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Dissertação de Mestrado "Comportamento em Corrosão Sob Tensão de Uma Junta Soldada de Aço Inoxidável Ferrítico ABNT 439 Soldado com Adição de Aço Inoxidável Austenítico ABNT 309 em Meios Contendo Cloretos"

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Academic year: 2019

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UFOP - CETEC - UEMG

REDEMAT

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EMÁTICA EM

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NGENHARIA DE

M

ATERIAIS

UFOP

UEMG

Dissertação de Mestrado

"Comportamento em Corrosão Sob Tensão de Uma

Junta Soldada de Aço Inoxidável Ferrítico ABNT 439

Soldado com Adição de Aço Inoxidável Austenítico

ABNT 309 em Meios Contendo Cloretos"

Autor: Fernando Loures Da Silva

Orientador: Prof. Dr. Luiz Cláudio Cândido

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UFOP - CETEC - UEMG

REDEMAT

R

EDE

T

EMÁTICA EM

E

NGENHARIA DE

M

ATERIAIS

UFOP

UEMG

Fernando Loures da Silva

"

Comportamento em Corrosão Sob Tensão de Uma Junta Soldada de

Aço Inoxidável Ferrítico ABNT 439 Soldado com Adição de Aço

Inoxidável Austenítico ABNT 309 em Meios Contendo Cloretos "

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da REDEMAT, como parte integrante dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Materiais.

Área de concentração: Engenharia de Superfícies

Orientador: Prof. Luiz Cláudio Cândido

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ii AGRADECIMENTOS

Durante a realização deste trabalho recebi apoio de várias pessoas na qual deixo meus agradecimentos, pelo apoio, pelo estímulo, pelos conhecimentos transmitidos e pela amizade durante estes dois anos de estudos. Em especial gostaria de agradecer:

Ao Prof. Luiz Cláudio Cândido pela orientação, incentivo, apoio e principalmente pela transmissão de conhecimentos no desenvolver do trabalho.

Ao Prof. Leonardo Barbosa Godefroid pelo apoio e orientação, principalmente na realização dos ensaios mecânicos.

Aos Técnicos-Administrativos do DEMET-UFOP pelo apoio fundamental que proporcionou a realização deste trabalho, em especial ao Paulo, Anízio, Graciliano e Sidney.

À Rede Temática em Engenharia de Materiais, REDEMAT, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais.

Aos professores e funcionários da REDEMAT pela competência e conhecimentos transmitidos na realização do trabalho.

À CAPES pelo apoio financeiro com bolsa de estudos. À Empresa Aperam “South America” pelo apoio com material para realização do trabalho.

À minha família e amigos pelo apoio e compreensão, principalmente aos meus pais, meu irmão e a Noelle.

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iii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 1

2 OBJETIVOS ... 3

2.1 OBJETIVO GERAL ... 3

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 3

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 4

3.1 FUNDAMENTOS DE CORROSÃO ... 4

3.1.1 O fenômeno de passivação ... 5

3.1.2 Formas de corrosão ... 6

3.2 AÇOS INOXIDÁVEIS ... 8

3.2.1 Aços inoxidáveis ferríticos ... 9

3.2.2 Aços inoxidáveis austeníticos ... 10

3.2.3 Aços inoxidáveis martensíticos ... 11

3.2.4 Aços inoxidáveis duplex ... 12

3.2.5 Aços inoxidáveis endurecidos por precipitação ... 12

3.3 PROCESSO DE SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO GMAW ... 13

3.3.1 Soldagem ao arco elétrico MIG em aços inoxidáveis ferríticos ... 14

3.4 CORROSÃO SOB TENSÃO ... 15

3.4.1 Mecanismo de propagação de trincas ... 16

3.4.2 Efeitos do meio na corrosão sob tensão ... 18

3.4.3 Efeitos metalúrgicos ... 20

3.4.4 Corrosão sob tensão nos aços inoxidáveis ferríticos ... 21

3.4.5 Técnicas de avaliação da corrosão sob tensão ... 22

(7)

iv

4 MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS ... 26

4.1 MATERIAIS ... 26

4.1.1 Meios corrosivos empregados ... 27

4.2 MÉTODOS ... 27

4.2.1 Caracterização do material ... 28

4.2.2 Ensaios de polarização ... 28

4.2.3 Ensaios de corrosão sob tensão de carga constante do eletrodo ... 29

4.2.4 Cálculo do fator de intensidade de tensão (KI) nos ensaios de carga constante ... 31

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 32

5.1 CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL ... 32

5.1.1 Análise metalográfica ... 32

5.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS ... 35

5.2.1 Ensaio de microdureza ... 35

5.3 ENSAIOS ELETROQUÍMICOS ... 36

5.3.1 Ensaios de polarização eletroquímica potenciodinâmica ... 36

5.3.2 Ensaios de polarização cíclica ... 38

5.4 ENSAIOS DE CORROSÃO SOB TENSÃO ... 40

5.4.1 Análise macrofratográficas das fraturas dos ensaios de CST ... 42

5.4.2 Análise microfratográfica das fraturas dos ensaios de CST ... 44

5.4.3 Ensaio de corrosão sob tensão em potencial anódico ... 46

6 CONCLUSÕES ... 51

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 52

(8)

v LISTA DE FIGURAS

(9)

vi Figura 5.1 - Microestrutura da junta soldada de aço ABNT 439, na região da ZTA e da ZF, (a) e (b) 50x, e (c) 200x. Ataque químico de ácido oxálico 10% (em massa). ZF = zona fundida; ZTA = zona termicamente afetada. ... 34

Figura 5.2 - Perfil de microdureza Vickers realizado ao longo da junta de aço soldada, com início no MB até a região da ZF, de aço inoxidável ferrítico ABNT 439 soldado com adição de aço ABNT 309. ZTA = zona termicamente afetada; ZF = zona fundida. ... 36 Figura 5.3 - Ensaios de polarização potenciodinâmica da junta soldada de aço ABNT439 com metal de adição aço ABNT309 na região de MB e da ZF, em solução aquosa com 3,5% NaCl, 0,17mV/s, temperatura ambiente, ecs – eletrodo de calomelano saturado. MB = metal base; ZF = zona fundida. ... 37

Figura 5.4 – Ensaio de polarização cíclica da região de metal base, aço ABNT 439em solução aquosa com 3,5% NaCl, 1mV/s, temperatura ambiente. ecs – eletrodo de calomelano saturado. ... 39 Figura 5.5 - Fator de intensidade de tensão KI aplicado em relação ao tempo de fratura por CST com carga constante, da junta soldada de aço ABNT 439 soldado com adição de aço ABNT 309 em solução aquosa com 42% MgCl2 em ebulição. ... 41 Figura 5.6 - Macrofratografias de um CP após ensaio de CST com carregamento constante no eletrodo (a), imagem de uma seção ampliada (b) e visão superior das regiões da fratura, arrancamento final, CST e pré-trinca por fadiga. Trincamento de um aço ABNT 439 soldado com um aço ABNT 309 em solução aquosa contendo 42% em massa de MgCl2 na temperatura de ebulição. MB = metal base; ZF = zona fundida; ZTA = zona termicamente afetada; CST = corrosão sob tensão. ... 43

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(11)

viii LISTA DE TABELAS

Tabela III.1 - Composição química nominal dos aços ABNT430 e 439 ... 10

Tabela III.2 - Composição química dos aços ABNT 309 e ABNT 304. ... 11

Tabela III.3 - Meios que causam a corrosão sob tensão nos aços comuns e inoxidáveis. ... 18

Tabela IV.1 - Valores de Parâmetros médios dos ensaios de pré-trinca por fadiga na ZF do aço inoxidável ferrítico ABNT 439 soldado com adição aço inoxidável austenítico ABNT 309, via MIG. ... 27

Tabela V.1 - Análise química da região do MB do aço ABNT 439 (% em massa). ... 32

Tabela V.2 -Análise química da região da ZF (% em massa). ... 32

Tabela V.3 – Propriedades mecânicas do aço ABNT 439 ... 37

Tabela V.4 - Parâmetros eletroquímicos dos ensaios eletroquímicos de polarização da junta soldada de aço ABNT 439 soldado com adição de liga ABNT 309, na ZTA e ZF. ... 37

Tabela V.5 - Relação dos ensaios de CST com carga constante no eletrodo da junta soldada de aço inoxidável ferrítico ABNT 439 soldado com adição de aço inoxidável austenítico ABNT 309, em solução aquosa de MgCl2 (42% em massa) na temperatura de ebulição. ... 40

(12)

ix LISTAS DE NOTAÇÕES

ɑ - tamanho da trinca (m)

ABINOX – Associação Brasileira de Aços Inoxidáveis ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas AISI –“American Iron and Steel Institute

ASM –“American Society of Metals”

ASTM –“American Society for Testing and Materials” B - espessura do corpo de prova (m)

CP – Corpo de prova CST – Corrosão sob tensão

C(T) – Corpo de prova tração compacto

DEMET – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais – Escola de Minas UFOP E – Potencial

Ecor – Potencial de corrosão

ecs – Eletrodo de calomelano saturado Epas– Potencial de passivação

GMAW – “Gas Metal Arc Welding” i0 - Densidade de corrente de troca icor– Densidade de corrente de corrosão ipas– Densidade decorrente de passivação

ISO –“International Organization of Standardization

KC – Tenacidade à fratura do material em estado plano de tensão (depende da espessura do material)

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x KI – Fator de intensidade de tensão aplicado

MAG –“Metal Active Gas

MB – Metal base

MEV – Microscopia eletrônica de varredura

MIG –“Metal inert gas

P - Carga de tração aplicada (N); PIB – Produto Interno Bruto ppm – Partes por milhão

R – Taxa de corrosão em milímetros por ano.

SCC –“Stress corrosion cracking

t – Tempo

tf– Tempo de fratura

W – distância do ponto de aplicação de carga e a extremidade do corpo de prova (m); ZF – Zona fundida

ZTA – Zona termicamente afetada

Ϭys - Limite de escoamento

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xi

RESUMO

Este trabalho avaliou o comportamento em corrosão sob tensão (CST) de juntas de chapa de aço inoxidável ferrítico ABNT 439 soldadas pelo processo ao arco elétrico com proteção

gasosa, MIG (“Metal Inert Gas”), com metal de adição de aço inoxidável austenítico ABNT 309, em soluções aquosas de cloreto de magnésio 42% (em massa), na temperatura de ebulição (aproximadamente 143°C). Metodologias da Mecânica de Fratura com corpos de prova do tipo tração compacto com pré-trinca por fadiga na região de zona fundida (ZF) foram aplicadas para ensaios de carga constante do eletrodo. Estes ensaios foram realizados no potencial de corrosão do material e em potencial anódico. Foi avaliado o comportamento eletroquímico do material empregando-se ensaios de polarização potenciodinâmica e cíclica, em solução aquosa de NaCl 3,5% (em massa). Foram obtidos os potenciais de pites na região da solda. O material soldado apresentou susceptibilidade à CST em solução de cloreto de magnésio com trincas na região da ZF. A junta soldada apresentou maior susceptibilidade à CST quando polarizada anodicamente. Os corpos de prova ensaiados por CST foram avaliados por macro e microfratografia via microscopia eletrônica de varredura.

(15)

xii

ABSTRACTS

This work evaluated the stress corrosion cracking (SCC) behavior of steel plates of ferritic stainless steel AISI 439 welded by electric arc process with Metal Inert Gas, with addition of austenitic stainless steel AISI 309, in aqueous solutions of magnesium chloride MgCl2 (42% mass) at boiling temperature (about 143°C). The Fracture Mechanic methodology were applied to constant load tests in compact tension specimens with pre-fatigue crack in the weld bead region. The tests were done at the corrosion potential of the material and at anodic potential. Furthermore, it was analyzed the electrochemical behavior of the material, by potentiodynamic and cyclical polarization, in aqueous solution of NaCl (3.5% mass). It was evaluated pit potentials in welded zone and in the base metal. This material presented SCC susceptibility in aqueous solutions of magnesium chloride with crack in the fusion zone. The material presented less resistance to stress corrosion cracking in anodic potential. The tested specimens were evaluated fratographically by scanning electron microscopy.

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1

1 INTRODUÇÃO

A corrosão pode ser definida como a interação físico-química, geralmente de natureza eletroquímica, entre um metal e um ambiente que resulta na mudança das propriedades do metal e possível comprometimento da função do metal, do ambiente ou do sistema envolvido. A corrosão tem um impacto muito grande na economia mundial, visto que o fenômeno tem custo médio entre 1 a 5% do PIB na maioria dos países, sendo que estes valores não incluem perdas de produção e de tempo de parada para a manutenção de equipamentos danificados. O desperdício de energia e de material devido à corrosão também representam um impacto na economia, pois sabe-se que considerando apenas a corrosão de aços são perdidos cerca de uma tonelada a cada noventa segundos em todo o mundo.

Além da importância econômica, o processo de corrosão é muitas vezes a causa de acidentes, que põem a vida de várias pessoas em risco.

Um material muito importante conhecido pela alta resistência à corrosão uniforme é o aço inoxidável. Esse material é muito utilizado em ambientes corrosivos nas indústrias químicas, petrolíferas, de energia, nuclear, etc. O que torna o aço inoxidável muito importante tecnologicamente e economicamente para a indústria.

Os aços inoxidáveis são ligas a base de ferro carbono, na qual o cromo é principal elemento de liga, com composição mínima de 10,5% (em massa). Vários outros elementos de liga como, nióbio, molibdênio, cobre, alumínio, titânio entre outros, podem estar presentes nos aços inoxidáveis com intuito de melhorar as propriedades do material.

O cromo nos aços inoxidáveis reage com o oxigênio e a umidade presente na atmosfera. Esta reação forma uma camada fina (30 a 80Ǻ) de óxido de cromo na superfície do metal. A formação desta camada passiva protege a superfície do metal das reações com ambiente e é responsável pela alta resistência à corrosão uniforme destes materiais. Entretanto, apesar destes aços serem conhecidos como inoxidáveis, eles sofrem corrosão em meios não oxidantes. Portanto, deve-se ter muita atenção na seleção de aços para se garantir o desempenho esperado em determinada aplicação.

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2 A corrosão sob tensão (CST) é um fenômeno resultante da ação simultânea de um meio corrosivo específico e tensões de tração aplicadas e/ou residuais em materiais passiváveis. Nos aços inoxidáveis a corrosão sob tensão ocorre principalmente em soluções aquecidas neutras ou ácidas contendo halogenetos, em especial os cloretos. Ressalta-se que a CST é o fenômeno de corrosão responsável pelo maior número de falhas, geralmente catastróficas, de aços inoxidáveis na indústria.

Os aços inoxidáveis ferríticos são aços que apresentam alta resistência à CST em meios contendo cloretos, entretanto apresentam baixa soldabilidade se comparados aos austeníticos. A soldabilidade dos aços inoxidáveis é aumentada em aços estabilizados com elementos de liga como titânio e nióbio, por exemplo.

A engenharia tem desenvolvido técnicas e consumíveis para soldagem de aços inoxidáveis ferríticos com adição de aços inoxidáveis austeníticos, objetivando aliar a alta resistência à corrosão sob tensão e adequada condutividade térmica dos ferríticos com a boa soldabilidade apresentada pelos austeníticos.

No entanto, em meios contendo cloretos, a CST em aços inoxidáveis ferríticos estabilizados e soldados com adição de aços inoxidáveis austeníticos já foi observada na literatura.

Neste trabalho, foi estudado o comportamento em CST do aço inoxidável ferrítico ABNT 439,

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3

2 OBJETIVOS

A seguir são apresentados os objetivos do trabalho.

2.1 Objetivo Geral

Avaliar a susceptibilidade à CST de chapas de aços inoxidáveis ferríticos ABNT 439, soldados pelo processo MIG com consumível aço inoxidável austenítico ABNT 309, em solução de cloreto de magnésio 42% em massa, a aproximadamente 143°C.

2.2 Objetivos Específicos

 Avaliar o comportamento de chapas soldadas de aço inoxidável ferrítico ABNT 439 com consumível ABNT 309, quanto a CST, em solução aquosa de cloreto de magnésio 42% (massa), na região da zona fundida (ZF), empregando-se ensaios com carga constante no eletrodo;

 Avaliar a influência do carregamento no tempo de fratura por CST do material;

 Realizar ensaios de polarização potenciodinâmica e cíclica para avaliar o comportamento eletroquímico do sistema liga meio, NaCl 3,5% em massa, da região da solda e do metal base (MB) ABNT 439;

 Avaliar o comportamento do material quanto à CST quando polarizado de forma anódica;

 Obter curvas de tempo de falha típico em função da tensão aplicada em CST (KI x tf);

 Obter uma aproximação do fator de intensidade de tensão limiar em CST (KICST) aplicado na junta soldada;

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4

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A seguir será apresentada uma sucinta revisão bibliográfica do fenômeno de corrosão, dos aços inoxidáveis e das técnicas utilizadas no presente trabalho.

3.1 Fundamentos de Corrosão

Gentil (2011), Chawla e Gupta (1993) e Jones (1992) definem corrosão como um processo de deterioração química ou eletroquímica de um material, resultado da interação com o meio em que é exposto, com ou sem aplicação de esforços mecânicos.

Como o processo de corrosão é, geralmente, espontâneo, os materiais metálicos estão constantemente sendo transformados por corrosão, o que compromete o desempenho e a durabilidade destes materiais.

Os materiais não metálicos também são susceptíveis a processos de corrosão. A deterioração do cimento Portland, empregado em concreto, por ação de sulfeto e a perda de elasticidade da borracha por oxidação do oxônio são exemplos de processos considerados como de corrosão (Gentil, 2011).

Os metais em suas formas refinadas encontram-se em nível energético superior ao dos compostos que lhes deram origem. Esta é a razão termodinâmica para que as reações de corrosão sejam espontâneas (Gentil, 2011). Conforme esquematizado na Figura 3.1.

Figura 3.1 - Ciclo termodinâmico dos metais (Pinto, 2006).

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5 uma outra. Geralmente, átomos metálicos perdem ou cedem elétrons na chamada reação de oxidação ou reação anódica. Estes elétrons são transferidos para outra espécie química na chamada reação de redução ou reação catódica (Callister, 2000).

Os locais onde a oxidação ocorre são conhecidos como anodo e a região da redução é conhecida como catodo.

Desta forma, o processo de corrosão é definido por uma reação eletroquímica global que deve constituir pelo menos uma reação de oxidação e uma reação de redução e será a soma delas. Além disso, a taxa de oxidação deve ser igual a taxa de redução, isto é, não ocorre acúmulo de carga de elétrons e de íons (Callister, 2000).

3.1.1 O fenômeno de passivação

A passivação é um fenômeno que ocorre em alguns metais e ligas com formação de uma camada muito fina, geralmente de óxidos e/ou hidróxidos, que protege a superfície do material da solução corrosiva. A maioria das ligas comercialmente conhecidas por apresentar resistência à corrosão uniforme, assim como os aços inoxidáveis apresentam este comportamento (Jones, 1992).

A passivação é um processo que depende do material e do meio, alguns metais e ligas como, aços inoxidáveis, ligas de alumínio, molibdênio e níquel, por exemplo, oxidam no ar. Entretanto, alguns materiais sofrem passivação em meios específicos, como o magnésio em água e o chumbo em ácido sulfúrico (Gentil, 2011).

A Figura 3.2 ilustra a curva de polarização de um metal que passiva. Em potenciais baixos a taxa de corrosão medida pela densidade de corrente anódica aumenta linearmente com o valor de potencial aplicado e é chamada zona de ativação. Acima do potencial de passivação (Epas), a camada passiva se torna estável e a taxa de corrosão diminui em torno de 1A/cm2. Em potenciais elevados a camada passiva deixa de ser estável na superfície do metal, então ocorre a ruptura desta e a densidade de corrente aumenta na região de transpassivação.

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6 Figura 3.2 - Esquema do comportamento ativo-passivo da polarização de uma liga ou metal que sofre

passivação (Adaptação de Jones, 1992).

Figura 3.3 - Representação esquemática de curvas de polarização ilustrando o efeito do meio na corrosão de uma liga de troca que passiva (Adaptação de Jones, 1992); i0 = densidade de corrente de troca.

3.1.2 Formas de corrosão

A corrosão pode ocorrer por diferentes formas e o conhecimento destes tipos é fundamental para o estudo dos processos corrosivos.

Os mecanismos de corrosão podem ser classificados quanto a morfologia, as causas, aos fatores mecânicos, aos meios corrosivos e a localização do ataque. Entretanto, a classificação quanto a morfologia da corrosão auxilia bastante no esclarecimento dos mecanismos e na aplicação de medidas adequadas de proteção dos materiais (Gentil, 2011).

P

otenc

ial de

e

letrod

o, E

Densidade de corrente, i

ipas Epas

icrit

Transpassivo

Passivo

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7 A seguir serão apresentadas, de forma sucinta, as principais formas de corrosão nos materiais metálicos.

 Corrosão uniforme, ocorre em toda extensão da superfície do material de forma contínua. Desta forma, há perda uniforme da espessura do material. É fácil de diagnosticá-la (Gentil, 2011).

 Corrosão intergranular, ocorre quando a taxa de corrosão nos contornos de grão é superior à taxa de corrosão no interior dos grãos. Nos aços inoxidáveis, a corrosão intergranular ocorre devido ao fenômeno de sensitização. A sensitização, decorrente de aquecimento e resfriamento lento de aços inoxidáveis convencionais, pode ser entendida como a precipitação, por exemplo, de carboneto de cromo nos contornos de grão. Com a escassez de cromo nas proximidades dos contornos de grão, dependendo do meio o material poderá sofrer corrosão nas imediações destes (Sedriks, 1996).

 Corrosão galvânica, quando dois materiais metálicos em contato estão em um mesmo meio corrosivo; um dos materiais é preferencialmente corroído enquanto o outro é protegido do processo corrosivo, sendo que o material será preferencialmente corroído quando em contato com outro material com maior ou mais nobre potencial nas Séries Galvânicas (Jones, 1992).

 Fadiga-corrosão ocorre quando um material está sujeito a esforços mecânicos cíclicos em um meio capaz de atacar quimicamente e/ou eletroquimicamente o mesmo.

 Corrosão por frestas, a corrosão de um material metálico é sempre acentuada em frestas criadas por contato com outro material. Nestas regiões onde o acesso do eletrólito é limitado, portanto a aeração também desenvolvem-se regiões anódicas. Normalmente, ocorre entre chapas justapostas, parafusadas ou rebitadas. A corrosão por frestas é dos tipos mais comuns entre metais (Jones, 1992).

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8 Portanto, a corrosão por pites pode causar perfurações e pontos de concentração de tensões, que diminuem a resistência mecânica do material e, consequentemente, aumentam a possibilidade de fratura. Salienta-se que os pites podem nuclear trincas por CST (Cândido, 2015).

 Corrosão sob tensão, a deterioração de materiais passiváveis devido a combinação simultânea de tensões trativas, residuais ou aplicadas, e meios corrosivos específicos, em um dado tempo. Como o presente trabalho aborda o fenômeno de CST, o Capítulo 3.4 aprofundará no assunto.

3.2 Aços Inoxidáveis

Os aços inoxidáveis são ligas ferrosas contendo como principal elemento de liga o cromo com um percentual mínimo de 10,5% (massa), o que torna esse material resistente a diversos meios corrosivos (Singh, 1991). Estas ligas têm provado seu valor em vários segmentos da indústria e em aplicações cotidianas. A alta resistência à corrosão uniforme em diversos ambientes, somada a estética favorável da superfície, longo tempo de vida e várias outras propriedades vêm tornando os aços inoxidáveis cada vez mais atrativos ao mercado.

Existem centenas de tipos de aços inoxidáveis, que apresentam uma variedade muito grande de propriedades mecânicas, físicas, resistência à alta temperatura, dureza, tenacidade e resistência à corrosão.

Os aços inoxidáveis são classificados de acordo com a composição química e estrutura metalúrgica da liga em temperatura ambiente. Uma das mais importantes especificações

utilizadas para classificar os inoxidáveis é a AISI (“American Iron and Steel Institute”), que

classificou essas ligas nas séries padronizadas 200, 300, 400 e 600. No Brasil utilizam-se especificações segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).

De acordo com a ASM Handbook (1994) os aços inoxidáveis podem ser divididos em cinco grupos; a família dos ferríticos, dos austeníticos, dos martensíticos, dos duplex (estrutura austenítica e ferrítica) e dos endurecidos por precipitação. A Figura 3.4 apresenta os aços inoxidáveis mais comuns relacionando as composições químicas e as propriedades das ligas, tomando como referência o aço inoxidável austenítico ABNT 304.

(24)

9 Figura 3.4 - Diagrama das famílias e dos principais aços inoxidáveis relacionando composição química e

propriedades (adaptação ASM, 1994).

3.2.1 Aços inoxidáveis ferríticos

Os aços inoxidáveis ferríticos apresentam estrutura cristalina cúbica de corpo centrado, assim como o ferro na temperatura ambiente. Estas ligas contêm entre 11% e 30% (massa) de cromo e pequenas quantidades de elementos formadores de austenita, como carbono, níquel e nitrogênio Estes aços têm boa resistência à corrosão uniforme, alta conformabilidade e relativo baixo custo. Por motivos econômicos são utilizados em vários componentes automotivos (ASM, 1992).

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10 Os inoxidáveis ferríticos são identificados pela série 400, na qual os aços mais comuns são os aços ABNT 430 e 409. O aço “430” apresenta alta resistência à corrosão, composição química em torno de 16% de cromo, porém apresenta baixa soldabilidade e problemas em estampagem profunda. A baixa soldabilidade deste material ocorre devido à formação de carbonitretos de cromo, formação parcial de martensita em contornos de grão e crescimento excessivo de grão na região da ZF e na ZTA (Carbó, 2001).

O aço ABNT 439, material estudado no presente trabalho, apresenta maior soldabilidade e maior resistência à corrosão por pites comparado ao aço ABNT 430. Isto ocorre, porque, além de apresentar composição química acima de 16% de cromo, esse aço é estabilizado com titânio, que precipita o enxofre como sulfeto de titânio e não como sulfeto de manganês, visto que o sulfeto de manganês é preferencialmente atacado na corrosão por pites (Carbó, 2001), além de refinar grãos na região da solda.

Este aço é aplicado na indústria automobilística, em tanques de máquinas de lavar roupa, em fornos de micro-ondas, no revestimento interno de equipamentos de aço carbono na indústria açucareira, trocadores de calor, em aquecedores, entre outros. A Tabela III.1 ilustra a composição química dos aços ABNT 430 e do aço ABNT 439.

Tabela III.1 - Composição química nominal dos aços ABNT430 e 439 (Adaptação de Singh, 1991)

3.2.2 Aços inoxidáveis austeníticos

Os aços inoxidáveis austeníticos apresentam o maior número de ligas inoxidáveis produzidas atualmente. O arranjo atômico destas ligas é cúbico de face centrada devido à concentração de elementos de liga como o níquel, o que torna o material não magnético. Como os ferríticos, estas ligas não podem ser endurecidas por precipitação e têm teor de carbono máximo, assim como os ferríticos, em 0,08% (massa) (ABINOX, 2016).

Os aços inoxidáveis austeníticos são representados pela família 300 e os mais empregados e tradicionais são classificados como 18/8 (18% de cromo - 8 % níquel) que apresentam altas resistências à corrosão uniforme. Vários outros foram derivados desses. Os elementos de liga

Aço Cr Ni Cmáx

430 14 a 16 - 0,12

439 17 a 19 0,5 0,07 Ti = 0,20 + 4(C+N) min até 1,0 máximo.

Composição química nominal dos aços ABNT 430 e ABNT 439 (% em massa) Outros

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-11 mais importantes acrescentados aos austeníticos são o molibdênio para aumento de resistência à corrosão por pite e corrosão em frestas. O titânio, nióbio ou tântalo são utilizados para estabilizar a liga e evitar corrosão intergranular em ligas soldadas, assim como a diminuição do percentual de carbono em solução sólida (< 0,03% em massa). A adição de níquel e cromo aumenta a resistência à corrosão uniforme em altas temperaturas. E o aumento da concentração de níquel aumenta à resistência a corrosão sob tensão da liga (Sedriks, 1996).

O aço inoxidável austenítico mais produzido é o ABNT 304; apresenta alta ductilidade, portanto boa conformabilidade e tenacidade mesmo em temperaturas criogênicas. Os aços ABNT 309, por sua vez, têm alta concentração de cromo e níquel, 22 a 24% de cromo e 12 a 15% de níquel, o que amplia a resistência à corrosão uniforme, resistência à fluência (Sedriks, 1996) e resistência à oxidação em altas temperaturas (Singh, 1991). A Tabela III.2 ilustra a composição química dos aços ABNT: 304 e 309.

Tabela III.2 - Composição química dos aços ABNT 309 e ABNT 304 (Adaptação de Singh, 1991).

O aço ABNT 309 é utilizado como eletrodo consumível nos processos de soldagem, onde a composição química é controlada de modo a formar uma solda com baixo teor de carbono, estrutura austenítica e baixa formação de ferrita delta, o que aumenta a soldabilidade do aço (Singh, 1991).

3.2.3 Aços inoxidáveis martensíticos

Estes aços têm entre 12 e 15% de cromo e na condição recozida apresentam limite de escoamento próximo a 275MPa, condição em que se obtém alta usinabilidade e conformabilidade a frio. A resistência mecânica destas ligas varia com o teor de carbono, o aumento do teor de carbono aumenta a resistência mecânica, entretanto diminui a tenacidade e ductilidade. Os aços inoxidáveis martensíticos têm estrutura tetragonal de corpo centrado. São considerados como ligas estruturalmente simples, que são submetidos aos tratamentos térmicos de têmpera e revenimento. A martensita confere alta resistência mecânica (ABINOX, 2016).

Aço Cr Ni Cmáx Mnmáx Pmáx Simáx Outros

304 18 a 20 8 a 10,5 0,08 2 0,045 1

-309 22-24 12 a 15 0,08 2 0,045 1

(27)

12 Os aços inoxidáveis martensíticos são utilizados em aplicações onde altos valores de resistência ao desgaste são exigidos, além de resistência à corrosão. No entanto, o fato da resistência à corrosão ser relativamente baixa, pelo fato do teor de cromo ser inferior a 18%, quando comparada às demais famílias de inoxidáveis, é um fator limitante para utilização da liga em aplicações gerais. As ligas ABNT: 410 e 420 são as mais fabricadas e são utilizadas em facas, instrumentos cirúrgicos, lâminas industriais, equipamentos químicos, entre outros (Singh, 1991).

3.2.4 Aços inoxidáveis duplex

Os aços inoxidáveis duplex têm uma estrutura combinada das fases austenita e ferrita, consequentemente, oferece propriedades comuns aos dois tipos de aços. Os duplex exibem maior limite de escoamento que os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, pois têm nitrogênio em solução sólida intersticial e melhor resistência à corrosão na presença de cloretos, quando têm molibdênio na composição química (Singh, 1991). Estes aços podem ser utilizados em projeto com secções mais finas que os aços austeníticos, além de apresentarem maior resistência à corrosão sob tensão, mas não são imunes. O molibdênio aumenta a resistência à corrosão por pite da liga (ABINOX, 2016). Por terem teor de carbono inferior a 0,03% (massa) não sofrem corrosão intergranular.

3.2.5 Aços inoxidáveis endurecidos por precipitação

Os aços inoxidáveis endurecidos por precipitação são identificados pela série AISI-600. Nestes aços alguns elementos de liga como titânio, cobre, nióbio, alumínio, tântalo e fósforo têm alta solubilidade na liga ferro carbono cromo em altas temperaturas, entretanto são precipitados como segunda fase quando tratados termicamente e resfriado a temperatura ambiente. A precipitação aumenta a resistência mecânica destes aços (Singh, 1991).

(28)

13

3.3 Processo de Soldagem Ao Arco Elétrico GMAW

A soldagem ao arco elétrico (GMAW) é um processo que utiliza um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo nu consumível continuamente alimentado e o metal que se deseja soldar. Este processo utiliza um gás ou mistura de gases que protege o arco e o metal de solda fundido contra a contaminação da solda pelo oxigênio, nitrogênio e hidrogênio provenientes da atmosfera, além de prover um arco com características relacionadas, por exemplo, com sua estabilidade, modo de transferência metálica, etc.

Se este gás é inerte, geralmente argônio, hélio, argônio + 2% de oxigênio, o processo é chamado de MIG –“Metal Inert Gas”, pois estes gases não reagem metalurgicamente com a gota metálica ou com a poça de fusão, atuando apenas na proteção destas regiões, auxiliando na formação e manutenção do arco. Por outro lado, se o gás for ativo (CO2 ou misturas de Ar/O2/CO2), o

processo é chamado alternativamente de MAG – “Metal Active Gas”. (Welding Handbook - AWS, 2004).

A soldagem MIG é um processo geralmente semiautomático, em que a alimentação do arame é feita por um alimentador motorizado da máquina. O soldador é responsável pelo início e interrupção da soldagem, além de mover a tocha ao longo da junta. A manutenção do arco é mantida pela alimentação contínua do arame no eletrodo, e o comprimento do arco, geralmente, é mantido constante pelo próprio sistema sem interferência do soldador (Marques et al., 2009). A soldagem ao arco elétrico MIG pode ser utilizada em uma ampla faixa de espessura e pode ser aplicada tanto em metais ferrosos quanto não ferrosos. As principais vantagens deste processo em relação aos processos por eletrodo revestido são a alta taxa de deposição, grande versatilidade quanto ao tipo de material e espessura, não existência de fluxos de soldagem e ausência de operações de remoção de escória e limpeza. Entretanto, a principal limitação do processo é a alta sensibilidade à variação dos parâmetros elétricos de operação do arco de soldagem, que influenciam diretamente no cordão de solda (Marques et al., 2009).

A região da solda, após solidificação apresenta descontinuidades que podem ser externas, isto é, alcançam a superfície visível da solda, ou podem ser totalmente internas, não sendo, nesse caso detectáveis por inspeção superficial da solda. Podem estar localizadas na ZF, ZTA, e no MB. A Figura 3.5 ilustra as regiões de uma junta soldada.

(29)

14 química da ZF depende da intensidade das interações entre o MB e o metal de adição, e das composições químicas destes metais.

Figura 3.5 - Regiões de uma junta soldada (Silva, 2011).

A ZTA é afetada pelo gradiente térmico no MB em contato com a ZF da solda. A ZTA pode apresentar variações na microestrutura e nas propriedades mecânicas em relação ao MB.

3.3.1 Soldagem ao arco elétrico MIG em aços inoxidáveis ferríticos

Modenesi (2001) afirma que, quanto a soldabilidade, os aços inoxidáveis ferríticos apresentam baixo coeficiente de expansão térmica, portanto apresentam menor tendência à distorção. Entretanto, estes aços apresentam sérios problemas de perda de ductilidade, tenacidade e de resistência à corrosão, devido a formação de microestrutura grosseira, formação de nitretos e carbonetos, além da possível formação de uma rede de martensita ao longo dos contornos de grão da ferrita. Nestes casos, para algumas aplicações, pode-se utilizar metal de adição austenítico para restringir estes problemas à ZTA da solda.

Neste contexto, a engenharia tem desenvolvido técnicas e consumíveis para soldagem de aços inoxidáveis ferríticos com adição de inoxidáveis austeníticos, objetivando aliar a elevada resistência à corrosão sob tensão e adequada condutividade térmica dos ferríticos com a boa soldabilidade apresentada pelos austeníticos (Modenesi, 2001).

(30)

15

3.4 Corrosão Sob Tensão

A corrosão sob tensão é definida pela ação do tempo e de três fatores simultâneos, tensão aplicada ou residual, meio corrosivo e material susceptível (Jones, 1992; Cândido, 2015), assim como ilustrado na Figura 3.6. A ação conjunta do meio corrosivo e da tensão aplicada ou residual ocasionam a fratura ou degradação do material em um tempo mais curto que à ação destes fatores separados. Contudo, tensões compressivas residuais podem ser utilizadas para prevenir o fenômeno (ASM, 1992).

Figura 3.6 - Condições simultâneas para ocorrência de corrosão sob tensão, além do tempo (Cândido, 2015).

As solicitações mecânicas da CST ocorrem geralmente em condições operacionais, são estáticas e a fratura ocorre abaixo do limite de escoamento nominal do material. Já as tensões residuais que causam a CST são geralmente provenientes de processos de soldagem e deformação a frio, como estampagem e dobramento (Gentil, 2011). Destaca-se também, que os processos de soldagem podem gerar tenções residuais de tração, resultantes dos ciclos térmicos dos vários pontos de uma junta soldada suficientes para provocar o fenômeno de CST, pois podem ser da ordem do limite de escoamento do material (Núcleo Inox, 2011).

(31)

16 comportamento do material em vários meios distintos. Portanto, é um tema de extrema importância tanto para a área tecnológica quanto para o meio acadêmico (Silva, 2011).

A corrosão sob tensão apresenta uma série de características que a distingue dos demais fenômenos de corrosão, dentro deles destaca-se:

 Apresenta efeito altamente localizado.

 A fratura por CST tem aparência macroscópica frágil, ainda que ocorra em materiais com alta ductilidade (Sedriks, 1996).

 A trinca se propaga em ângulos retos na direção de tensão de tração e em valores bem menores que o limite de escoamento do material, sendo que apenas tensões de tração provocam CST (Jones, 1992).

 Em uma visão microscópica, o resultado deste processo corrosivo é sempre o mesmo, formação de trincas transgranulares e intergranulares em uma superfície aparentemente intacta (Senatore, Fizetto e Perea, 2007).

 Independente do mecanismo atuante, a CST envolve três etapas. A etapa inicial consiste num ataque corrosivo lento que gera acumulo de tensões. A segunda etapa consiste no crescimento lento da trinca, a propagação da trinca ocorre por ação conjunta da tensão e da corrosão, com aumento de tensão na extremidade da trinca. Na terceira etapa, o crescimento da trinca ocorre pela ação de tensão de tração (Senatore, Fizetto e Perea, 2007), portanto o comportamento da trinca nesta região pode ser dúctil.

 Ocorre apenas em condições altamente especificas, dependendo da natureza do próprio metal, bem como das condições físico-químicas do meio. Os aços inoxidáveis austeníticos, por exemplo, são susceptíveis à CST em meios contendo cloretos, porém são resistentes em meios contendo amônia (ASM, 1992).

 Ocorre somente quando as tensões de tração responsáveis pelo processo ultrapassam determinados valores mínimos.

3.4.1 Mecanismo de propagação de trincas

(32)

17 De uma forma geral, a CST envolve três etapas:

i. A etapa inicial consiste num ataque corrosivo lento, que gera pite ou outra forma de acúmulo de tensões (Senatore, Fizetto e Perea, 2007).

ii. segunda etapa consiste no crescimento lento da trinca, devido aos danos causados no primeiro estágio. A propagação da trinca ocorre por ação conjunta da tensão e da corrosão, com aumento de tensão na extremidade da trinca (Senatore, Fizetto e Perea, 2007).

iii. Na terceira etapa, a propagação da trinca ocorre unicamente pela ação da tensão de tração, assim ocorre a fratura rápida sob ação da tensão. Esta falha está associada ao fato da tensão atuante ultrapassar a resistência estática do aço (Wolynec,1988).

Existem dois mecanismos básicos de processos para a CST para aços inoxidáveis, o mecanismo de ruptura de filme na ponta da trinca e o modelo de fragilização por hidrogênio (Sedriks, 1996). O mecanismo de ruptura de filme envolve a ruptura da camada de proteção por bandas de deslizamento interagindo com a ponta da trinca, depois ocorre dissolução ao longo dos contornos de grão ou em planos cristalográficos de baixo índice, até que a repassivação ocorra (Raja e Shoji, 2011). A trinca se propaga por repetidas formações e fraturas de filme na ponta da trinca e por dissolução do metal antes do filme ser reformado (Sedriks, 1996).

O mecanismo baseado na fragilização por hidrogênio envolve a diminuição de energia de ligação interatômica dos átomos na ponta da trinca por deslizamento ou decoesão. Como a taxa de difusão de hidrogênio é relativamente alta, a absorção de hidrogênio pode ocorrer não apenas externamente a ponta da trinca, como também na parte interior da trinca. Portanto, em altas concentrações de hidrogênio é de se esperar que exista átomos de hidrogênio nas camadas atômicas próximas a ponta da trinca e na superfície, o que enfraquece as ligações atômicas nestas camadas (Raja e Shoji, 2011).

(33)

18

3.4.2 Efeitos do meio na corrosão sob tensão

Segundo Jones (1992), Sedriks (1996) e Cândido (2015) somente combinações específicas de ligas e ambientes corrosivos levam a falhas por corrosão sob tensão. Assim na literatura existem várias combinações de ligas e meios corrosivos que induzem a corrosão sob tensão.

A corrosão sob tensão muitas vezes é classificada em termos do ambiente que causa a CST em determinado material. Desta forma, a corrosão sob tensão nos aços inoxidáveis pode ser classificada em CST em meios contendo cloretos, CST em meios cáusticos ou em meios com ácido politiônico, por exemplo (Sedriks, 1996). A Tabela III.3 compara os diferentes meios corrosivos que causam corrosão sob tensão nos inoxidáveis e nos aços comuns.

Tabela III.3 - Meios que causam a corrosão sob tensão nos aços comuns e inoxidáveis (Barbosa, 1995).

Os aços inoxidáveis são utilizados em meios contendo cloretos como água do mar, indústria nuclear, de óleo e gás entre outras. Embora o risco de fratura por CST seja baixo em ambientes com baixas concentrações de cloretos, estas soluções em altas temperaturas, comuns a trocadores de calor e condensadores, ou a simples evaporação na atmosfera podem concentrar a solução local e iniciar a CST. Desta forma, fraturas podem ocorrer em ambientes não considerados agressivos com concentração de cloretos em ppm (parte por milhão) ou menos (Jones, 1992).

Os íons cloretos desestabilizam a camada passiva dos aços inoxidáveis. As interações entre os ânions e o metal presente no óxido da película geram lacunas caracterizadas como sendo pites, Figura 3.7. A velocidade de criação de lacunas aumenta com a concentração de cloretos no meio. O MB migra ocupando essas lacunas, eliminando-as. A concentração de lacunas metálicas dependerá das velocidades de criação e de eliminação das mesmas. Se é predominante a velocidade de criação de lacunas, o filme passivo perde coesão e acaba sofrendo rupturas localizadas (Carbó, 2001).

Material Meio

Aços comuns Soluções de: NaOH; NaOH-Na2SiO2; Nitrato de Na e Ca; HCN; solução ácida de H2S; água do mar; ligas Na-Pb Fundida. Aços inox Soluções de NaOH-H2S; Água cloretada de vapores condensados;

(34)

19 Figura 3.7 - Esquema de criação de lacunas na superfície de um aço inoxidável (Carbó, 2001).

A corrosão sob tensão dos aços inoxidáveis em meios contendo cloretos em altas temperaturas vêm sendo amplamente estudadas na literatura, principalmente em austeníticos. As soluções de cloreto de magnésio são consideradas meios corrosivos muito agressivos aos inoxidáveis. Portanto ensaios de CST nestas soluções, indicam se um determinado aço inoxidável é ou não susceptível a CST em meios contendo cloretos, de modo que se um determinado aço inoxidável é resistente à CST na solução de cloreto de magnésio, será provável que este aço não apresente CST em outras soluções contendo cloretos (Sedriks, 1996). A Figura 3.8 relaciona a concentração de Cl- e a temperatura na susceptibilidade à CST dos aços inoxidáveis.

Figura 3.8 - Relação da concentração de Cl- e da temperatura na susceptibilidade à CST dos aços inoxidáveis (Adaptação de Sedriks, 1996).

Te

mper

atur

a (°

C

)

Cl-(%) massa

(35)

20 A solução aquosa de cloreto de magnésio 42% em massa na temperatura de ebulição, aproximadamente 143°C, é muito agressiva aos aços inoxidáveis e é considerada a mais

agressiva solução contendo cloretos para CST em aços inoxidáveis austeníticos (Ghosh Rana, et al., 2011).

Os inoxidáveis ferríticos apresentam alta resistência a CST em soluções de cloreto de magnésio, porém não são imunes a todos os ambientes contendo cloretos. A susceptibilidade a CST de aços inoxidáveis ferríticos e duplex dependem da composição química, estrutura e dos parâmetros do meio corrosivo. Desta forma, elementos de ligas contaminantes como níquel, e a sensitização destas ligas podem causar CST em soluções de cloreto de magnésio (Sedriks, 1996).

3.4.3 Efeitos metalúrgicos

A composição química dos aços austeníticos influencia a ocorrência ou não de CST nestes materiais. Muitos elementos de liga contribuem para resistência ou diminuição de resistência à CST dos inoxidáveis. Elementos de liga como cádmio, zinco, silício, berílio, e cobre são considerados benéficos em meios contendo cloretos (Sedriks, 1996).

A Figura 3.9 ilustra o comportamento do aço quanto à CST em relação ao teor de níquel presente na liga. Avalia-se que para o aço inoxidável ferrítico, o qual a presença de níquel é relativamente pequena, o aumento da concentração de níquel é prejudicial a resistência à CST. Por outro lado, para os aços austeníticos a resistência a CST aumenta com aumento da concentração de níquel.

Para os aços inoxidáveis austeníticos os elementos de liga boro, alumínio e cobalto diminuem a resistência à CST em baixa concentração, porém são benéficos em altas quantidades. O carbono aumenta a resistência à CST em concentrações entre 0,06 e 0,1 % (em massa), assim como o cromo aumenta a resistência em composições entre 12 e 25% (em massa). Entre os elementos de liga que causam diminuição da resistência à CST nos ferríticos, destacam-se o cobre, níquel, mobidênio (na presença de níquel), cobalto (na presença de molibdênio), rutênio e carbono (Sedriks, 1996).

(36)

21 Figura 3.9 - Efeito da concentração de níquel na CST dos aços inoxidáveis contendo 18 a 20 % de cromo em

soluções de cloreto de magnésio a 154°C (Adaptação de Sedriks, 1996).

3.4.4 Corrosão sob tensão nos aços inoxidáveis ferríticos

Os aços inoxidáveis ferríticos, bem como suas novas classes, têm propriedades superiores à resistência a CST em soluções contendo cloreto comparativamente aos austeníticos (Fujiwara, 1985; Nishimura & Maeda, 2004).

Alguns fatores são prejudiciais à resistência à CST dos aços inoxidáveis ferríticos em ambientes contendo cloretos como a presença de certos elementos de liga, o fenômeno de sensitização, o trabalho a frio, ambiente a alta temperatura e precipitados (Sedriks, 1996).

O efeito da solda na CST dos aços inoxidáveis ferríticos vem sendo estudada por vários pesquisadores. Silva (2011) relata que o principal efeito da solda é a criação de tensões residuais de tração, visto que nas proximidades ZF, as tensões podem ser próximas do limite de resistência do material. Estas tensões por si só são responsáveis pela ocorrência de fratura por CST, independente da aplicação de tensões externas.

Além disso, Silva (2011) destaca duas modificações metalúrgicas dos ferríticos, a precipitação de partículas de segunda fase e o crescimento de grão. Os principais precipitados da ZTA são carbonetos M23C6 enquanto que no metal de solda precipitam a ferrita delta e a fase sigma.

Presença de trincas

Ausência de trincas

Tempo de trincamento

T

em

po

p

ar

a

falh

a

(h

)

(37)

22

3.4.5 Técnicas de avaliação da corrosão sob tensão

As técnicas de ensaio de corrosão sob tensão são geralmente utilizadas para o conhecimento do desempenho de um material para uma aplicação específica, ou para comparar o desempenho de vários materiais em determinada condição. As condições de ensaios simulam e comparam diferentes níveis de carregamentos em tempos determinados. O principal objetivo dos ensaios é determinar, para um material susceptível à CST, o grau de susceptibilidade que restringirá sua utilização.

Foram desenvolvidas várias técnicas para avaliação da CST, na qual destaca-se a técnica que consiste na aplicação de carga estática em CPs lisos e com entalhe, a técnica que consiste na aplicação de esforços lentos de tração em CPs lisos e entalhados (Sprowls, 1993). E ainda o

ensaio de deformação total constante (CP em “U”).

Os ensaios de taxa de deformação constante e carga constante são amplamente utilizados nas pesquisas de CST como técnicas básicas para avaliar o comportamento a susceptibilidade à corrosão de materiais em diferentes meios corrosivos. Contudo, a avaliação do valor de tensão limiar de fratura (threshold) usado como parâmetro não é simples. Essa limitação não gera informações importantes sobre o comportamento do material, como por exemplo, o tempo de falha em serviço. O motivo mais importante para essa limitação é a complexidade do mecanismo de CST, que envolve um conjunto de processos mecânicos e eletroquímicos (Bastos, 2005).

Como o presente trabalho se limita ao ensaio de carga estática dos CPs, as demais técnicas não serão apresentadas no trabalho.

3.4.6 Ensaio em corpos de provas sob aplicação de carga constante

O ensaio de CST sob carga constante é utilizado geralmente relacionando-se os diferentes níveis fixos de tensão de tração aplicados e o tempo de fratura do material em um determinado meio (Pinto, 2006). A Figura 3.10 ilustra o resultado típico obtido deste tipo de ensaio.

(38)

23 Figura 3.10 - Curva esquemática para um tempo de falha típico em função da tensão aplicada em CST

(Adaptação de Jones,1992).

Este ensaio possibilita determinar a tensão máxima que um material pode suportar durante o serviço sem que ocorra falha por CST, um intervalo de inspeção que avalia se está ocorrendo propagação de trinca por CST no material, ou ainda avalia a influência metalúrgica e de mudanças de ambiente na CST (Jones, 1992).

Metodologias de Mecânica de Fratura são utilizadas para se avaliar a influência de concentradores de tensão utilizando CPs entalhados e com pré-trincas por fadiga. Desta forma é possível se relacionar a intensidade de tensão na ponta da trinca com o comportamento do material em determinado ambiente.

(39)

24 Figura 3.11 - Curva esquemática da taxa de propagação típica em função do fator de intensidade de tensão

(Adaptação de Jones, 1992).

A fratura não ocorre abaixo de um determinado valor de fator de intensidade de tensão, este valor é conhecido como intensidade de tensão limiar (KICST). Acima do valor de tenacidade à fratura do material (KC), a fratura do material ocorre por ação mecânica e não mais por CST (Pinto, 2006).

A curva da Figura 3.11 é dividida em três regiões, elas são identificadas de acordo com o aumento do fator de intensidade de tensão com estágios de propagação de trinca 1, 2 ou 3. Para baixos níveis de intensidade de tensão, estágio 1, a taxa de propagação da trinca aumenta rapidamente em função do fator de intensidade de tensão. Para o estágio 2, geralmente, a taxa de propagação se aproxima de uma taxa constante. No estágio 3, a taxa de propagação da trinca excede o patamar de velocidade enquanto o nível de intensidade de tensão atinge um nível crítico, até a fratura do material.

A técnica de ensaios de CST com carga constante no eletrodo foi utilizada por vários autores para se investigar o comportamento de juntas soldadas de aços inoxidáveis em relação à CST. Destacam-se entre eles Silva (2011), Pinto (2006) e Vieira et al. (2006).

(40)

25 Pinto (2006) avaliou a susceptibilidade à CST de uma junta soldada de aço inoxidável ferrítico ABNT 444 soldada com metal de adição aço inoxidável austenítico 316L, em solução de cloreto magnésio, e constatou que a junta soldada é susceptível à CST nestas condições.

Vieira et al. (2006) também utilizaram a técnica para avaliação e comparação do comportamento de aços inoxidáveis ferríticos ABNT 439 e 409 soldados com adição de aços inoxidáveis austeníticos ABNT 308 e 309, para tensões de trações próximas a 90% do limite de escoamento do material e observaram susceptibilidade à CST para todas as ligas.

(41)

26

4 MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS

Neste capítulo serão apresentados os materiais e métodos experimentais do trabalho.

4.1 Materiais

Os materiais avaliados no presente trabalho foram chapas de aços inoxidáveis ferríticos ABNT 439 soldadas via processo ao arco elétrico MIG com adição de metal aço inoxidável austenítico ABNT 309. Tanto as chapas de aços como os processos de soldagem foram realizadas na Empresa APERAM South America, Timóteo MG.

Os CPs do tipo tração compacto C(T) foram confeccionados no Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (DEMET) da Escola de Minas UFOP de acordo com a Norma ISO 7539-6 (1989). A Figura 4.1 ilustra as dimensões e a geometria do CP para ensaios de tração constante.

Figura 4.1 - Representação esquemática do CP para ensaios com carga constante no eletrodo. Adaptação de ISO.7539-3 (1989).

As pré-trincas por fadiga nos CPs também foram realizadas no Laboratório de Ensaios Mecânicos do DEMET/UFOP, empregando-se uma máquina servo hidráulica de 10 toneladas, segundo Norma ASTM E1820-01. Os CPs foram confeccionados com entalhes e pré trincas na região do metal de solda (zona fundida) das chapas de aço. O comprimento da pré-trinca por fadiga foi de 3mm, totalizando 19mm de trinca inicial nos CPs. Os valores médios dos parâmetros dos ensaios de pré-trinca por fadiga estão ilustrados na Tabela IV.1.

N = 0,065W = 3,25mm Relações W = 50mm

B = 3mm

ɑ = 19mm

C =1,25W = 62,5mm D = 0,25W =12,5mm

(42)

27 Tabela IV.1 - Valores de Parâmetros médios dos ensaios de pré-trinca por fadiga dos CPs na ZF do aço

inoxidável ferrítico ABNT 439 soldado com adição aço inoxidável austenítico ABNT 309.

4.1.1 Meios corrosivos empregados

O meio corrosivo empregado nos ensaios foi de solução aquosa de cloreto de magnésio (MgCl2) 42% em massa à temperatura de ebulição (aproximadamente 143°C), de acordo com a Norma ASTM G-36. Já os ensaios de polarização foram realizados em soluções aquosas de NaCl 3,5% (em massa) na temperatura ambiente, de acordo com a Norma ASTM G5-94.

Destaca-se que os ensaios de polarização não foram realizados em solução de cloreto de magnésio a 142°C devido à dificuldade de execução do ensaio nestas temperaturas. Entretanto, apesar da concentração de íons Cl- e da temperatura serem menores na solução de NaCl 3,5% comparado a solução de MgCl2 42%, ambos os meios contém íons cloretos. Logo, serão utilizados para se comparar o comportamento eletroquímico nas regiões da solda e na discussão do comportamento em CST da junta soldada.

4.2 Métodos

As soldas foram realizadas utilizando MB aço inoxidável ferrítico ABNT 439 e metal de adição ABNT 309 em arame com 1mm² de área de seção transversal. O processo de soldagem utilizado foi soldagem ao arco elétrico com proteção gasosa MIG (“Metal Inert Gas”), utilizando mistura gasosa de argônio com 2% de oxigênio como gás de proteção. O processo de soldagem MIG foi escolhido por apresentar maior penetração em relação a outros métodos e ser considerado de grande rendimento.

Nº de ciclos 148.416

Comp. final da pré-trinca (mm) 3

Pmax. Final (kgf) 404

Pmax. pré-trinca (kgf) 652

Kmax final (MPa(m)1/2) 35

Kmax pré-trinca (MPa(m)1/2) 49

Tempo médio de ensaio (h) 2

(43)

28

4.2.1 Caracterização do material

Para a realização da caracterização do material foram realizadas análise química via

espectrometria de emissão atômica, análise metalográfica via microscopia óptica e ensaios de

microdureza Vickers. Estes procedimentos foram realizados no DEMET/UFOP.

Os ensaios de microdureza vickers foram realizados ao longo de toda a região da solda com o objetivo de se avaliar as variações de dureza no MB, ZTA e ZF. A carga utilizada foi de 100 gramas e tempo de 10 segundos.

4.2.2 Ensaios de polarização

As curvas de polarização foram obtidas empregando-se um potenciostato/galvonostato (EG & Princeton Applied Research, modelo 273A) com auxílio do software “352 Softcorr III” e uma célula eletroquímica do tipo plana. A célula eletroquímica é composta por eletrodo de trabalho, eletrodo de referência de calomelano saturado e um contra eletrodo de platina. A imagem dos equipamentos e da célula eletroquímica é ilustrada na Figura 4.2 (a, b). A preparação superficial das amostras seguiu a Norma ASTM G1-81.

O potencial de circuito aberto foi encontrado após estabilização de 3600 segundos, pela curva de potencial de eletrodo (E) versus tempo (t). Os ensaios eletroquímicos de polarização potenciodinâmica realizados adotaram taxa de varredura de 0,166mV/s, que variou de 250mV abaixo do potencial de corrosão do material, até o valor de 1600mV, de acordo com a Norma ASTM G5-94. As curvas de polarização foram realizadas na região de MB e na região da solda.

(a) Célula

Eletroquímica

(44)

29 (b)

Figura 4.2 - Imagem dos equipamentos utilizados nos ensaios de polarização potenciodinâmica e cíclica (a), e imagem ampliada da célula eletroquímica.

Foram realizados também ensaios eletroquímicos de polarização cíclica na região de MB do aço ABNT 439. Após determinação do potencial de corrosão, adotou-se taxa de varredura de 1mV/s nestes ensaios.

4.2.3 Ensaios de corrosão sob tensão de carga constante do eletrodo

O ensaio de CST de carga constante do eletrodo investiga valores de intensidade de tensão (KI)

a partir do qual a trinca se propaga por CST, tempo de fratura (tf) e taxa de propagação da trinca. Os ensaios baseiam-se em aplicar uma carga constante no eletrodo que atue como esforço de tração sobre o CP. A Figura 4.3 ilustra o equipamento utilizado nesta técnica para ensaios de CST.

A carga é aplicada no CP via pesos acoplados na extremidade do braço de carregamento do equipamento. Quando ocorre a fratura do CP, o braço de carregamento é travado por um anteparo de segurança. O anteparo de segurança é acoplado a um sistema eletrônico que finaliza o aquecimento da solução e trava um relógio analógico ao fim do ensaio.

A temperatura da solução é mantida no ponto de ebulição com auxílio de um aquecedor elétrico instalado por baixo da célula de corrosão. A temperatura de ebulição da solução de cloreto de magnésio 42% (em massa) é de aproximadamente 143°C. Acoplado à célula de corrosão com o CP está um condensador, refrigerado com água, que impede a fuga de vapor da solução. As tensões utilizadas nestes ensaios variaram desde aproximadamente 95% do limite de escoamento do material até o menor valor que o CP não trincou em 1000 horas. Desta forma,

Contra eletrodo Eletrodo de

referência

(45)

30 foi possível construir a relação de fator de intensidade de tensão aplicado na ponta da trinca em relação ao tempo de fratura, de modo que possibilite a relação entre tensão aplicada e susceptibilidade a CST da solda na solução de cloreto de magnésio. Estes ensaios ocorrem de acordo com a Norma ASTM G-36/2013.

Figura 4.3 - Máquina para realização de ensaio de corrosão sob tensão de carga constante no eletrodo.

O potencial de corrosão do sistema foi medido durante o ensaio na temperatura de ebulição da solução (143°C), utilizando-se um sistema com eletrodo de calomelano saturado, ponte salina e solução de KCl (cloreto de potássio), e um multímetro acoplado a uma haste de tração do corpo de prova, ao eletrodo de calomelano e a solução de MgCl2. A ponte salina liga a solução de MgCl2 e a solução de KCl, a solução de KCl também é ligada pelo eletrodo de calomelano saturado.

Ainda utilizando a técnica de ensaio de carga constante do eletrodo, foi avaliado o comportamento da junta soldada em condições de polarização anódica. A tensão aplicada nestes ensaios foi de 90% limite de escoamento do aço. Para isto, foi utilizado um potenciostato que polarizou o CP aplicando-se potenciais anódicos.

Célula de corrosão

Aquecedor elétrico Condensador

Relógio

Anteparo de segurança

Braço mecânico

Peso Hastes de

(46)

31 Após ensaios de CST, os CPs foram rompidos por tração mecânica, onde se realizou análises macro e microfratográficas empregando-se MEV.

4.2.4 Cálculo do fator de intensidade de tensão (KI) nos ensaios de carga constante

O cálculo do fator de intensidade de tensão (KI) para os CPs é feito por equações oriundas da Mecânica da Fratua, descritas nas Equações 4.1 e 4.2 (Godefroid, 2015).

𝐾𝐼 = 𝑓 (𝑤) 𝑎 𝑃

𝐵√𝑊 (4.1)

Onde:

𝑓 (𝑤) = 𝑓𝑎 (𝛼) =(2 + 𝛼)(00886 + 0,464𝛼 − 13,32𝛼2+ 14,72𝛼3− 5,6𝛼4)

(1 − 𝛼)32 (4.2)

ɑ: tamanho da trinca (m);

KI : fator de intensidade de tensão no vértice da trinca (MPa m1/2); P: carga aplicada (N);

B: espessura do corpo de prova (m);

W: largura do CP em relação ao ponto de aplicação da carga (m);

De acordo com os conceitos da Mecânica de Fratura, para cada valor do parâmetro “ɑ” (tamanho de trinca, considerando o entalhe), calculou-se o valor da função f(ɑ/W) correspondente e, em seguida, o valor de KI empregando-se as expressões anteriormente citadas. Por meio dos dados obtidos, pôde-se então promover o levantamento da curva fator de intensidade de tensão no vértice da trinca versus tempo de fratura.

(47)

32

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Este capítulo apresenta os resultados e a discussão do trabalho. Inicialmente, é apresentada a caracterização do material. Posteriormente, são apresentados os resultados dos ensaios de CST com emprego da técnica de carga constante no eletrodo. Os CPs foram caracterizados macro e microfratograficamente.

5.1 Caracterização do Material

As Tabelas V.1 e V.2 apresentam a composição química da junta soldada do aço ABNT 439 na região de MB e de ZF, respectivamente. Destaca-se na região do MB a concentração de nióbio e titânio característicos dos aços ABNT 439 estabilizados e o baixo teor de carbono, 0,03%, destaca-se também o teor de cromo de 20,1%, valor acima do sugerido na literatura, o que indica um aço com maior resistência à corrosão uniforme e a formação de pites.

Na região da ZF destaca-se o baixo teor de carbono 0,3%, o que indica alta resistência à corrosão intergranular da liga (Barbosa, 2006), e apenas de 6% de níquel, valor abaixo do sugerido pela literatura, 12 a 15% de níquel (Sedriks, 1996; Singh, 1991), que pode ter sido causado pelo processo de difusão deste elemento durante a soldagem. O teor de cromo na ZF (21,9%) é próximo ao indicado na literatura (22-24%) (Singh,1991).

Tabela V.1 - Análise química da região do MB do aço ABNT 439 (% em massa).

Tabela V.2 -Análise química da região da ZF (% em massa).

5.1.1 Análise metalográfica

A Figura 5.1 ilustra a metalografia de uma junta soldada na região da ZTA e da ZF. Na ZF, Figura 5.1 (a) percebe-se a presença de ferrita δ (delta) envolta por austenita, em alguns contornos de grãos. Observa-se na Figura 5.1 (b) o crescimento de grãos na ZTA, próximo a interface da ZF, e na Figura 5.1 (c) destacam-se partículas na ZTA, que provavelmente são

C Cr Ni Mn Si P S Mo Ti Nb

0,03 20,10 0,17 0,18 0,54 0,03 < 0,0005 0,10 0,19 0,24

C Cr Ni Mn Si P S Mo Ti Nb

(48)

33 formadas por precipitados de titânio ou nióbio. Para confirmação destes dados seria necessário empregar microscopia eletrônica de transmissão, ou MEV com auxílio de espectrometria de energia dispersiva (EDS).

(a)

(b)

500µm

ZTA ZF

500µm

ZF

Linha de solidificação

(49)

34 (c)

Figura 5.1 - Microestrutura da junta soldada de aço ABNT 439, na região da ZTA e da ZF, (a) e (b) 50x, e (c) 200x. Ataque químico de ácido oxálico 10% (em massa). ZF = zona fundida; ZTA = zona termicamente afetada.

O crescimento de grão na ZTA da solda foi observada por Pinto (2005) e Lopes (2005) que estudaram a microestrutura do aço inoxidável ferrítico ABNT 444 soldado via MIG com adição de austenítico ABNT 316LSi, e do aço inoxidável ferrítico ABNT 444 soldado pelo processo

“Tungsten Inert Gas” (TIG) com metal de adição de aço austenítico ABNT 317,

respectivamente. Lopes (2005) também observou a precipitação de carbonitretos de titânio e nióbio ao longo da ZTA.

A presença de Carbonitretos de titânio também foi observada na estrutura do aço ABNT 439 por Coelho (2010), que estudou o comportamento de aços inoxidáveis ferríticos ABNT 430, 430Nb, 439, 440 e 440 em solução aquosa de NaCl 3% (em massa). Visualmente estes precipitados apresentaram forma de losango ou triângulo na análise metalográfica via MEV. Modenesi (2001) afirma que a ZTA de aços inoxidáveis ferríticos é caracterizada por intenso crescimento de grãos, pela dissolução e posterior precipitação de carbonetos e nitretos presentes, devido ao aporte térmico na região. Entretanto, o crescimento de grãos pode ser reduzido pela estabilização com titânio e nióbio empregados em aços inoxidáveis.

Lopes (2005) observou ainda a formação de ferrita δ e de austenita, na forma acicular, na ZF. Ressalta-se que quando a ferrita delta se forma de maneira contínua após a solidificação do

100µm

ZF

ZTA

Referências

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