Tenacidade da ZTA em aços HSLA com nióbio
Um único ciclo térmico de soldagem com pico a 1400 °C engrossa os grãos de austenita prévia na zona termicamente afetada, e a microestrutura resultante é geralmente a parte mais frágil de uma junta soldada. Este estudo submete onze aços experimentais C-Mn a um desses ciclos, três teores de carbono cruzados com três teores de nióbio mais duas variantes de manganês com teor fixo de nióbio, e relaciona os resultados de Charpy com duas características medidas da microestrutura, a fração de área de ferrita de contorno de grão e a fração de área do constituinte martensita-austenita. A linha divisória relatada pelo trabalho é uma fração de ferrita de contorno de grão de cerca de 6%. Acima desse valor a fratura frágil inicia na ferrita de contorno, abaixo dele a fratura inicia nas interseções dos pacotes bainíticos.
Onze aços experimentais em um ciclo de soldagem
A composição base é um aço C-Mn simples. Três grupos compartilham 1,5% de manganês e contêm 0,05, 0,10 e 0,15% de carbono, e dentro de cada grupo três aços contêm 0, 0,015 e 0,03% de nióbio. Isso resulta em equivalentes de carbono de 0,30, 0,35 e 0,40. Dois outros aços mantêm o nióbio em 0,015% e variam o manganês, um para 2,1% e outro para 0,9%, o que separa o efeito do manganês do efeito do nióbio. O equivalente de carbono é calculado como C mais Si dividido por 24 mais Mn dividido por 6 mais Ni dividido por 40 mais Cr dividido por 4 mais V dividido por 14, em porcentagem de massa.
| Aço | C | Si | Mn | P | S | Al | Nb | N | Ceq |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| KT1 | 0.05 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.03 | 0 | 0.003 | 0.3 |
| KT2 | 0.05 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.03 | 0.015 | 0.003 | 0.3 |
| KT3 | 0.05 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.03 | 0.003 | 0.3 |
| KT4 | 0.1 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0 | 0.003 | 0.35 |
| KT5 | 0.1 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.015 | 0.003 | 0.35 |
| KT6 | 0.1 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.03 | 0.003 | 0.35 |
| KT7 | 0.15 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.03 | 0 | 0.003 | 0.4 |
| KT8 | 0.15 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.015 | 0.003 | 0.4 |
| KT9 | 0.15 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.03 | 0.003 | 0.4 |
| KT10 | 0.05 | 0.2 | 2.1 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.015 | 0.003 | 0.4 |
| KT11 | 0.15 | 0.2 | 0.9 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.015 | 0.003 | 0.3 |
Fonte, Tabela 1 do capítulo de origem (página 99 do PDF). Composição química dos onze aços em porcentagem de massa, com o equivalente de carbono calculado pela fórmula impressa no capítulo. O restante de cada corrida é ferro.
O ciclo foi escolhido para produzir o pior caso em vez de um caso médio, uma única passagem com temperatura de pico de 1400 °C representando uma ZTA de grão grosso com alto aporte térmico. O aquecimento ocorre a 50 °C por segundo até o pico, a manutenção dura 10 segundos, o resfriamento é de 20 K por segundo entre 1400 e 800 °C e depois 2 K por segundo abaixo de 800 °C. Os corpos de prova Charpy são de 10 por 10 por 55 mm com o entalhe posicionado na microestrutura uniforme no centro do corpo de prova, e foram rompidos a 0, menos 20 e menos 40 °C para construir as curvas de transição. A metalografia usou nital a 2% e ataque Le Pera, a macro dureza foi medida com carga de 10 kg e a micro dureza com carga de 10 g, e a força motriz para a precipitação de carboneto de nióbio foi calculada com Thermo-Calc.
Três microestruturas que o ciclo pode deixar
Todo corpo de prova simulado é de grão grosso, com ferrita de contorno de grão nos contornos de austenita prévia e ferrita acicular dentro dos grãos na condição de baixo nióbio. A adição de nióbio reduz a camada de ferrita alotriomórfica e substitui a ferrita de Widmanstatten por ferrita acicular intragranular, e com 0,03% de nióbio a própria ferrita acicular é substituída por uma estrutura de ripas. Aumentar o carbono com teor fixo de nióbio faz o mesmo, portanto as duas adições atuam na mesma direção sobre os produtos de transformação.
O capítulo agrupa os onze resultados em três categorias. A categoria I é o aço base com grandes áreas de ferrita de contorno de grão, ferrita de Widmanstatten e pequenas áreas de perlita. A categoria II é uma fina camada de ferrita de contorno de grão mais ferrita acicular intragranular, e abrange os aços de médio e alto carbono sem nióbio juntamente com o aço de baixo carbono com nióbio médio. A categoria III é uma estrutura bainítica de ripas com uma camada de contorno muito fina e descontínua, e abrange os equivalentes de carbono médio e alto com nióbio mais o aço de baixo carbono com alto nióbio. O ponto que importa para o restante da página é que na categoria III não todo contorno de grão é coberto por ferrita, e essa descontinuidade é o que muda onde a trinca inicia.
O nióbio abaixa a temperatura de transformação
A dilatometria registra a temperatura na qual a ferrita de contorno de grão começa a se formar durante o resfriamento, e os valores caem à medida que o nióbio aumenta nos três grupos de carbono. Com equivalente de carbono de 0,30 a temperatura de início é 740 °C sem nióbio, 715 °C com 0,015% e 700 °C com 0,03%. Com 0,35 os três valores são 700, 670 e 660 °C, e com 0,40 são 660, 640 e 630 °C. O carbono reduz a mesma grandeza em um passo muito maior, cerca de 40 °C entre os grupos de 0,30 e 0,35.
Uma temperatura de início mais baixa significa que a nucleação da ferrita é retardada e o aço permanece mais tempo na faixa de temperatura em que a bainita se forma, que é exatamente a mudança de microestrutura descrita acima. A consequência prática é que o nióbio na ZTA não atua apenas pelo refino de grão, que é seu papel usual no metal base, mas também suprimindo a ferrita poligonal que de outra forma revestiria todo contorno de austenita prévia.
Ferrita de contorno de grão e a fração martensita-austenita
As frações de área foram medidas nos corpos de prova atacados com Le Pera, e as duas características variam em direções opostas com o nióbio. A ferrita de contorno de grão cai acentuadamente com o nióbio no grupo de baixo carbono e apenas ligeiramente nos grupos de médio e alto carbono, o que o capítulo atribui à precipitação de carboneto de nióbio consumindo a maior parte do nióbio antes que ele possa segregar para os contornos. Variar o manganês ou o carbono dentro de um equivalente de carbono tem pouco efeito sobre a fração de ferrita de contorno de grão.
O constituinte martensita-austenita, chamado MA ao longo do capítulo, aumenta com o nióbio nos aços de baixo e médio carbono e não aumenta nos aços de alto carbono, pelo mesmo motivo. Onde o manganês varia com teor fixo de nióbio o efeito é muito maior que o efeito do nióbio. Com 2,1% de manganês e equivalente de carbono de 0,40 a fração de MA atinge 5%, a mais alta da série, e com 0,9% de manganês e equivalente de carbono de 0,30 nenhum MA foi encontrado, resultado que os autores confirmaram em mais de quinze micrografias. Essa única comparação é a afirmação mais clara do capítulo sobre qual elemento governa o MA.
Dureza e as curvas de transição Charpy
A dureza da ZTA simulada aumenta com o carbono e com o nióbio, acompanhando a mudança de ferrita para bainita descrita acima. O comportamento de transição separa os aços mais nitidamente que a dureza. A menor temperatura de transição pertence ao KT4, um aço de médio carbono sem nióbio. O KT2, o aço de baixo carbono com 0,015% de nióbio, vem em seguida, e o KT11, o aço de alto carbono com baixo manganês, vem depois dele. Esses três compartilham uma microestrutura de ferrita de contorno de grão mais ferrita acicular e têm dureza e tamanho de grão muito semelhantes, razão pela qual a ferrita acicular é creditada com a melhor tenacidade no capítulo.
As duas piores curvas pertencem ao KT8 e ao KT10, os dois aços com o maior equivalente de carbono de 0,40. O KT10 tem a maior fração de MA da série e o KT8 uma das menores, no entanto suas curvas de transição ficam quase sobrepostas. Os autores tiram a conclusão diretamente, que a temperatura de transição é determinada pelas características da microestrutura e não pela fração de MA, que é o ponto no qual trabalhos anteriores nesse campo divergiam.
Onde a fratura frágil inicia, e a regra dos 6%
As superfícies de fratura foram examinadas para todos os aços e o sítio de iniciação foi classificado em relação à microestrutura naquele ponto. Três categorias surgiram. O aço base rompe em colônias de perlita regenerada próximas ao contorno de austenita prévia, e os aços com área relativamente grande de ferrita de contorno rompem dentro dessa ferrita. Onde a ferrita de contorno é fina e descontínua a fratura inicia na interseção de pacotes bainíticos com orientações diferentes e se propaga pelos pacotes. A unidade de fratura foi medida nos corpos de prova a menos 40 °C e resultou em cerca de 90 µm para todos os aços, portanto o nióbio não altera o tamanho da unidade de clivagem nesses teores.
| Aço | C % | Ceq | Nb % | Tamanho de grão, µm | Microestrutura | Ferrita de contorno de grão % | MA % | Ponto de iniciação |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Baixo C, Nb livre | 0.05 | 0.3 | 0 | 348 | Ferrita de Widmanstatten mais ferrita de contorno de grão mais pequenas áreas de perlita | 14 | 0.2 | Perlita regenerada próxima ao contorno de grão |
| Baixo C, Nb | 0.05 | 0.3 | 0.03 | 207 | Estrutura de ripas | 5 | 1 | Interseção de pacotes bainíticos |
| C médio, Nb livre | 0.1 | 0.35 | 0 | 336 | Ferrita de contorno de grão mais ferrita de Widmanstatten mais ferrita acicular | 6 | 0.5 | No contorno de grão |
| C médio, Nb | 0.1 | 0.35 | 0.03 | 248 | Estrutura de ripas | 2 | 2 | Interseção de pacotes bainíticos |
| C alto, Nb livre | 0.15 | 0.4 | 0 | 342 | Ferrita de contorno de grão mais ferrita de Widmanstatten mais ferrita acicular | 6 | 0.5 | No contorno de grão |
| C alto, Nb | 0.15 | 0.4 | 0.03 | 230 | Estrutura de ripas | 1.8 | 1 | Interseção de pacotes bainíticos |
| Baixo C, alto Mn | 0.05 | 0.4 | 0.015 | 236 | Estrutura de ripas | 2.5 | 5 | Interseção de pacotes bainíticos |
| C alto, baixo Mn | 0.15 | 0.3 | 0.015 | 330 | Ferrita de contorno de grão mais ferrita de Widmanstatten mais ferrita acicular | 6 | 0 | No contorno de grão |
Fonte, Tabela 2 do capítulo de origem (página 113 do PDF). Tamanho de grão, microestrutura, fração de ferrita de contorno de grão, fração de MA e o ponto de iniciação observado em corpos de prova rompidos a menos 40 °C.
Lendo a tabela pela fração de ferrita de contorno em vez da composição, obtém-se uma separação clara. Todo aço com 6% ou mais rompeu na ferrita de contorno ou na perlita adjacente, e todo aço abaixo de 6% rompeu numa interseção de pacotes. A razão física apresentada pelo capítulo é um degrau de dureza: a ferrita de contorno fica cerca de 100 HV abaixo do interior do grão, de modo que uma camada contínua de contorno concentra tensão e trincas ali. Abaixo de 6% a camada já não cobre todos os grãos, a matriz é predominantemente bainita com MA alinhada ao longo das ripas, e a concentração de tensão desloca-se para os contornos de pacote.
O capítulo é cuidadoso quanto ao alcance do valor de 6%. A fração de ferrita de contorno depende da composição, do ciclo térmico e do tamanho de grão austenítico prévio, portanto o número é um critério para esta família de aços sob este ciclo e não um limiar universal para todo grau HSLA.
Por que o manganês decide a fração de MA
O mecanismo proposto é que a ferrita de contorno rejeita carbono e elementos de liga para a austenita à sua frente à medida que cresce, de modo que a região entre a ferrita e a bainita fica enriquecida e se transforma parcialmente em MA no resfriamento subsequente. Varreduras lineares por microssonda eletrônica nos corpos de prova simulados confirmam o enriquecimento. Carbono e manganês segregam ambos, e o manganês segrega mais fortemente que o carbono no aço com 2,1% de manganês.
O aço com 0,9% de manganês é o teste do mecanismo. Ele mostra claro enriquecimento de carbono no contorno, mas apenas fraca segregação de manganês, e não contém MA algum. Os autores, portanto, exigem ambas as condições simultaneamente, enriquecimento de carbono e segregação de elemento de liga, e observam que o próprio nióbio não mostrou segregação mensurável a 0,015%, nível baixo demais para a microssonda resolver. Isso explica por que as variantes de manganês deslocam a fração de MA mais do que adições de nióbio da mesma ordem, e por que o aço com 2,1% de manganês atinge a maior fração de MA da série, com 5%, contra 0,2% no aço base com 1,5% de manganês.
O que isso significa para um pedido de aço
Os resultados dão ao comprador de chapa HSLA três grandezas a exigir quando a tenacidade da junta soldada é o requisito. A primeira é o carbono equivalente, porque define tanto a temperatura de transformação quanto a quantidade de bainita na ZTA de grão grosso. A segunda é o teor de manganês em relação a esse carbono equivalente, porque o manganês é o elemento que decide se o MA se forma. A terceira é um resultado Charpy de ZTA simulada na temperatura de serviço mais baixa, e não um resultado do metal base, já que as propriedades do metal base nada dizem sobre a região de grão grosso junto à solda.
Nióbio entre 0,015 e 0,03% com 1,5% de manganês é a condição que produziu as estruturas bainíticas finas com ferrita de contorno abaixo de 6% neste trabalho, e esses aços romperam em interseções de pacotes e não ao longo dos contornos. A mesma adição de nióbio com 2,1% de manganês produziu a maior fração de MA e uma das duas piores curvas de transição, portanto o nióbio por si só não é uma adição para tenacidade. Para o contexto metalúrgico de como o nióbio e o titânio elevam a resistência no metal base, ver Mecanismos de endurecimento do aço microligado, e para os graus de tira cujas composições estes fornos experimentais modelam, ver composições de aço de tira microligado. O comportamento de revenimento da mesma classe de aço de baixa liga é abordado em Cinética de revenimento de aço de baixa liga.
Fonte: Alloy Steel, Properties and Use, InTech, 2011, Capítulo 4, Tabelas 1 e 2 e Figuras 1, 4, 8, 12 e 16 (páginas 99 a 113 do PDF), licenciado CC BY 3.0. O capítulo relata trabalho originalmente publicado nas referências que cita. Toda tabela e figura nesta página foi renderizada a partir do PDF de origem a 300 dpi e lida célula por célula antes da redação do texto acima, e os números foram verificados contra a camada de texto de origem, tomando-se a imagem renderizada como autoritativa onde as duas divergem. Esta página é um resumo de referência de pesquisa publicada e não uma especificação da Aobo Steel, portanto confirme o grau e o procedimento de soldagem antes de os números serem inseridos numa folha de processo.