Influência da Agitação Mecânica no Refino de Grão da Zona Fundida

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Influência da Agitação Mecânica no Refino de Grão da Zona Fundida - TCC STEPHANY FREIRE - 2008

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Influência da Agitação Mecânica no Refino de Grão da Zona Fundida

  1. 1. Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec<br />TCC - Trabalho de Conclusão de Curso<br />Discente: Stephany Ramos Freire<br />Orientador: Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.<br />2008<br />
  2. 2. “INFLUÊNCIA DA AGITAÇÃO MECÂNICA NO REFINO DE GRÃO DA ZONA FUNDIDA”<br />
  3. 3. Introdução<br />O refinamento de grão acarreta em mudanças nas propriedades mecânicas dos aços. <br />Técnicas de refinamento de grão na soldagem são bastante utilizadas com este intuito e a excitação mecânica é uma delas. <br />Trata-se de um processo físico de incrementar a agitação da poça de fusão através de ondas mecânicas que resultará em mudanças no fluxo de calor na soldagem e efeitos na fragmentação dendrítica. <br />Este trabalho visa verificar os efeitos que a vibração mecânica tem sobre o refino da zona fundida do cordão de solda. <br />>>> TCC 2008.1 >>> “INFLUÊNCIA DA AGITAÇÃO MECÂNICA NO REFINO DE GRÃO DA ZONA FUNDIDA” >>> STEPHANY RAMOS FREIRE <<< TCC 2008.1 >>> “INFLUÊNCIA DA AGITAÇÃO MECÂNICA NO REFINO DE GRÃO DA ZONA FUNDIDA” >>> STEPHANY RAMOS FREIRE <<<<br />
  4. 4. Para que o mecanismo de aumento da resistência mecânica dos metais seja entendido deve-se compreender a relação entre o movimento das discordâncias e o comportamento mecânico destes.<br />Refinamento de Grão<br />
  5. 5. O aumento da Resistência mecânica através do refinamento de grão tem a ver com a...<br />Refinamento de Grão<br />MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS<br />>>> “A habilidade de um metal para se deformar plasticamente depende da habilidade das discordâncias para se moverem” (Calister, 2002) <<<<br />
  6. 6. Refinamento de Grão<br />Efeito no Limite de Escoamento<br />Lei de Hall-Petch<br />TAMANHO DE GRÃO<br />RESISTÊNCIA AO ESCOAMENTO<br />Esta Lei baseia-se no princípio de que o contorno de grão atua como barreira ao movimento das discordâncias pelos motivos básicos a seguir:<br />>>> LEI DE HALL-PETCH >>> “A diminuição do tamanho de grão aumenta a resistência ao escoamento do material” <<<<br />
  7. 7. (Naylor e Cochrane, 2002)<br />Efeito no Limite de Escoamento<br /> > Orientações cristalográficas diferentes;<br /> > Desordem atômica ;<br /> > Menor caminho livre ;<br />>>> LEI DE HALL-PETCH >>> “A diminuição do tamanho de grão aumenta a resistência ao escoamento do material” <<<<br />
  8. 8. Efeito na Dureza<br />Existe uma equação matemática que relaciona o limite de resistência a tração com a dureza Brinell, e que pode ser aplicada para a maioria dos aços. <br />>>> DUREZA >>> “A propriedade do material de resistir à deformação permanente ” (ASM, 1993) <<<<br />
  9. 9. (Goldenstein, 2003)<br />Efeito na Dureza<br />Dados obtidos para tamanho de grão e dureza, nas amostras temperadas de um aço AISI 52100<br />>>> DUREZA >>> “A propriedade do material de resistir à deformação permanente ” (ASM, 1993) <<<<br />
  10. 10. Efeito na Tenacidade<br />A tenacidade é definida como a capacidade de um material de absorver energia até a sua fratura (Calister, 2002; ASM, 1993).<br /> Baseando-se na definição de tenacidade e no conceito de que o refinamento de grão aumenta o limite resistência dos aços sem diminuir a sua ductilidade, deduz-se que a tenacidade também será afetada pelo tamanho de grão. <br />>>> “A tenacidade também pode ser definida como a área sob a curva de tensão-deformação do material, ou seja, uma perfeita associação entre limite de resistência e ductilidade ” (SILVA, 1999) <<<<br />
  11. 11. Efeito na Tenacidade<br />Influência do tamanho de grão sobre a temperatura de transição dúctil-frágil de um aço carbono<br />>>> “A tenacidade também pode ser definida como a área sob a curva de tensão-deformação do material, ou seja, uma perfeita associação entre limite de resistência e ductilidade ” (SILVA, 1999) <<<<br />
  12. 12. Refinamento de Grão<br />TAMANHO<br />DE<br />GRÃO<br />L.R.E<br />DUREZA<br />TENACIDADE<br />>>> “Grãos refinados são desejados na maioria das aplicações, salvo algumas exceções como para aplicações em que o material estará sujeito à fluência, onde tamanhos maiores de grão são desejados.” <<<<br />
  13. 13. Técnicas de Refinamento de Grão na Soldagem<br />Na soldagem existem alguns métodos de controle de grão que são utilizados com o intuito de evitar a formação de grãos grosseiros e garantir a continuidade das propriedades do material soldado e até diminuir a probabilidade do surgimento de defeitos como o trincamento a quente, por exemplo. <br />Alguns destes métodos serão citados a seguir. <br />
  14. 14. Técnicas de Refinamento de Grão na Soldagem<br />Inoculação<br />Excitação Eletromagnética<br />Excitação Ultrassônica<br />Oscilação do arco<br />Pulsação do arco<br />Vibração mecânica<br />Nucleação superficial estimulada<br />
  15. 15. Inoculação<br />A inoculação consiste em adicionar elementos que funcionarão como agentes de nucleação (inoculantes) no metal líquido a ser solidificado. <br />(Kou, 2003)<br />Efeito de inoculantes na estrutura dos grãos da liga 2090 Al-Li-Cu soldada (GTAW)<br />(a) 2319 Al-Cu (b) 2319 Al-Cu inoculado com 0.38% Ti.<br />Nucleação heterogênea num aço inoxidável ferrítico causada pela partícula de TiN (Nitrato de Titânio) . <br /> >>> “O resultado da inoculação é formação de grãos equiaxiais com estrutura refinada advindos da nucleação heterogênea, inibindo o crescimento epitaxial ” <<< Kou, 2003<br />
  16. 16. Oscilação do arco elétrico<br />A oscilação do arco elétrico pode ser produzida magneticamente ou mecanicamente através da vibração da tocha. <br />Efeito da amplitude de vibração do arco elétrico, para uma mesma freqüência, no tamanho de grão na soldagem de uma liga Al–2.5Mg<br /> >>> “O refinamento de grão é obtido por nucleação heterogênea através da fragmentação de dendritas” <<< Kou, 2003<br />
  17. 17. Pulsação do arco elétrico<br />Alguns estudos dizem que o refinamento do grão acontece pois o arco pulsado garante a energia necessária para a adequada fusão do metal quando se atinge a corrente de pico e promove uma dissipação do calor quando se atinge a corrente de base. <br />
  18. 18. Nucleação superficial estimulada<br />Esta técnica baseia-se na injeção de um gás inerte resfriado, geralmente Argônio, que é direcionado para a superfície da poça de fusão causando um resfriamento localizado que resulta na nucleação de grãos na superfície. <br /> >>> “Esta pequena nucleação superficial é lançada para dentro da poça de fusão e cresce podendo formar grãos equiaxiais” <<< Kou, 2003<br />
  19. 19. Excitação Eletromagnética<br />A agitação da poça de fusão pode ser induzida aplicando-se um campo eletromagnético alternado, paralelo ao eletrodo de soldagem. <br />(Kou, 2003)<br />Efeitos da agitação eletromagnética da poça na estrutura do grão na soldagem TIG de um aço inoxidável ferrítico AISI Tp 409<br /> >>> “A excitação promovida por este campo, tende a uniformizar a temperatura da poça de fusão estimulando a nucleação heterogênea, em conjunto com agentes inoculantes” <<< <br />
  20. 20. Excitação Ultrassônica<br />Na soldagem, a excitação ultrassônica é geralmente obtida através da excitação do metal de base ou da excitação do arco elétrico. <br />Efeito da agitação ultrassônica da poça na estrutura do grão na soldagem MAG de um aço carbono JIS H08Mn2Si. (a) sem excitação e (b) excitação ultrassônica de 50 kHz de freqüência<br /> >>> “O arco elétrico pode ser utilizado como emissor de ondas ultrassônicas e se mostra um meio bastante efetivo de excitação da poça de fusão, pois atua diretamente sobre ela” <<< Zhang et al, 2000. <<< <br />
  21. 21. Vibração Mecânica<br />Ao aplicar-se vibração durante a soldagem a poça de fusão é afetada. Durante a solidificação, as dendritas podem ser quebradas antes que se atinja um tamanho grosseiro de grão. Além de produzir uma microestrutura mais refinada, o que pode melhorar as propriedades mecânicas, este procedimento também contribui para diversificar as direções de crescimento de grão, homogeneizando a distribuição de impurezas no metal fundido, inibindo a formação de trincas de solidificação.<br />
  22. 22. Para a verificação dos efeitos da vibração mecânica na soldagem utilizou-se 3 chapas de aço carbono SAE 1020 com espessura de 3/4”20X20 cm.<br />Procedimento Experimental<br />
  23. 23. Procedimento Experimental<br />Depositou-se um cordão de solda em cada chapa, mantendo-se os mesmos parâmetros de soldagem, variando-se apenas a freqüência de vibração. <br />
  24. 24. As freqüências de vibração foram medidas diretamente nas chapas, antes de ser realizada a deposição do cordão de solda. Na chapa 1, soldou-se sem vibração, na chapa 2 com vibração de 80 Hz e na chapa 3 com 160 Hz, mantendo-se a mesma amplitude. <br />Procedimento Experimental<br />
  25. 25. Para proporcionar a vibração, foi utilizado o vibrador pneumático Mavi® Luft Max Turbo T-50-2, que produz vibração mecânica quando acionado pneumaticamente. <br />Procedimento Experimental<br />
  26. 26. Procedimento Experimental<br />Após o procedimento de soldagem, as chapas foram removidas e levadas para a preparação de amostras para o ensaio metalográfico. Foram realizados cortes transversais ao cordão de solda e preparadas três amostras, uma de cada chapa.<br />
  27. 27. Procedimento Experimental<br />2 mm<br />2 mm<br />2 mm<br />As amostras foram lixadas com lixas d’água e depois foram atacadas quimicamente com Nital a 2% para se fazer a macrografia. <br />Macrografia das amostras soldadas com aumento de 10x. Freqüências de vibração aplicadas: a) 0 Hz, b) 80 Hz e c) 160 Hz<br />
  28. 28. Procedimento Experimental<br />100 μm<br />100 μm<br />100 μm<br />Após a macrografia, as amostras foram lixadas novamente, polidas com pasta de diamante e atacadas quimicamente com Nital a 2% para a realização da micrografia.<br />Micrografia da Zona Fundida (ZF) das amostras soldadas. Freqüências de vibração aplicadas: a) 0 Hz, b) 80 Hz e c) 160 Hz <br />
  29. 29. Resultados e Discussões<br /> A análise macrográfica demonstra claramente que o perfil térmico da solda é alterado com a aplicação de vibração mecânica. A penetração do cordão de solda é visivelmente maior na amostra que sofreu vibração de 160 Hz, em relação às outras amostras.<br /> Pode-se atribuir este fato à maior agitação da poça de fusão que proporciona uma maior homogeneização do calor e uma alteração na convecção do metal líquido.<br />
  30. 30. Onde:<br />η = 0,9<br />I = 200 A<br />U = 30 V<br />V = 4,1 mm/s<br />Heat Input = 1317,07 J/mm<br />Resultados e Discussões<br />
  31. 31. Resultados e Discussões<br /> A micrografia também revela que a microestrutura da Zona Fundida (ZF) do cordão de solda também foi alterada. <br />Percebe-se que houve um refinamento de grão nas amostras que sofreram agitação por vibração mecânica além de uma maior heterogeneidade na direção de crescimento dos grãos.<br />
  32. 32. Conclusões<br /> Com base nos resultados obtidos conclui-se que, de fato, a excitação mecânica tem efeitos sobre a solda, alterando principalmente o perfil de distribuição de calor na peça, além do efeito de fragmentação dendrítica, o que proporciona mudanças na penetração do cordão de solda e na microestrutura da Zona Fundida (ZF). <br />Nos dois casos em que se utilizou a vibração, 80 Hz e 160 Hz, houve um refino na microestrutura do cordão de solda, além do aumento na penetração, sem incutir nenhuma descontinuidade, em função da excitação, na mesma.<br />
  33. 33. Sugestões de Pesquisa<br /><ul><li>Verificar a alteração no tamanho de grão para vários valores de freqüência de vibração, visando construir uma possível relação matemática entre estas grandezas.
  34. 34. Verificar o efeito da vibração, na freqüência de ressonância do sistema, na microestrutura da solda.
  35. 35. Verificar o efeito da excitação mecânica na transformação de fases que ocorrem no processo de soldagem.
  36. 36. Verificar, para diferentes materiais, os valores de freqüência de vibração mais significativos para alteração microestrutural da solda.
  37. 37. Verificar o efeito desta técnica na prevenção de trincas de solidificação nos aços inoxidáveis austeníticos.
  38. 38. Desenvolver um dispositivo que permita que esta técnica de refinamento de grão seja usada com mais facilidade na área industrial.</li></li></ul><li>Referências<br /><ul><li>ASM – AMERICAN SOCIETY FOR METALS. Metals Handbook. Vol 6. Welding, Brazing, and Soldering. Metals Park, Ohio, 2003.
  39. 39. AZEVEDO, Cesar R. F. Breve História da Metalografia. São Paulo, 2007.
  40. 40. BALASUBRAMANIAN, V.; RAVISANKAR, V.; REDDY, G. M. Effect of pulsed current welding on fatigue behaviour of high strength aluminium alloy joints. Tamil Nadu, 2006.
  41. 41. CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5ª Edição, Editora LTC, Rio de Janeiro, 2002.
  42. 42. COCHRANE, R.; NAYLOR, D. Grain Size Strengthening. , 2002.
  43. 43. GREG, J.M.; BHADESHIA, H.K.D.H.; SVENSSON, L.E. Inoculation of steel welds with non-metallic particles. Cambridge, 1997.
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  48. 48. QINGHUA, L.; CHEN, L.; CHUNZHEN, N. Effect of vibratory weld conditioning on welded valve properties. Shanghai, 2006.
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  51. 51. SUNDARESAN, S.; RAM, G.D.J.; REDDY, G.M. Microstructural refinement of weld fusion zones in a–b titanium alloys using pulsed current welding. Hyderabad, 1998.
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  53. 53. VAN VLACK, L.H. Princípios de Ciências dos Materiais. 5ª edição, Editora Campus, São Paulo, 1984.
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  55. 55. WU, Weite. Influence of Vibration Frequency on Solidification of Weldments. Taiwan, 1999.
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