Análise microestrutural

A análise microestrutural tem o objetivo de caracterizar metalurgicamente cada região da junta soldada, apresentando as diferentes fases presentes ao longo da amostra. Mesmo não havendo fusão no processo de solda por fricção, a temperatura atingida deve ser suficientemente alta para que a plastificação dos materiais ocorra. Essas temperaturas elevadas são capazes de provocar as transformações de fases ao longo da junta, principalmente nas regiões mais próximas a zona de mistura que é onde o atrito entre os materiais é gerado. A taxa de resfriamento e o nível de deformação também são importantes por determinar as diferentes microestruturas que podem ser formadas, causando assim uma diferença de resistência ao longo da amostra.

5.3.2.1 Amostra 1

A amostra 1 foi produzida com uma taxa de deslocamento inicial de 0,05mm/s, com um consumo de material (tubo) de 15mm e uma taxa de carregamento axial de 5kN/s.

Os tamanhos das zonas termicamente afetadas foram realizados a partir da macrografia utilizada, com o auxílio do software ImageJ. Essas medidas estão listadas abaixo.

ZTA-MB: 11,50mm ZTMA-MB: 6mm ZTA-ZM: 7mm ZTMA-ZM: 4mm

Através do ataque químico seletivo com o reagente Nital 2%, foi possível observar que o material base do tubo apresentou uma microestrutura composta por ferrita (cor clara) e perlita (cor escura) ambas alinhadas no sentido de laminação, conforme mostra a figura 16. Essa é uma microestrutura comumente encontrada nos aços de alta resistência e baixa liga que possuem um baixo teor de carbono.

Figura 16: Micrografia do material base. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

As zonas afetadas pelo calor do atrito entre os componentes tiveram uma microestrutura modificada devido ao aumento da temperatura. A ZTA do tubo apresentou uma microestrutura semelhante ao do material base, porém com uma orientação aleatória e com um aumento significativo do tamanho de grão. Isso se deve pelo fato de que essa zona passou pelo processo de recristalização, com o aumento da temperatura, e ao ser resfriado acabou por formar grãos mais grosseiros. Já a ZTMA apresentou a formação de bainita, juntamente com a presença de diversas morfologias da ferrita (equiaxial, acicular e Widmanstätten) além da presença de perlita, todos deformados devido ao atrito do processo. As figuras 17 e 18 apresentam as microestruturas formadas, respectivamente.

Figura 17: Caracterização da ZAC do tubo. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

Figura 18: Caracterização da ZTMA do tubo. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

As mesmas microestruturas foram encontradas nas zonas afetadas termicamente do lado entre a interface e o anel, porém numa extensão reduzida. As figuras 19 e 20 comprovam o fato.

Figura 19: Caracterização da ZTA do anel. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

Figura 20: Caracterização da ZTMA do anel. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

A figura 21 apresenta a zona de mistura entre o material do tubo e o anel central desta amostra. Com essas micrografias foi possível analisar a boa aderência metalúrgica ocorrida no processo. A esquerda encontra-se o tubo e a direita o anel.

Figura 21: Caracterização da ZM do tubo-anel. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

5.3.2.2 Amostra 2

Amostra produzida a uma taxa de deslocamento inicial de 0,05mm/s, com consumo do material do tubo de 15mm e com uma taxa de carregamento axial de 10kN/s. Nesta amostra foi possível analisar que as zonas afetadas pelo calor e as zonas termo mecanicamente afetadas foram reduzidas em relação a amostra 1, como apresentado abaixo.

ZTA-MB: 9mm ZTMA-MB: 3mm ZTA-ZM: 5mm ZTMA-ZM: 2,5mm

Isso significa dizer que as zonas frágeis da junta soldada foram minimizadas, uma vez que essas regiões apresentam o maior valor de dureza na amostra (veremos na sequência do trabalho).

O material base do tubo apresentou uma microestrutura composta por ferrita equiaxial e perlita, como já era esperado por se tratar do mesmo material da amostra anterior. O bandeamento apresentado segue o sentido de laminação decorrente do processo de fabricação, como mostra a figura 22.

Figura 22: Caracterização do MB do tubo. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

A ZTMA do tubo apresentou uma microestrutura composta por ferrita equiaxial, ferrita de Widmanstätten, ferrita acicular, colônias de perlita e bainita superior, enquanto a ZTA apresentou microestrutura predominantemente ferrítica (equiaxial e de Widmanstätten) e perlitica, com grãos ferriticos superiores ao do meterial base. As figuras 23 e 24 evidenciam tal análise, respectivamente.

Figura 23: Caracterização da ZTMA do tubo. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

Figura 24: Caracterização da ZTA do tubo. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

A ZTMA do anel é composta de ferrita acicular, ferrita de Widmanstätten, bainita superior e com algumas colônias de perlita (figura 25). Já a ZTA que não sofreu deformação mecânica apresentou microestrutura composta por ferrita e perlita de grão levemente grosseiros (figura 26).

Figura 25: Caracterização da ZTMA do anel. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

Figura 26: Caracterização da ZTA do anel. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

A zona de mistura entre o tubo e o anel pode ser verificado na figura 27. Com a análise das imagens fica clara a boa ligação metalúrgica envolvida na amostra.

Figura 27: Caracterização da ZM do tubo-anel. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

5.3.2.3 Amostra 3

A amostra 3 foi produzida com o maior consumo de tubo e uma força compressiva intermediaria, em comparação com as outras duas amostras já apresentadas. O consumo de material total utilizado foi igual a 20mm, enquanto a força axial utilizada foi de 7,5kN/s. A taxa de deslocamento inicial permaneceu sendo de 0,05mm/s.

A medidas das zonas afetadas termicamente e termo mecanicamente foram basicamente intermediarias em relação as amostras anteriores, sendo a ZTA maior que comparado a amostra 2 e menor em relação a amostra 1. As extensões das regiões da junta soldada são apresentadas abaixo.

ZTA-MB: 10mm ZTMA-MB: 3,5mm ZTA-ZM: 6,5mm ZTMA-ZM: 2,5mm

O metal de base do tubo apresentado seguiu, como já esperado, a mesma microestrutura das outras duas amostras sendo esta composta de grãos ferriticos equiaxiais refinados e colônias de perlita, seguindo o sentido de laminação (figura 28).

Figura 28: Caracterização do MB do tubo. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

A zona somente afetada pelo calor do tubo apresentou microestrutura predominantemente de ferrita equiaxial e perlita (figura 29), enquanto a zona termo mecanicamente afetada apresentou grãos ferritico acicular, de Widmanstätten e equiaxiais, colônias de perlita e bainita superior (figura 30).

Figura 29: Caracterização da ZTA do tubo. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

Figura 30: Caracterização da ZTMA do tubo. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

A ZTA e a ZTMA do anel são mais estreitas e apresentaram grãos mais refinados em comparação com as zonas afetadas do tubo, porém com microestruturas semelhantes, conforme mostra as figuras 31 e 32 respectivamente.

Figura 31: Caracterização da ZTA do anel. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

Figura 32: Caracterização da ZTMA do anel. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

A zona de mistura da junta soldada entre o tubo e o anel pode ser melhor visualizado na figura 33. De acordo com as micrografias pode-se analisar que a união metalúrgica foi realizada de maneira eficaz e satisfatória, produzindo uma solda de boa qualidade.

Figura 33: Caracterização da ZM do tubo-anel. Ataque Nital 2%. A esquerda, MO em 200x. A direita, MO em 500x.

5.4 Ensaio de microdureza

A partir do ensaio de microdureza foi possível iniciar uma caracterização mecânica das juntas soldadas. Os perfis iniciaram no material base do lado esquerdo dos tubos partindo no sentido da outra extremidade, passado pelas zonas termicamente afetadas, conforme já mostrado na figura 10. Todos os perfis foram realizados na parte central das amostras e os valores encontrados são apresentados nas figuras 34, 35 e 36.

No eixo horizontal é apresentado a distância, em mm, entre as endentações de um ponto a outro, enquanto no eixo vertical é apresentado o valor da dureza na escala Vickers (HV).

Figura 34: Perfil de microdureza da amostra 1.

Figura 35: Perfil de microdureza da amostra 2.

MB ZTA ZTMA ANEL MB ZTA ZTMA ANEL ZTMA ZTA MB MB ZTMA ZTA

Figura 36: Perfil de microdureza da amostra 3.

Todas as amostras apresentaram valores de dureza semelhantes, aumentando gradualmente quanto mais perto das zonas de mistura. O material base das juntas soldadas apresentou um valor médio de 150 HV enquanto as zonas termicamente afetadas apresentaram picos de entre 210 e 230 HV, ambos valores aceitáveis de acordo com a norma API 5L. Esse aumento de dureza nas regiões da ZTA e da ZTMA são explicados pelas mudanças microestruturais e pelas deformações que ocorreram nestas regiões.

A amostra 2 foi a que apresentou uma faixa mais estreita de picos de dureza devido a menor extensão das zonas afetadas pelo calor do atrito, sendo isto um ponto importante em relação a tenacidade a fratura.

MB ZTA ZTMA ANEL ZTMA ZTA MB

6. CONCLUSÕES

Com base nas análises realizadas neste trabalho e nos resultados apresentados podemos concluir que:

 O processo de soldagem por fricção com anel intermediário se mostrou de grande competência na união de tubos produzidos com aço API 5L X65. Dentre os parâmetros utilizados neste trabalho, o que apresentou a solda de melhor qualidade foi a da amostra 2, soldada com uma força axial de 10 kN/s e um consumo de tubo igual a 15mm, uma vez que esta amostra se mostrou livre de defeitos e apresentou uma menor extensão da zona termicamente afetada, aproximadamente 20% menor quando comparada com as outras amostras.

 As amostras 1 e 3, soldadas, respectivamente, com força compressiva axial de 5 e 7,5kN/s e deslocamento de tubo de 15 e 20mm, apresentaram um desempenho intermediário, uma vez que não houve defeitos nas soldas, porém uma maior zona termicamente afetada foi encontrada em relação a amostra 2.

 A amostra 4 utilizou em seus parâmetros o menor deslocamento de tubo (consumo do componente igual a 10mm) e uma força compressiva intermediaria de 7,5kN/s, causando uma falta de preenchimento na zona de mistura e, consequentemente, apresentando o pior desempenho entre as amostras analisadas.

 Pelo fato do aço API 5L X65 possuir baixo teor de fósforo e enxofre, todas amostras analisadas não apresentaram teores de inclusões significativas.

 O material base do tubo apresentou microestrutura composta por grãos ferriticos equiaxiais e colônias de perlita, com uma dureza média de 150 HV.

 Todas as amostras analisadas apresentaram na ZTMA microestrutura composta por ferrita equiaxial, ferrita acicular e ferrita de Widmanstätten, perlita e bainita superior, enquanto as ZTAs apresentaram microestruturas semelhantes ao MB, porém com grãos mais grosseiros.

 As amostras apresentaram valores aceitáveis de acordo com a norma API 5L, com maiores valores de dureza nas zonas termicamente afetadas do que no material base. Isso é explicado pela formação da fase de maior dureza e pela deformação causada pelo atrito naquelas regiões.