Microestrutura do metal de solda

Para os aços com baixo teor de carbono e baixa liga, a poça de fusão solidifica-se inicialmente como ferrita, podendo sofrer uma reação peritética com a formação de austenita. Durante o resfriamento, a ferrita delta remanescente transforma-se em austenita. Esta, em função das elevadas temperaturas, sofre um grande crescimento de grão, tendendo a apresentar uma estrutura de grãos colunares e grosseiros, similar à estrutura original de fusão da ZF. Em temperaturas mais baixas, inferiores a 900ºC, a austenita se decompõe, resultando em diferentes produtos ou constituintes (MODENESI, 2010).

Assim, a estrutura da zona fundida do metal de solda de aços de baixo carbono e de baixa liga depende de inúmeros fatores. Ela apresenta aspectos macroscópicos resultantes do crescimento epitaxial e colunar e dos padrões de segregação resultantes da solidificação da solda. Estes aspectos, juntamente com o estado inicial da austenita (composição, tamanho de grão, microssegregações e estado de deformações), as características da população de inclusões e precipitados existentes e as condições de aquecimento e resfriamento influenciarão a microestrutura do cordão de solda (SOLARI, 1981).

Em uma solda em um só passe, a microestrutura da ZF será formada pelos produtos da decomposição da austenita em ferrita, carbonetos e martensita durante o resfriamento, sendo que a ferrita pode assumir diferentes morfologias, algumas de difícil distinção. Em soldas de vários passes, a microestrutura será ainda mais complexa, sendo formada por regiões reaquecidas e alteradas pelos ciclos térmicos dos passes seguintes e por regiões que permaneceram basicamente inalteradas. As características desta microestrutura, tanto em escala microscópica como em escala sub-microscópica, são fundamentais na determinação das propriedades finais da ZF (MODENESI, 2010).

As fases resultantes da decomposição da austenita são basicamente: ferrita, cementita e martensita. Além destas, pequenas quantidades de austenita podem permanecer inalteradas (austenita retida) e diferentes precipitados (outros carbonetos, nitretos, etc.) e inclusões podem existir. Estas fases podem aparecer na

forma de diferentes constituintes, nem sempre de fácil identificação, a qual é ainda mais dificultada pela grande diferença de aparência destes constituintes em relação aos do metal base, com os quais os técnicos estão, em geral, mais habituados. Estas dificuldades causaram, há algumas décadas, a proliferação de terminologias diferentes e conflitantes para descrever a microestrutura do metal de solda. Em 1988, o Instituto Internacional de Soldagem (IIW) desenvolveu um sistema de classificação para os constituintes do metal de solda, baseado na sua observação com o microscópio ótico, que se tornou o mais aceito atualmente. Segundo este sistema, os constituintes mais comuns da zona fundida podem ser classificados como (MODENESI, 2010):

 ferrita de contorno de grão – PF(G).

 ferrita poligonal intragranular – PF(I).

 ferrita com segunda fase alinhada – FS(A).

 ferrita com segunda fase não alinhada – FS(NA).

 ferrita acicular – FA.

 Agregado ferrita-carboneto – FC

 Martensita – M.

A Tabela 4 resume as características destes constituintes segundo o sistema de classificação do IIW (IIW, 1998). Normalmente, em estudos que envolvem a correlação entre a microestrutura e as propriedades do metal de solda, é necessário realizar metalografia quantitativa no metal de solda, determinando-se a fração ou predominância de seus diferentes constituintes. Serão discutidas a seguir as características gerais destes diferentes elementos estruturais. A figura 10 ilustra os diferentes tipos de microestruturas classificadas conforme a IIW.

Tabela 4 – Constituintes da zona fundida de aços ferríticos observados ao microscópio ótico, segundo o sistema do IIW.

Constituinte Código Descrição

- Ferrita Primária

- Ferrita de Contorno de

Grão

PF(G) Veios de grãos poligonais associados com os contornos austeníticos prévios.

- Ferrita Poligonal Intragranular

PF(I) Grãos de ferrita usualmente poligonais, localizados dentro dos grãos austeníticos prévios e mais 3 vezes maiores do que os grãos ou lâminas adjacentes de ferrita.

- Ferrita Acicular AF

Grãos de ferrita pequenos e não alinhados localizados no interior dos grãos austeníticos prévios. Uma região de AF comumente inclui placas isoladas de

grande razão de forma (relação entre o maior e o menor eixo).

- Ferrita com Segunda Fase

Alinhada FS(A)

Duas ou mais placas paralelas de ferrita. No caso de apenas duas placas, a razão de forma deve ser maior do que 4:1. Se o operador tiver segurança, este constituinte pode ser subclassificado como placa lateral de ferrita, bainita superior

ou inferior, FS(SP), FS(UB) ou FS(LB).

- Ferrita com Segunda Fase

Não Alinhada FS(NA)

Ferrita envolvendo completamente ou (i) “microfases” aproximadamente equiaxiais ou distribuídas aleatoriamente ou (ii) lâminas isoladas de AF.

- Agregado Ferrita Carboneto FC

Estruturas finas de ferrita e carboneto, incluindo ferrita com carbonetos “interfásicos” e perlita. Se o agregado é claramente identificado como perlita, ele

deve ser designado como FC(P). Se o agregado for menor que as lâminas adjacentes dentro do grão austenítico prévio, ele deve ser desprezado.

- Martensita M

Colônias de martensita maiores que as lâminas adjacentes de ferrita. Se o operador estiver seguro, o constituinte pode ser classificado como martensita

laminar ou maclada, M(L) ou M(T).

Figura 10 – Exemplos dos diferentes tipos de microestruturas classificadas conforme a IIW.

Fonte: IIW (1998)

A discussão anterior é válida estritamente para a soldagem de um passe. Na soldagem com vários passes, cada passe, durante a sua deposição, pode afetar termicamente os que foram depositados anteriormente. A microestrutura das regiões adjacentes ao passe que está sendo depositado é alterada de forma similar à que ocorre na ZTA do metal base (MODENESI, 2010).

Em particular, as regiões mais próximas serão aquecidas a temperaturas próximas da de fusão, sendo reaustenitizadas, sofrendo um forte crescimento de grão e tendendo a perder o aspecto colunar típico que está associado com o processo de solidificação. No resfriamento, com a decomposição da austenita, microconstituintes similares aos existentes nas regiões não alteradas da zona fundida são novamente formados. Regiões reaquecidas, mas mais afastadas do cordão sendo depositado, não atingem temperaturas suficientemente elevadas para serem austenitizadas (MODENESI, 2010).

Nestas regiões, ilhas de martensita poderão ser revenidas, carbonetos e outros constituintes poderão ser parcialmente esferoidizados e, dependendo da composição química da solda, fenômenos de precipitação e de coalescimento de

LEGENDA:

PF – Ferrita primária

PF(G) – Ferrita de contorno de grão PF(I) – Ferrita intragranular poligonal AF – Ferrita acicular

FS(A) – Ferrita com 2a fase alinhada FS(NA) – Ferrita com 2a fase não alinhada FC – Agregado ferrita-carboneto M – Martensita

precipitados poderão ocorrer. Todas estas alterações poderão afetar o comportamento mecânico e o desempenho geral da zona fundida. A figura 11 mostra a macrografia de uma solda de vários passes de aço carbono, indicando exemplos das regiões da ZF não afetada (1) e afetada (2) (MODENESI, 2010).

Figura 11 – Macroestrutura de uma solda de aço carbono. MB – Metal base, ZTA – Zona termicamente afetada, (1) – Região não afetada da zona fundida e (2) – Região afetada

Fonte: EVANS (1983).