Metalurgia da Soldagem Particularidades Inerentes aos Aços Carbono

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1 Metalurgia da Soldagem Particularidades Inerentes aos Aços Carbono A partir do estudo deste texto você conhecerá as particularidades inerentes a diferentes tipos de aços: aços de médio carbono (para temperaturas elevadas); aços para baixa temperatura; aços de qualidade estrutural; aços carbono de alta resistência; aços de baixa e média liga, aços-liga de Molibdênio e Cromo-Molibdênio, aços Níquel, aços-liga de alta resistência, aços de alta Liga, aços inoxidáveis Austeníticos, aços inoxidáveis Ferríticos e Martensíticos. Os aços carbono são ligas de ferro e carbono, com a quantidade de carbono usualmente inferior a 0,5% e contendo em quantidades pequenas e variáveis manganês, fósforo, enxofre e silício. As propriedades e a soldabilidade destes aços dependem fundamentalmente da percentagem de carbono contida, embora sofram influência dos demais elementos assim como dos ciclos térmicos envolvidos. Classificação dos Aços Carbono Os aços carbono podem ser classificados em cinco tipos gerais, como especificado a seguir. Página 1

2 As propriedades indicadas para cada um desses tipos de aço são valores médios, que podem variar ligeiramente conforme a especificação, forma de apresentação e espessura do material. Aços de baixo carbono - Composição química: C 0,18% Mn 0,90% Si < 0,1% (em alguns aços) - Limite de resistência (σ r ): 32 σ r 38 kgf/mm 2 - Limite de escoamento (σ e ): 15 σ e 22 kgf/mm 2 - Características de fabricação: Aços não acalmados (não desoxidados) ou semi-acalmados - Aplicação: Os aços de baixo carbono são materiais fáceis de serem trabalhados a frio e muito fáceis de serem soldados. Aços de médio carbono (para temperaturas elevadas) - Composição química: 0,18% < C 0,28% Mn 1,00% Si < 0,1% (em alguns aços) - Limite de resistência (σ r ): 42 σ r 49 kgf/mm 2 - Limite de escoamento (σ e ): 23 σ e 27 kgf/mm 2 - Características de fabricação: Aços acalmados ou semi-acalmados, de grão grosso. Página 2

3 - Aplicação: Os aços de médio carbono são fáceis de serem soldados, mas não tão fáceis de serem trabalhados a frio. Esses aços são os materiais usados na grande maioria dos vasos de pressão e tubos de grande diâmetro, sendo preferidos sobre os aços de baixo carbono pelo fato de terem maior resistência mecânica. Aços para baixa temperatura - Composição química: C 0,23% (geralmente) Mn 1,10% - Limite de resistência e escoamento: Semelhantes aos dos aços de médio carbono - Características de fabricação: Aços acalmados ao Si e algumas vezes acalmados ao Al. - Aplicação: Serviços em baixa temperatura. A quantidade de Mn mais elevada é utilizada para compensar o decréscimo de C, mantendo os limites de resistência e escoamento do aço de médio carbono, mas melhorando a tenacidade. Para melhorar o comportamento a baixas temperaturas neste aço é usual a execução de tratamento térmico de normalização (grão fino). Página 3

4 Aços de qualidade estrutural - Composição química: Não há definição quanto à composição química. - Aplicação: Construção de estruturas metálicas em geral. Os aços de qualidade estrutural, às vezes, têm alto carbono sendo por este motivo difíceis de serem soldados. Aços carbono de alta resistência - Composição química: Semelhante à dos aços de baixo carbono, com quantidade de manganês mais alta. - Limite de resistência: Valores bastante elevados de limite de resistência podendo chegar a 65 kgf/mm 2. - Características de fabricação: Os aços carbono de alta resistência são materiais submetidos a tratamentos térmicos de têmpera e revenido, depois da laminação, sendo esta a razão dos elevados valores de limite de resistência. - Aplicação: Como a percentagem de carbono é baixa, a solda é muito fácil de ser executada. Entretanto, é bastante difícil manter as propriedades de alta resistência na região afetada termicamente, o que exige cuidados e tratamentos especiais. Os aços de alta resistência têm sido empregados para vasos de alta pressão ou de grandes dimensões. Página 4

5 Soldagem de Aços Carbono A grande maioria de aços carbono empregados como elementos soldados tem percentagem de carbono inferior a 0,29%. Esses aços podem ser soldados pelos processos usuais de soldagem. Geralmente aços carbono contendo teores de C 0,19% e de Mn 1,0% podem ser soldados satisfatoriamente sem preaquecimento ou pós-aquecimento em espessuras inferiores a 25 mm. Entretanto, em aços carbono com teores de C > 0,20% e de Mn > 1,00%, devem-se especificar procedimentos de soldagem que resultem em baixos teores de hidrogênio dissolvido na solda. Quando a espessura da peça a ser soldada é maior que 25 mm, podem ser necessárias precauções adicionais na soldagem como, por exemplo, preaquecimento, controle da temperatura interpasse e tratamento térmico de alívio de tensões. Tais precauções visam evitar a fissuração que pode ocorrer na zona fundida ou na zona afetada termicamente e a redução das propriedades mecânicas da junta soldada. Quando, além de grandes espessuras, o material possui teores elevados de C e Mn as precauções com a soldagem devem ser mais rigorosas. Deve-se incluir nos procedimentos de soldagem cuidados que resultem em baixos teores de hidrogênio. Nesses casos é desejável a utilização de processos com alta energia de soldagem e/ou preaquecimento. Página 5

6 É sempre necessária a limpeza da junta na etapa anterior a soldagem. O projeto da junta é especialmente importante na soldagem de grandes espessuras, já que afetam de modo relevante a qualidade, as deformações e o custo da soldagem. Particularidades Inerentes aos Aços de Baixa e Média Liga Recebem a denominação geral de aços-liga todos os aços que possuam qualquer quantidade de outros elementos além dos que entram na composição do aço-carbono (Fe, C, Mn, Si, P e S). Esses elementos adicionais são denominados de "elementos de liga ( * )". Exemplos de elementos de liga são: Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, Al, Cu e etc. No tópico Ligas metálicas, relacionado com os Sistemas Cristalinos vimos que os elementos químicos adicionados propositalmente na fabricação dos aços visando melhorias nas propriedades mecânicas são os elementos de liga. Dentre as melhorias está o aumento da resistência mecânica com elevados valores de tenacidade. Classificação dos Aços-Liga Conforme a percentagem total de elementos de liga presentes, distinguem-se três classes de aços-liga. Página 6

7 Aços de baixa liga - até 5% de elementos de liga; Aços de média liga Aços de alta liga - de 5% a 10% de elementos de liga; e - mais de 10% de elementos de liga. Aços de Baixa e Média Liga Estão apresentados a seguir os aços de baixa e média liga mais utilizados nas construções soldadas. Aços-liga Molibdênio e Cromo-Molibdênio Os aços-liga molibdênio e cromo-molibdênio são aços contendo até 1% de Mo e até 9% de Cr como elementos de liga. São todos materiais magnéticos de estrutura ferrítica. Os aços liga mais utilizados são os seguintes: Elementos de liga % Nominal 1/2 Mo 1 1/4 Cr, 1/2 Mo 2 1/4Cr, 1Mo 5Cr, 1/2Mo 7Cr, 1/2Mo 9Cr, 1Mo Página 7

8 Do ponto de vista dos casos de emprego, pode-se subdividir esses materiais em dois grupos: os aços contendo até 2 1/2% de Cr, e os contendo mais de 2 1/2% de Cr. Aços contendo até 2 1/2% de Cr Esses aços foram desenvolvidos especificamente para serviços em altas temperaturas, onde os esforços mecânicos forem elevados e a corrosividade do meio moderada. A principal aplicação desses aços-liga é para tubulações de vapor, cuja temperatura esteja acima do limite de temperatura admitida para o aço carbono. Aços contendo mais de 2 1/2% de Cr Esses aços são específicos para serviços em temperaturas elevadas com esforços mecânicos moderados e alta corrosividade do meio. O principal caso de emprego desses materiais são as tubulações, tubos de permutadores de calor, e equipamentos de pequeno e médio porte em serviços com hidrocarbonetos em temperaturas acima de 250 C. Página 8

9 Aços Níquel Os aços níquel mais usuais são os seguintes: Elementos de liga % Nominal 2 1/2% 3 1/2% 9 % Os aços contendo níquel como elemento de liga são os materiais específicos para serviços em baixas temperaturas. Quanto maior a percentagem de níquel, mais baixo também pode ser a temperatura de utilização do aço. Aços-liga de alta resistência Existe uma grande variedade de aços-liga desenvolvidos especialmente para apresentarem altos valores do limite de resistência, que pode atingir até 100 kgf/mm 2. Os elementos de liga são variáveis, podendo conter Mn, Cr, Mo, V entre outros, em uma quantidade total de até 5%. Esses aços são submetidos a tratamento térmicos de têmpera e revenido. Página 9

10 Soldagem dos Aços Cr-Mo Os aços liga Cr-Mo são soldáveis pelos processos usuais de soldagem. A característica dos aços Cr-Mo de serem temperáveis ao ar requer que os procedimentos de soldagem sejam desenvolvidos com a precaução de evitar a fissuração pelo hidrogênio. No desenvolvimento destes procedimentos, devem ser considerados o controle do preaquecimento, o pós-aquecimento, a composição do metal de adição e os tratamentos térmicos após a soldagem. Recomenda-se que o metal de adição tenha a mesma composição química nominal que o metal de base, exceto no teor de carbono que deve ser menor no metal de adição. Quando aços Cr-Mo de diferentes composições têm que ser soldados, pode-se utilizar a composição que contenha mais elementos de liga, ou metal de adição cuja composição seja igual ou superior à média dos teores de cromo dos metais de base. Por exemplo, na soldagem de um aço com 1 1/4%Cr - 1/2%Mo com um aço contendo 1/2%Cr - 1/2% Mo, pode-se utilizar o metal de adição com 1 1/4%Cr - 1/2%Mo. Nesses casos, costuma-se freqüentemente utilizar metais de adição de aço inoxidável austenítico, principalmente em casos de reparo em que a solda não pode sofrer tratamento térmico após soldagem. O metal de adição de aço inoxidável austenítico tem uma excelente ductilidade e absorve as tensões de contração, além de reduzir a possibilidade de Página 10

11 fissuração pelo hidrogênio, pois retém o hidrogênio, que tem alta solubilidade na austenita. Entretanto, no caso das condições de trabalho cíclico ou em temperaturas que permitam a difusão do hidrogênio para o metal de base, não se recomenda à utilização de metal de adição de aço inoxidável austenítico, pois as diferenças entre os coeficientes de expansão térmica e as composições químicas entre o aço inoxidável austenítico e os aços-liga Cr-Mo são muito elevadas. Particularidades Inerentes aos Aços de Alta Liga Os aços de alta liga que serão estudados são os aços inoxidáveis. Os aços inoxidáveis não se oxidam a atmosfera ambiente normal. Esta propriedade é conseguida pelo fato de contarem no mínimo 12% de cromo. Classificação dos Aços Inoxidáveis Os aços inoxidáveis são classificados em três grupos, de acordo com a estrutura cristalina predominante na liga à temperatura ambiente: Página 11

12 Aços inoxidáveis austeníticos. Aços inoxidáveis ferríticos e Aços inoxidáveis martensíticos. - Contém 16 a 26% de Cr, 6% a 22% de Ni, além de eventualmente outros elementos de liga; - Contém de 12 a 30% de Cr; a maioria não contém Ni, porém alguns deles contêm pequenas percentagens desse metal. Aços inoxidáveis austeníticos Os aços inoxidáveis austeníticos contêm 16 a 26% de Cr, 6% a 22% de Ni, além de eventualmente outros elementos de liga; esse grupo de aços abrange cerca de 20 tipos diferentes, entre os quais, os mais importantes estão mostrados na tabela a seguir: Página 12

13 DESIGNAÇÃO AISI COMPOSIÇÃO NOMINAL (%) 304 C 0,08; Mn 2,0; Si 1,0; 18,0 Cr 20,0; 8,0 Ni 10,5 309 C 0,20; Mn 2,0; Si 1,0; 22,0 Cr 24,0; 12,0 Ni 15,0 310 C 0,08; Mn 2,0; Si 1,0; 24,0 Cr 26,0; 19,0 Ni 22,0 316 C 0,08; Mn 2,0; Si 1,0; 16,0 Cr 20,0; 10,0 Ni 14,0; 2,0 Mo 3,0 321 C 0,08; Mn 2,0; Si 1,0; 17,0 Cr 19,0; 9,0 Ni 12,0; Ti 0,7 347 C 0,08; Mn 2,0; Si 1,0; 17,0 Cr 19,0; 9,0 Ni 13,0; Cb + Ta 1,1 Deve-se observar que, devido à sua estrutura cristalina os aços inoxidáveis austeníticos não são magnéticos. Outra característica importante é que os aços inoxidáveis austeníticos têm grande ductilidade e elevado coeficiente de dilatação térmica, se comparado com os aços de estrutura ferrítica. Página 13

14 Aços Inoxidáveis Ferríticos e Martensíticos Esses aços inoxidáveis têm, dependendo do tipo, de 12 a 30% de Cr; a maioria não contém Ni, porém alguns deles contêm pequenas percentagens desse metal. São todos ligas magnéticas. Abaixo estão mostrados os principais tipos de aços deste grupo. DESIGNAÇÃO AISI COMPOSIÇÃO NOMINAL (%) 405 C 0,08; Mn 1,0; Si 1,0; 11,5 Cr 14,5; Ni 0,6; 0,1 Al 0,3 410 C 0,15; Mn < 1,0; Si <1,0; 11,5 Cr 13,5; Ni 0, S C 0,08; Mn< 1,0; Si < 1,0; 11,5 Cr 13,5; Ni < 0,6 430 C < 0,12; Mn < 1,0; Si <1,0; 16,0 Cr 18,0; Ni < 0, C < 0,20; Mn < 1,5; Si < 1,0; 23,0 Cr 30,0 Os aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos apresentam, em relação aos austeníticos, bem menor resistência à corrosão em geral. Página 14

15 Você estudou neste texto que os aços podem ser constituídos por ligas de ferro e carbono sendo reconhecidos por aços carbono, ou podem apresentar em sua composição elementos adicionais somados ao ferro e carbono sendo reconhecidos como aços-liga. Dentre as suas particularidades, há alguns aços que dificilmente conseguem se oxidar a atmosfera ambiente. Devido a esse fato esses aços são denominados como sendo de alta liga como, por exemplo, os aços inoxidáveis. Teste agora o seu nível de compreensão do texto respondendo às questões de revisão. Caso seja necessário releia o texto e/ou recorra aos tutores para resolver suas dúvidas. Questões de Revisão 1- Os aços carbono são compostos por ligas de ferro e carbono e se classificam em cinco tipos conforme sua especificação, a forma de apresentação e espessura do material. Cite cada um dos cinco tipos de aços carbono, apresentando suas características e aplicabilidades. Página 15

16 2- Exponha os cuidados que devem ser adotados no caso do processo de soldagem de aços carbonos. 3- Exponha as considerações importantes que devem constar no procedimento de soldagem dos aços Cr-Mo. 4- Sabe-se que os Aços Inoxidáveis são considerados como aços de alta liga e se dividem em três grupos de acordo a estrutura cristalina predominante na liga. Descreva como esse aços são classificados e apresente as características que diferenciam cada grupo. Página 16