Estudo exploratório da soldagem por fricção e mistura mecânica de um aço TRIP 800

Evelyn Nigri Estudo exploratório da soldagem por fricção e mistura mecânica de um aço TRIP 800 Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pósgraduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais da PUC-Rio como parte dos requisitos parciais para obtenção do título de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Orientador: Prof.Fernando Cosme Rizzo Assunção Co-Orientadores: Dr. Valter Rocha dos Santos Dr. Jorge Fernandez dos Santos Rio de Janeiro Agosto de 2008

EVELYN NIGRI Estudo exploratório da soldagem por fricção e mistura mecânica de um aço TRIP 800 Dissertação apresentada como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica do Departamento de Ciências dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Fernando Cosme Rizzo Assunção Orientador Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia PUC-Rio Dr. Valter Rocha dos Santos Co Orientador Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia PUC-Rio Dr. Jorge Fernandez dos Santos Co Orientador GKSS Forschungszentrum Dr. Alexandre Pope Consultor Profa. Ivani de Souza Bott Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia PUC-Rio Prof. José Eugênio Leal Coordenador Setorial de Pós-Graduação do Centro Técnico Científico da PUC-Rio Rio de Janeiro, 15 de Agosto de 2008.

Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador. Evelyn Nigri Graduou-se em Engenharia Metalúrgica na PUC-Rio em 2006. Ficha Catalográfica Nigri, Evelyn Estudo exploratório da soldagem por fricção e mistura mecânica de um aço TRIP 800 / Evelyn Nigri ; orientador: Fernando Cosme Rizzo Assunção ; coorientadores: Valter Rocha dos Santos, Jorge Fernandez dos Santos. 2008. 105f. : il. ; 30 cm Dissertação (Mestrado em Ciência dos Materiais e Metalurgia) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2008. Inclui bibliografia 1. Ciência dos Materiais e Metalurgia Teses. 2. Aços TRIP. 3. Aços avançados de alta resistência. 4. Aços automotivos. 5. Soldagem. 6. FSSW. 7. FSW. I. Assunção, Fernando Cosme Rizzo. II. Santos, Valter Rocha dos. III. Santos, Jorge Fernandez dos. IV. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia. V. Título. CDD: 669

Aos meus avós Simha e Ibrahim, de saudosa memória, pais, Enriquetta e Matto e irmão Leonardo, pelo amor, incentivo e compreensão.

Agradecimentos Ao professor Dr. Fernando Cosme Rizzo Assunção pela oportunidade, incentivo e orientação sempre muito bem vindas. Ao Dr. Valter Rocha dos Santos pela oportunidade, apoio e orientação, e companheirismo em todos os momentos. Ao Dr. Jorge Fernandez dos Santos pela oportunidade e colaboração neste trabalho. Ao grupo de transformações de fases do DCMM, PUC-Rio, em especial à Márcia Pradanoff e à Mónica Ari pelo apoio e incentivo que foram de muita importância para a realização deste trabalho. Ao grupo de processos de junção no estado sólido (WMP), do GKSS pelo suporte e carinho nas horas mais difíceis. Ao professor Dr. Sidnei Paciornik pelo incentivo no ingresso ao mestrado, por todo o apoio dado ao longo da minha vida acadêmica e pela colaboração na realização deste trabalho. Ao Dr. Marcos Henrique Maurício e à Dra. Ana Rosa Martins pela incansável ajuda na caracterização microestrutural. Ao técnico Heitor Guimarães pela colaboração na metalografia. Aos participantes da comissão examinadora. Aos amigos do DCMM, em especial à Giselle Caloi e ao Daniel Coelho pelo convívio durante esta etapa que a tornaram mais agradável. Aos meus pais, irmão, avós, tios e primos pelo exemplo, apoio, carinho e não importando a distância de alguns deles, por estarem sempre ao meu lado.

Ao amigo Ricardo Xavier pelo incentivo à compreensão de novos idiomas e ampliar horizontes. À Dra. Maria Regina Roquette que com carinho incondicional e apesar da distância não mediu esforços para me apoiar. À Lisane, Cami, Paula, Fernanda, Lilian e ao Diogo pelo constante sorriso amigo. Ao CNPq, à CAPES, à PUC-Rio e ao Instituto GKSS, pelos auxílios financeiros concedidos. À todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.

Resumo Nigri, Evelyn; Assunção, Fernando Cosme Rizzo; dos Santos, Valter Rocha; dos Santos, Jorge Fernandez. Estudo exploratório da soldagem por fricção e mistura mecânica de um aço TRIP 800. Rio de Janeiro, 2008. 105 p. Dissertação de Mestrado Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Os aços de alta resistência avançados estão sendo desenvolvidos e usados para a indústria automotiva devido à sua excelente combinação de alta resistência e ductilidade, acarretando na minimização de custo e peso e maximização da segurança. A soldagem por fricção e mistura mecânica a ponto (Friction Stir Spot Welding FSSW) é uma nova variante do processo de fricção e mistura mecânica (Friction Stir Welding FSW), que é um processo de soldagem no estado sólido, e pode ser aplicada em uma variedade de indústrias que necessitam de soldagem a ponto como a indústria aeroespacial, automotiva, nuclear, óleo e gás, transporte e outras indústrias que necessitam fazer a junção dos metais usando, geralmente, uma configuração de sobreposição. O presente trabalho é um estudo exploratório para melhor compreensão da soldagem por fricção e mistura mecânica a ponto do aço TRIP 800. Diferentes corpos de prova foram produzidos usando velocidades de rotação da ferramenta de 1600, 2000 e 2400 rpm e tempos de espera de 2s e 3s. Além da caracterização metalúrgica e determinação de microdureza, ensaios de cisalhamento e cross-tension foram realizados para avaliar o desempenho mecânico das juntas. Palavras-Chave Aços TRIP; Aços Avançados de Alta Resistência; Aços automotivos; FSSW; FSW; Soldagem.

Abstract Nigri, Evelyn; Assunção, Fernando Cosme Rizzo; dos Santos, Valter Rocha; dos Santos, Jorge Fernandez. Exploratory study of a TRIP 800 friction sitr spot welding. Rio de Janeiro, 2008. 105 p. MSc. Dissertation Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Advanced high strength steels (AHSS) are being developed and are being used for the automotive industry due to their exceptional combination of high strength and ductility, which leads to cost and weight savings and better safety. Friction Stir Spot Welding (FSSW) is a novel variant of Friction Stir Welding (FSW), which is a solid-state joining process without bulk melting and can be applied in a variety of industries that require spot welding such as aerospace, automotive, marine, nuclear, oil and gas, transportation industries and other industries that need to join metals together, generally using an overlap configuration. The present contribution is an exploratory study to a better understanding of a TRIP 800 friction stir spot welding. Different samples were produced using tool rotational speeds of 1600, 2000 and 2400 rpm and dwell time of 2s and 3s. Besides the metallurgical characterization and microhardness determination, lap-shear and cross-tensile tests were carried out to evaluate the mechanical performance of the joints. Keywords TRIP steels; AHSS; Automotive steels; FSSW; FSW; Welding.

Sumário 1 INTRODUÇÃO 18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 20 2.1 AÇOS UTILIZADOS NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA 20 2.2 AÇOS AVANÇADOS DE ALTA RESISTÊNCIA (AHSS) 22 2.2.1 Aços Dual Phase (DP) 22 2.2.2 Aços Ferrítico-Bainíticos (FB) 23 2.2.3 Aços Complex Phase (CP) 23 2.2.4 Aços Martensíticos 23 2.2.5 Aços TRIP 23 2.2.5.1 Processamento 25 2.2.5.2 Elementos de liga 27 2.3 SOLDAGEM POR FRICÇÃO E MISTURA MECÂNICA 29 2.3.1 Soldagem por fricção e mistura mecânica em aços 33 2.4 SOLDAGEM A PONTO 35 2.5 SOLDAGEM A PONTO POR FRICÇÃO E MISTURA MECÂNICA 35 2.5.1 Soldagem a ponto por fricção e mistura mecânica em aços AHSS 40 3 MATERIAIS E MÉTODOS 42 4 RESULTADOS 51 4.1 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL 51 4.1.1 Macrografias 51 4.1.2 Micrografias 59 4.2 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA 70 4.2.1 Ensaio de Microdureza 70 4.2.2 Ensaios de Cisalhamento e Cross-Tension 76 5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 79 6 CONCLUSÕES 86 7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 87 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA 88 9 APÊNDICE I 94

Lista de figuras Figura 1 Gráfico esquemático comparando os aços AHSS, HSS e de baixa resistência. 1 21 Figura 2 Tratamento térmico sofrido pelo aço TRIP após laminação a frio. 25 Figura 3 Microestrutura do aço TRIP 800 a ser estudado. Ataque: Nital 1%. 26 Figura 4 Ilustração esquemática do processo FSW. Adaptada de 28 30 Figura 5 Fluxo de material no processo FSW. 32 Figura 6 As etapas do processo FSSW. 36 Figura 7 O furo característico deixado pela retração da ferramenta. 37 Figura 8 Fluxo de Material FSSW. 42 37 Figura 9 Etapas do processo FSpW com a variante de penetração do pino. 47 39 Figura 10 Etapas do processo FSpW com a variante de penetração do ombro. 47 40 Figura 11 Desenho de um corpo de prova para ensaio de tração. 42 Figura 12 Pórtico de soldagem utilizado na realização de todas as soldas deste estudo. 44 Figura 13 Sistema de cabeçote do pórtico de soldagem. 44 Figura 14 Ferramenta PBCN utilizada na realização de todas as soldas deste estudo. 45 Figura 15 Ilustração de um corpo de prova para ensaio metalográfico. 45

Figura 16 Ilustração de um corpo de prova para ensaio de cisalhamento. 46 Figura 17 Ilustração de um corpo de prova para ensaio de Cross- Tension. 46 Figura 18 Esquema ilustrativo do perfil microestrutural. 48 Figura 19 Esquema ilustrativo do perfil de microdureza medido. 49 Figura 20 Dispositivo de fixação para o ensaio de cross-tension. 50 Figura 21 Macrografia da amostra 1600-2s. 52 Figura 22 Macrografia da amostra 1600-3s. 52 Figura 23 Macrografia da amostra 2000-2s. 52 Figura 24 Macrografia da amostra 2000-3s. 52 Figura 25 Macrografia da amostra 2400-2s. 52 Figura 26 Macrografia da amostra 2400-3s. 52 Figura 27 Esquema da extensão do ligamento 53 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. 53 Figura 29 Extensão do ligamento das amostras com tempo de espera de 3s, variando a velocidade de rotação da ferramenta. A: 1600 rpm, B: 2000 rpm e C: 2400 rpm. 54 Figura 30 Localização dos pontos de EDS. 55 Figura 31 Pontos de EDS feitos na interface. 55 Figura 32 Espectro dos pontos 1 a 6, respectivamente. 57 Figura 33 Localização do perfil de EDS. 58

Figura 34 Perfil de EDS. 58 Figura 35 Espectro dos pontos 1 e 5, respectivamente. 59 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. 61 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. 62 Figura 38 Microestrutura da zona I, praticamente 100% martensítica. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s. 63 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. 64 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. 64 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. 65 Figura 42 Microestrutura da zona I. Ataque Nital 1%. Amostra 1600 rpm 2s. 65

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. 66 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. 66 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. 67 Figura 46 Quantificação de ferrita da amostra 1600 2s. 67 Figura 47 Quantificação de ferrita da amostra 2000 2s 68 Figura 48 Quantificação de ferrita da amostra 2000 3s 68 Figura 49 Quantificação de ferrita da amostra 2400 2s 69 Figura 50 Comparação da fração de ferrita entre as velocidades de rotação da ferramenta para um mesmo tempo de espera. 69 Figura 51 Comparação da fração de ferrita entre os tempos de espera para uma mesma velocidade de rotação da ferramenta. 70 Figura 52 Perfil de microdureza da amostra 1600-2s. 71 Figura 53 Comparação da primeira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 2s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 71 Figura 54 Comparação da segunda linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 2s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 72 Figura 55 Comparação da terceira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 2s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 72

Figura 56 Comparação da primeira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 3s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 73 Figura 57 Comparação da segunda linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 3s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 73 Figura 58 Comparação da terceira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 3s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 74 Figura 59 Comparação da primeira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 1600rpm e tempos de espera variados. 74 Figura 60 Comparação da segunda linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 1600rpm e tempos de espera variados. 75 Figura 61 Comparação da terceira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 1600rpm e tempos de espera variados. 75 Figura 62 Cargas médias (N) dos ensaios de cisalhamento e crosstension. 77 Figura 63 Fratura dos corpos de prova do ensaio de cisalhamento. 77 Figura 64 Região da fratura do corpo de prova do ensaio crosstension. 78 Figura 65 Fratura com presença de microcavidades no ensaio crosstension. 78 Figura 66 Comparação das médias das cargas máximas (N) obtidas nos ensaios de cisalhamento e cross-tension com a norma AWS. 83 Figura 67 Perfil de microdureza da amostra 1600-2s. 94 Figura 68 Perfil de microdureza da amostra 1600-3s. 95

Figura 69 Perfil de microdureza da amostra 2000-2s. 95 Figura 70 Perfil de microdureza da amostra 2000-3s. 96 Figura 71 Perfil de microdureza da amostra 2400-2s. 96 Figura 72 Perfil de microdureza da amostra 2400-3s. 97 Figura 73 Comparação da primeira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 2s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 97 Figura 74 Comparação da segunda linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 2s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 98 Figura 75 Comparação da terceira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 2s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 98 Figura 76 Comparação da primeira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 3s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 99 Figura 77 Comparação da segunda linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 3s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 99 Figura 78 Comparação da terceira linha de dureza nas amostras com tempo de espera de 3s e velocidades de rotação da ferramenta variadas. 100 Figura 79 Comparação da primeira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 1600rpm e tempos de espera variados. 101 Figura 80 - Comparação da segunda linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 1600rpm e tempos de espera variados. 101 Figura 81 Comparação da terceira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 1600rpm e tempos de espera variados. 102

Figura 82 - Comparação da primeira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 2000rpm e tempos de espera variados. 102 Figura 83 - Comparação da segunda linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 2000rpm e tempos de espera variados. 103 Figura 84 Comparação da terceira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 2000rpm e tempos de espera variados. 103 Figura 85 - Comparação da primeira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 2400rpm e tempos de espera variados. 104 Figura 86 - Comparação da segunda linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 2400rpm e tempos de espera variados. 104 Figura 87 Comparação da terceira linha de dureza na amostra com velocidade de rotação da ferramenta de 2400rpm e tempos de espera variados. 105

Lista de tabelas Tabela 1 Benefícios relevantes do processo FSW em comparação com os processos convencionais. 33 Tabela 2 Composição química do aço TRIP 800 (% em peso) 42 Tabela 3 Propriedades mecânicas do aço TRIP 800 43 Tabela 4 Composições das soluções da técnica de ataque colorido LePera 47 Tabela 5 Comparação da extensão do ligamento entre as condições soldadas. 54 Tabela 6 Cargas máximas de ruptura e médias (N) dos ensaios de cisalhamento e cross-tension 76 Tabela 7 Comparação dos resultados obtidos no estudo (literatura) de soldas por resistência de um aço TRIP 700 como requerido pela norma AWS. 84 Tabela 8 Comparação dos valores de tensão entre os processos de resistência a ponto e FSSW do presente trabalho. 84