8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 INFLUÊNCIA DE CICLOS TÉRMICOS NA TENACIDADE DE FRATURA DINÂMICA APARENTE DE CORPOS-DE-PROVA EXTRAÍDOS DE UMA JUNTA SOLDADA DE UM PERFIL METÁLICO ESTRUTURAL Vicente Gerlin Neto¹, Rodrigo Hirayama ¹, Ruís Camargo Tokimatsu¹, Itamar Ferreira², Wyser José Yamakami¹ ¹Universidade Estadual Paulista- UNESP, Faculdade de Engenharia, Avenida Brasil Centro, 56; U, Av. Brasil Centro, 56, Ilha Solteira SP, CEP: 15385000 ²Universidade Estadual de Campinas UNICAMP, Cidade Universitária "Zeferino Vaz", Barão Geraldo - Campinas - SP CEP - 13.083-872 e-mail: gerlinneto@dem.feis.unesp.br, rhirayama@gmail.com e ruis@dem.feis.unesp.br. RESUMO A utilização do aço na construção civil cresceu por possibilitar novas soluções aos projetistas. As estruturas metálicas são encontradas em perfis laminados e soldados. A maior liberdade dimensional é um dos fatores que tornam os perfis soldados uma prática comum embora seu custo de fabricação seja um pouco mais elevado. Propostas que visam à redução de custos nesta fabricação vem sendo pesquisadas. Uma proposta interessante é a utilização de perfis soldados de um lado só. Entretanto, quando se solda desta maneira, dificilmente se consegue penetração total do cordão-de-solda, originando um entalhe entre a aba e mesa do perfil. A combinação de uma microestrutura formada após a solidificação do cordão-de-solda e a presença do entalhe torna esta região vulnerável, favorecendo a nucleação e a propagação de trincas podendo culminar em falhas mecânicas. O presente trabalho tem como principal objetivo estudar a influência da taxa de resfriamento contínuo nas propriedades mecânicas de juntas soldadas de um lado só do aço COS Civil 300, soldado pelo processo arco submerso. O objetivo é, por intermédio de ciclos térmicos, investigar formas de se obter uma microestrutura que possibilite melhorar a tenacidade do cordãode-solda para permitir minimizar o efeito de entalhe sobre a junta soldada. PALAVRAS-CHAVE: tenacidade à fratura dinâmica, propriedade mecânicas, comportamento dinâmico, aço estrutural, solda. INTRODUÇÃO Desde o século XVIII, quando se iniciou a utilização de estruturas metálicas na construção civil até os dias atuais, o aço tem possibilitado aos arquitetos, engenheiros e construtores, soluções arrojadas, eficientes e de alta qualidade. Além desses aspectos são vantagens da utilização de estruturas metálicas liberdade no projeto de arquitetura, maior área útil, flexibilidade, compatibilidade com outros materiais, menor prazo de execução, racionalização de materiais e mão-de-obra, alívio de carga nas fundações, antecipação do ganho, organização do canteiro de obras, precisão construtiva, reciclabilidade e preservação do meio ambiente. Basicamente, com respeito ao processo de fabricação, as estruturas metálicas podem ser encontradas sob duas opções de produto: perfis laminados e perfis soldados. Os perfis laminados são mais baratos. Todavia, a oferta desse tipo de perfil é pequena quanto a variedade e quantidade para atender a demanda do consumo interno. Sobretudo, no
que se refere a perfis de grande porte. É exatamente a necessidade de se obter perfis diferentes dos laminados disponíveis no mercado e a maior liberdade dimensional é que tornam os perfis soldados, obtidos a partir de chapas planas, uma prática bastante comum embora tenham um custo de fabricação um pouco mais elevado. Propostas que visam à redução de custos na fabricação dos perfis soldados de modo a torná-los mais competitivos, vem sendo pesquisadas. Sobre este aspecto, uma proposta que tem se mostrado muito interessante é a implementação de perfis soldados de um lado só. Entretanto, quando se solda de um lado só em um único passe dificilmente se consegue penetração total do cordão-de-solda. Esta falta de penetração origina um entalhe entre a aba e mesa do perfil. A combinação de uma complexa microestrutura formada após a solidificação do cordão-de-solda e a presença do entalhe torna esta região muito vulnerável. Pois, favorece a nucleação e a propagação de trincas que podem culminar em falhas mecânicas. Através de amostras de juntas soldadas que foram submetidas a ciclos térmicos, iniciou-se um processo de investigação dos parâmetros metalúrgicos visando obter a melhor a tenacidade em juntas soldadas. A investigação se deu empregando materiais e tecnologia disponíveis no mercado. Assim, os resultados e informações geradas nesse trabalho, considerados relevantes, podem ser transferidos e aplicados por empresas do setor que acreditam que desta forma estarão agregando valor a seus produtos. MATERIAIS E MÉTODOS Para atingir os objetivos propostos neste trabalho, corpos-de-prova retirados de juntas soldadas foram submetidos a ciclos térmicos. Tais juntas foram preparadas por Soldagem a Arco Submerso (SAS). O metal base utilizado foi o convencionalmente empregado na fabricação de estruturas metálicas soldadas: o aço estrutural COS Civil 300. O arame eletrodo utilizado, consistiu no EL12 classificação AWS A5.17 do fornecedor Belgo Mineira com 2,38 mm de diâmetro. O fluxo utilizado no processo de soldagem foi fornecido pela Lincon Electric, cuja classificação é F7AZ-EL12, sendo um fluxo de característica ativa. Os corpos-de-prova para o ensaio de tenacidade ao impacto foram confeccionados a partir da junta soldada tendo como referência a norma técnica ASTM E-23. Os tratamentos térmicos praticados foram caracterizados por diferentes temperaturas de austenitização, sendo que após a austenitização, os corpos-de-prova foram submetidos a uma das duas rotas de resfriamento: resfriamento contínuo ou resfriamento isotérmico. O detalhamento dos procedimentos adotados serão descrito a seguir: Temperatura e tempo de austenitização: os corpos-de-prova foram austenetizados em uma das três temperaturas: 880, 1000 ou 1225ºC. Qualquer que fosse a temperatura de austenitização, uma vez atingida a temperatura no interior do forno, o tempo de permanência foi de 25 minutos. Resfriamento Contínuo (RC): depois de decorrido 25 minutos em uma das três temperaturas de austenitização, os corpos-de-prova foram resfriados em um dos seguintes meios: em água, ao ar tranqüilo ou no interior do próprio forno, correspondendo, respectivamente, aos tratamentos térmicos de têmpera, normalização e recozimento. Resfriamento Isotérmico (ISO): depois de decorrido o tempo de 25 minutos em uma das três temperaturas de austenitização, os corpos-de-prova foram retirados do forno e rapidamente mergulhados em banho de chumbo mantido aquecido em um forno vertical. Permaneceram mergulhados no banho durante uma hora, numa das cinco seguintes temperaturas: 350, 400, 450, 500 ou 550ºC. Depois foram retirados e resfriados bruscamente em água, mantida a temperatura ambiente. O banho de chumbo teve como principais funções: tornar mais rápido e uniforme o aquecimento dos corpos-de-prova e também atuar como meio protetor contra oxidação. Os ensaios de impacto foram realizados à temperatura ambiente, em um sistema de ensaio PW30 instrumentado e informatizado de impacto Instron Wolpert, do DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS, AERONÁUTICA E AUTOMOBILÍSTICA EESC-USP. O sistema fornece curvas força x tempo, força x deslocamento, energia de impacto x deslocamento, deslocamento x tempo e velocidade x tempo, como também fornece de força, deslocamento, tempo e energia nos eventos de deslocamento global, carga máxima, no inicio de freamento de trinca frágil e instável. O sinal obtido pelo sistema possui muitas ondas interferentes que dificultam a análise dos gráficos, portanto foi criado um procedimento para filtragem do sinal e aquisição dos dados importantes na análise da fratura. Esse procedimento procura filtrar o sinal eliminando entradas interferentes e modificantes. O primeiro passo é realizar a transformada de Fourier, os dados utilizados são a força e o tempo que são encontrados no arquivo fornecido pela Instron Wolpert. O programa irá plotar um gráfico de amplitude por freqüência que será utilizado para determinar a freqüência de corte utilizada no filtro passa baixa. No equipamento utilizado o intervalo discreto é de 0,004 ms, que o programa automaticamente detecta. Na Figura 1 é apresentada o gráfico gerado da amplitude pela freqüência para a junta soldada, os dados em forma de tabelas também são fornecidos pelo programa.
Figura 1 Curva da freqüência pela amplitude de um corpo-de-prova de uma junta soldada do aço COS Civil 300. O próximo passo é aplicar um filtro passa baixa e eliminar entradas interferentes. Para isso foi criado uma rotina computacional. Que realiza a filtragem e identifica os pontos de força máxima, força de escoamento e força de início de trinca. RESULTADOS Após a aplicação do filtro, foram obtidos diversos gráficos filtrados que possibilitaram a visualização e obtenção dos resultados de Energia Absorvida e de Tenacidade à Fratura Dinâmica Aparente (K ID e J ID ), sendo também obtidos os valores de Dureza Vickers. Tabela 1: Valores de Energia Absorvida e Dureza Vickers do cordão-de-solda após resfriamento contínuo Temperatura de Dureza Vickers Tipo de tratamento Energia Absorvida [J] austenitização [ºC] [Kgf/mm2] 1225 44(2)* 192(3)* Têmpera 1000 30(3)* 217(3)* (resf. em água) Normalização (resf. Ao ar) Recozimento (resf. no forno) 880 31(4)* 197(4)* 1225 125(14)* 138(1)* 1000 196(28)* 139(2)* 880 135(18)* 139(2)* 1225 122(20)* 120(2)* 1000 201(111)* 131(2)* 880 152(15)* 135(3)* *Desvio padrão.
Tabela 2: Valores de Tenacidade à Fratura Dinâmica Aparente J ID e K ID do cordão-de-solda após resfriamento contínuo Temperatura de Tipo de tratamento J austenitização [ºC] ID [J/m 2 ] K ID [MPa.m 1/2 ] 1225 213880(46970)* 211(24,58)* Têmpera 1000 191622(35813)* 200(19,49)* (resf. em água) Normalização (resf. ao ar) Recozimento (resf. no forno) 880 131414(19177)* 166(12,22)* 1225 119148(8765)* 158(5,77)* 1000 114493(6483)* 155(4,27)* 880 126062(12884)* 162(8,2)* 1225 96065(6182)* 142(4,29)* 1000 114493(8668)* 155(5,83)* 880 96065 152 *Desvio Padrão Tabela 3: Valores de Energia Absorvida e Dureza Vickers do cordão-de-solda após resfriamento isotérmico. Temperatura de trat. Temperatura de Dureza Vickers Energia Absorvida [J] Isotérmico [ºC] austenitização [ºC] [Kgf/mm 2 ] 1225 126 (6)* 160 (5)* 550 ºC 1000 149 (6)* 161 (1)* (ISO550) 500 ºC (ISO500) 450 ºC (ISO450) 400 ºC (ISO400) 350 ºC (ISO350) 880 154 (20)* 159 (2)* 1225 119 (5)* 172 (6)* 1000 144 (6)* 164 (2)* 880 153 (4)* 160 (5)* 1225 120 (5)* 170 (2)* 1000 141 (3)* 164 (3)* 880 153 (8)* 159 (4)* 1225 116 (4)* 185 (5)* 1000 141 (5)* 168 (2)* 880 142 (12)* 162 (4)* 1225 115 (8)* 185 (7)* 1000 113 (4)* 174 (2)* 880 138 (10)* 160 (2)* *Desvio Padrão Analisando os valores de dureza Vickers Tabela 1 para as três condições de tratamento térmico com resfriamento contínuo é possível verificar que, no recozimento, elevando-se a temperatura de austenitização, há uma ligeira queda no valor da dureza do cordão-de-solda de 135kgf/mm2 a 880ºC para 120kgf/mm2 a 1225ºC. Nas amostras normalizadas os valores de dureza permaneceram praticamente inalterados, por volta de 139kgf/mm2. Entretanto, as amostras temperadas apresentaram um comportamento um pouco mais complexo. Os valores de dureza variaram da seguinte forma: para austenitização a 880ºC o valor médio de dureza foi de 197kgf/mm2, aumentou para 217 kgf/mm2 na amostra austenitizada a 1000ºC, e tornou a diminuir para a austenitização a 1225ºC, para 192kgf/mm2. No caso das tenacidades à fratura elasto-plástica dinâmica J ID e K ID Tabela 2 também para as três condições de tratamento térmico com resfriamento continuo é possível verificar que na normalização, elevando-se a temperatura se observa uma queda no valor da tenacidade à fratura elasto-plástica dinâmica K ID de 126062 J/m 2 a 880 o C para 119948 J/m 2 a 1225 o C. Já os valores de K ID tiveram uma pequena oscilação diminuindo de 162 MPa.m 1/2 a 880 o C para 155 MPa.m 1/2 a 1000 o C e aumentando depois para 158 MPa.m 1/2 a 1225 o C. Nas amostras temperadas os valores de J ID aumentaram junto com o crescimento da temperatura, indo de 131414 J/m 2 a 880 o C para 213880 J/m 2 a 1225 o C e os valores de K ID tiveram o mesmo comportamento, indo de 166 MPa.m 1/2 a 880 o C para 211 MPa.m 1/2 a 1225 o C. Nos tratamentos recozidos, o valor de J ID foi de 96065 J/m 2 a 880 o C e a 1225 o C e variou apenas a 1000 o C indo para 114439 J/m 2, já os valores de K ID aumentaram de 152 MPa.m 1/2 a 880 o C para 155 MPa.m 1/2 a 1000 o C e depois diminuíram para 142 MPa.m 1/2 a 1225 o C. Para os resfriamentos isotérmicos, na Tabela 3 vemos os valores de Energia Absorvida e de Dureza Vickers encontra-se, na temperatura de resfriamento de 550 ºC uma queda na Energia Absorvida de 154 J à uma temperatura de austenitização de 880 ºC para 126 J à 1225 ºC; já a Dureza Vickers quase não se alterou, ficando por volta de 160 Kgf/mm 2. Na temperatura de 500 ºC, a Energia Absorvida decresceu mais, de 153 J à 880 ºC para, à 1225 ºC chegar à 119 J. Na Dureza Vickers a variação foi contrária, aumentando de 160 Kgf/mm 2 à 880 ºC indo até 172 Kgf/mm 2 na
temperatura de austenitização de 1225. No resfriamento à 450 a Energia Absorvida também diminuiu, indo de 153 J à 880 para 120 J à 1225; os valores da dureza Vickers também aumentaram nesta temperatura de resfriamento, indo de 159 Kgf/mm 2 para 170 Kgf/mm 2 de 880 à 1225. À 400 mais uma vez observou-se uma queda da energia absorvida, de 142 J para 116 J e a dureza Vickers novamente aumentou, de 162 Kgf/mm 2 à 185 Kgf/mm 2. Na última temperatura de resfriamento, a queda na Energia Absorvida pode ser observada novamente, indo de 138 J para 115 J e a dureza Vickers teve seu aumento maior, indo de 160 Kgf/mm 2 para 185 Kgf/mm 2. CONCLUSÃO Para a austenitização a 880ºC e 1225 ºC, tanto para a condição normalizado e como para recozido, os valores de tenacidade são muito próximos, respectivamente, 135 e 152J, à 880ºC, e 125 a 131J à 1225ºC nos resfriamentos contínuos, nos isotérmicos os valores foram também próximos, mas decresceram, de 154 à 126 J na condição de 550 ºC, de 153 à 119 J na condição de 500, de 153 à 120 J na condição de 450, de 142 à 116 J na condição de 400 e de 138 à 1115 J na condição de 350. Entretanto, a austenitização a 1000ºC produziu um forte efeito na tenacidade, para ambas as condições, normalizado e recozido. Na condição normalizada a tenacidade atingiu o valor médio de 196J. Depois de analisadas as tabelas conclui-se que, para o tratamento temperado, a dureza Vickers é maior à temperatura mediana de 1000 o C e a energia absorvida é maior quanto menor a taxa de resfriamento, já a tenacidade à fratura elasto-plástica J ID aumenta junto com a temperatura, assim como a tenacidade à fratura elasto-plástica K ID. No tratamento normalizado a energia absorvida é maior na temperatura mediana de 1000 o C e o de dureza Vickers é melhor em duas temperaturas, a 880 e a 1000 o C, os valores de tenacidade à fratura elasto-plástica J ID diminuem conforme a temperatura aumenta, comportamento também observado dos valores de tenacidade à fratura elastoplástica K ID. No recozimento, a energia absorvida é maior à temperatura mediana de 1000 o C e a dureza Vickers diminui com o aumento da temperatura, os valores de tenacidade à fratura elasto-plástica J ID e K ID tem o mesmo comportamento, sendo maiores a 1000 o C. Portanto as melhores temperaturas de austenitização são de 1225 o C para os tratamentos temperados, 880 o C para os normalizados e de 1000 o C para os recozidos. REFERÊNCIAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard test methods for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials. In:. Annual book of ASTM standards: metals test methods and analytical procedures. Danvers: ASTM, 1997. (ASTM E 399-90). ANGAMUTHU, K.; GUHA, B.; Abd ACHAR, D. R. G. Investigation of dynamic fracture toughness (JId) behavior of strength mis-matched Q & T steel weldmenst using instrumented Charpy impact testing. Engineering Fracture Mechanics. Vol. 64, p 417-432, 1999. FORTES, C. Apostila de Soldagem a Arco Submerso. ESAB, 2004. KOBAYASHI, T., TODA, H. & MASUDA, T., 2001, Analysis of test data obtained from Charpy-V and impact tensile test, In: Charpy Centenary Conference 2001, France, v1. pp. 305-312. NOGUEIRA, F. C. Influência do raio de ponta do entalhe, do tipo de carregamento e da microestrutura no processo à fratura do aço estrutural ABNT 4340. Dissertação (mestrado) Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, 2006. RODRIGUES, A. R. Charpy Instrumentado Determinação da tenacidade à fratura dinâmica de materiais metálicos. Ilha Solteira, 2001. 119p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista. VILCHEZ, C. A. Z. Influência de Ciclos Térmicos na Microestrutura e Propriedades Mecânicas de Junta Soldada do Aço COS CIVIL 300. 2005. Dissertação (mestrado) Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, 2005.