difusão do Hidrogênio em Aços 1020 e 1045 soldados por eletrodo revestido celulósico   , Notas de estudo de Engenharia Mecânica

difusão do Hidrogênio em Aços 1020 e 1045 soldados por eletrodo revestido celulósico , Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Mostrar a difusão do hidrogênio proveniente de uma peça de aço (ABNT 1020 e 1045) soldada por um eletrodo revestido celulósico. Discutir e analisar os resultados.
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soldagem_lab_difusao_H

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISCIPLINA: Fundição e Soldagem

PROFESSOR: Américo Scotti

Estudo da difusão do Hidrogênio em Aços 1020 e 1045

soldados por eletrodo revestido celulósico

Nomes:

Bruno Alexandre Roque

Guilherme Augusto de Oliveira

Guilherme Azevedo Oliveira

Polliana Cândida Oliveira Martins

Uberlândia, 24 de Junho de 2010

2

Índice

1. Objetivos 3

2. Análise Teórica 3

3. Procedimento Experimental 5

4. Materiais Utilizados 5

5. Análise dos Resultados 5

6. Conclusões 6

Bibliografia 7

3

1. Objetivos

Mostrar a difusão do hidrogênio proveniente de uma peça de aço (ABNT 1020 e

1045) soldada por um eletrodo revestido celulósico. Discutir e analisar os

resultados.

2. Análise Teórica

A trinca por hidrogênio é um dos maiores problemas na soldagem de

componentes e peças estruturais, pois acabam colaborando com a iniciação de

fratura frágil ou por fadiga, principalmente para processos que utilizam baixas

energias de soldagem. A formação da fissura ocorre à temperatura ambiente,

levando até 48 horas após a operação de soldagem para ter a sua formação

completa. As trincas podem ser longitudinais, transversais, superficiais ou sub-

superficiais, se originando, freqüentemente, a partir de concentradores de tensão,

como a margem ou a raiz da solda. Ocorre principalmente na Zona Termicamente

Afetada, na região de crescimento de grão, mas pode também ocorrer na zona

fundida. A figura a seguir mostra o aspecto típico de uma trinca pelo hidrogênio:

Figura 2.1 - Trincas de hidrogênio: aspecto macrográfico(esquerda), aspecto

micrográfico obtido por microscopia ótica (direita). Ataque: Nital. Aumento 100X http://www.demet.ufmg.br/labs/soldagem/textos/metsol03.pdf

• Para que ocorra uma trinca de hidrogênio, devem ocorrer 3 fatores, de

forma simultânea:

• Presença de H na região na solda;

• Formação de microestrutura de elevada dureza (martensítica, por exemplo);

• Solicitação de tensões residuais e externas;

• Temperaturas abaixo de 200ºC.

4

Para minimizar a chance de fissuração, deve-se atuar nos fatores acima, por

exemplo, através da seleção de um material menos sensível, da redução no nível

de tensões, da seleção do processo de soldagem e do controle da velocidade de

resfriamento. Durante a soldagem, o hidrogênio proveniente de moléculas de

material orgânico e umidade que são dissociadas no arco é absorvido pela poça de

fusão, ficando em solução na solda após a solidificação. O hidrogênio difunde-se

rapidamente no aço, atingindo regiões da zona fundida e, principalmente, da zona

termicamente afetada, cuja microestrutura é fortemente fragilizada pela sua

presença. Com a ocorrência de tensões de tração, podem ser formadas as

fissurações a frio.

Microestruturas de elevada dureza, particularmente a martensita, são, em

geral, mais sensíveis à fissuração pelo hidrogênio. Neste contexto, equações de

carbono-equivalente, que representam o efeito dos diversos elementos de liga, na

temperabilidade, em termos de seu teor equivalente de carbono, servem para

avaliar a sensibilidade do metal base à fissuração pelo hidrogênio. Uma fórmula de

carbono-equivalente muito usada é a seguinte:

(2.1)

Um critério simples, baseado nesta fórmula, considera que, se CE < 0,4, o aço é

insensível à fissuração e, se CE > 0,6, o material é fortemente sensível, exigindo

técnicas especiais de soldagem, por exemplo, o uso de processos de baixo nível de

hidrogênio e de pré-aquecimento.

Figura 2.2 – Soldabilidade x Teor de Carbono dos aços (ASM Handbook, Vol. 6).

5

3. Procedimento Experimental

Soldam-se as peças de aço ABNT 1020 e 1045 com um eletrodo revestido

celulósico. Deve-se esperar pelo menos 48 horas para que haja a formação

completa das trincas de hidrogênio. Vale lembrar que, caso a peça fosse solicitada

por um esforço de tração após a soldagem, haveria uma maior fissuração da

mesma.

4. Materiais Utilizados

• Eletrodo com revestimento celulósico;

• Fonte de soldagem;

• Peças de aço ABNT 1020 e 1045.

5. Análise dos Resultados

Após a solda das peças de aço ABNT 1020 e 1045, passadas 48 horas

notaram-se pequenas trincas ao longo do cordão de solda. As trincas poderiam

ser mais visíveis caso a peça fosse mantida a um esforço de tração, pois desta

forma, haveria a abertura e propagação das trincas. Como se evidencia na

figura 2.1, o aço ABNT 1045, por ter maior teor de carbono que o aço 1020, é

mais sensível às trincas de hidrogênio. Abaixo, consta uma imagem da peça de

aço 1045, soldada com o eletrodo revestido celulósico, no LAPROSOLDA:

Figura 5.1 – Trincas de H no cordão de solda do aço 1045

6

As trincas de H, apesar de muitas vezes serem de difícil visualização a olho

nu, mostram-se evidentes em algumas partes do cordão de solda, como tentou

mostrar a figura acima. Para evidenciar tais fissurações, seria necessário o

auxílio de um microscópio.

6. Conclusões

Com o experimento, pôde-se constatar a teoria apresentada no item 2. Para se

evitar as trincas de hidrogênio, podem-se tomar as seguintes medidas:

• O nível de tensões residuais na solda pode ser minimizado, por medidas

que podem ser tomadas no projeto. Cita-se, por exemplo, a seleção

adequada da disposição das soldas e da seqüência de montagem do

componente ou estrutura. Na execução, a adoção de seqüências

especiais de deposição e cuidados para se evitar a presença de

mordeduras, reforço excessivo e falta de penetração na raiz também

ajudam a minimizar o nível de tensões localizadas na solda e, desta

forma, a chance de fissuração.

• A escolha do processo de soldagem leva em conta as características

práticas e econômicas. Exigências de propriedades mecânicas,

particularmente tenacidade, podem forçar a utilização de um dado

processo em lugar de outro. De uma maneira geral, processos que usam

elevada energia de soldagem, como as soldagens a arco submerso e por

eletroescória apresentam menor risco de fissuração pelo hidrogênio. Na

soldagem com eletrodo revestido de juntas de pequena espessura de aço

baixo carbono, eletrodos celulósicos e rutílicos são comumente usados.

Vale ressaltar que neste trabalho foi utilizado um eletrodo celulósico na

soldagem com o intuito de se evidenciar as trincas por hidrogênio.

• Por outro lado, para aços ligados e aços de alta resistência mecânica,

eletrodos básicos são mais utilizados, pois estes podem garantir menor

quantidade de hidrogênio na soldagem. Estes, contudo, são altamente

higroscópicos e exigem cuidados especiais para a sua armazenagem e

uso para evitar que absorvam umidade.

• Em geral, cuidados devem ser tomados para evitar a contaminação de

consumíveis ou do metal base com umidade, óleos ou graxa, pois estas

substâncias podem fornecer hidrogênio à solda.

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• Finalmente, a fissuração por hidrogênio pode ser controlada pelo pré-

aquecimento da peça a ser soldada. Esta medida reduz a velocidade de

resfriamento, possibilitando a formação de uma estrutura menos dura na

ZTA e propiciando um maior tempo para que o hidrogênio escape da

peça antes que se atinjam as temperaturas de fragilização por este

elemento. O pré-aquecimento pode ser uniforme em toda a peça ou,

mais comumente, ser localizado, na região da junta. Neste caso, deve-se

garantir que uma faixa suficientemente larga do material seja aquecida

até uma temperatura adequada (por exemplo, 75 mm de cada lado da

junta).

• Em casos particularmente sensíveis à fissuração, a junta ou toda a peça

pode ser mantida aquecida após a soldagem (pós-aquecimento). Este

procedimento permite que o hidrogênio escape da região da solda,

reduzindo, assim, a chance de formação de trincas. Para ser efetivo,

temperaturas superiores a 200ºC e tempos relativamente longos

(superiores a 2 horas) devem ser usados e o resfriamento final, até a

temperatura ambiente, deve ser lento.

Bibliografia

[1] - http://www.demet.ufmg.br/labs/soldagem/textos/metsol03.pdf

[2] - www.infosolda.com.br/download/50dpp.pdf

[3] - ASM Handbook, Vol. 6

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