT 02 0 6 ± 0,31 Balance 208,22 26 De modo a se buscar uma verificação da quantificação do microcosntituinte AM, foi realizado um ataque especial para revelar este microconsituinte por microscopia ótica para a comparação dos resultados acima mencionados. Contagem do Microconstituinte AM por microscopia ótica As amostras utilizadas foram CRL 01, que corresponde ao corpo de prova Charpy longitudinal do trecho reto, do tubo curvado, CZNT 01, que corresponde ao corpo de prova Charpy Transversal da zona de transição da região da Linha Neutra (oposta a solda na curva). Foram utilizados os ataque Lepera modificado, utilizado para observar por microscopia ótica o constituinte AM com mais definição, pois este aparece com uma coloração clara. O pré-ataque Nital 2%, com o tempo de 10 s foi utilizado para revelar os contornos de grão das amostras e o ataque eletrolítico Ikawa também é utilizado porque ele retira preferencialmente carbonetos deixando os microconstituintes AM em alto relevo. A tabela 3 descreve a sequencia de utilização destes ataques (1) Página 4
Tabela 3 Sequência de aplicação dos ataques para revelação de AM (1) Lepera Modificado Ikawa Misto Nital 2% Nital 2% Pré-ataque Reagente I: Lepera modificado Ataque 1 1 g de metabisulfito de sódio diluído em 100 ml de água Reagente II: 4 g ácido pícrico diluído em 100 ml de Ataque 2 etanol. 5 g ácido pícrico + 25g NaOH + 100 ml de água destilada. Ataque eletrolítico (6 Ataque 2 Ikawa V, 30 200 s). Figura 3 - CZNT01 corresponde ao Charpy Transversal da zona de transição da região da Linha Neutra (aumento de 1000X). A seta indica a presença do microconstituinte AM Página 5
Figura 4 - CRL01 corresponde ao Charpy Transversal da zona de transição da região da Linha Neutra (aumento de 1000X) Considerações Finais Foram realizadas análises das superfícies dos caminhos de propagação da trinca por MEV para amostras ensaiadas em teste de imnpacto a 0 o C. A principio não se encontrou uma correlação clara entre a fração de AM e energia Charpy. Foram realizados ataques que permitissem uma contagem de AM por microscopia Ótica, permitindo assim que uma amostragem de área da amostra mais significativa. Embora ainda exista a necessidade de se realizar a determinação da fração volumétrica, é perceptível que ocorre uma maior fração volumétrica de constituinte AM nas regiões de vales do que nos picos, pode ser também observado que existe muita deformação nas regiões de picos. Esta região onde se observa maior concentração de AM está relacionada com a propagação das trincas, pois promovem uma maior concentração de tensões em função da diferença de dureza entre o microconstituinte AM e a matriz (2) Referências [1] Julio Damian Suni Mamani. Quantificação por microscopia Digital do Microconstituinte Austenita- Martensita em Aço de Baixa Liga. 2013. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalurgica e de Materiais) PUC-Rio [2] H. Ikawa, H. Oshige and T. Tanoue, Effect of Martensite - Austenite Constituent on HAZ Toughness of a High Strength Steel, Transactions of The Japan Welding Society, Volume 11, (2) (October 1980) 87-96) Página 6