51 4 Resultados 4.1 Caracterização Microestrutural 4.1.1 Macrografias As macrografias das seis condições de soldagem são mostradas da Figura 21 à Figura 26. O tamanho do ponto de solda pode ser visualmente comparado. O aumento da velocidade de rotação da ferramenta ou do tempo de espera produz um ponto de solda maior. A Figura 21 mostra prontamente três diferentes zonas observadas em uma macrografia da seção transversal. São elas: I zona de mistura, onde a elevada temperatura e alto grau de deformação plástica resultam na mistura metálica das chapas superior e inferior e na recristalização do material. II zona termicamente afetada (ZTA), apesar desta zona não sofrer deformação plástica, a temperatura atinge níveis suficientes para causar mudanças microestruturais. III metal-base, onde o metal não é afetado pelo processo de soldagem e permanece na mesma condição anterior ao processo. Além das três zonas observadas acima, acredita-se na existência de uma zona termomecanicamente afetada (ZTMA) localizada entre a zona de mistura e a ZTA. Porém, não foi possível caracterizá-la macroestrutural e microestrutural devido à pequena extensão desta zona junto ao nível de observação utilizado. A ZTMA é caracterizada por um pequeno grau de deformação plástica e temperatura em níveis suficientes para provocar mudanças microestruturais como a recuperação para alívio de tensões.
52 I III II Figura 21 Macrografia da amostra 1600-2s. Figura 22 Macrografia da amostra 1600-3s. Figura 23 Macrografia da amostra 2000-2s. Figura 24 Macrografia da amostra 2000-3s. Figura 25 Macrografia da amostra 2400-2s. Figura 26 Macrografia da amostra 2400-3s. A extensão do ligamento é ilustrada na Figura 27 e definida como o comprimento (a) da seção resistente da solda. Esta seção é uma coroa circular,
53 como esquematizado nesta figura. O comprimento é medido no diâmetro máximo do ponto de solda e identificado por a na figura abaixo. a Figura 27 Esquema da extensão do ligamento As extensões dos ligamentos são indicadas pelas setas da Figura 21 a Figura 26. Estas não podem ser definidas com clareza em baixo aumento, por isso, são mostrados em maior aumento, na Figura 28, para as condições com tempo de espera de 2 segundos e na Figura 29, para as condições com tempo de espera de 3 segundos. As medidas aproximadas da extensão do ligamento são mostradas nestas figuras. A B C Figura 28 Extensão do ligamento das amostras com tempo de espera de 2s, variando a velocidade de rotação da ferramenta. A: 1600 rpm, B: 2000 rpm e C: 2400 rpm. A B C Figura 29 Extensão do ligamento das amostras com tempo de espera de 3s,
54 variando a velocidade de rotação da ferramenta. A: 1600 rpm, B: 2000 rpm e C: 2400 rpm. A Tabela 5 compara a extensão do ligamento entre as condições de soldagem, onde esta é composta de uma velocidade de rotação da ferramenta e um tempo de espera da mesma. Verifica-se o aumento da extensão do ligamento para o aumento do tempo de espera, em cada condição. Em relação à velocidade de rotação da ferramenta, o maior comprimento do ligamento foi medido para a velocidade de 2000 rpm em ambos os tempos de espera. Tabela 5 Comparação da extensão do ligamento entre as condições soldadas. t e RPM 1600 rpm 2000 rpm 2400 rpm 2 segundos 436,62 µm 554,3 µm 437,9 µm 3 segundos 490,8 µm 569,1 µm 442,2 µm A interface branca que pode ser observada com nitidez na Figura 28a e na Figura 29a, por exemplo, foi observada no MEV, como mostra o destaque da Figura 30. Nesta região foi feito EDS para detectar a presença de zinco advindo do recobrimento bilateral das chapas. A Figura 31 mostra os pontos de EDS feitos na interface e em sua volta. Pode-se observar na Figura 32 os espectros de cada ponto e verificar que há zinco nos pontos da interface (1, 4 e 5). À medida que se afasta da interface, a quantidade de zinco diminui (pontos 3 e 6) e depois desaparece (ponto 2).
55 Figura 30 Localização dos pontos de EDS. Figura 31 Pontos de EDS feitos na interface. Ponto 1 Ponto 2
56 Ponto 3 Ponto 4 Ponto 5 Ponto 6
57 Figura 32 Espectro dos pontos 1 a 6, respectivamente. Foi feito um perfil de EDS para mapear a presença de Zn entre a borda da amostra e a interface, ou seja, verificar a presença de Zn na região onde houve união entre as chapas. O destaque da Figura 33 localiza a Figura 34, que mostra os pontos do perfil onde o ponto 1 representa a borda da amostra e o ponto 5 representa o início da interface. Podem ser observados, na Figura 35, os espectros dos pontos 1 e 5 mostrando que em todos os pontos do perfil não há presença de Zn. Conclui-se, portanto, que na região onde houve união entre as chapas não há presença de Zn. 5 1 Figura 33 Localização do perfil de EDS.
Figura 34 Perfil de EDS. 58
59 Figura 35 Espectro dos pontos 1 e 5, respectivamente. 4.1.2 Micrografias As microestruturas das três zonas de soldagem foram reveladas pelo ataque colorido LePera e são mostradas na Figura 36 para as amostras com tempo de espera de 2s, variando as velocidades de rotação da ferramenta e na Figura 37 para as amostras com tempo de espera de 3s e respectivas velocidades de rotação da ferramenta. Este ataque tinge de azul esverdeado a ferrita, de marrom a bainita e de branco a martensita e a austenita retida. A desvantagem desta técnica é a impossibilidade de distinguir a martensita da austenita retida uma vez que as duas fases são coloridas de branco neste ataque. Entretanto, foi possível observar que: A microestrutura da zona I consiste principalmente de bainita e martensita para todas as condições de soldagem. A microestrutura da zona II é composta por blocos de ferrita, bainita e austenita retida/martensita.
60 A microestrutura da zona III é bem refinada e consiste em matriz ferrítica e segunda fase constituída de bainita e austenita retida. Não há martensita nesta zona devido à deformação plástica insuficiente para transformar austenita retida em martensita. Como mencionado anteriormente, não foi possível caracterizar a ZTMA devido ao nível de magnificação da amostra. Portanto, serão mostradas aqui as microestruturas das zonas que puderam ser analisadas.
61 I II III 2s B C D E F G H I 1600 A 2400 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0621375/CA 2000 Figura 36 Microestruturas das zonas I, II e III da amostra 1600rpm 2s (A,B,C, respectivamente), microestruturas das zonas I, II e III da amostra 2000rpm 2s (D,E,F, respectivamente) e microestruturas das zonas I, II e III da amostra 2400rpm 2s (G,H,I, respectivamente). Todas as amostras foram atacadas com LePera.
62 I II III 3s B C D E F G H I 1600 A 2400 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0621375/CA 2000 Figura 37 Microestruturas das zonas I, II e III da amostra 1600rpm 3s (A,B,C, respectivamente), microestruturas das zonas I, II e III da amostra 2000rpm 3s (D,E,F, respectivamente) e microestruturas das zonas I, II e III da amostra 2400rpm 3s (G,H,I, respectivamente). Todas as amostras foram atacadas com LePera. Além da caracterização utilizando técnica de ataque colorido, foi construído um perfil microestrutural utilizando microscopia óptica e eletrônica de varredura. Como mencionado anteriormente, foram observadas três zonas na amostra. A microestrutura da zona I pode ser observada na Figura 38. Em seguida, uma
63 transição entre as zonas I e II, mostrada na Figura 39. Outra transição entre as zonas II e III foi observada e é mostrada na Figura 40. A Figura 41 mostra a microestrutura da zona III. A mesma seqüência de imagens é mostrada da Figura 42 a Figura 45 para as observações feitas no MEV, utilizando o modo de captura de elétrons secundários. Figura 38 Microestrutura da zona I, praticamente 100% martensítica. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s.
64 F M + B F M/A ret + B Figura 39 Transição microestrutural da zona I para a zona II. Microestruturas compostas de martensita (M), bainita (B), ferrita (F) e austenita retida (A ret ) como indicadas. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s. M/A ret + B F F A ret + B Figura 40 Transição microestrutural da zona II para a zona III. Microestruturas compostas de martensita (M), bainita (B), ferrita (F) e austenita retida (A ret ) como indicadas. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s.
65 F A ret + B Figura 41 Microestrutura da zona III, composta de bainita (B), ferrita (F) e austenita retida (A ret ) como indicado. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s. M Figura 42 Microestrutura da zona I. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s.
66 F M M/A ret + B F Figura 43 Transição microestrutural da zona I para a zona II. Microestruturas compostas de martensita (M), bainita (B), ferrita (F) e austenita retida (A ret ) como indicadas. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s. M/A ret + B F A ret + B F Figura 44 Transição microestrutural da zona II para a zona III. Microestruturas compostas de martensita (M), bainita (B), ferrita (F) e austenita retida (A ret ) como indicadas. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s.
67 A ret + B F Figura 45 Microestrutura da zona III, composta de bainita (B), ferrita (F) e austenita retida (A ret ) como indicado. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s. A partir das imagens do perfil microestrutural capturadas no MEV, foi feito uma quantificação da fração de área de ferrita presente em cada imagem. Os resultados são mostrados da Figura 46 à Figura 49. Vale relembrar que a linha 1 foi feita a 200µm da interface entre as chapas e a linha 2 foi feita a 500µm da interface, isto é, ao longo da meia espessura da chapa superior. Fração de Ferrita (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Distância da Borda (µm) Linha 1 Linha 2 Figura 46 Quantificação de ferrita da amostra 1600 2s.
68 Fração de Ferrita (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Distância da Borda (µm) Linha 1 Linha 2 Figura 47 Quantificação de ferrita da amostra 2000 2s 80 Fração de Ferrita (%) 70 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Distância da Borda (µm) Linha 1 Linha 2 Figura 48 Quantificação de ferrita da amostra 2000 3s
69 Fração de Ferrita (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Distância da Borda (µm) Linha 1 Linha 2 Figura 49 Quantificação de ferrita da amostra 2400 2s Foi feita uma comparação da fração de ferrita entre as velocidades de rotação da ferramenta para um mesmo tempo de espera (2 seg) a partir da linha 1, como mostra a Figura 50. Pode ser observado que a velocidade de 2000 rpm apresentou um patamar inferior maior que as outras velocidades, cujas transições foram mais suaves. Na Figura 51 é mostrada a comparação da fração de ferrita entre os tempos de espera para uma mesma velocidade de rotação da ferramenta (2000 rpm). Pode ser observado um comportamento semelhante para os dois tempos de espera. 80 Fração de Ferrita (%) 70 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Distância da Borda (µm) 1600 rpm 2000 rpm 2400 rpm Figura 50 Comparação da fração de ferrita entre as velocidades de rotação da ferramenta para um mesmo tempo de espera.
70 Fração de Ferrita (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Distância da Borda (µm) 2 seg 3 seg Figura 51 Comparação da fração de ferrita entre os tempos de espera para uma mesma velocidade de rotação da ferramenta. 4.2 Caracterização Mecânica 4.2.1 Ensaio de Microdureza Como mencionado acima, um perfil de microdureza com três linhas de indentações foi feito. As duas primeiras linhas foram feitas a 0,33 mm e 0,66 mm respectivamente da chapa superior da junta soldada. A terceira linha foi feita a 0,40 mm da interface, na chapa inferior. A lacuna observada no perfil representa o furo característico deixado pela ferramenta quando foi retraída. Vale relembrar que o pino mede 5 mm de diâmetro e o ombro mede 15 mm de diâmetro. Um exemplo dos perfis de microdureza obtidos é mostrado na Figura 52. Os perfis de microdureza de cada condição podem ser observados no apêndice.
71 HV500g 600 550 500 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 1ª Linha 2ª Linha 3ª Linha Distância do centro do pino (mm) Figura 52 Perfil de microdureza da amostra 1600-2s. Como há uma diferença microestrutural entre o mesmo ponto nas diferentes linhas e com isso, diferentes valores de dureza, não são aplicados o cálculo das médias, desvio padrão e testes estatísticos para a comparação das amostras. Assim, foram feitas comparações entre as velocidades de rotação da ferramenta, mantendo o mesmo tempo de espera, utilizando cada linha das amostras e podem ser observadas da Figura 53 até a Figura 58. HV500g 600 550 500 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 Distância do centro do pino (mm) 1600 RPM 2000 RPM 2400 RPM Figura 53 Comparação da primeira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 2s e velocidades de rotação da ferramenta variadas.
72 HV500g 600 550 500 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 Distância do centro do pino (mm) 1600 RPM 2000 RPM 2400 RPM Figura 54 Comparação da segunda linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 2s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. HV500g 600 550 500 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 Distância do centro do pino (mm) 1600 RPM 2000 RPM 2400 RPM Figura 55 Comparação da terceira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 2s e velocidades de rotação da ferramenta variadas.
73 HV500g 600 550 500 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 Distância do centro do pino (mm) 1600 RPM 2000 RPM 2400 RPM Figura 56 Comparação da primeira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 3s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. HV500g 600 550 500 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 Distância do centro do pino (mm) 1600 RPM 2000 RPM 2400 RPM Figura 57 Comparação da segunda linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 3s e velocidades de rotação da ferramenta variadas.
74 HV500g 600 550 500 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 Distância do centro do pino (mm) 1600 RPM 2000 RPM 2400 RPM Figura 58 Comparação da terceira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 3s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. Além disso, foram feitas comparações das durezas obtidas para uma mesma linha e mesma velocidade de rotação da ferramenta, variando o tempo de espera, para avaliar a influência deste parâmetro na dureza do material. Estas comparações são exibidas da Figura 59 até a Figura 61 para a amostra com velocidade de rotação de 1600 rpm. Estas comparações também foram feitas para as outras condições e podem ser observados no apêndice. 600 HV500g 550 500 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 Distância do centro do pino (mm) 2 seg 3 seg Figura 59 Comparação da primeira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 1600rpm e tempos de espera variados.
75 HV500g 600 550 500 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 Distância do centro do pino (mm) 2 seg 3 seg Figura 60 Comparação da segunda linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 1600rpm e tempos de espera variados. 600 550 500 HV500g 450 400 350 300 250 200-10 -7,5-5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 Distância do centro do pino (mm) 2 seg 3 seg Figura 61 Comparação da terceira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 1600rpm e tempos de espera variados. 4.2.2 Ensaios de Cisalhamento e Cross-Tension Como mencionado acima, três corpos de prova de cada condição foram testados no ensaio de cisalhamento. Para o ensaio cross-tension, dois ou três
76 corpos de prova foram testados, porém a condição 2400-3s não foi ensaiada. Os resultados dos ensaios são mostrados na Tabela 6. Tabela 6 Cargas máximas de ruptura e médias (N) dos ensaios de cisalhamento e cross-tension Condição Cisalhamento Média Cisalhamento Cross-tension Média Crosstension 4308,23 1553,65 1600 2s 5328,2 4.834,63 1179,9 1366,78 4867,45 6411,78 1533,24 1600 3s 6984,74 6.839,86 1525,02 1529,13 2000 2s 7123,07 6578,62 1682,43 6504,23 6.846,89 1998,02 1791,43 7457,82 1693,84 2351,22 (a) 1644,72 2000 3s 7445,72 5.683,47 1533,06 1588,89 2400 2s 7253,48 6081,53 1513,45 7438,71 6.261,80 1852,06 1706,32 5265,15 1753,45 2400 3s 3777,1 5042,26 4.721,45 5345 Nota: (a) Não foi verificado nenhuma variação experimental que justificasse um valor tão baixo para esta amostra. A carga média obtida nos corpos de prova de cada condição de soldagem no ensaio de cisalhamento foi comparada com a carga média do ensaio cross-tension, como mostra a Figura 62.
77 9000 8000 Cisalhamento (N) Cross-Tension (N) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1600-2s 1600-3s 2000-2s 2000-3s 2400-2s 2400-3s Figura 62 Cargas médias (N) dos ensaios de cisalhamento e cross-tension. Foi feita fractografia dos corpos de prova dos ensaios de cisalhamento. Todas as amostras apresentaram o mesmo aspecto de fratura, observado na Figura 63, com a presença de microcavidades e pequenas inclusões, caracterizando fratura dúctil, como esperado. Figura 63 Fratura dos corpos de prova do ensaio de cisalhamento. Após o ensaio de cross-tension, os corpos de prova foram também analisados no MEV. A região de fratura de um corpo de prova do ensaio é mostrada na Figura 64. Pode-se observar ao lado esquerdo da imagem, a região por onde o pino passou e deixou o furo característico, ao centro, a região de união
78 e ao lado direito, a região de interface entre as chapas, onde não houve união e por isso aparece desfocalizada. A região destacada em azul nesta figura é magnificada na Figura 65, onde observa-se a presença de microcavidades, caracterizando uma fratura dúctil. Esta característica foi observada nos corpos de prova de todas as condições de soldagem. Figura 64 Região da fratura do corpo de prova do ensaio cross-tension. Figura 65 Fratura com presença de microcavidades no ensaio cross-tension.