5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 SOLDAGEM
Para realizar as análises da qualidade das soldas, foram obtidas micrografias das seções transversais dos cordões de solda. Nas Figuras 27 e 28 pode ser observada a raiz do cordão de solda, os parâmetros escolhidos (velocidade e potência) não foram os ideais para a espessura das chapas estudadas (dados provenientes de trabalho anterior) (CARVALHO, 2009), apresentando cordão sem penetração total para os dois aços, sendo necessária a retífica do material para reduzir a espessura dos cdps para 3 mm.
A presença de defeitos, tais como porosidades nos cordões de solda, eram esperados, pois os parâmetros escolhidos não foram os ideais. As porosidades grosseiras nos centros dos cordões como aquelas observadas na Figura 29, podem ser originárias do processo de desgaseificação ou do desabamento do keyhole. Por outro lado, as porosidades mais finas e dispersas no cordão de solda, advêm da desgaseificação do material de base fundido além de contaminações superficiais (CARVALHO, 2009).
Outro fator a ser considerado é que as chapas foram soldadas por penetração em regime contínuo, contudo algumas chapas apresentavam leve curvatura, levando a obtenção de cordões com características mistas de soldagem por condução e penetração em algumas amostras. A ZTA apresentou valores de largura próximas, para ambos os aços, conforme visto nas Figuras 23 e 24. Os cordões de solda (CS) apresentaram profundidade próximas para ambos os materiais. Lembrando que as chapas de aço 4340 eram mais espessas e foram soldadas com maior potência, quando comparadas às chapas de aço 300M.
Figura 27: Seções transversais das soldas do aço 4340 com V= 50 mm/s e P= 1600 W.
Figura 28 - Micrografias das seções transversais das soldas referentes ao aço 300M com V= 50 mm/s e P= 1400 W, cordão sem penetração total.
Figura 29 - As amostras retiradas do cordão de solda com presença de porosidades e vazios nos aços 4340 (A e B) e 300M (C e D) respectivamente.
5.2 ENSAIOS DE MICRODUREZA VICKERS
Foram realizados os ensaios de dureza Vickers por microindentação em amostras de aços SAE 4340 e 300M, visando determinar a variação da dureza ao longo da ZF, da ZTA e do MB, bem como das camadas nitretada (CN) e difusa (CD) nas amostras
A B
C D
submetidas ao tratamento de superfície. Os perfis de dureza foram levantados na direção da espessura da chapa (transversal) e na direção longitudinal do cordão de solda conforme mostrado na Figura 30.
Figura 30 - Medidas de dureza Vickers.
Os resultados das medições de dureza Vickers realizadas em amostras nas condições S, SR, SN e SRN estão apresentados nas Figuras 31 a 34, respectivamente.
No eixo Y encontram-se os valores de dureza em HV e no eixo X verificam-se às indentações. Cada ponto (indentação) foi marcado com uma distância de 140µm um do outro, para o aço 4340 e 120µm para o aço 300M. Nestes resultados, verificam-se o aumento da dureza na ZF e ZTA promovido pela precipitação de fases endurecedoras.
Pode-se relacionar a maior dureza do aço 300M com a adição de elementos liga que
favorecem a precipitação de carbonetos no MB e o surgimento de fases mais resistentes
no cordão de solda.
0 5 10 15 20 25 30 200
300 400 500 600 700 800
MB
ZF
ZTA
Dureza Transversal CDPs Soldados
M ic ro d u re z a ( H V )
Pontos
300M 4340
0 5 10 15 20 25
200 300 400 500 600 700 800
MB ZTA
MB ZTA ZF
Dureza Longitudinal CDPs Soldados
M ic ro d u re z a H V
Pontos 300M 4340
Figura 31 - Microdureza vickers no cordão, na direção transversal e longitudinal, dos aços 300M e 4340.
Nas análises microestruturais pôde ser abservada a descarbonetação nas bordas de ambos os aços estudados. Nestes locais os resultados de dureza para a condição S foram de 295 ± 9 HV para os aços 300M e 218 ± 33 HV para os aços 4340, enquanto que no bulk os valores encontrados foram 327 ± 22 HV para o aço 300M e 224 ± 28 HV para o
aço 4340 no MB. No cordão de solda foi possível observar maior profundidade e espessura da ZF e ZTA para os aços 300M, com dureza de 638 ± 9 HV na ZTA e 719 ± 53 HV na ZF do aço 300M e 496 ± 68 HV na ZTA e 621 ± 47 HV na ZF do aço 4340.
Na transição MB/ZTA foram obtidos os resultados 456 ± 31 HV e 387 ± 40 HV e na
transição ZTA/ZF foram encontradas durezas de 709 ± 54 HV e 625 ± 34 HV para os
aços 300M e 4340 respectivamente.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 100
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
ZTA ZF
MB
Dureza Transversal CDPs Soldados e Revenidos
M o c ro d u re z a H V
Pontos
300M 4340
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
200 250 300 350 400 450 500 550 600
MB ZTA MB
ZTA ZF
Dureza Longitudinal CDPs Soldados Revenidos
M ic ro d u re z a H V
Pontos 300M 4340
Figura 32 - Microdureza vickers no cordão após revenimento, na direção transversal e longitudinal, dos aços 300M e 4340.
Para os materiais na condição SR, os resultados de dureza nas bordas foram de 296
± 12 HV para os aços 300M e 231 ± 8 HV para os aços 4340. No MB encontramos 331
± 15 HV para o aço 300M e 241 ± 47 HV para o aço 4340. No cordão foi possível observar maior profundidade e espessura da ZF e ZTA para os aços 300M, com dureza de 471 ± 14 HV na ZTA e 544 ± 67 HV na ZF do aço 300M e 472 ± 27 HV na ZTA e 452 ± 87 HV na ZF do aço 4340. Na transição MB/ZTA foram obtidas 407 ± 43 HV e 389 ± 49 HV e na transição ZTA/ZF foram encontradas durezas de 506 ± 13 HV e 483
± 23 HV para os aços 300M e 4340 respectivamente.
0 5 10 15 20 25 30 35 200
250 300 350 400 450 500 550 600 650
ZF
MB ZTA
ZTA
Dureza Transversal CDPs Soldados Nitretados
M ic ro d u re z a ( H V )
Pontos
300M 4340
0 5 10 15 20 25
200 250 300 350 400 450 500 550
MB MB
ZTA ZF ZTA
Dureza Longitudinal CDPs Soldados Nitretados
M ic ro d u re z a H V
Pontos 300M
4340
Figura 33 - Microdureza vickers no cordão, após tratamento superficial de nitretação a plasma, nas direções transversal e longitudinal dos aços 300M e 4340.
Os resultados de dureza nas bordas das amostras na condição SN foram de 446 ± 135 HV para os aços 300M e 409 ± 40 HV para os aços 4340. A camada nitretada (CN) apresentou dureza 758 HV para o 300M e 619 HV para o 4340. No MB da condição SN foram obtidas as durezas de 334 ± 15 HV para o aço 300M e 228 ± 21 para o aço 4340.
No cordão foi possível observar dureza de 490 e 550 na ZTA do aço 4340 e 300M,
respectivamente.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 150
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
ZF MB
ZTA
ZTA
Dureza Transversal CDPs Soldados Revenidos Nitretados
M ic ro d u re z a ( H V )
Pontos
300M 4340
0 5 10 15 20 25
150 200 250 300 350 400 450 500
MB ZTA ZF ZTA MB
Pontos
Dureza Longitudinal CDPs Soldados Revenidos Nitretados
M ic ro d u re z a H V
300M 4340
Figura 34 - Microdureza vickers após revenimento e nitretação a plasma, nas direções transversal e longitudinal, dos aços 300M e 4340.
A dureza nas bordas das amostras SRN foi de 582 ± 41 HV para o aço 300M e 336
± 42H V para o aço 4340. A camada nitretada apresentou dureza 553 HV para o 300M e
577 HV para o 4340. No MB foram obtidas as durezas de 286 ± 20 HV para o aço
300M e 218 ± 17 para o aço 4340. No cordão foi possível observar dureza de 457 ± 20
na ZTA e 442 ± 25 na ZF do aço 300M e 350 ± 25 na ZTA e 386 ± 23 na ZF do aço
4340.
Os dois aços, nas condições SN e SRN, apresentaram um pico de dureza na transição ZF/ZTA quando comparados com a ZF e ZTA das condições S e SR. Isto pode ser proveniente de precipitação secundária ocorrida em função da temperatura de nitretação de 500ºC, que favorece este fenômeno, ou ser proveniente das segregações (correntes convectivas) e microsegregações (processo de solidificação) provenientes da soldagem a laser.
5.3 ENSAIOS MECÂNICOS DE TRAÇÃO
Por meio do ensaio de tração, foram avaliados: o limite de resistência (σ t ), limite de escoamento (σ e ), tensão de ruptura (σ r ) e alongamento percentual (∆L/L) de cdps dos aços estudados nas seguintes condições: conforme recebido (CR), material contendo cordão de solda (S), material soldado e revenido (SR), material soldado nitretado (SN) e material com cordão de solda submetido a tratamento térmico posterior de revenimento e nitretado a plasma (SRN). As Figuras 38 a 40 mostram as curvas obtidas nos ensaios de tração para as condições CR, S e SR, respectivamente. As curvas tensão-deformação tiveram comportamentos distintos para os aços estudados. Observa-se que o aço 300M possui maiores resistência à tração e limite de escoamento, e menor alongamento, quando comparado com o aço SAE 4340. Enquanto que o aço 4340 (CR) mostrou nítido patamar de escoamento, o aço 300M (CR) apresentou um encruamento contínuo, sem um limite elástico bem definido.
Esses comportamentos se mantiveram para os cdps na condição S (ver Figura 35).
Deve ser salientado que, devido à largura reduzida dos cordões de solda e ZTA, os resultados referentes à condição S reproduzem basicamente o comportamento do metal de base (condição CR), visto que a estricção e ruptura dos cdps (com exceção de um ensaio) deu-se em pontos afastados do cordão de solda. Na Figura 36, observa-se que em uma das curvas tensão-deformação do aço 300M (condição S) a fratura ocorreu durante a fase de encruamento (antes da estricção). Esta curva refere-se ao cdp que rompeu no cordão de solda.
Para a condição SR (ver Figura 37), verificou-se um aumento na deformação
plástica localizada, no qual foi possível observar a formação de serrilhado na transição da
deformação elástica para a deformação plástica do aço 4340 e uma distinção clara entre a
região elástica e de encruamento para o aço 300M. As dimensões reduzidas do cordão de
solda também foram responsáveis pelo fato de a ductilidade medida pelo alongamento não ter sido afetada significativamente para as condições S e SR, em relação à condição CR.
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24
0 200 400 600 800 1000 1200
T e n s a o (M P a )
Deformaçao (mm/mm)
300M Conf. Recebido 4340 Conf. Recebido
Figura 35 - Resultados dos ensaios de tração para os materiais, condição CR.
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24
0 200 400 600 800 1000 1200
T e n s a o (M P a )
Deformaçao (mm/mm)
4340 Soldado 300M Soldado
Figura 36 - Resultados dos ensaios de tração para os materiais, condição S.
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0
200 400 600 800 1000 1200
T e n s a o ( M P a )
Deformaçao (mm/mm) 300M Revenido 4340 Revenido
Figura 37 - Resultados dos ensaios de tração para os materiais, condição SR.
As Figuras 38 e 39 mostram as curvas tensão-deformação obtidas para os aços nas
condições SN e SRN. Enquanto que o aço 4340 (SN) mostrou nítido patamar de
escoamento com possível deformação plástica localizada, o aço 300M (SN) apresentou um
encruamento contínuo, sem um limite elástico bem definido. Esses comportamentos se
mantiveram para os materiais na condição SRN. Verificou-se que, comparado às condições
que não sofreram nitretação, o aço 300M (SN e SRN) apresentou uma notável queda na
ductilidade, e as correspondentes curvas tensão-deformação (Figuras 38 e 39) indicam que
a fratura ocorreu ainda durante o estágio de encruamento, resultando em menor resistência
à tração e menor resistência à ruptura, demonstrando que o processo de nitretação com os
parâmetros escolhidos levou a uma fragilização deste aço. Já o aço 4340 mostrou aumento
na resistência à tração, à ruptura e menor alongamento em relação à condição CR, o que foi
associado a uma melhoria nas propriedades mecânicas com pouca queda na ductilidade.
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0
200 400 600 800 1000 1200
T e n s a o ( M P a )
Deformaçao (mm/mm)
4340 Nitretado 300M Nitretado
Figura 38 - Resultados dos ensaios de tração para os materiais, condição SN.
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24
0 200 400 600 800 1000 1200
T e n s a o ( M P a )
Deformaçao (mm/mm)
300M Revenido Nitretado 4340 Revenido Nitretado
Figura 39 - Resultados dos ensaios de tração para os materiais, condição SRN.
A Tabela 3 sintetiza os resultados dos ensaios de tração e mostra a ocorrência de
ganhos de resistência mecânica do aço SAE 4340 nas condições S e SR em relação à
condição CR, sem perda da ductilidade. No caso do aço 300M, esse ganho se refletiu
apenas em σ r e não houve aumento significativo de σ t e σ e .
Os resultados dos ensaios de tração estão relacionados com as características microestruturais apresentadas na ZF e ZTA, que passaram por transformações com a nucleação de fases duras (bainita e martensita) e algum refino de grão. Essa sinergia microestrutural aumentou a resistência mecânica no cordão de solda e ZTA.
No aço 4340 SN, a nitretação manteve a resistência do material soldado com ou sem o tratamento de revenimento, observando apenas uma redução nos níveis de ductilidade com a queda dos valores de ∆L/L. Já os aços 300M, após tratamento de nitretação a plasma (SN e SRN), apresentam queda em σ t e σ e e redução crítica nos níveis de ∆L/L. A baixa ductilidade indica que ocorreu fragilização, sendo que as possíveis causas para esse fenômeno estão associadas a dois eventos:
1. Precipitação secundária em contornos de grãos, sendo proveniente da temperatura de nitretação (500ºC);
2. Formações de microtrincas na superfície do aço, conforme visto na caracterização do material.
Tabela 3 - Resultados dos ensaios mecânicos de tração (média de 3 ensaios).
Aço 4340
Condições CR S SR SN SRN
σ t 687 ± 11 718 ± 9 736 ± 14 745 ± 20 714 ± 28 σ e 405 ± 3 418 ± 2 419 ± 3 472 ± 10 454 ± 15 σ r 562 ± 11 593 ± 21 621 ± 14 652 ± 39 609 ± 8
∆L/L(%) 21 ± 2 21 ± 0,8 22 ± 0,5 17 ± 1 17 ± 1 Aço 300M
Condições CR S SR SN SRN
σ t 940 ± 26 974 ± 53 974 ± 10 815 ± 29 839 ± 18 σ e 752 ± 30 788 ± 40 765 ± 33 723 ± 23 705 ± 20 σ r 840 ± 28 945 ± 41 870 ± 3 815 ± 29 839 ± 18
∆L/L(%) 11 ± 1,1 8,4 ± 0 12 ± 1 2 ± 0,1 3 ± 0,4
5.4 ANÁLISE FRACTOGRÁFICA
5.4.1 Aço 4340
Macroscopicamente é possível observar alguns aspectos de ductilidade, como
Figura 40 mostra a superfície de fratura de um cdp de tração do aço SAE 4340 na condição S, lembrando que o material rompeu no MB.
Figura 40 - Imagem da superfície de fratura (a) e região central (b) do aço 4340, na condição S.
Microscopicamente observa-se na Figura 41, a predominância de alvéolos (dimples) com raras facetas de clivagem. Essas pequenas cavidades ou alvéolos são formadas no processo de deformação plástica, associado à movimentação de discordâncias, levando a uma superfície de fratura predominantemente transgranular.
Figura 41 - Aço 4340, ensaiado uniaxialmente por tração, na condição S.
As Figuras 42 e 43 mostram as superfícies de fratura de cdps de tração do aço SAE
4340 nas condições SN e SRN, respectivamente. Macroscopicamente observa-se, em
ambas as condições (Figuras 45a e 46a), uma baixa redução de área, indicando a menor
ductilidade dessas condições em relação às demais. A Figura 46a mostra ainda o
rompimento em forma de degrau na lateral esquerda, demonstrando a influência da
camada difusa (CD). Microscopicamente (Figuras 42b e 43b) tem-se fratura mista para ambas as condições, combinando micromecanismos de fratura frágil (clivagem) e dúctil (alvéolos). Nota-se também a presença de trincas.
(a) (b)
Figura 42 - Imagem da superfície de fratura (a) e região central (b) do aço 4340, na condição SN.
(a) (b)
Figura 43 - Imagem da superfície de fratura (a) e região central (b) do aço 4340, na condição SRN
5.4.2 Aço 300M
A análise macroscópica, a Figura 44a mostra para o aço 300M na condição SR uma
superfície de fratura sem redução de área, e a análise microscópica (Figura 44b), essa
superfície apresenta características de fratura frágil com predominância de facetas de
clivagem e trincas secundárias intergranulares.
(a) (b)
Figura 44 - Imagem da superfície de fratura (a) e região central (b) do aço 300M na condição SR.
O material na condição SN, após ensaio de tração, apresenta fratura com característica frágil, em que não se observa redução de área (Figura 45a) e com predominância de facetas de clivagem e trincas inter e intragranulares (Figura 45b).
Figura 45 - Análise da superfície de fraturada do aço 300M, na condição SN.
Corpos-de-prova do aço 300M nas condições S e SN apresentaram fratura no
cordão de solda, em que se percebem regiões distintas de fratura, conforme indicado nas
Figuras 46a e 47a. Na parte inferior dessas figuras, que corresponde ao topo do cordão
de solda, a fratura encontra-se com aspecto fibroso, mostrando a direção de retirada de
calor onde se pode ter maior efeito de segregação (última região a se solidificar). Na
parte superior das Figuras 49a e 50a, observa-se uma concentração de defeitos de
soldagem (raiz do cordão) indicados por setas verdes. Sendo pontos concentradores de
tensão, esses defeitos colaboram para aumentar a fragilidade do aço. Na região central de ambas as superfícies (Figuras 46b e 47b) tem-se fratura mista com maior intensidade de micromecanismo frágil (clivagem e trincas transgranulares) e com pouca presença de alvéolos (dimples). Observa-se também na Figura 50b uma trinca, onde foi verificado que esta percorreu grande parte da superfície de fratura.
