Ensaio CTOD

O ensaio de CTOD foi baseado nas especificações da norma ASTM-E1820 (2014). A geometria do corpo de prova (CP) selecionada foi do tipo flexão em três pontos SE(B) por consumir menor quantidade de material da junta soldada na sua confecção. O ensaio foi realizado tanto no metal base (MB) quanto nas diferentes regiões das juntas soldadas em diferentes espessuras e temperaturas. O procedimento experimental foi realizado seguindo o fluxograma apresentado na Figura 3.16. Na junta soldada com dois passes, o entalhe localizado na zona termicamente afetada do lado retrocesso (ZTA-LR) foi avaliado unicamente em -40 ºC, devido a sua melhor tenacidade reportada por Ávila et al., 2015 entre 25º até -40 ºC quando comparada com o restante das demais regiões microestruturais, tais como zona misturada (ZM), zona de alta dureza (ZAD) e zona termicamente afetada do lado avanço (ZTA-LA).

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Figura 3.16: Fluxograma da realização dos ensaios de tenacidade à fratura, juntas soldadas de um e dois passes em chapas de 9,5 e 15 mm, respectivamente. Entalhes localizados sobre: Metal base (MB), zona termicamente afetada (ZTA), zona misturada (ZM) e zona de alta dureza (ZAD).

107 Na Figura 3.17 apresenta-se o desenho e na Tabela 3.4 as dimensões dos corpos de prova de CTOD do tipo SE(B). Cabe ressaltar que o entalhe lateral do detalhe A, foi realizado após o pré-trincamento com o propósito de se reduzir a região plástica próxima à superfície do corpo de prova.

Figura 3.17: Dimensões do corpo de prova de CTOD tipo SE(B) em função da espessura (B) e da largura (W). Tamanho do entalhe usinado: am.

Os cálculos do CTOD neste trabalho foram realizados usando o equacionamento apresentado na norma ASTM-E1820 (2014). Os valores de limites de escoamento (LE) e de resistência (LT) nas diferentes temperaturas foram obtidos nos ensaios de tração para o metal base. Na Tabela 3.5 são apresentadas algumas constantes requisitadas pelas normas ASTM-E1820 (2014) e ASTM-E1290-08 (2010). A velocidade de deslocamento do pistão sobre a amostra foi constante, com valor de 1,2 mm min-1_{. O número de}

108 Tabela 3.4: Dimensões dos corpos de prova SE(B) em função da espessura (B) e da

largura (W) e, valores de carga aplicados na compressão lateral.

Dimensão Espessura (mm)

B, espessura inicial 9,5 15,0 BN=B – 2 x (0,1 x B);

espessura após a usinagem dos entalhes laterais 7,6 12 W=2xB; Largura 19 30 4,5 W; comprimento 85,5 135,0 am=0,45W; comprimento do entalhe como usinado 8,6 13,5

S=4W, vão entre apoios 76,0 120,0 1,3 + 0,45 W; Comprimento final da pré-trinca 9,9 14,8 (1,3+0,45W)/W; Comprimento final da pré-trinca em

porcentagem 52% 49% Força aplicada na compressão lateral em cada lado (kN) 40 99

Tabela 3.5: Fatores usados no cálculo do CTOD usando as normas ASTM-E1820 (2014) e ASTM-E1290-08 (2010).

Constante Símbolo Valor

Módulo de Poisson υ 0,3

Módulo de Young E (GPa) 205

Altura da ponta das facas à superfície da amostra z (mm) 3,1 Fator adimensional, corpos tipo SE(B) α 0

Para o pré-trincamento, nas amostras com entalhes dentro da junta soldada, foram utilizados diferentes procedimentos para aliviar as tensões residuais na ponta da trinca. Primeiramente, foram realizadas deformações laterais antes do pré-trincamento, usando um dispositivo de compressão com formato retangular (Bx0,5B) e carregamentos determinados segundo a espessura e conforme a norma técnica BS-EN-ISO 15653

109 (2010), ver valores de carga na Tabela 3.4 e Figura 3.18 para conferir o desenho do dispositivo de compressão.

Durante o pré-trincamento, a razão entre os carregamentos (R) foi 0,5 conforme recomendação das normas BS-EN-ISO-15653 (2010). Finalmente, após o pré- trincamento, como indicado na norma ASTM-E1820 (2014), foram usinados entalhes laterais cujo valor de espessura líquida (BN) é apresentado na Tabela 3.4. As amostras

com entalhes localizados no metal base não foram submetidas a tratamentos de alivio de tensões residuais.

Figura 3.18: Dispositivo de compressão lateral; a) fotografia e descrição das partes, b) detalhe da aplicação da força (F) e c) penetração do indentador retangular sobre as faces laterais da amostra de CTOD. Espessura (B) e limite de escoamento (LE).

Segundo a ASTM-E1823-13 (2014), a orientação do plano de propagação da trinca foi definida por duas letras, em que a primeira representa a direção de aplicação da tensão principal, e a segunda a direção de propagação da trinca. Por exemplo, a direção T-L teria a aplicação da carga na direção transversal (T) à laminação e a propagação de trinca aconteceria na direção paralela à direção de laminação (L). Outras

110 possíveis orientações podem ser encontradas na Figura 3.19.

Figura 3.19. Orientação das trincas em chapas laminadas segundo a ASTM-E1823-13 (2014). Figura modificada da norma técnica ASTM-E1823-13 (2014).

A posição dos entalhes foi baseada em estudos prévios (KUMAR et al., 2010; HERMENEGILDO, 2012; ÁVILA et al., 2015), tendo como critérios de escolha dureza e características microestruturais. Todos os entalhes foram usinados por meio de eletroerosão a fio. Os entalhes foram localizados através da espessura, na direção paralela à direção de soldagem, com trincas propagando através da espessura em diferentes regiões da junta soldada, com entalhes orientados na direção T-L.

Os entalhes através da espessura usados apresentaram o comportamento de tenacidade de diversas zonas microestruturais, por tanto, a tenacidade encontrada correspondeu ao comportamento geral do entalhe. No entanto, isso permitiu avaliar mais rapidamente e estimar quais as zonas microestruturais mais críticas dentro da junta. Em estudos posteriores, pode-se localizar entalhes unicamente em zonas microestruturais especificas, uma vez determinadas com maior precisão essas zonas criticas.

111 Como a largura das chapas foi de 95 mm, para se obter amostras de CTOD suficientemente compridas (135 mm), foi necessário soldar um apêndice lateral às chapas (Figura 3.20). Este procedimento é recomendado pela norma (BS-EN-ISO- 15653:2010, 2010); o material de apêndice neste caso foi aço X70, e o processo de soldagem foi arco elétrico com eletrodo não consumível de tungstênio (GTAW).

Figura 3.20. Esquema de soldagem de aço de apêndice, a) usinagem das chapas para a soldagem por arco com eletrodo revestido, b) distribuição dos corpos de prova de CTOD sobre a junta soldada. Direções: de laminação (DL), normal à direção de laminação (DN) e transversal à direção de laminação (DT).

Na Figura 3.21.a se apresenta uma vista de seção do corpo de prova de CTOD, na qual se ressalta a presença de dois passes de SAPNC e o local de um entalhe. Na mesma figura, no plano central da propagação da trinca (DN-DL) foi representada a possível superfície de fratura. A Figura 3.21.b apresenta a distribuição de entalhes para juntas soldadas em chapas com espessura de 15 mm de espessura. Os entalhes foram localizados no metal base (MB), zona termicamente afetada do lado de avanço (ZTALA),

112 e do lado de retrocesso (ZTALR), zona misturada (ZM) e zona de alta dureza (ZAD).

Em estudos prévios (KUMAR et al., 2010; HERMENEGILDO, 2012; ÁVILA et al., 2015) encontraram-se boas propriedades mecânicas e de tenacidade em temperatura ambiente para juntas SAPNC em aços API 5L. Além disso, considerando que a temperatura mínima em águas profundas (2000 m) na Bacia de Campos no Brasil tem sido reportada como sendo 3 °C (Silva, 2006), decidiu-se avaliar a tenacidade à fratura em uma condição mais crítica, como 0, -20 e -40 °C.

Figura 3.21: Disposição dos entalhes no corpo de prova de CTOD. a) Vista em corte de uma amostra de CTOD; b) Disposição dos entalhes na junta soldada de 15 mm de espessura e c) 9,5 mm de espessura. Metal Base (MB), Zona Termicamente Afetada (ZTA), Zona Misturada (ZM) e Zona de Alta Dureza (ZAD). Lado Avanço (LA) e Lado Retrocesso (LR), Direções: de laminação (DL), normal à direção de laminação (DN) e transversal à direção de laminação (DT).

Para a realização do resfriamento dos corpos de prova, foram seguidos os passos do item 8.2.2.1 da norma ASTM E1290, a qual determina que, depois de atingida a temperatura de ensaio no CP, esta deve ser mantida por ½ h a cada 25 mm de espessura

113 do corpo de prova. A temperatura foi controlada por um termopar localizado nas proximidades da ponta da trinca, enquanto os corpos de prova foram localizados numa câmera ambiental com entrada controlada de nitrogênio gasoso.