Microestrutura, história térmica e resistência mecânica das juntas

Na seção 7.1 foi discutida a relação entre os parâmetros de soldagem com o processamento e a resposta mecânica da junta. Algumas relações entre o processo de soldagem e microestrutura foram dadas na seção anterior. No entanto, os detalhes sobre este ponto são discutidos a seguir, onde muitos dos argumentos estão fundamentados na Figura 7.3.

Figura 7.3. Superposição das macrografias e dos mapas de distribuição de temperatura nas juntas soldadas, usando 300 RPM, 150 mm.min-1 e DT de a) +0,5 e b) +1,5 mm. As linhas tracejadas e de centro correspondem à linha original da junta e o eixo da ferramenta, respectivamente.

Microestruturalmente, a primeira diferença relevante entre as juntas desenvolvidas é no tamanho grão da ZTAAl, o qual aumentou de 25, no metal de base, para 35, 40 e 45 µm, nas juntas finais soldadas com DT de +0,5, + 1,0 e +1,5 mm, respectivamente (Figura 6.12a). Estas observações, assim como as medidas e a simulação da temperatura durante a soldagem, estão firmemente relacionadas com o deslocamento da ferramenta (DT), o aporte térmico (AT) e a temperatura máxima nas diferentes regiões da junta. Na ZTAAl, as temperaturas máximas (250 e 300 °C para DT de +0,5 e +1,5 mm, respectivamente) foram suficientes para mudar o tamanho de grão na região. b) a) LA - Aço LR - Al 2,0 mm ZM ZTMAAl ZTAAl MBAl _ZTMA ZM Al ZTAAl MBAl 2,0 mm 150 100 200 250 300 350 400 °C 50

As macrografias e os mapas de temperatura instantânea se relacionam perfeitamente, principalmente na ZTAAl (Figura 7.3), embasando a discussão da mudança microestrutural e sua relação com o desempenho mecânico da junta.

Um ponto que ficou em aberto na seção anterior é a ausência da zona de menor dureza (ZMD) nas juntas desenvolvidas. Para retomar este ponto, são trazidos dois trabalhos em juntas dissimilares 6063-S45C e 6061-1018. No primeiro, Fukumoto (2004) realizou juntas soldadas cuja fratura aconteceu na ZTAAl pela formação de uma região de menor dureza entre a ZTAAl e a ZTMAAl. As imagens da fratura, assim como dos perfis de dureza são apresentados na Figura 7.4. Na segunda pesquisa, resultados semelhantes foram obtidos por Soundararajan (2006). Embora ambos os autores desconheçam a origem da perda de resistência, é claro que a dissolução dos precipitados ” deve ser a causa do amolecimento e posterior fratura nesse local.

Figura 7.4. a) Amostras de tração de juntas alumínio-aço evidenciando a fratura na ZTAAl, b) perfis de microdureza na junta soldada para o mesmo sistema. Os detalhes da soldagem são descritos na Tabela 3.3. Imagens adaptadas de Fukumoto (2004).

A importância de trazer esses resultados é a possibilidade de comparar os parâmetros de soldagem utilizados por Fukumoto e Soundararajan, apresentados na Tabela 3.3, e aqueles utilizados neste trabalho. Uma forma de comparar os parâmetros de soldagem é a relação υ/ω (Ps). Valores muito pequenos de υ/ω indicam tanto temperaturas máximas quanto o aporte térmico elevado, enquanto valores perto da unidade correspondem às chamadas juntas frias ou de

M icr od u re za [HV 2 0 0 g ]

Distância desde a interface [mm]

a)

_b)

baixo AT. Os valores calculados para os parâmetros usados por Fukumoto, Soundararajan e os desenvolvidos neste projeto são Ps de 0,10; 0,26 e 0,50 mm.rev-1

, respectivamente. Estes valores indicam que as juntas desenvolvidas no atual trabalho apresentam tanto aporte de calor quanto temperaturas máximas menores.

A perda de resistência nas juntas desenvolvidas por Fukumoto e Soundararajan, discutida na seção 6.2, é atribuída à formação de uma banda denominada zona de menor dureza (ZMD) dentro da ZTA (Figura 6.8b). Nesta região, ocorre perda de resistência da junta, característica da SAPNC de ligas de alumínio endurecidas por precipitação, incluindo a liga 6063. Lembrando que as propriedades mecânicas da liga 6063 dependem completamente da presença e distribuição da fase ”. A Figura 7.2 mostra que, nas juntas soldadas com presença da ZMD, a fratura acompanha exatamente o perfil da zona afetada, caracterizada tanto pela ausência da fase β” quanto pelo aumento no tamanho de grão.

Deve ser salientado o fato de que não foi encontrada uma zona de menor dureza (ZMD) por meio dos mapas de microdureza nas juntas finais (Figura 6.8a), observação confirmada pelos testes de tração, nos quais a fratura das amostras aconteceu na ZM (Figura 5.12). Esta notória diferença entre as juntas aqui avaliadas e as registradas na literatura chama a atenção sobre a alteração na distribuição dos precipitados ” para o caso em estudo.

De forma a esclarecer as mudanças microestruturais, é necessário rever a seção 3.3.2 e a Figura 3.14, onde se explicou como a temperatura máxima atingida em cada região da junta da liga 6063 determina a sua microestrutura e a resposta mecânica do sistema soldado. Uma representação esquemática dos ciclos térmicos nas diferentes regiões para a junta da liga 6063 é apresentada na Figura 7.5. Os ciclos 1, 2 e 3 correspondem aos ciclos térmicos na ZM, na ZMD e na ZTA, respectivamente.

a) Para a ZM, ciclo 1, o ponto de partida é o MB. Com o aumento da temperatura, começa a dissolução da fase ”, representada na etapa 1. A continuidade na elevação da temperatura leva à etapa 1b, onde se dá a dissolução total da fase ” conservando integralmente a fase ’, o que indica que apenas a linha solvus ” foi ultrapassada. Uma vez atingida a temperatura máxima, etapa 1c, a dissolução total dos precipitados ’ é alcançada, uma vez que a temperatura nesta zona superou a linha solvus ’.

b) A sequência de formação da zona de menor dureza (ZMD) obedece ao ciclo 2: etapas 1, 1b e 2c; as etapas 1 e 1b são iguais às do ciclo anterior, mas, na etapa 2c, a microestrutura final aponta a dissolução total dos precipitados ”, permanecendo alguns precipitados do tipo β’. c) Finalmente, nas regiões mais frias da ZTA (ciclo 3: etapas 1, 3b e 3c), na etapa 3b, há uma

redução na densidade de precipitados β”, mas não a completa dissolução. Na etapa 3c, há um aumento na quantidade de β’, o que indica que o processo de envelhecimento foi reativado, promovendo a transformação de β” na fase mais estável β’ (MUNITZ, 2000).

Figura 7.5. Representação da sequência de precipitação nas diferentes regiões na junta durante a soldagem por SAPNC. Adaptado de Sato (1999).

Nas juntas dissimilares aqui estudadas, a ausência de ZMD (detalhe da Figura 6.8a) sugere que não houve dissolução total dos precipitados ” em nenhum lugar da ZTAAl, o que implica que a temperatura máxima na região não superou a temperatura de solvus de ”. Essa temperatura, determinada por Edwards (1998) e Zhang (2010), oscila entre 240 e 270 °C,

Ciclo 3 Etapa 1 Etapa 1b Etapa 1c Etapa 2c Etapa 3b Etapa 3c Temperatura solvus de β Temperatura solvus de β’ (402 C) (353 C) (302 C) Redução na densidade de β” MB (518 C) Ciclo 2 Ciclo 1

considerando condições de quase-equilíbrio. Em condições fora do equilíbrio, a inércia térmica durante o processo de aquecimento elevaria esta temperatura, dependendo da taxa de aquecimento. As medidas de temperatura na ZTAAl, para DT +0,5 e +1,5 mm, registram temperaturas inferiores a 250 e 300 °C, respectivamente. Portanto, é possível que, durante a realização das juntas, a temperatura máxima nunca supere a temperatura de solvus de ”, o que explica na ausência de ZMD. A falta desta zona explica o fato da fratura, durante os testes mecânicos, acontecer na ZM em vez de ocorrer na ZTAAl. Esta afirmação é confirmada por meio de MET, a qual permitiu obter imagens evidenciando a presença da fase ” (Figura 6.13).

Tomando como referência a Figura 7.5, as juntas finais apresentariam apenas os ciclos 2 e 3. O ciclo 2 corresponderia à ZM, que prevê a permanência somente dos precipitados mais estáveis, , fato confirmado pela micrografia da Figura 6.32b. O ciclo 3 definiria o comportamento da ZTAAl, cuja microestrutura final contaria com a presença tanto da fase ” quanto de ’, que foram registrados pelas análises de MET da Figura 6.13a. A presença destas fases na ZTAAl, embora em menor proporção, amortece a queda da resistência mecânica, evitando a formação da zona de menor dureza. Por outro lado, a dissolução total dos precipitados na ZM torna esta região a menos resistente, embora o refinamento de grão evite uma queda drástica de resistência.

A ausência do ciclo 1 é atribuída aos parâmetros de soldagem empregados o que permitiu a realização de juntas com temperaturas na ZM inferiores a 350 °C. Relembrando que, para os parâmetros usados por Fukumoto (2004), a relação υ/ω é 500 % maior em relação aos parâmetros empregados neste trabalho, e 200 % para os parâmetros usados por Soundararajan (2006), além do fato de que nesses trabalhos foi observada a formação da ZMD.

Portanto, pode-se afirmar que as juntas finais desenvolvidas neste trabalho foram realizadas com parâmetros que geram baixo aporte térmico e, portanto, permitiram alcançar temperaturas máximas significativamente menores nas diversas regiões das juntas.

Como visto anteriormente, o uso de parâmetros de soldagem para junções com baixo aporte térmico traz implicações para a zona misturada. No parágrafo anterior, foi vista sua relevância na distribuição dos precipitados da família Mg2Si na ZM, dos quais somente permanecem os mais estáveis, do tipo β. Porém, a primeira observação importante na ZM foi a formação de grãos equiaxiais finos, oriundos da recristalização dinâmica promovida pela alta deformação e pela

temperatura de processo, como observado por Fonda (2007). Deve-se ressaltar que o tamanho de grão oscila entre 0,5 e 2,0 m, valores substancialmente baixos quando comparado com os 15 m medidos por Fukumoto (2004) e Uzun (2005), também em juntas alumínio-aço. Uma revisão da Tabela 3.3 mostra como Uzun usou parâmetros de soldagem que geram AT alto (υ/ω igual a 0,1), resultando em temperaturas elevadas. Como apresentado na seção 3.2, Sato (2002) observou, além da recristalização, o crescimento dos grãos na ZM, processo ativado termicamente que precisa da movimentação dos contornos de grão de alto ângulo.

O refinamento significativo dos grãos, observado nas juntas finais, indica que na ZM o crescimento de grão foi limitado, devido ao baixo valor de temperatura máxima. Esta condição reforça, uma vez mais, a afirmação sobre o uso de parâmetros de soldagem que propiciaram o desenvolvimento de juntas alumínio-aço de baixo aporte térmico.

Resumindo, é importante destacar a presença de ’ e ” na ZTAAl das juntas finais, em contraste com a dissolução total de ” reportada por Sato (1999) na SAPNC da liga 6063 e nas juntas alumínio-aço desenvolvidas por Fukumoto (2004) e Soundararajan (2006). O superenvelhecimento e/ou dissolução desta fase forma a denominada zona de menor dureza (Figura 6.8b), identificada principalmente pelo comportamento mecânico - dureza e resistência mecânica - e o grau de dissolução dos precipitados ” (LUI, 2008). A ausência dessa região nas juntas realizadas neste projeto indica que a temperatura máxima atingida na ZTAAl durante a soldagem é inferior àquelas reportadas na literatura e, portanto, em condições de menor aporte térmico.

A fratura na ZM de todas as amostras de tração dos testes aqui realizados (Figura 5.12b) indica que esta é a região de menor resistência mecânica. Isso é devido à dissolução total dos precipitados ’ e ”, como verificado pela análise de MET (Figura 6.20b).

A diminuição no tamanho de grão na ZM é notória. Essa característica alivia parcialmente a perda de resistência mecânica da região devido à dissolução de ’ e ”, evitando uma queda mais acentuada da resistência. Apesar da dissolução dos precipitados ’ e ” também acontecer na ZTMAAl, o aumento significativo na densidade de defeitos (endurecimento por deformação) se mostra como um mecanismo mais efetivo do que a diminuição do tamanho de grão para compensar a perda de resistência pela ausência da fase ”.