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AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAIS DE JUNTAS SOLDADAS COM GÁS ACETILENO EM CHAPAS DE AÇO 1020
J. A. da Silva Neto1, A. D. Silvestre1,D. D. S. da Silva2; H. S. Ferreira2; I. B. C. Dias2.
Av. 1º de Maio, 720, Jaguaribe, João Pessoa, PB, Brasil - CEP: 58015-430 /
joaotoin@gmail.com
1Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba2Universidade Federal da Paraíba
RESUMO
Dentre os processos de fabricação utilizados, a soldagem tem destaque na industria. Porém, durante o processo de soldagem, as altas temperaturas atingidas alteram as características estruturais do material, consequentemente alterando as suas propriedades mecânicas. Com o ensaio de tração foi observado o declínio das propriedades mecânicas das chapas de aço 1020 soldadas com gás oxiacetileno. Durante o ensaio, os corpos de prova apresentaram fraturas na zona termicamente afetada. As juntas soldadas demonstraram, em média, 8,4% menos resistência a tração do que um corpo de prova não soldado, um declínio de 28,6 MPa comparando-se com um corpo de prova não soldado. O alargamento dos grãos na zona termicamente afetada, conforme visto nas micrografias, tornou o material mais frágil, devido a presença de cementita nos contornos dos grãos. A avaliação das juntas soldadas gerou dados relevantes sobre o processo de soldagem, seus efeitos no aço e seu uso no dimensionamento de projetos.
Palavras-chave: aço 1020, soldagem, oxiacetileno, tração, metalografia.
INTRODUÇÃO
A soldagem é o mais utilizado processo de união de metais utilizado na
indústria. Ela é aplicada desde estruturas simples como uma grade, até estruturas
complexas e pesadas como uma aeronave. A junta soldada deve apresentar um
grau de confiabilidade correspondente à aplicação, para isso devem-se conhecer as
suas propriedades mecânicas, evitando exceder os seus limites(1).
Atualmente existem inúmeros processos de soldagem, na qual podemos
dividi-los em processos de soldagem por fusão e por deformação. Entre os
processos de soldagem por deformação podemos destacar a soldagem por fricção e
por difusão. Já entre os processos de soldagem por fusão, os mais comuns,
podemos destacar a soldagem com eletrodo revestido, soldagem a plasma,
soldagem a laser e a soldagem oxi-gás.
Ao unir dois metais por meio de soldagem, modificamos a sua estrutura física
e química, consequentemente alterando as suas propriedades. No dimensionamento
de projetos o conhecimento das propriedades do material utilizado é fundamental.
Sabendo-se as especificações do material será dada a ele uma aplicação coerente.
O processo de solda a gás, utilizando o gás acetileno, foi escolhido para o
experimento por ser muito utilizado na união de chapas de pequena espessura e por
oferecer um controle preciso da chama.
Avaliar as propriedades de um metal é muito importante, pois é essencial que
ele satisfaça as condições exigidas quando for aplicado. Desta forma, o profissional
competente estará atento a estas informações no dimensionamento de seus
projetos. O presente trabalho estuda a avaliação da microestrutura de chapas finas
de aço 1020 após passar pelo processo de soldagem por fusão oxi-gás.
MATERIAIS E MÉTODOSMaterial
O material de estudo consiste de chapas finas de aproximadamente 1,40 mm
de espessura de aço-carbono SAE 1020.
Corpos de prova soldados com gás acetileno
O tipo de chama utilizada no experimento foi a neutra, assim obtendo uma
taxa de penetração mediana, evitando oxidar o metal e diminuindo contaminação da
microestrutura com óxidos. O material de adição utilizado foi o arame para solda
Gerdau OXI: R45.
Foram soldadas 30 chapas de dimensões 100 milímetro de comprimento por
80 milímetros de largura. Dessas chapas foram retirados as 10 amostras para
análise metalográfica. As chapas foram unidas soldadas apenas de um lado.
Para melhor analisar os efeitos da soldagem no metal, foram utilizadas cinco
posições durante o processo de soldagem: plana, sobreposta, horizontal,
ascendente e descendente.
Confecção dos corpos de prova para ensaios mecânicos
Os corpos de prova submetidos ao ensaio tração foram confeccionados nas
seguintes dimensões: 80 milímetros para o comprimento e 20 milímetros para a
largura. Eles foram preparados a partir das chapas soldadas, cortados por uma
guilhotina.
Em todos os corpos de prova foram usinadas seções na altura do cordão de
solda para concentrar as tensões provenientes do ensaio. Concentrar a tensão
nesse ponto pode determinar o quanto à solda resistirá, e se resistir, em qual outro
ponto do corpo de prova vai ocorrer a ruptura. Além do cordão de solda o ponto mais
propício a ruptura é a zona termicamente afetada.
Ensaio de tração
Os ensaios foram realizados em uma máquina de ensaios universal servo-
elétrica, modelo AG-X com capacidade de 10kN, fabricada pela Shimadzu. O
80 mm
7mm
mm
Cordão de solda
Figura 1: Dimensões de corpo de prova para tração.
software utilizado no controle da operação e no recolhimento de dados foi o
Trapezium X.
Os ensaios foram executados numa velocidade de 0,5 mm/min. A partir de
cada ensaio foram determinadas as seguintes grandezas: Força máxima e de
ruptura, tensão máxima e de ruptura, elongamento máximo e de ruptura e a
deformação máxima e de ruptura.
Caracterização microestrutural das juntas soldadas
Após a soldagem das chapas algumas foram selecionadas e tiveram partes
retiradas para análise metalográfica. Pequenas amostras foram retiradas das seções
soldadas e encaminhadas para serem embutidas em uma resina. A resina utilizada
foi o baquelite. O embutimento baseia-se no envolvimento da amostra por uma
resina, na qual a superfície a ser analisada é preservada. O embutimento facilitou o
manuseio e lixamento da amostra.
As amostras passaram pelo embutimento a quente utilizando baquelite Fortel
e uma máquina de embutir (Tempo Press, Panambra/Struess). Após o embutimento
as amostras foram lixadas.
Para o processo de lixamento foram utilizadas lixas de número 80, 100, 220,
320, 600, 800, 1000 e 1200. O uso de várias lixas com tamanho de grãos
decrescente torna a superfície mais plana e melhor de ser polida. Como último
processo de aplainamento das amostras, foi utilizado a politriz (DP 9ª,
Panambra/Struess) e Alumina Fortel de 1μm.
Com a superfície pronta, as amostras foram atacadas com o reagente
químico Nital 1%. Após o ataque as amostras foram analisadas no microscópio
modelo Axiotech, fabricado pela Carl Zeiss.
RESULTADOS E DISCUSSÃOCaracterização do aço 1020
Para obter fotografias da microestrutura da junta soldada, foram realizadas
análises microscópicas em laboratório, após a preparação de amostras para tal fim.
Em sua análise foram observadas as zonas afetadas pelo calor, como a zona de
fusão, zona de superaquecimento e a zona de normalização.
O ensaio metalográfico consiste em preparar o corpo de prova para ser
analisado microscopicamente ou macroscopicamente. Nesta análise o objetivo é
relacionar a estrutura do material com suas propriedades mecânicas, seu processo
de fabricação e com o desempenho de suas funções(3).
Baseado nos conhecimentos teóricos e práticos sobre soldagem
oxiacetilênica é normal prever que este processo crie zonas afetadas pelo calor. As
análises metalográficas feitas nas juntas soldadas tiveram por objetivo principal
observar estas zonas afetadas pelo calor.
Na micrografia A da Fig. 2 pode-se observar duas zonas distintas. A zona de
superaquecimento, indicada pelo ponto (1), caracterizada pela presença de grãos
grandes. Já na região indicada pelo ponto (2), conhecida como zona de
normalização, nota-se que como não foi tão afetada pela alta temperatura, pois seus
grãos não apresentam um grande aumento. O tamanho dos grãos é evidenciado
pela concentração de cementita nos contornos. Na micrografia B é evidenciado a
concentração de cementita nos contornos de grãos, que teve sua precipitação
favorecida pela presença de oxigênio no metal(3).
AA
Ensaio de tração na juntas soldadas
As propriedades mecânicas da junta soldada foram analisadas para avaliar os
efeitos gerados pelo processo de soldagem oxiacetilênica, assim como a análise da
microestrutura. O principal parâmetro observado foi a resistência a tração. Baseados
nesse parâmetro foram comparados os valores obtidos dos corpos de prova não
Figura 2: Micrografia da junta soldada. (A) Em aumento de 100x, 1: Zona de superaquecimento; 2: Zona de normalização. (B) Concentração de perlita em
aumento de 200x
A B
soldados e os valores obtidos dos corpos de prova soldados nas diversas posições
de soldagem. Os resultados numéricos obtidos do ensaio de tração foram
comparados com os valores já padronizados do aço 1020 laminado a frio, que é 420
MPa(4).
Tabela 1: Valores do ensaio de tração
Posição de soldagem
Valor médio de tensão
máxima (MPa)
Desvio padrão
Erro positivo (MPa)
Erro negativo (MPa)
Sobreposta 381,67 63,03 44,70 318,64
Plana 366,00 21,92 387,92 344,08
Horizontal 349,92 06,05 355,97 343,87
Ascendente 334,41 14,83 349,24 319,58
Descendente 129,11 01,16 130,27 127,95
Corpo de prova não soldado
340,80 17,20 358,00 323,60
Como pode ser visto na Tab. 1 há valores distintos variando com as diferentes
posições de solda utilizadas no experimento. O cálculo do desvio foi feito para
ilustrar as variações decorrentes do ensaio em virtude das mudanças no processo
de soldagem.
Um dado intrigante no gráfico é o valor de tensão máxima suportada do corpo
de prova não soldado. Apesar de ter sido fabricado da mesma chapa que foi
soldada, ele apresenta este valor inesperado devido a maneira que foi
confeccionado diferente dos outros. Dentre os corpos de prova, aqueles que foram
soldados na posição sobreposta destacaram-se na tensão máxima suportada, pois
foram os únicos que sofreram carga de cisalhamento. Em consequência deste fato
as rupturas que ocorreram durante o ensaio localizaram-se na zona termicamente
afetada, por ser uma zona frágil com grãos largos. Quanto aos outros corpos de
prova, soldados nas outras posições, romperam na junta soldada no ensaio de
tração. Alguns corpos de prova não apresentam a ruptura visivelmente. Nestes
casos o corpo de prova se mantém unido por pequenas partes que não romperam.
CONCLUSÕES
O estudo demonstra que soldas mais uniformes e com maior taxa de
penetração apresentam resultados mais eficientes e confiáveis, revelando que a
qualidade da solda e a habilidade do soldador influenciam nas suas características
estruturais.
É evidente que as propriedades mecânicas foram alteradas pelo processo,
pois os valores de tensão máxima declinaram consideravelmente em relação ao aço
laminadas a frio com valores variando de 39 a 291 MPa para as diferentes posições
de soldagem. As comparações evidenciam esta queda devido à junta soldada e a
zona termicamente afetada gerada pelo processo.
A análise microestrutural comprovou que houve queda na resistência do
material na zona termicamente afetada devido ao aumento dos grãos consequentes
do aquecimento. Além disso, a presença de oxigênio, derivado da mistura dos gases
no processo, foi fator influente na precipitação da cementita nos contornos dos
grãos. A presença da cementita tornou a estrutura mais frágil, devido à maior
concentração de carbono em relação à distribuição da perlita, fato este que durante
os ensaios de tração houve rupturas nas ZTAs.
Foram evidenciados grãos de ferrita contornados por cementita e ferrita por
meio da estrutura. Também foram observadas as zonas afetadas pelo calor como a
zona de fusão e a zona de superaquecimento, evidenciadas, principalmente, pelo
tamanho dos grãos.
Conclui-se que este processo de soldagem é indicado a estruturas de baixo
grau de confiabilidade e que não sofrerão grandes solicitações mecânicas. Apesar
de suas limitações, seu uso não é desencorajado em virtude do baixo custo de
produção e da fácil operacionalidade, embora se deva considerar o tipo de
solicitação para determinar o nível de eficiência e consequentemente à qualidade da
solda.
REFERÊNCIAS
[1] SIQUEIRA, Milton L. Seleção dos Processos de Soldagem. Disponível em:
<http://vsites.unb.br/ft/enm/vortex/ftp/TecMec2/Selecao.pdf> Acesso em: 04. Nov.
2010.
[2] ROHDE, Regis A. Metalografia Preparação de amostras. Disponível em:
<http://www.urisan.tche.br/~lemm/metalografia.pdf> Acesso em: 05. Jun. 2010. p. 6.
[3] COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 3
ed. São Paulo: Edgar Blücher, 1974. p. 195.
[4] ASM INTERNATIONAL. Metals Handbook Desk Edition. 2 ed. American
Society for Metals, 1998. CD-ROM.
EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURAL OF WELDED JOINTS WIHT ACETYLENE GAS IN 1020 STEEL PLATES
ABSTRACT
Among the manufacturing processes used, the welding is highlighted in industry. However, during the welding process, the high temperatures reached alter the structural characteristics of the material, consequently altering its mechanical properties. With the traction test was observed the decline of the mechanical properties of 1020 steel plates welded with oxyacetylene gas. During the test, the specimens showed fractures in the heat affected zone. The welded joints showed, on average, 8.4% less tensile strength than a specimen not a soldier, a decline of 28.6 MPa compared with a specimen not a soldier. The enlargement of the grains in the heat affected zone, as seen in the micrographs, the material became more fragile due to the presence of cementite in the grain boundaries. The evaluation of the welded joints produced relevant data on the welding process, its effect on steel and its use in the design of projects.
Keywords: 1020 steel, welding, oxyacetylene, traction, metallography.
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