Propriedades mecânicas das juntas soldadas em aços API-5L

 Dureza em juntas SAPNC

No caso de juntas soldadas por SAPNC, o tipo de ferramenta utilizada muda a distribuição de valores de dureza, sendo que, com ferramentas de PCBN, a zona de alta dureza (ZAD) se localiza lado avanço e parte superior do passe, onde tem sido observado o colapso do caroço. Para ferramentas W-Re, os maiores valores de dureza foram observados na região central da junta (KUMAR et al., 2010).

Hermenegildo (2012) realizou juntas soldadas por SAPNC em chapas de um aço API-5L-X80 (0,05C, 0,11[Ti+V+Nb], % em massa) de 12 mm de espessura. As juntas realizadas com aportes térmicos de 1,69 kJ/mm e 1,91 kJ/mm, consideradas como fria e quente, realizadas com parâmetros de soldagem de 120 mm•min-1 _{com 300 rev•min}-1 _e

100 mm•min-1 _{com 500 rev•min}-1_{, respectivamente. Se observou que a microestruturas}

da zona misturada foi similar nas duas condições, mas foi observado picos de dureza próximos de 360 Vickers sobre a ZAD de ambas juntas.

Kumar et al. (2010), obtiveram juntas soldadas usando SAPNC em aços API-5L- X65, -X80 e -X120 (0,040C, 0,045C e 0,050C, % em massa). Empregaram ferramentas

58 de PCBN e W-Re e chapas de espessura de 16 a 19 mm. As juntas soldadas com maior aporte térmico apresentaram maiores valores de dureza em soldagem de aços API usando ferramentas de tipo PCBN.

Quando realizados dois ou mais passes de soldagem ocorre o reaquecimento do material entre zonas próximas à ZTA do passe novo, gerando reaustenitização dos passes anteriores. Isto faz com que as a características microestruturais mudem de passe para passe, do mesmo modo que a dureza e as distribuições de tensões residuais. Como consequência a propagação de uma trinca em juntas soldadas por SAPNC pode ser diferente quando realizados dois passes. É o caso apresentado por Horschel (2008), quem realizou juntas soldadas usando SAPNC em chapas de 12 mm de espessura num aço de alta resistência e baixa liga (ARBL) X65 (0,081C, 0,084[Ti+V+Nb], % em massa). Cujos resultados mostraram maior propagação de trinca no segundo passe (maior dureza) durante um ensaio de tenacidade a fratura, no qual obtive-se curvas de resistência da integral-J (J-R).

 Tenacidade à fratura em juntas soldadas de aços API-5L

Os processos de soldagem, em geral, podem inserir no material estados de tensões residuais e descontinuidades, resultando em possíveis mudanças da tenacidade à fratura do material. Do termo em inglês “local brittle zones, LBZs”, as zonas frágeis localizadas (ZFLs) são microestruturas que podem reduzir a tenacidade do material, sendo associados ao início de fraturas de tipo frágil (PEREZ, 2008; SILVA, 2009). As ZFLs são modificadas de acordo com fatores metalúrgicos, tais como as temperaturas de aquecimento e taxas de resfriamento, que podem mudar o tamanho de grão da austenita prévia e dos pacotes da bainita (FAIRCHILD, 1990; LAITINEN, 2006; MOHSENI, 2012). As ZFLs podem apresentar: bainita superior, martensita, ilhas de martensita localizadas nos contornos do grão de austenita prévia e precipitação de elementos de liga (FAIRCHILD, 1990); inclusões e partículas não metálicas com formato de placas ou agulhas (LAITINEN, 2006) e a texturização do material (LAITINEN, 2006).

Em juntas soldadas por fusão, a zona termicamente afetada de grão grosseiro, ZTAGG (FERNANDES; LOUREIRO, 1994; NEVES; LOUREIRO, 2004), mais

59 especificamente a ZTAGG reaquecida na região intercrítica, IC-ZTACG (MACHIDA et al., 1990), geralmente apresenta resultados ruins de tenacidade. Essa queda é associada à presença de ZFLs (FAIRCHILD, 1990; MACHIDA et al., 1990; TOYODA, 1994; LAITINEN, 2006; PEREZ, 2008; SILVA, 2009; MOHSENI, 2012). Porém, a GGZTA é a zona mais crítica em termos de tenacidade à fratura das juntas soldadas por fusão. Entretanto esta zona foi encontrada em juntas SAPNC. Por outro lado, as juntas realizadas por SAPNC apresentam zonas de fragilização no interior da zona misturada (FAIRCHILD et al., 2012).

A ZFL mais comum encontrada em zonas termicamente afetadas de aços ARBL contem partículas de M-A, que favorecem a nucleação e propagação das trincas por meio de matrizes endurecidas, como, por exemplo, grandes pacotes de bainita com bainita em blocos nos contornos dos pacotes e bainita em formato alongado entre ripas (FAIRCHILD, 1990; MACHIDA et al., 1990; TOYODA, 1994; LAITINEN, 2006; PEREZ, 2008; SILVA, 2009; MOHSENI, 2012), como apresentado na Figura 2.6.

Maiores tamanhos de ZFLs com relação à espessura da amostra reduziram a tenacidade (MACHIDA et al., 1990; FERNANDES; LOUREIRO, 1994; TOYODA, 1994) de aços com baixo teor de carbono (≤0,2%C), em que regiões de ZFLs maiores do que 10% da espessura podem causar grandes quedas de tenacidade à fratura (FERNANDES; LOUREIRO, 1994), com valores de CTOD menores que 0,1 mm chegando a atingir 0 mm, o que caracterizaria como uma falha completamente frágil.

Fairchild et al. (2012) realizaram juntas soldadas por SAPNC em chapas de 12,5 e 16 mm em aços API-5L-X70 e -X80 (0,040C, 0,045C e 0,050C, % em massa), observando características similares entre a microestrutura da ZTACG de juntas soldadas por fusão e as ZM e ZAD de juntas soldadas por SAPNC. Essas características foram compartilhadas por vários dos estudos realizados em juntas SAPNC em aço ARBL e API-5L usados na fabricação de tubos no transporte de gás e óleo (ABBASI et al., 2010; FAIRCHILD et al., 2010, 2012; SANTOS et al., 2010; KUMAR et al., 2011; NELSON; WEI, 2011; HERMENEGILDO, 2012; TRIBE, 2012; WEI; NELSON, 2012; AYDIN; NELSON, 2013) em que a principal microestrutura encontrada foi pacotes de bainitas grosseiras com placas de ferrita retas e irregulares, além de apresentar uma fase secundaria dispersa.

60 Inclusões de (Ti, Nb) (C, N) têm sido observadas como iniciantes de clivagem (FAIRCHILD et al., 2012). Tais partículas são geradas na fabricação do aço e não durante o processo de soldagem SAPNC. Fairchild et al. (2012), sobre superfícies de fratura de amostras submetidas a ensaios CTOD, observaram fraturas e decoesão de inclusões. Por outro lado, partículas de M-A, também iniciantes de clivagem, sofreram principalmente decoesão da matriz ferrítica.

Figura 2.6: Formatos do M-A localizados entre os contornos dos pacotes de bainita. Formato de bloco (setas vermelhas no. 1 e 2) e entre as placas ou placas de ferrita, com formato alongado (seta no. 3). Modificado de (MOHSENI et al., 2014): ZTA de grão grosseiro, juntas soldada por arco elétrico, aço API-5L-X80 (0,06C, 0,57 [Nb+Ti] e 0,028Al, % em massa).

Defeitos em escalas macro e microscópicas, que podem ocorrer em juntas obtidas por SAPNC, são relacionados com falta de preenchimento interno, falta de penetração na raiz da junta soldada, falta de mistura, falta de preenchimento na superfície, defeitos tipo túnel (RODRIGUEZ; RAMIREZ, 2014), desgaste adesivo, falha de escoamento na superfície e colapso da zona misturada (ou colapso do caroço), o qual cria regiões de alta dureza (THEODORO, 2013). Desses defeitos, a falta de preenchimento interno no lado de avanço da junta é o mais frequente em aços, cuja origem está por usar ferramentas com desgaste excessivo (ÁVILA et al., 2015). Segundo Ávila et al. (2015), quem observaram falta de preenchimento no lado avanço e avaliaram a tenacidade

61 (medida em CTOD), encontraram que a tenacidade de amostras com defeitos diminuiu em 0,1 mm com relação à média, sendo que esse resultado foi maior do que o mínimo apresentado por dita condição. A janela de parâmetros de soldagem do tipo SAPNC em aço é reduzida, como mostrado nas Tabelas 2.3 e 2.4 para os aços API-5L, em que o defeito remanescente foi o colapso do caroço, que podem apresentar zonas frágeis localizadas e, podem, causar a diminuição da tenacidade.

Existe a tendência, por alguns autores, de considerar a faixa de valores entre 0,1 e 0,25 mm como os valores mínimos de aceitação de CTOD na construção de dutos (FAIRCHILD et al., 1991, 2009, 2012; KUMAR et al., 2010), que em muitos casos correspondem com o valor de CTOD mínimos de caráter crítico, o que significa que a propagação estável da trinca é menor que 0,2+0,7δ [mm], segundo a ASTM-E1820 (2014). Dentro dessa faixa de valores aceitáveis de CTOD mínimos podem-se incluir as normas API-1104: 2005 (0,127 mm), DNV-OS-F101:2012 (0,15 mm) e Petrobras N- 1678:2010 (0,25mm). No caso de aços ARBL usados em estruturas offshore, existem limites de tenacidade para aços ARBL em -10 ºC, em que a ZTA deve apresentar valores de CTOD ≥ 0,25 mm (NISHIOKA; ICHIKAWA, 2012).

 Tenacidade à fratura medida pelo parâmetro CTOD em juntas soldadas por fusão

Fernandes (2011) avaliou a tenacidade por CTOD na ZTA de juntas soldadas por arame tubular (FCAW) e comparou seus resultados com os obtidos por Silva (2009) com eletrodo revestido (Shield Metal Arc Welding – SMAW), usando um aço API-5L-X80 de fabricação brasileira obtido por processo de laminação controlada (TMCP) com resfriamento ao ar. A tenacidade das juntas feitas por SMAW proporcionam valores de CTOD maiores nas diferentes temperaturas de avaliação (Tabelas 2.3 e 2.4). Isso ocorre porque o processo de arame tubular apresenta maior taxa de deposição de material que o eletrodo revestido e apresenta também maiores picos de temperatura. Em consequência, o primeiro apresentou crescimentos maiores do grão austenítico, reduzindo a tenacidade.

Ju et al. (2012) aplicaram GTAW (Gas tungsten arc welding) e SMAW em chapas aço API X65 de 17,5 mm de espessura e avaliaram a tenacidade à fratura usando o

62 parâmetro CTOD em diferentes posições desde a linha de fusão. Os valores mínimos de tenacidade a -40 °C começaram a 0,3 mm da linha de fusão. A tenacidade aumentou gradualmente até atingir, aproximadamente, 1,2 mm a 3 mm desde a linha de fusão.

Outros estudos envolvendo aços API 5L e avaliação da tenacidade à fratura foram realizados, como, por exemplo, o estudo do efeito das diferenças de propriedades em juntas soldadas (DONATO, 2008); o uso de diferentes atmosferas de avaliação (SOUZA, 2011); geometrias do tipo SE[T] (TORRICO, 2006; FRANCISCO, 2009); Avaliações in

situ dentro do microscópio eletrônico de varredura [CHAN, 2011; CASTELLUCCIO et al.,

2013]; peças de tamanho real (KOO et al., 2013; QIAN et al., 2013); e, elaboração de Curvas J-R (SILVA, 1998, 2004; HIPPERT, 2004; VALIM, 2005; TORRICO, 2006).

 Tenacidade à fratura medida pelo parâmetro CTOD em juntas soldadas por SAPNC

Além das já mencionadas ZFLs, outras fontes de variação dos valores de CTOD em juntas SAPNC têm sido relacionadas com a complexa microestrutura dentro da zona mistura, causado por a temperatura da ferramenta e heterogeneidades em toda a extensão da ZM (TRIBE, 2012).

Como mostrado na Figura 2.7, há uma tendência de se apresentar melhores valores de CTOD com menores valores de aporte térmico –AT (SANTOS et al., 2010; HERMENEGILDO, 2012; TRIBE, 2012). Tribe (2012) observou que com a diminuição do AT e a velocidade de rotação, a tenacidade à fratura pode ser incrementada, sendo que usando os parâmetros de 375 rev•min-1 _{com 194 mm•min}-1_{, correspondente a um AT de}

1400 J•mm-1_{, obteve-se a maior tenacidade de todas condições avaliadas (Figura 2.7).}

Kumar et al. (2010) e Fairchild et al. (2009) em juntas por SAPNC do aço API-5L- X80 usando ferramentas fabricadas com PCBN (300 rev•min-1_{, 51 mm•min}-1_{) e W-Re}

(170 rev•min-1_{, 89 mm•min}-1_{), observaram que a tenacidade à fratura melhores resultados}

com ferramentas de W-Re do que ferramentas de PCBN. Os resultados de CTOD na zona misturada apresentaram menores que na ZTA e no MB, embora a maioria dos dados estivessem abaixo da faixa proposta como segura pelo autor (0,1 a 0,2 mm). Também, a tenacidade diminuí com a queda de temperatura (20 a -100 ºC) até chegar a valores ao redor de 0,01 mm.

63

Figura 2.7: Relação de CTOD mínimo com o Aporte Térmico (AT) e velocidade de rotação da ferramenta (ω). Modificado de Tribe (2012).

Horschel (2008) realizou soldagens em chapas de aço API X65 com espessura de 12,7 mm com SAPNC, usando parâmetros de soldagem de 100 mm•min-1 _{com 340}

rev•min-1 _{e 100 mm•min}-1 _{com 490 rev•min}-1_{. Este autor, usando ensaios de tração,}

observou grande diferença entre os limites de escoamento e resistência em diferentes regiões da junta soldada, observou-se: 1) maiores valores do limite de escoamento e de dureza próximos às superfícies das juntas, 2) decrescimento do limite de escoamento em direção ao centro da junta soldada, 3) maiores valores de dureza e limite de escoamento no segundo passe em comparação com o primeiro. Valores do limite de escoamento próximos do limite de resistência reduzem a capacidade do material a deformar, porém, a sua tenacidade diminuí. Este autor relatou que as zonas de alta dureza (ZAD) dentro da região misturada (ZM) observou maiores valores do limite de escoamento e de resistência do que o metal base, mas apresentaram menor deformação plástica e, como

64 consequência, diminuíram a tenacidade à fratura.

Konkol et al. (2007) produziram juntas soldadas por SPANC e SAW (Arco submerso) em chapas de X65 de 6 mm de espessura. Na SAPNC foram usadas ferramentas de PCBN e W-Re. Como resultado, a SAW apresentou distorção na direção transversal e a SAPNC não, enquanto na direção longitudinal houve significativa distorção em ambas as juntas. Os resultados de tração foram aceitáveis e a tenacidade foi melhor nas amostras usando SAPNC.

Ozekcin et al., (2004) obtiveram juntas soldadas por SAPNC em aços API-5L-X80 (0,13C, 0,06[Ti+V+Nb], % em massa) e L80 (0,32C, 0,13[Ti+V+Nb], % em massa), fabricados usando laminação controlada (TMCP) com têmpera e revenimento (Q/T), respectivamente. Em chapas de 20 e 8 mm de espessura, com parâmetros de 550 rev•min-1_{, 450 rev•min}-1 _{com 100 mm•min}-1_{. Nas regiões duras, o tamanho de grão foi}

maior e apresentou uma combinação de bainita granular e ripas de martensita.

McPherson et al. (2013) empregaram SAPNC em chapas de 8 mm de espessura com 1 e 2 passes em três aços DH36 (0,09C, 0,21Mn / 0,11C, 0,37Mn / 0,14C, 1,34Mn, % em massa), cujo uso principal é a fabricação de barcos. Encontrando melhores resultados de tenacidade e resistência à fadiga nas juntas com 2 passes, pois a presença da região sobreposta entre passes causou um amolecimento. O comportamento mecânico das juntas obtidas por SAPNC foi superior ao fornecido por SAW, possivelmente pelo refino de grão na junta SAPNC.

Devido às diferentes microestruturas das zonas dentro de juntas realizadas por SAPNC, Tribe (2012) descobriu que a tenacidade pode variar em 50% com o deslocamento de apenas 300 mícrons.

Resultados interessantes de estudos prévios realizados no LNNano/CNPEM são apresentados na Tabela 2.2. As juntas foram soldadas por dois passes em chapas de aço API-5L-X80 com ferramenta de PCBN-WRe de 6 mm de comprimento do pino. Juntas com parâmetros similares, como as realizadas com baixo (1,98 kJ/mm, 300 rev•min-1 _com

100 mm•min-1_{) e alto (1,74 kJ/mm, 400 rev•min}-1 _{com 120 mm•min}-1_{) aporte térmico (AT),}

apresentaram os melhores resultados de tenacidade a 25 ºC. Essas condições apresentaram resultados de tenacidade similares se comparadas as zonas misturadas de cada condição. Enquanto ZTA apresentou melhores resultados de tenacidade na

65 condição de maior AT.

Hermenegildo (2012) realizou juntas soldadas por SAPNC em chapas de um aço API-5L-X80 (0,05C, 0,11[Ti+V+Nb], % em massa) de 12 mm de espessura. Obteve juntas com parâmetros de 120 mm•min-1 _{com 300 rev•min}-1 _{e 100 mm•min}-1 _{com 500 rev•min}-1_,

com aportes térmicos de 1,69 kJ/mm e 1,91 kJ/mm, respectivamente. O autor concluiu que a boa tenacidade da junta com menor aporte térmico foi devido à presença de ferrita acicular e a uma pequena fração de bainita granular; porém, na ZAD da junta quente observou martensita, possivelmente devido à maior temperatura de pico. A ZM da junta com maior aporte térmico apresentou menores valores de tenacidade (CTOD=0,19 mm) do que a junta com menor aporte térmico (CTOD=0,66 mm).

Tabela 2.2: Parâmetros de soldagem e resultados de CTOD de juntas soldadas por dois passes de SAPNC em um aço API-5L-X80 de fabricação brasileira, com espessura de 12 mm e utilizando ferramenta de PCBN-WRe de 6 mm de comprimento do pino.

Condiç ão

Parâmetros durante a SAPNC

CTOD