UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
JULIAN ARNALDO AVILA DIAZ
Determinação da tenacidade à fratura de
juntas soldadas por atrito com pino não
consumível em chapas de aço API-5L-X80
CAMPINAS 2016
Para Chava, Arnaldo, Álvaro, Fernando e Tere, que foram a minha fonte de motivação para levar de início ao fim este projeto.
O rio que fazia uma volta atrás da nossa casa era a imagem de um vidro mole...
Passou um homem e disse: Essa volta que o rio faz... se chama enseada...
Não era mais a imagem de uma cobra de vidro que fazia uma volta atrás da casa. Era uma enseada. Acho que o nome empobreceu a imagem.
Manoel de Barros O livro das ignorãças
Agradecimentos
Agradeço a todos os envolvidos com a elaboração deste trabalho. Muitos deles são amigos, colegas de trabalho, familiares e professores. Especialmente, a Alejandro Carrillo, Julián Escobar, Waldir Rodrigues, Carolina Valencia e Diana Mejía.
Aos orientadores Prof. Dr. Paulo R. Mei e Prof. Dr. Antonio J. Ramirez Londoño pelo auxilio na concepção, desenvolvimento e finalização deste trabalho.
Aos Doutores Cassius Ruchert, Jeffrey Sowards, Enrico Lucon pelas discussões de alguns dos resultados aqui contidos.
A Vinicius Lima, Joel Alencar, Michel Duarte e Thaís Alonso pelo enorme suporte administrativo e técnico na elaboração deste projeto. A Victor Ferrinho, Michel Duarte e Guilherme Longhitano pela realização das juntas soldadas, objeto de estudo.
Aos meus colegas de trabalho Julián Escobar, Eduardo Bertoni e William Magalhães pela amizade e por terem discutido alguns assuntos chaves comigo.
À equipe de profissionais, técnicos e estudantes do Laboratório de Processamento e Caracterização de Metais (CPM) do LNNano / CNPEM. Igualmente ao pessoal da Oficina Mecânica do CNPEM pelos múltiplos serviços de usinagem realizados.
Ao pessoal do Laboratório de Fusão por Feixe de Elétrons e Tratamentos Termomecânicos do DEMM na Unicamp.
A William Magalhães, Alberto Fatichi, Wesley Satelis, Barbara Zaparoli, Victor Pereira, Michel Duarte e Eduardo Fonseca pelas inúmeras revisões do documento escrito.
As instituições: Unicamp, LNNano-CNPEM e Petrobras por fornecerem suporte acadêmico, profissional, cientifico e financeiro durante o decorrer desta pesquisa.
Ao Departamento Administrativo de Ciência, Tecnologia e Inovação da Colômbia (COLCIENCIAS) pela bolsa de estudos durante o doutorado, Convocatória 512 do 2010.
Resumo
Novas aplicações dos processos de soldagem têm sido estudadas ao redor do mundo para reduzir custos e aumentar a produtividade. O processo de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC) é um candidato promissor para uso na construção de dutos de transporte de óleo e gás. Portanto, é de grande importância determinar a tenacidade em baixas temperaturas de juntas soldadas por este processo para se estabelecer os limites desta tecnologia. Por esta razão, o foco deste trabalho foi o de correlacionar a tenacidade com a microestrutura de juntas soldadas por SAPNC em um aço usado na construção de dutos (API-5L-X80). No presente estudo, parâmetros otimizados (HERMENEGILDO, 2012) de soldagem SAPNC foram usados para produzir juntas em chapas de 9,5 e 15 mm de espessura, usando uma ferramenta de PCBN-WRe com velocidade de rotação de 300 rev min-1 e deslocamento de 100 mm min-1. As juntas
obtidas foram de boa qualidade e não apresentaram defeitos superficiais.
A microestrutura anteriormente à soldagem (MB = Metal Base) constituída por uma matriz homogênea de ferrita em formato de panqueca, evoluiu para pacotes de bainita com placas retas e irregulares, bainita granular e ferrita acicular na Zona Misturada (ZM) e na Zona de Alta Dureza (ZAD) e para ferrita quase poligonal na Zona Termicamente Afetada (ZTA). Ensaios de deslocamento da abertura da ponta da trinca (CTOD) realizados em distintos pontos da região soldada (MB, ZTA, ZM e ZAD) forneceram valores superiores a 0,1 mm para temperaturas de até -20 ºC, indicando que este processo é adequado para a soldagem de tubos de aços API-5L-X80 usados no transporte de óleo e gás no Brasil, visto que as menores temperaturas em que ocorre a extração de petróleo ficam em torno de 3 ºC em águas com profundidade de 2.000 metros. A Temperatura de Transição Dúctil-Frágil (TTDF) obtida no ensaio Charpy com corpos de prova tipo KLST ficou em torno de -100 ºC no MB e na ZTA e de -60 ºC na ZM e na ZAD, corroborando os dados obtidos no CTOD.
Palavras chave: Solda e Soldagem; Mecânica da fratura; Aço de alta resistência;
Abstract
Alternative steel welding processes with improved productivity while still producing sound joints have been studied around the world in recent decades. Among these processes, friction stir welding (FSW) is a promising candidate for use in pipeline construction. However, it is of paramount importance to determine the toughness at low temperatures in order to establish the limits of this technology. Therefore, this study focuses on the relationship between experimental toughness estimation, welding parameters, and microstructure in FSW weldments in a pipeline steel (API-5L-X80). In the present study, optimized welding parameters (HERMENEGILDO, 2012) were used to produce two-pass FSW joints in 9.5 mm and 15 thick plates, using PCBN-WRe tools rotating at 300 rev min-1 and translating at 100 mm min-1. Sound and high quality welded
joints were produced.
The base material (BM) microstructure was composed by a ferrite matrix with package shape grains. After welding, the microstructure changed into bainite packets with irregular and straight ferrite plates, granular bainite and acicular ferrite in the stirred (SZ) and hard zone (HZ); while the heat affected zone (HAZ) presented quasi-polygonal ferrite. Crack tip opening displacement (CTOD) tests of several regions within the welded joint (BM, HAZ, SZ and HZ) provided results above 0.1 mm at -20 ºC. The results indicate that FSW provides satisfactory welded joints in the API-5L-X80 steel used for oil and gas transportation in Brazil, where the lowest temperatures for oil extraction in 2000 m below sea level is 3 ºC (SILVA, 2006). The ductile-to-brittle transition temperature (DBTT) found at the Charpy testing in KLST samples for the base material and heat affected zone were below -100 °C; conversely, for the stirred and hard zone it was located around -60 °C, which corroborated with CTOD results.
Key Words: Welding; Fracture mechanics; Metals – Fracture; High-strength steel; Steel – fracture; Mechanical properties of metals.
Lista de Ilustrações
Figura 2.1: Determinação dos valores característicos da curva da força (ISO-14556:2000). ... 36 Figura 2.2: Definições geométricas de CTOD: a) deslocamento original da ponta da trinca
e b) interseção de retas ortogonais com os flancos da trinca (ANDERSON, 2005). ... 39 Figura 2.3: Representação da curva força versus deslocamento da boca da trinca (CMOD
ou V). A área corresponde à energia liberada por corpo de prova no final do ensaio, a área maior representa a região plástica (Apl) e a menor à parte
elástica (Ael). Curvas reais obtidas de corpos de prova SE(B) de um aço
API-5L-X80, modificado de Benati et al. (2009) e Sumpter e Turner (1976). ... 41 Figura 2.4: Descrição do processo de soldagem, a) fases do processo e b) detalhe da
ferramenta, modificado de (MISHRA; MA, 2005). ... 48 Figura 2.5: Zonas pertencentes às juntas soldadas usando a) arco elétrico e b) SAPNC
em aços ARBL fabricados por TMCP. Modificado com base nos dados de (FAIRCHILD et al., 1991; NORTON, 2006; HERMENEGILDO, 2012; NIPPONSTEEL, 2014). Lado avanço (LA) e retrocesso (LR), fase ferrita (α), fase austenita (γ), liquido (L) e cementita (Fe3C). ... 52
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). ... 60 Figura 2.7: Relação de CTOD mínimo com o Aporte Térmico (AT) e velocidade de rotação
da ferramenta (ω). Modificado de Tribe (2012). ... 63 Figura 2.8: Zonas presentes na propagação da trinca durante o ensaio de tenacidade à
fratura. Resultados de ensaios do aço de alta resistência S620 fabricado por laminação termomecanicamente controlada. Figuras adaptadas de (WEIDNER et al., 2013). a) Perfil de propagação da trinca, b) Vista superior da propagação da trinca, c) detalhe da região de propagação de trinca por fadiga, d) detalhe da propagação estável da trinca e e) detalhe da propagação instável da trinca. ... 70 Figura 2.9: Esquema de fabricação de chapas por laminação termomecanicamente
controlada –TMCP. TM1: com finalização da laminação na região austenítica e resfriamento ao ar. TM2: última laminação na região bifásica e resfriamento ao ar. ACC: última laminação na região intercrítica e resfriamento acelerado. DIC: última laminação na região intercrítica e resfriamento acelerado estendida até a região de formação de martensita. Gráfico modificado de
Voestalpine (2008). ... 73 Figura 2.10: Relações entre processos de fabricação, limite de escoamento e carbono
equivalente. Gráfico modificado da Nipponsteel (2014). ... 77 Figura 2.11: Estrutura com bainita com ferrita em placas (BP), ferrita acicular (FA) e
bainita granular (BG). a) Zona termicamente afetada de um aço API X70, aço fabricado pelo processo TMCR (ALIZADEH; BORDBAR, 2013) b) aço API-5L-X80 submetido a um processo de laminação controlada e resfriamento acelerado [20 °C/s] de 800 a 545°C (HAN et al., 2010). ... 79 Figura 2.12: Formato da bainita granular: a) aços 0,06C% em massa – sem boro, b)
aço 0,045C (% em massa) com boro; resfriamento acelerado desde 800 °C, modificado de Zajac et al. (2005). c) e d) aço ARBL (0,05C, 0,15Si e 2,00Mn, % em massa), mapas de desorientação obtidos por EBSD, modificado de (KANG et al., 2013); e) Microestrutura pertencente a junta soldada por arco elétrico, modificado de (BANGARU et al., 2004), aços API-5L-X120 com carbono equivalente (Pcm) entre 0,24 e 0,30%, em peso. Ferrita da bainita (FB). ... 82 Figura 2.13: Bainita com ferrita em placas presente num aço bainítico de baixo teor de
carbono (0,03 C; 0,19 Si; 1,85 Mn; 0,009 P; 0,028 Al; 0,024 Ti; 0,05 Nb; 40 S*; 26 B*; 40 N*; ppm: *), Imagens obtidas: a) microscópio ótico e b) microscópio eletrônico de transmissão. Adaptado de Chiou et. al (2001). . 83 Figura 2.14: Esquema da variação do tipo e fração volumétrica da segunda fase em
bainita granular. TFR: temperatura de finalização do resfriamento, TFL: temperatura de finalização da laminação. Adaptado de (ZAJAC et al., 2005), API-5L, 0,03-0,06, % em massa, e sistemas com Mo, e Ni-Cu. ... 84 Figura 2.15: Modelo de propagação de trinca numa estrutura de ferrita acicular com
microconstituinte martensita austenita (M-A) em bloco a) grosso e b) fino (HAN et al., 2010). API-5L-X80 (0,08C, 0,30Si e 1,9Mn, 0,12(Ti+V+Nb), %
em massa). ... 85 Figura 3.1: Fluxograma geral da pesquisa ... 86 Figura 3.2: Fluxograma da obtenção das placas para soldagem. ... 88 Figura 3.3: Esquema de distribuição dos corpos de prova de tração na chapa segundo a
direção de laminação (DL), Direção Transversal à laminação (DT) e Direção Normal à laminação (DN). Desenho do corpo de prova de tração no metal base. Dimensões em mm. ... 89 Figura 3.4: Fluxograma utilizado para a soldagem. Fz: força axial; ω: Velocidades de
rotação; υ: velocidade de soldagem. ... 91 Figura 3.5: a) Junta soldada realizada por SAPNC, fixada na base da máquina de
soldagem; b) ferramenta de 9,5 mm de comprimento saindo do material após término da soldagem; c) corte transversal da ferramenta e da junta soldada
mostrando as diferentes regiões microestruturas. Ferramentas: d) 6,1 mm e e) 9,5 mm de comprimento do pino. MB: Metal base; ZTA: zona termicamente afetada. Direções: de laminação (DL), normal (DN) e transversal (DT). Eixos cartesianos: X, Y e Z. ... 93 Figura 3.6: Esquema de soldagem de juntas de lados avanços coincidentes, a) vista de
topo da realização da junta soldada, as setas curvas representam o sentido de rotação da ferramenta e as setas retas a direção de soldagem; b) vista da seção transversal da junta soldada. A cor vermelha representa o primeiro passe e a azul o segundo. A, B, C e D são os cantos das chapas. Eixos cartesianos: X, Y e Z. Símbolos: indica a direção de soldagem saindo da página e indica a direção de soldagem entrando na página. ... 94 Figura 3.7: Comportamento dos parâmetros durante a realização de dois passes no aço
API-5L-X80 usando a) processamento em chapas e b) juntas soldadas. Os passes foram feitos em configuração coincidente, com espessura de chapa de 15 mm. c) Aparência superficial. Pz: penetração da ferramenta, Fz: força
axial, Tq: torque e TF: temperatura da ferramenta. ... 96
Figura 3.8: Distribuição dos passes do processamento de chapas, passes 1, 2 e 3. Lado Avanço (LA) e Lado Retrocesso (LR), Direções: de laminação (DL), normal à direção de laminação (DN) e transversal à direção de laminação (DT). Chapa de espessura de 15 mm. ... 97 Figura 3.9: Comportamento típico dos parâmetros de soldagem de uma junta soldada
com dois passes em espessura de 15 mm; aço API-5L-X80. Passes realizados com ferramenta de 9,5 mm (1º passe) e 6,1 mm (2º Passe) de comprimento do pino. Parâmetros: penetração da ferramenta (PZ), força axial
(FZ), torque (Tq) e temperatura da ferramenta (TF). ... 99
Figura 3.10: Comportamento de soldagem de três passes do processamento em chapas de 15 mm de espessura usando a ferramenta de 9,5 mm de comprimento. Parâmetros: penetração da ferramenta (PZ), força axial (FZ), torque (Tq) e
temperatura da ferramenta (TF). ... 100
Figura 3.11: Comportamento dos parâmetros de soldagem de quatro juntas soldadas usando ferramenta de 9,5 mm de comprimento; chapas de 9,5 mm. Parâmetros: penetração da ferramenta (PZ), força axial (FZ), torque (Tq) e
temperatura da ferramenta (TF). ... 101
Figura 3.12: Comportamento do aporte térmico (AT) típico das juntas soldadas de dois passes em chapas com 15 e 9,5 mm de espessura. Parâmetros de soldagem de quatro juntas soldadas usando ferramenta de 9,5 mm de comprimento; chapas de 9,5 mm. ... 102 Figura 3.13: Fluxograma da realização dos ensaios de tenacidade à fratura. 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). ... 104 Figura 3.14: Dimensões dos corpos de prova de Charpy com entalhe em V: a) Tipo-A e
b) Amostra KLST, ver o anexo D da norma ISO14556:2000. Direções: de laminação (DL), normal à direção de laminação (DN) e transversal à direção de laminação (DT). ... 104 Figura 3.15: Disposição dos entalhes no corpo de prova de impacto Charpy com entalhe
em V, do tipo KLST: 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). Processamento em chapas de 15 mm de espessura, ferramenta de 9,5 mm de comprimento do pino. ... 105 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). ... 106 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. ... 107
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). ... 109 Figura 3.19. Orientação das trincas em chapas laminadas segundo a ASTM-E1823-13
(2014). Figura modificada da norma técnica ASTM-E1823-13 (2014). ... 110 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). 111 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). ... 112 Figura 3.22: Representação do corte de um corpo de prova para a avaliação
microestrutural do caminho de propagação da trinca usando EBSD a) corpo de prova de CTOD. Detalhe do começo da propagação da trinca sujeita a estudo em amostras: b) CTOD e c) Charpy. Direções: normal (DN), transversal (DT) e de laminação (DL). ... 114
Figura 4.1: Micrografias do metal base, plano transversal-normal. Microscopia óptica, Nital 2%... 117 Figura 4.2: Micrografias do metal base, matriz com ferrita poligonal e partículas de
segunda fase (SF), plano transversal-normal: a) baixa magnificação; b), c), d) alta magnificação. Nital 2%. ... 117 Figura 4.3: Frequência de diferença de orientação nas direções dos planos do metal base.
Planos na direção de laminação-normal (DL-DN), transversal-normal (DT-DN) e transversal-laminação (DT-DL). Mapas de orientação com ângulos de Euler, a) plano DT-DN, b) plano DL-DN e c) plano DT-DL. As cores internas dos grãos correspondem às orientações destes se baseando na figura orientação dos ângulos de Euler (d). e) as cores das linhas dos contornos de grão correspondem a diferença de orientação entre os mesmos: preto (>15°e <45°), branco (>45°). ... 119 Figura 4.4: Distribuição de inclusões no metal base: a) e b) Micrografias ópticas e c)
micrografia eletrônica de varredura. ... 121 Figura 4.5: Composição química de inclusões presentes no metal base. ... 122 Figura 4.6: Resultados dos ensaios de tração obtidos para o aço deste trabalho e os
especificados na norma API-5L para os aços X70 e X80. LT: Limite de resistência; Rp: limite de elasticidade calculado com 0,5% de offset; DL: sentido longitudinal; DT: sentido transversal... 125 Figura 4.7: Comparação da anisotropia para os limites de escoamento (LE) e de
resistência (LT) para o aço deste trabalho. O índice de anisotropia foi calculado fazendo a divisão dos limites nas direções longitudinal (L) e transversal (T). ... 126 Figura 4.8: Curva de energia de impacto versus temperatura do entalhe localizado no
metal base (MB) usando corpos de prova tipo-A e KLST. Ajuste realizado usando a função da tangente hiperbólica (HTF). ... 130 Figura 4.9: Comparação de resultados do ensaio Charpy realizados no metal base do
presente estudo e outros estudos (SILVA, 2004; PASSAGEM, 2011; JOO et
al., 2012). Orientações de propagação das trincas, L: paralelo à direção de
laminação, T: Transversal à direção de laminação, D: diagonal à direção de laminação. Na identificação T-L, L-T e D-D a primeira letra representa a direção longitudinal do corpo de prova e a segunda a direção de propagação da trinca. ... 132 Figura 4.10: Resultados de CTOD do metal base, sentido T-L e espessuras de 9,5 e 15
mm. A faixa de aceitação refere-se a valores entre 0,1 e 0,25 mm, determinada pelos autores Fairchild et al., (1991, 2009 e 2012) e Kumar et
al., (2010) e as normas API-1104 (2005), DNV-OS-F101 (2012) e Petrobras
N-1678 (2010). ... 136 Figura 4.11: Comparação de resultados de CTOD mínimos do metal base do presente
estudo com outros autores (FAIRCHILD et al. (2009); SILVA (2009), RAMIREZ et al. (2014); ÁVILA et al. (2015)). Corpos de prova SE(B) com seção transversal Bx2B (B: Espessura). Orientações de propagação das trincas, L: paralelo à direção de laminação, T: Transversal à direção de laminação. Na identificação T-L e L-T, a primeira letra representa a direção longitudinal do corpo de prova e a segunda a direção de propagação da trinca. ... 137 Figura 4.12: Corte transversal mostrando a distribuição das zonas no processamento em
chapas de 15 mm de espessura, passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. Lado de Retrocesso (LR). Zona Termicamente Afetada: de Temperatura Alta (ZTA-TA), Temperatura Intermediária (ZTA-TI) e Temperatura Baixa (ZTA-BT). Zona Misturada Geral (ZM), Zona de Alta Dureza (ZAD). ... 139 Figura 4.13: Micrografias do processamento de chapa de 15 mm de espessura com um
passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento: a) Macro da junta soldada; b) Metal base; zonas termicamente afetadas (ZTA): c) de intermediária (ZTA-TI) e d) de alta (ZTA-TA) temperatura; e) Zona misturada (ZM) e f) zona de alta dureza (ZAD). Direções: de laminação (DL), normal à direção de laminação (DN) e transversal à direção de laminação (DT). MEV, Nital 2%. A descrição das diferentes regiões microestruturais foi realizada nas seções 4.2.1 e 4.2.2. ... 141 Figura 4.14. Microestruturas características da zona termicamente afetada: a) Macro da
junta soldada, b) vista aumentada da zona termicamente afetada, c) metal base; Zona termicamente afetada: d) de baixas (ZTA-TB), e) intermediárias (ZTA-TI) e f) altas (ZTA-TA) temperaturas. Zona misturada geral (ZM). Direções: de laminação (DL), normal à direção de laminação (DN) e transversal à direção de laminação (DT). Microscópio ótico, Nital 2%. Processamento em chapas de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 143 Figura 4.15. Microestruturas características da zona termicamente afetada de
temperatura alta (ZTA-TA): a) Vista geral; b-f) detalhes da matriz de ferrita quase poligonal (FQP) e partículas de segunda fase (SF). As setas vermelhas indicam a posição de algumas partículas de SF. MEV, Nital 2%. Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 145 Figura 4.16. Microestruturas características da zona termicamente afetada de
temperatura intermediária (ZTA-TI): a) Vista geral b-e) detalhes da matriz de ferrita quase poligonal (FQP) e partículas de segunda fase (SF). As setas vermelhas indicam a posição de algumas partículas de SF. MEV, Nital 2%. Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 146 Figura 4.17: Microestruturas características da zona misturada geral (ZM).
ferrita (BP) e ferrita acicular (FA). As setas vermelhas indicam a posição da segunda fase dispersa (SF). MEV, Nital 2%. Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 148 Figura 4.18: Microestruturas características da zona de alta dureza (ZAD) e zona
misturada (ZM). Macro da junta soldada mostrando a ZM e ZAD (a-b), detalhe da região de transição entre a ZAD e ZM (c). Microestruturas presentes (c-f): Bainita com placas de ferrita (BP). As setas vermelhas indicam a posição da segunda fase dispersa (SF). Microscopia ótico e MEV, Nital 2%. Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 150 Figura 4.19: Mapas de orientação por IPF de: a) material de base; b) ZTA-TI; c) zona
misturada; e d) zona de alta dureza. As cores internas dos grãos correspondem à orientações destes, se baseando na figura de polo inversa de referência (e). As cores das linhas dos contornos dos grãos correspondem à diferença de orientação entre os mesmos: preto (>15 e <45º), vermelho (>45 º). Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 154 Figura 4.20: Diferenças de orientação: a) metal base (MB), zona termicamente afetada
de temperatura intermediária (ZTA-TI), zona misturada (ZM) e zona de alta dureza (ZAD); b) Orientações características num aço ARBL da bainita inferior, superior e granular, modificado de Zajac et al. (2005). Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 155 Figura 4.21: Mapas de orientação de Euler, zona misturada. a) MEV mostrando a Bainita
com ferrita em Placas (BP), Bainita Granular (BG), Ferrita Acicular (FA) e partículas de segunda fase (as setas vermelhas apontam algumas partículas). Analise de orientação sobre: b) BG e d) FA, estes mostram perfis de orientação retos (setas amarelas No. 1 e 2). O perfil de orientações, ponto a ponto e acumulada das setas amarelas No. 1 e 2 foi representado para: c) a BG e e) a FA; as setas pretas nas figuras d)-e) representam orientações similares e correspondência entre os grãos mostrados no mapa e do seu perfil de orientação (perfil acumulada), permitindo observar a geometria complexa da FA. As cores das linhas dos contornos dos grãos correspondem à diferença de orientação entre os mesmos: preto (>15 e <45º), branco (>45 º). Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 157 Figura 4.22: Mapas de orientação de Euler, zona de alta dureza. a) MEV mostrando a
Bainita com ferrita em Placas (BP), Bainita Granular (BG), Ferrita Acicular (FA) e partículas de segunda fase (as setas vermelhas apontam algumas partículas). Analise de orientação sobre: b) BP e d) FA, estes mostram perfis de orientação retos (setas amarelas No. 1 e 2). O perfil de orientações, ponto a ponto e acumulada das setas amarelas foi representado para: c) a BP e e)
a FA; as setas pretas e verdes nas figuras b)-c) e d)-e) representam orientações similares e correspondência entre os grãos mostrados no mapa e do seu perfil de orientação (perfil acumulada), permitindo observar a geometria complexa da FA e BP. As cores das linhas dos contornos dos grãos correspondem à diferença de orientação entre os mesmos: preto (>15 e <45º), branco (>45 º). Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 158 Figura 4.23: Mapas IPF, a),c),e) e g) austenita prévia reconstruída usando o software
ARPGE; b), d), f) e h) Mapas IPF da matriz bainítica com superposição dos contornos de grão da austenita prévia reconstruída. a)-b) material de base, c)-d) ZTA-TI, e)-f) ZM, g)-h) ZAD. Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 161 Figura 4.24: Junta soldada SAPNC, espessura de 15 mm e passe realizado com a
ferramenta de 9,5 mm de comprimento: Macrografias da seção transversal a) campo claro e b) campo escuro; c) mapa de dureza. Detalhes da distribuição das inclusões na região de acumulação, figuras tratadas com alta saturação: d) e e) banda superior de alta dureza; f) e g) ZAD localizada no lado de avanço (LA). Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 162 Figura 4.25: Inclusões dentro da junta soldada (a-d), detalhe de região de análise por
XEDS (d) e resultados de medição indicando o conteúdo de carbono (e). MEV, Nital 2%. Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 163 Figura 4.26: Composição química medida pelo espectrômetro SpectroMaxx; as regiões
de análise foram o metal base (MB), a zona misturada (ZM) e a zona de alta dureza (ZAD). O padrão indicado corresponde ao limite de detenção do equipamento para cada elemento. Processamento de chapa de 15 mm de espessura, um passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. ... 165 Figura 4.27: a) Mapa de dureza (Vickers) da seção transversal do processamento sobre
chapa com um passe; b) esquema representativo das diferentes regiões microestruturais: Metal Base (MB), Zona Misturada (ZM), Zona de Alta Dureza (ZAD), Zona Termicamente Afetada (ZTA): de baixas (TB), intermediárias (IT) e altas (TA) temperaturas. LA, lado de avanço e LR, lado de retrocesso. ... 168 Figura 4.28: Curva de energia de impacto versus temperatura do entalhe localizado no a)
metal base (MB), b) zona afetada termicamente (ZTA), c) zona misturada (ZM) e d) zona de alta dureza (ZAD). Usando corpos de prova tipo-A e KLST. Ajuste realizado usando a função da tangente hiperbólica (HTF). Processamento em chapas de 15 mm de espessura, ferramenta de 9,5 mm de comprimento do pino... 174
Figura 4.29: Curva de transição dúctil-frágil, os eixos verticais, esquerdo e direito apresentam a energia absorvida para os corpos de prova Tipo-A e KLST, respectivamente. Processamento em chapas de 15 mm de espessura, ferramenta de 9,5 mm de comprimento do pino. 75 em temperaturas maiores que -10 ºC, limite de aceitação estabelecido no projeto de construção da dutovia para transporte de gás Oman-India segundo o HILLENBRAND et al (2002), corpos de prova tipo-A. 68J em temperaturas maiores que 0 ºC, limite estabelecido pela norma API-Spec-5L, corpos de prova tipo-A. MB: metal base; ZTA: zona afetada termicamente; ZM: zona misturada; ZAD: zona de alta dureza. ... 177 Figura 4.30: Valores característicos da força dos ensaios instrumentados de Charpy.
Entalhes localizados na zona misturada (ZM) e na zona de alta dureza (ZAD). Fgy: força de escoamento; Fm: força máxima e Fiu: força de iniciação da trinca.
Processamento em chapas de 15 mm de espessura, ferramenta de 9,5 mm de comprimento do pino... 180 Figura 4.31: Superfícies de fratura para as diferentes regiões dos corpos de prova KLST.
A temperatura foi deslocada de 16,9 °C para direita, com explicado no fator de deslocamento. Processamento em chapas de 15 mm de espessura, ferramenta de 9,5 mm de comprimento do pino. ... 182 Figura 4.32: Detalhe das superfícies de fratura de corpos de prova no patamar inferior: a)
MB, -161 °C, 0,36 J; b) ZTA, -132 °C, 0,28 J; c) ZM, 85 °C, 0,31 J; d) ZAD, 85 °C, 0,42 J. Valore de temperatura deslocadas de acordo com o fator de normalização, 16,9 °C. As setas indicam bandas com alta densidade de alvéolos. Processamento em chapas 15 mm de espessura, ferramenta de 9,5 mm de comprimento do pino. ... 183 Figura 4.33: Superfície de fratura de amostra de Charpy miniaturizado localizadas no
patamar intermediários de energias (1 a 0,68 J). Processamento sobre chapa de 15 mm de espessura. As cores internas dos grãos correspondem às orientações destes se baseando na figura orientação dos ângulos de Euler. As cores das linhas dos contornos dos grãos correspondem à diferença de orientação entre os mesmos: preto (>15 e <45º), verde (>45 º). ID: Identificação da amostra; KV: energia de impacto; MB: Material de Base; ZTA: Zona Termicamente Afetada; ZM: Zona Misturada; ZAD: Zona de Alta Dureza. As linhas pontilhadas mostram o que deveria ser o perfil do entalhe dos corpos de prova Charpy. ... 185 Figura 4.34: Corte transversal mostrando a distribuição das zonas na junta soldada em
chapas de 9,5 mm de espessura, passe realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento. Penetração completa. Lado de Avanço (LA) e Lado de Retrocesso (LR). Zona Termicamente Afetada: de Temperatura Alta (ZTA-TA), Temperatura Intermediária (ZTA-TI) e Temperatura Baixa (ZTA-BT). Zona Misturada Geral (ZM), Zona de Alta Dureza (ZAD). ... 188 Figura 4.35: Micrografias das juntas soldadas na espessura de 9,5 mm com um passe
soldada b) Metal base (MB); zonas termicamente afetadas (ZTA): c) de intermediária (ZTA-TI) e d) de alta (ZTA-TA) temperatura; e) Zona misturada (ZM) e f) zona de alta dureza (ZAD). Direções: de laminação (DL), normal à direção de laminação (DN) e transversal à direção de laminação (DT). MEV, Nital 2%. A descrição das diferentes regiões microestruturais foi realizada nas seções 4.2.1 e 4.2.2. ... 189 Figura 4.36: a) Mapa de dureza (Vickers) da seção transversal da junta soldada com um
passe na espessura de 9,5 mm; b) esquema representativo das diferentes regiões microestruturais: Metal Base (MB), Zona Misturada (ZM), Zona de Alta Dureza (ZAD), Zona Termicamente Afetada (ZTA): de baixas (TB), intermediárias (IT) e altas (TA) temperaturas. LA, lado de avanço e LR, lado de retrocesso. ... 190 Figura 4.37: Resultados de δ nas juntas soldadas de um passe em chapas de 9,5 mm de
espessura, sentido L-T. Abreviações: MB, metal base; ZM, zona misturada; ZAD, zona de alta dureza. A faixa de aceitação refere-se a valores entre 0,1 e 0,25 mm, determinada pelos autores Fairchild et al., (1991, 2009 e 2012) e Kumar et al., (2010), e as normas API-1104 (2005), DNV-OS-F101 (2012) e Petrobras N-1678 (2010). ... 193 Figura 4.38: Comparação de resultados de CTOD mínimos da junta soldada com um
passe na espessura de 9,5 mm com estudos de outros autores (FAIRCHILD
et al., 2009; MOHSENI, 2012; SILVA, 2009), aço API-5L-X80. Corpos de
prova SE(B) com seção transversal Bx2B (B: espessura). ZM: zona misturada; ZAD: Zona de alta dureza; ZTA: zona termicamente afetada; SAPNC: soldagem por atrito com pino não consumível; WRe: Ferramenta fabricada com tungstênio-rênio; GGZTA: ZTA de grão grosseiro; ICGGZTA: GGZTA reaquecida em temperaturas intermediarias (>Ar1 e <Ar3).
Orientações de propagação das trincas, L: paralelo à direção de laminação, T: Transversal à direção de laminação. Na identificação T-L e L-T, a primeira letra representa a direção longitudinal do corpo de prova e a segunda a direção de propagação da trinca. Fairchild et al. (2009) usaram ferramenta fabricadas com WRe. ... 195 Figura 4.39: Medição aproximada das zonas presentes através da propagação das
trincas. Juntas soldadas nas espessuras de: a) 9,5 mm com um passe e b)15 mm com dois passes. As linhas azuis pontilhadas verticais representam a posição dos entalhes e o seu correspondente corte de seção. Lado de avanço (LA) e retrocesso (LR). c) nomenclatura das zonas; zona termicamente afetada: de alta (ZTA-TA), intermediária (ZTA-TI) e baixa (ZTA-BT) temperaturas. Zona misturada geral (ZM), zona de alta dureza (ZAD), Zona remisturada (ZRM); zonas reaquecidas da ZM pela ZTA-TA (ZM-ZTA-TA) e ZTA-TI (ZM-ZTA-TI). Dimensões em mm. ... 196 Figura 4.40: Porcentagens em área das zonas microestruturais presentes em cada
entalhe. Juntas soldadas em um passe na espessura de 9,5 mm. Zona termicamente afetada: de alta (ZTA-TA), intermediária (ZTA-TI) e baixa
(ZTA-BT) temperaturas. Zona misturada geral (ZM), zona de alta dureza (ZAD). ... 197 Figura 4.41: Representação das diferentes regiões presentes nas superfícies de fratura,
com as respectivas fronteiras de finalização de propagação da trinca. Abreviações: B, espessura; BN, espessura liquida; W, largura; ZE, zona de
estiramento; FD, fratura dúctil; aP, final da propagação estável; a0, início da
propagação estável. ... 199 Figura 4.42: Superfícies de fratura selecionadas para os corpos de prova de 9,5 mm de
espessura, junta soldada com um passe. PTF: propagação da trinca por fadiga; PET: propagação estável da trinca; CIT: propagação instável da trinca; MB: metal Base; ZM: zona misturada e ZAD: Zona de alta dureza. O lado esquerdo corresponde com a face superior do passe (entrada da ferramenta) e o lado direito com a raiz do passe. ... 200 Figura 4.43: Superfícies de fratura selecionadas com o desenho esquemático da
ferramenta usada. Junta de espessura de 9,5 mm, realizado com ferramenta de 9,5 mm de comprimento do pino. A vista em corte da ferramenta apresenta linhas vermelhas. ... 202 Figura 4.44: Superfície de fratura de amostra de CTOD, espessura de 9,5 mm, 1 Passe.
T=-40 °C, CTOD= 0,22 mm, entalhe localizado na zona misturada (ZM). a.) Foto macro da propagação estável da trinca; b)-d) detalhes da propagação estável e instável da trinca; h) a parte superior do corte das zonas microestruturais mostra a região de propagação da trinca. As setas vermelhas indicam a posição de partículas de segunda fase. As linhas pontilhadas indicam a região de transição entre diferentes regimes de propagação. Propagação da trinca: por fadiga (PTF), estável (PET) e instável (PIT). ... 206 Figura 4.45: Superfície de fratura de amostra de CTOD, espessura de 9,5 mm, 1 Passe.
T=-40 °C, CTOD= 0,04 mm, entalhe localizado na zona de alta dureza (ZAD). a.) Foto macro da propagação estável da trinca; b)-d) detalhes da propagação estável e instável da trinca; l) a parte superior do corte das zonas microestruturais mostra a região de propagação da trinca. As setas vermelhas indicam a posição de partículas de segunda fase. As linhas pontilhadas indicam a região de transição entre diferentes regimes de propagação. Propagação da trinca: por fadiga (PTF), estável (PET) e instável (PIT). ... 207 Figura 4.46: Superfície de fratura de amostra de CTOD, espessura de 9,5 mm, 1 Passe.
T=-40 °C, CTOD= 0,22 mm, entalhe localizado na zona misturada (ZM). a) Corte transversal completo, paralelo à direção de crescimento da trinca; b) detalhe da região de início de propagação estável; c)-f) detalhes de propagação de trinca através dos pacotes de bainita. As setas azuis indicam a posição de trincas secundarias. PIT: propagação instável da trinca; PET: propagação estável da trinca. ... 209
Figura 4.47: Superfície de fratura de amostra de CTOD, espessura de 9,5 mm, 1 Passe. T=-40 °C, CTOD= 0,04 mm, entalhe localizado na zona de alta dureza (ZAD). a) Corte transversal completo, paralelo à direção de crescimento da trinca; b) detalhe da região de início de propagação estável; c)-f) detalhes de propagação de trinca através dos pacotes de bainita. As setas azuis indicam a posição de trincas secundarias. PIT: propagação instável da trinca; PET: propagação estável da trinca. ... 210 Figura 4.48: Comparação entre os resultados de tenacidade à fratura realizada numa
junta soldada com um passe numa chapa de 9,5 mm de espessura, e os de tenacidade ao impacto avaliada em corpos de prova obtidos de processamento em chapas de 15 de espessura. ... 214 Figura 4.49: Corte transversal mostrando a distribuição das zonas nas juntas soldadas
de dois passes na espessura de 15 mm, b) detalhes das zonas localizadas entre passes. Lado de Avanço (LA) e Lado de Retrocesso (LR). Zona Termicamente Afetada: de Temperatura Alta (ZTA-TA), Temperatura Intermediária (ZTA-TI) e Temperatura Baixa (ZTA-BT). Zona Misturada Geral (ZM), Zona de Alta Dureza (ZAD), Zona Remisturada (ZRM); Zonas Misturada reaquecida por ZTA-TA (ZM-ZTA-TA) e ZTA-TI (ZM-ZTA-TI). . 216 Figura 4.50: Micrografias da junta soldada com dois passes na espessura de 15 mm: a)
Macro da junta soldada; b) Metal base (MB); zonas termicamente afetadas (ZTA): c) de intermediária (ZTA-TI) e d) de alta (ZTA-TA) temperatura; e) zona misturada geral (ZM); zona de alta dureza (ZAD): f) 1º passe e g) 2º passe; h) Zona remisturada (ZRM) e i) Zona misturada afetada termicamente pela ZTA-AT do segundo passe ZM-ZTA-AT. Direções: de laminação (DL), normal à direção de laminação (DN) e transversal à direção de laminação (DT). MEV, Nital 2%. A descrição das diferentes regiões microestruturais foi realizada na seção 4.2.1. ... 217 Figura 4.51: Microestruturas características da zona remisturada (ZRM) e zona misturada
afetada pela ZTA-TA do segundo passe (ZM-ZTA-TA). Microestruturas presentes (a-e): Ferrita quase poligonal (FQP). As setas vermelhas indicam a posição da segunda fase dispersa (SF). MEV, Nital 2%. Junta soldada com dois passes em chapa de 15 mm de espessura. ... 219 Figura 4.52: a) Mapa de dureza (Vickers) da seção transversal da junta soldada com um
passe na espessura de 9,5 mm: Metal Base (MB), Zona Misturada (ZM), Zona de Alta Dureza (ZAD), Zona Termicamente Afetada (ZTA). LA, lado de avanço e LR, lado de retrocesso. ... 220 Figura 4.53: Resultados de δ nas juntas soldadas de dois passes em chapas de 15 mm
de espessura, sentido de avaliação, L-T. MB, metal base; ZTALA, zona
termicamente afetada do lado de avanço; ZTALR, ZTA do lado retrocesso;
ZM, zona misturada; ZAD, zona de alta dureza. A faixa de aceitação refere-se a valores entre 0,1 e 0,25 mm, determinada pelos autores Fairchild et al., (1991, 2009 e 2012) e Kumar et al., (2010), e as normas API-1104 (2005), DNV-OS-F101 (2012) e Petrobras N-1678 (2010). ... 223
Figura 4.54: Medição aproximada das zonas presentes através da propagação das trincas. Juntas soldadas nas espessuras de: a) 9,5 mm com um passe e b)15 mm com dois passes. As linhas azuis pontilhadas verticais representam a posição dos entalhes e o seu correspondente corte de seção. Lado de avanço (LA) e retrocesso (LR). c) nomenclatura das zonas; zona termicamente afetada: de alta (ZTA-TA), intermediária (ZTA-TI) e baixa (ZTA-BT) temperaturas. Zona misturada geral (ZM), zona de alta dureza (ZAD), Zona remisturada (ZRM); zonas reaquecidas da ZM pela ZTA-TA (ZM-ZTA-TA) e ZTA-TI (ZM-ZTA-TI). Dimensões em mm. ... 226 Figura 4.55: Porcentagens em área das zonas microestruturais presentes em cada
entalhe. Juntas soldadas de dois passes na espessura de 15 mm. Zona termicamente afetada: de alta (ZTA-TA), intermediária (ZTA-TI) e baixa (ZTA-BT) temperaturas. Zona misturada geral (ZM), zona de alta dureza (ZAD), Zona remisturada (ZRM); zonas reaquecidas da ZM pela ZTA-TA (ZM-ZTA-TA) e ZTA-TI (ZM-ZTA-TI). ... 227 Figura 4.56: Porcentagens em área das zonas microestruturais presentes em cada
entalhe. Juntas soldadas em um passe na espessura de 9,5 mm e dois passes na espessura de 15 mm. Zona termicamente afetada: de alta (ZTA-TA), intermediária (ZTA-TI) e baixa (ZTA-BT) temperaturas. Zona misturada geral (ZM), zona de alta dureza (ZAD), Zona remisturada (ZRM); zonas reaquecidas da ZM pela ZTA-TA (ZM-ZTA-TA) e ZTA-TI (ZM-ZTA-TI). ... 228 Figura 4.57: Superfícies de fratura selecionadas com o desenho esquemático das
ferramentas usadas. Junta soldada com espessura de 15 mm, passes feitos com ferramentas de comprimento do pino de 9,5 mm e 6,1 mm, para o primeiro e segundo passe, respectivamente. A vista em corte da ferramenta do primeiro passe apresenta linhas vermelhas e o segundo passe linhas azuis. ... 229 Figura 4.58: Superfícies de fratura selecionadas para corpos de prova de 15 mm de
espessura, junta soldada com dois passes. PTF: propagação da trinca por fadiga; PET: propagação estável da trinca; PIT: propagação instável da trinca; MB: Metal Base e ZTALR: Zona termicamente afetada do lado
retrocesso. O lado esquerdo corresponde com o primeiro passe (entra da ferramenta) e o direito com o segundo passe. ... 231 Figura 4.59: Superfície de fratura de amostra soldada por SAPNC e avaliada por CTOD
a 0 °C, CTOD= 0,08 mm. O entalhe foi localizado na região de alta dureza (ZAD). Junta soldada com dois passes na espessura de 15 mm. As linhas pontilhadas indicam a região de transição entre diferentes regimes de propagação. Propagação da trinca: por fadiga (PTF), estável (PET) e instável (PIT). FD: Fratura dúctil; PTF-F: PTF após do ensaio CTOD e ZE: zona de estiramento. ... 234 Figura 4.60: Superfície de fratura de amostra soldada por SAPNC e avaliada por CTOD
a -20 °C, CTOD= 0,4 mm. O entalhe foi localizado na região de alta dureza (ZAD). Junta soldada com dois passes na espessura de 15 mm. As linhas
pontilhadas indicam a região de transição entre diferentes regimes de propagação. Propagação da trinca: por fadiga (PTF), estável (PET) e instável (PIT). FD: Fratura dúctil; PTF-F: PTF após do ensaio CTOD e ZE: zona de estiramento. ... 236 Figura 4.61: Superfície de fratura de amostra soldada por SAPNC e avaliada por CTOD
a 0 °C, CTOD= 0,59 mm. O entalhe foi localizado na ZM, identificação da amostra 111213X80RA-06. Junta soldada com dois passes na espessura de 15 mm. As linhas pontilhadas indicam a região de transição entre diferentes regimes de propagação. Propagação da trinca: por fadiga (PTF), estável (PET) e instável (PIT). FD: Fratura dúctil; PTF-F: PTF após do ensaio CTOD e ZE: zona de estiramento. ... 238 Figura 4.62: Comparação de resultados de tenacidade em entalhes localizados entre
juntas soldadas de espessura de 9,5 (1 passe) e de 15 mm (2 passes); entalhes localizados nas zonas misturada (ZM) e de alta dureza (ZAD). A faixa de aceitação refere-se a valores entre 0,1 e 0,25 mm, determinada pelos autores Fairchild et al., (1991, 2009 e 2012) e Kumar et al., (2010), e as normas API-1104 (2005), DNV-OS-F101 (2012) e Petrobras N-1678 (2010). ... 240 Figura 4.63: Comparação de resultados de CTOD mínimos da junta soldada com dois
passes na espessura de 15 mm com estudos com outros autores (FAIRCHILD et al., 2009; KUMAR et al., 2011; SILVA, 2009; SANTOS et al. 2010; MOHSENI, 2012; ÁVILA et al., 2015), aço API-5L-X80. Corpos de prova SE(B) com seção transversal Bx2B (B: espessura). ZM: zona misturada; ZAD: Zona de alta dureza; ZTA: zona termicamente afetada; GGZTA: ZTA de grão grosseiro; ICGGZTA: GGZTA reaquecida em temperaturas intermediarias (>A1 e <A3); SMAW: soldagem por fusão com
eletrodo revestido; FCAW: soldagem por fusão com arame tubular; SAPNC: soldagem por atrito com pino não consumível; WRe: Ferramenta fabricada com tungstênio-rênio; PCBN: ferramenta fabricada com nitreto de boro cúbico policristalino e WRe. Orientações de propagação das trincas; L: paralelo à direção de laminação, T: Transversal à direção de laminação. Na identificação T-L e L-T, a primeira letra representa a direção longitudinal do corpo de prova e a segunda a direção de propagação da trinca. ... 242
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Faixas de temperaturas atingidas durante os processos de soldagem por arco elétrico e SAPNC em aços (FAIRCHILD et al., 1991; NORTON, 2006; BARNES et al., 2008; HERMENEGILDO, 2012; NIPPONSTEEL, 2014). .. 51 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. ... 65 Tabela 2.3: Valores de tenacidade (CTOD) de juntas soldadas por arco elétrico em aços
API-5L. Corpos de prova de flexão em três pontos SE(B): ... 66 Tabela 2.4: Valores de tenacidade em termos de CTOD de juntas soldadas por SAPNC
em aços API 5L. ... 67 Tabela 2.5: Composição química de aços graus X70M, X80M e X90M segundo a API-5L/ISO-3183 (2007) com nível de especificação PSL2. ... 75 Tabela 3.1: Composição química do aço API-5L-X80 utilizado (% em massa) e limites
máximos definidos pela norma API-5L. ... 87 Tabela 3.2: Propriedades mecânicas obtidas na temperatura ambiente do aço utilizado.
Os dados foram informados pela empresa TenarisConfab. ... 89 Tabela 3.3: Parâmetros usados na soldagem das juntas soldadas com passes
coincidentes e processamento de chapas. Velocidades de rotação (ω) e soldagem (υ) constantes, ω = 300 rev•min-1 e υ =100 mm•min-1. ... 98
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. ... 108 Tabela 3.5: Fatores usados no cálculo do CTOD usando as normas ASTM-E1820 (2014)
e ASTM-E1290-08 (2010). ... 108 Tabela 4.1: Resumo dos resultados de tamanho de grão ferrítico especifico (diferença de
orientações entre grãos ferríticos ≥15°) e fração de contornos de ângulo maiores que 15° e em 1,5°. ... 118 Tabela 4.2: Resultados dos ensaios de tração efetuados às temperaturas de 25, 20 e -40 °C para o aço deste trabalho e valores especificados pela norma técnica API-5L para aços X70 e X80. Erro padrão calculado num intervalo de 80% de confiança. ... 124 Tabela 4.3. Resultados obtidos dos ensaios Charpy instrumentado, corpos de prova do
metal base (MB) avaliados com o corpo de prova tipo A. ... 127 Tabela 4.4. Resultados obtidos dos ensaios Charpy instrumentado, corpos de prova do
metal base (MB) avaliados, corpos de prova tipo KLST. ... 128 Tabela 4.5: Resumo dos parâmetros do ajuste hiperbólico das condições avaliadas. . 131 Tabela 4.6: Resumo das temperaturas de transição dúctil-frágil (TTDF) para o metal base
do presente estudo e outros estudos usando aços API-5L-X80. ... 133 Tabela 4.7: Resumo dos resultados de CTOD (δ) do metal base em diferentes espessuras
(B) em função da temperatura (T). Sentido da avaliação: T-L. ... 135 Tabela 4.8: Distribuição típica de zonas e subzonas pertencentes às juntas soldadas e
processamento de chapas. ... 139 Tabela 4.9: Resumo das medidas obtidas do processamento da chapa de 15 mm de
espessura e 1 passe. Plano transversal à direção de soldagem, DT-DN. 153 Tabela 4.10: Resumo dos parâmetros determinados durante a reconstrução da austenita
prévia. ... 160 Tabela 4.11. Resultados obtidos dos ensaios Charpy instrumentado, corpos de corpos
de prova tipo KLST, entalhe localizado na zona termicamente afetada (ZTA). Processamento em chapas de 15 mm de espessura, um passe. ... 170 Tabela 4.12. Resultados obtidos dos ensaios Charpy instrumentado, corpos de prova tipo
KLST, entalhe localizado na zona misturada (ZM). Processamento em chapas de 15 mm de espessura, um passe... 171 Tabela 4.13. Resultados obtidos dos ensaios Charpy instrumentado, corpo de prova tipo
KLST, entalhe localizado na zona de alta dureza (ZAD). Processamento em chapas de 15 mm de espessura, um passe... 171 Tabela 4.14: Resumo dos parâmetros do ajuste hiperbólico das condições avaliadas. ... 172 Tabela 4.15: Resumo das temperaturas de transição dúctil-frágil (TTDF) para o presente
estudo e outros estudos usando aços API-5L-X80 com soldagem a arco (SILVA, 2009; FERNANDES, 2011). Corpos de prova tipo KLST e Tipo-A. ... 178 Tabela 4.16: Resumo dos resultados de CTOD (δ) nas juntas soldadas de 9,5 mm de
espessura. ... 192 Tabela 4.17: Distribuição típica de zonas e subzonas pertencentes à zona misturada de
juntas soldadas de dois passes. ... 218 Tabela 4.18: Resumo dos resultados de CTOD (δ) nas juntas soldadas coincidentes de
dois passes em chapas de 15 mm de espessura. ... 224
Lista de Abreviaturas e Siglas
Letras Latinas
a0 Comprimento da trinca no momento da realização do ensaio de CTOD
An Fatores geométricos adimensionais usados no cálculo de CTOD
Ael Área elástica da curva de carga vs. deslocamento
Apl Área plástica da curva de carga vs. deslocamento
b0 Largura remanente no momento da realização do ensaio de
CTOD (W-a0) [mm]
B Espessura do corpo de prova
BN Espessura líquida do corpo de prova
CEIIW Carbono equivalente, aços API-5L com teores maiores que 0,12 %
CEPcm Carbono equivalente, aços API-5L com teores menores ou iguais que
0,12 %
E Módulo de elasticidade [GPa]
Fa Força de parada durante o ensaio Charpy instrumentado [kN]
Fgy Força de escoamento registrada durante o ensaio Charpy instrumentado
[kN]
Fiu Força de iniciação da trinca durante o ensaio Charpy instrumentado
[kN]
Fm Força máxima registrada durante o ensaio Charpy instrumentado [kN]
Fz Força da ferramenta aplicada no eixo z durante a soldagem [kN] f(W/a0) Fator geométrico adimensional usado no cálculo de CTOD
J Integral-J, parâmetro de medição da tenacidade à fratura Jel Parcela elástica da integral-J
Jpl Parcela plástica da integral-J
K Fator de intensidade de tensões
KIc Fator de intensidade de tensões crítico no modo um de carregamento;
KV Energia registrada pelo encoder
usado no cálculo do CTOD t Espessura de chapa [mm]
T Temperatura durante o ensaio de tenacidade [°C] Tmax Temperatura máxima medida na ferramenta
Tq Torque aplicado pela ferramenta na junta durante a soldagem [N•m]
v Módulo de Poisson
W Largura do corpo de prova
Wm Energia máxima acumulada durante o ensaio Charpy instrumentado
Wt Energia total acumulada durante o ensaio Charpy instrumentado
z Espessura das facas que servem de apoio para o extensômetro tipo clip-on-gage
Letras gregas
ω Velocidade de rotação da ferramenta [rev min-1]
ν Velocidade de avanço da ferramenta [mm min-1]
δ Parâmetro de medição da tenacidade à fratura pela abertura do ângulo da ponta da trinca [mm]
δ90 CTOD calculado quando há interseção de retas ortogonais com os
Flancos da trinca [mm]
δX CTOD calculado, mas não definido [mm]
δC CTOD calculado, do tipo crítico (c), crescimentos estáveis menores que
0,2+0,7δC antes da fratura frágil [mm]
δu CTOD calculado, do tipo u, crescimentos estáveis maiores que 0,2+0,7δ
antes da fratura frágil [mm]
δm CTOD calculado com o carregamento máximo (m) [mm]
σy Media entre LE e LT, σy =(LE+LT)/2
π Número Pi
α Fase ferrita
Abreviações
ARBL Aços de alta resistência e baixa liga
AT Aporte térmico [kJ•mm-1] BG Bainita granular
BP Bainita com ferritas em placas
CEV Corpos de prova do tipo Charpy com entalhe em V
CF Controle de força
CTOA Parâmetro de medição da tenacidade à fratura pela abertura do ângulo da ponta da trinca [°]
CTOD Parâmetro de medição da tenacidade à fratura pela abertura da ponta da trinca [mm]
CPF Comprimento do pino da ferramenta de FSW [mm]
CVN Corpo de prova Charpy com entalhe em V
DBTT Temperatura de transição Dúctil-Frágil [°C ou K]
EPD Estado plano de deformação
FA Ferrita acicular
FCAW Soldagem por fusão com arame tubular
FP Ferrita poligonal
KLST Corpos de prova CEV do tipo Kleinstprobe
M-A Constituinte martensita-austenita
MB Metal base
MCEV Corpos de prova CEV miniaturizados
Min Valor mínimo
LA Lado avanço das juntas soldadas realizadas por SAPNC
LE Limite de escoamento [MPa]
LR Lado retrocesso das juntas soldadas realizadas por SAPNC
LT Limite de resistência [MPa]
LE/LT Relação dos limites de escoamento e de resistência
FTPW Friction taper plug welding
J-R Curva de resistência da integral-J
JS Junta soldada
GGZTA Zona de grãos grosseiros da ZTA
GFZTA Zona de grãos finos da ZTA
PET Propagação estável da trinca
PIT Propagação instável da trinca
PSC Processamento de chapas
PTF Propagação de trinca por fadiga
RHS Corpo de prova CEV com tamanho médio reduzido
RIZTA Zona intercrítica da ZTA
RSZTA Zona subcrítica da ZTA
SC Soldagem com lados avanço coincidentes
SCS Cordão sobre chapa
SE (B) CP do tipo flexão em três pontos
SMAW Soldagem por fusão com eletrodo revestido
TFR Temperatura de finalização do resfriamento
TFL Temperatura de finalização da laminação
TMCP Laminação termomecanicamente controlado
ZAD Zona de alta dureza de juntas SAPNC
ZM Zona misturada de juntas SAPNC
ZE Zona de estiramento na superfície de fratura
ZEA Altura da zona de estiramento
ZEL Largura da zona de estiramento
ZF Zona fundida
ZFL Zonas de fragilização localizada
ZTA Zona termicamente afetada
ZTA-TA ZTA de alta temperatura
ZTA-TB ZTA de baixa temperatura
ZTA-TI ZTA de temperatura intermediária
Siglas
CNPEM Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais
COLCIENCIAS Departamento Administrativo de Ciência, tecnologia e inovação da Colômbia
CPM Grupo de Pesquisa em Processamento de Materiais
FEM Faculdade de Engenharia Mecânica
SUMÁRIO Resumo ... vii Abstract ... viii SUMÁRIO... xxx 1 Introdução... 32 2 Revisão Bibliográfica ... 35 2.1 Tenacidade de aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) usados na
fabricação de dutos para o transporte de gás e óleo ... 35 2.1.1 Tenacidade ao impacto ... 35 2.1.2 Mecânica da fratura ... 37 2.1.3 Ensaio da abertura da ponta da trinca, CTOD. ... 38 2.2 Soldagem de aços de Alta Resistência e Baixa Liga ... 44 2.2.1 Soldagem por SAPNC de Aços API-5L ... 44 2.2.2 Vantagens e desafios da SAPNC em aços ARBL ... 45 2.2.3 Descrição do processo SAPNC ... 46 2.2.4 Zonas presentes na soldagem do tipo SAPNC de aços API-5L ... 50 2.2.5 Propriedades mecânicas das juntas soldadas em aços API-5L ... 57 2.3 Aços usados no transporte de óleo e gás ... 71 2.3.1 Processo termomecanicamente controlado (TMCP) para fabricação de aços usados no transporte de óleo e gás ... 71 2.3.2 Influência dos elementos de liga ... 76 2.3.3 Fase e constituintes ... 77 3 Materiais e Procedimento Experimental ... 86 3.1 Obtenção de placas de aço ... 86 3.2 Ensaio de tração ... 89 3.3 Soldagem por Atrito com Pino Não Consumível (SAPNC) ... 90 3.3.1 Parâmetros de soldagem usados ... 94 3.3.2 Juntas soldadas e processamento em chapas ... 97 3.3.3 Comportamento dos parâmetros durante a soldagem ... 98 3.4 Medida de dureza ... 103 3.5 Ensaio Charpy ... 103 3.6 Ensaio CTOD ... 105 3.7 Caracterização microestrutural ... 113 4 Resultados e Discussão ... 116 4.1 Material utilizado: Metal base (MB) ... 116 4.1.1 Microestrutura ... 116 4.1.2 Ensaio de tração ... 124 4.1.3 Ensaio Charpy no metal base ... 127
4.1.4 Ensaio de CTOD (δ) no metal base ... 134 4.1.5 Conclusões parciais: Metal base (MB) ... 138 4.2 Processamento em chapas de 15 mm de espessura ... 138 4.2.1 Características microestruturais ... 138 4.2.2 Dureza ... 168 4.2.3 Ensaio Charpy ... 170 4.2.4 Superfícies de fratura: Ensaios de MCVN... 180 4.2.5 Caminho da propagação da trinca nos corpos de prova KLST ... 184 4.2.6 Conclusões parciais: Processamento em chapas de 15 mm de espessura .. 187 4.3 Juntas soldadas com um passe em chapas de 9,5 mm de espessura ... 188 4.3.1 Características microestruturais ... 188 4.3.2 Dureza ... 190 4.3.3 Resultados dos ensaios de CTOD (δ) ... 191 4.3.4 Caminho de propagação da trinca ... 196 4.3.5 Superfícies de fratura ... 198 4.3.6 Tenacidade à fratura e as microestruturas de interesse ... 202 4.3.7 Analise do Mecanismo de fratura ... 204 4.3.8 Tenacidade ao impacto versus tenacidade à fratura ... 212 4.3.9 Conclusões parciais: Juntas soldadas com um passe em chapas de 9,5 mm de espessura ... 214 4.4 Juntas soldadas com dois passes em chapas de 15 mm de espessura ... 215 4.4.1 Características microestruturais ... 215 4.4.2 Dureza ... 219 4.4.3 Resultados dos ensaios de CTOD (δ) ... 221 4.4.4 Caminho da propagação das trincas ... 225 4.4.5 Superfícies de fratura ... 229 4.4.6 Comparação de resultados de CTOD ... 239 4.4.7 Superfícies de fratura: ensaios Charpy e CTOD ... 243 4.4.8 Conclusões parciais: Juntas soldadas com dois passes em chapas de 15 mm de espessura. ... 244 5 Conclusões ... 245 5.1 Sugestões para trabalhos futuros ... 246 5.2 Trabalhos submetidos a publicação e apresentados em congressos ... 247 REFERÊNCIAS ... 249
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1 Introdução
A maneira mais econômica de transporte de petróleo e gás são as dutovias, compostas por tubulações de espessuras finas, entre 12,7 e 25,4 mm, e com diâmetros de 762 a 914 mm (BANGARU et al., 2004). Em geral, os centros de distribuição dos produtos encontram-se longe dos centros de consumo, necessitando de extensas dutovias para seu transporte. Segundo a Confederação Nacional do Transporte, no Brasil, no ano de 2013, existiam 22.000 km de dutovias em operação, sendo superado por países que possuem menor extensão territorial, como México (40.000 km), Argentina (38.000 km) e Austrália (32.000 km). No ano de 2001, existiam 15.200 km de dutos em operação no Brasil (HIPPERT, 2004). Assim, observou-se pouco crescimento da malha dutoviária nesses últimos anos. No panorama atual, a infraestrutura existente requer manutenção e renovação de algumas linhas. Além disso, é necessária a instalação de novas linhas para garantir a distribuição com o aumento da produção de óleo e gás no país.
Os dutos são fabricados a partir de tubos que são unidos por métodos de soldagem por arco elétrico, sendo que as juntas soldadas podem gerar defeitos e acarretar nucleação de trincas. O principal inconveniente no desenho e construção de tubulações está relacionado ao comportamento da propagação de fraturas frágeis, pois, em altas pressões, estas podem se propagar de forma rápida e instável (SANT´ANNA, 2006). Portanto, com o crescimento do número de dutovias construídas deve-se aumentar a segurança e confiabilidade operacional das mesmas (SILVA, 2004), visando evitar perdas econômicas e danos ambientais (SILVA, 1998). A necessidade de análise do nível de propagação das trincas exige que as redes sejam monitoradas constantemente e, baseando-se no conhecimento de mecânica da fratura, que se decida quando será realizada a reparação ou troca do componente. É vital que os aços usados na construção de dutovias apresentem boas propriedades mecânicas como a resistência à tração e compressão, além de resistência à corrosão e alta tenacidade à fratura. Além disso, que os aços mantenham todas estas propriedades quando soldados (BOTT et al., 2005). Isto pode ser alcançado com a integração de elevadas condições de controle de qualidade na fabricação dos aços e na soldagem e posterior manutenção preventiva no funcionamento das dutovias (BOTT et al., 2005). Um dos aços mais utilizados no Brasil
33 nesta atividade é o aço API-5L-X80, assim como os aços X70 e X65 que foram usados na construção do gasoduto Bolívia-Brasil (TORRICO, 2006).
A soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC) é um tipo de soldagem bem estabelecido para a utilização com ligas leves como alumínio e magnésio (MISHRA; MA, 2005), mas os estudos realizados em materiais com alto ponto de fusão, como o aço ainda são incipientes. A SAPNC, realizada em estado sólido, que evita os problemas de fragilização da zona termicamente afetada (ZTA) e fornece alta produtividade, está ainda em desenvolvimento e é de grande importância para a fabricação de dutos no Brasil.
Estudos realizados no LNNano/CNPEM (HERMENEGILDO 2012; SANTOS et al. 2010; BENATI et al., 2009), foram a base experimental e teórica para a realização das juntas SAPNC no presente trabalho. A partir dos parâmetros por eles desenvolvidos para soldagem de aços API-5L-X80 o presente estudo evoluiu na avaliação da tenacidade à fratura a que, por sua parte, permite estabelecer o comportamento da propagação de trincas estabelecido pela mecânica da fratura. A hipótese do presente trabalho foi associada com o comportamento de baixa tenacidade das zonas misturadas e de alta dureza de juntas SAPNC em aços API-5L-X80, devido a valores altos de dureza e presença de microestruturas bainíticas com tamanhos maiores que 20 μm. A SAPNC oferece vantagens sobre os métodos de soldagem por arco, mas, para que possa ser aplicada em campo, deve-se atingir um alto nível de conhecimento sobre a influência dos parâmetros de soldagem sobre as propriedades mecânicas e a tenacidade à fratura.
Com a pretensão de, em um futuro próximo, usar a SAPNC de aços API-5L-X80 em campo, é de grande importância estudar a propagação de trincas como parâmetro da vida útil do projeto. Esta foi a motivação deste trabalho, no qual analisou-se o comportamento da tenacidade à fratura nas regiões mais críticas de juntas soldadas em chapas por SAPNC em aço API-5L-X80.
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Objetivo geral
O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento da tenacidade à fratura de juntas soldadas por atrito com pino não consumível (SAPNC) num aço API-5L-X80, correlacionando-o com as microestruturas formadas nas diferentes zonas após a soldagem.
Objetivo específicos
Identificar as zonas microestruturais majoritárias e subzonas decorrentes do processo de soldagem e processamento de chapas.
Correlacionar tenacidade à fratura com temperatura e características microestruturais de diferentes regiões microestruturais, tais como metal base (MB), zona termicamente afetada (ZTA), zona misturada (ZM) e zona de alta dureza (ZAD).
Determinar a temperatura de transição dúctil-frágil de diferentes regiões microestruturais, tais como metal base (MB), zona termicamente afetada (ZTA), zona misturada (ZM) e zona de alta dureza (ZAD).
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2 Revisão Bibliográfica
2.1 Tenacidade de aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) usados na fabricação de dutos para o transporte de gás e óleo
2.1.1 Tenacidade ao impacto
Os corpos de prova do tipo Charpy com entalhe em V (CEV) são os corpos de prova mais comuns para se avaliar a tenacidade ao impacto; a principal razão para isso é a sua fácil e econômica usinagem. Igualmente, a realização dos ensaios e análise dos resultados é relativamente simples e rápida. Os resultados de tenacidade ao impacto não são completamente equivalentes aos fornecidos por ensaios de tenacidade à fratura; no entanto, a tendência dos resultados deve ser similar, assim como a possível temperatura de transição. A diferença entre ensaios de tenacidade ao impacto e tenacidade à fratura está relacionada ao fato de que os corpos de prova de Charpy não reproduzirem o estado de triaxialidade nem deformação da ponta da trinca, que acontecem em defeitos apresentados em dutos (SHIN et al., 2007). Além disso, o grande raio do entalhe nos corpos de prova CEV não garante que a trinca cresça sobre a região de interesse, a menos que sejam pré-trincados. Para medidas quantitativas mais precisas é recomendado usar ensaios de tenacidade à fratura (Lucon, 2014), tal como CTOD ou integral-J. Os ensaios para se avaliar tenacidade ao impacto têm sido usados, majoritariamente, para gerar curvas completas de tenacidade versus energia absorvida durante o ensaio. Igualmente, essas curvas contêm o ponto ou região de transição conhecida como temperatura de transição dúctil-frágil (TTDF) e os patamares, superior e inferior, de energia de impacto.
Os ensaios em corpos de prova do tipo CEV com martelo instrumentado permitem a obtenção da energia de impacto convencional (encoder), assim como a deformação do martelo durante o impacto (por strain gauges). Na Figura 2.1, o sinal de deformação durante o ensaio foi convertido em força versus deslocamento, em que a área sob a curva corresponde à energia total absorvida durante o ensaio (Ft). Outros valores
36 característicos, como a força de escoamento (Fgy), força máxima (Fm), força de iniciação
da trinca (Fiu) e força de parada (Fa) são apresentados no mesmo gráfico. A porcentagem
de área cisalhada pode ser determinada com equações usando as informações mencionadas (ASTM E2298-13a 2013; ISO 14556:2000 2000).
Figura 2.1: Determinação dos valores característicos da curva da força (ISO-14556:2000).
Os corpos de prova Charpy com entalhe em V (CEV) miniaturizados (MCEV) permitem a avaliação de regiões localizadas, por exemplo, materiais com restrição de tamanho e pequenas regiões de interesse (LUCON, 2014). Existem dois tipos de corpos de prova padronizados; denominado como tamanho médio reduzido (reduced half-size – RHS) com dimensões de 26,6 x 4,8 x 4,8 mm (ASTME2248-13:2013) e o Kleinstprobe (KLST) com dimensões de 27 x 4 x 3 mm (ISO14556:2000, Annex D). Corpos de prova MCEV têm sido usados em regiões localizadas de juntas soldadas (XUE et al., 2014), elementos funcionais de máquinas (NAHM et al., 2001; CHO et al., 2006) e recipientes sob pressão em usinas nucleares, usando corpos de prova de vigilância (LUCON, 2014).
