ads:
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
“METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DA CORROSÃO
DA ZONA TERMICAMENTE AFETADA DE AÇO
INOXIDÁVEL FERRÍTICO AISI 439 SOLDADO”
LUCIANA IGLÉSIAS LOURENÇO LIMA
Belo Horizonte, 15 de Fevereiro de 2007
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
ii
Luciana Iglésias Lourenço Lima
“METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DA CORROSÃO
DA ZONA TERMICAMENTE AFETADA DE AÇO
INOXIDÁVEL FERRÍTICO AISI 439 SOLDADO”
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, como
requisito parcial a obtenção de título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Área de concentração: Processos de Fabricação/Soldagem.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Queiroz Bracarense.
Departamento de Engenharia Mecânica, UFMG.
Co-Orientador
:
:
Prof. Dra Mônica Maria de Abreu Mendonça Schvartzman.
Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, CDTN/CNEN.
Belo Horizonte
Escola de Engenharia da UFMG
2007
ads:
iii
iv
Ao Rodrigo,
aos meus pais e irmãos.
v
AGRADECIMENTOS
A Deus.
Ao Rodrigo pelo carinho e paciência.
Aos meus pais e irmãos, que sempre estiveram ao meu lado me apoiando e me
incentivando.
A Mônica pela orientação, apoio e toda a atenção dedicada durante a realização da
dissertação.
Ao professor Alexandre Queiroz Bracarense pela orientação e apoio durante a
elaboração da dissertação.
Aos profissionais do CDTN/CNEN pelo apoio e amizade oferecidos, em especial:
Wagner, Marco Antônio, Edicleto, Célia, Geraldo Scoralick, Toninho, Edílson, Nelson,
Vlamir, Geraldo Martins, Dênis, Paulo de Tarso, Pio, Marcílio, Santiago, Emerson, José
Lúcio, Tanius.
Aos colegas de trabalho do CDTN Gastón, Lorena, André, Rafael, Leonardo e aos
colegas do laboratório de soldagem Zanata, Leonardo Horta, Hélio, Eduardo, Alexandre
e Patrícia pela boa convivência e contribuição para realização deste trabalho.
A ACESITA pela doação do material.
Ao CDTN pela colaboração na utilização de seus laboratórios.
A CAPES pelo auxílio concedido mediante a bolsa de mestrado.
E a todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.
vi
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS.....................................................................................................................................V
SUMÁRIO........................................................................................................................................................VI
NOMENCLATURA....................................................................................................................................VIII
LISTA DE FIGURAS.....................................................................................................................................IX
LISTA DE GRÁFICOS.................................................................................................................................XI
LISTA DE QUADROS E TABELAS .........................................................................................................XII
RESUMO......................................................................................................................................................XVI
ABSTRACT.................................................................................................................................................XVII
1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................................................1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..............................................................................................................4
2.1 AÇOS INOXIDÁVEIS...........................................................................................................................4
2.1.1 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS.............................................................................6
2.1.1.1 AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS....................................................................................6
2.1.1.2 AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS..........................................................................................7
2.1.1.3 AÇOS INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS..............................................................................10
2.1.1.4 AÇOS INOXIDÁVEIS DUPLEX...............................................................................................11
2.1.1.5 AÇOS INOXIDÁVEIS ENDURECIDOS POR PRECIPITAÇÃO..........................................12
2.1.1.6 AÇOS INOXIDÁVEIS TRIP - TRANSFORMATION INDUCED PLASTICITY.....................12
2.2 SOLDAGEM.........................................................................................................................................12
2.2.1 PROCESSOS DE SOLDAGEM.......................................................................................................14
2.2.1.1 PROCESSOS DE SOLDAGEM POR FUSÃO..........................................................................15
2.2.1.1.1 PROCESSO DE SOLDAGEM SMAW (SHIELDED METAL ARC WELDING).....................16
2.2.1.1.2 PROCESSO DE SOLDAGEM GTAW (GAS TUNGSTEN ARC WELDING)..........................18
2.2.1.1.3 PROCESSO DE SOLDAGEM FCAW (FLUX CORED ARC WELDING)..............................19
2.2.1.1.4 PROCESSO DE SOLDAGEM SAW (SUBMERGED ARC WELDING)..................................19
2.2.1.1.5 PROCESSO DE SOLDAGEM GMAW (GAS METAL ARC WELDING)................................20
2.3 FUNDAMENTOS DE CORROSÃO .................................................................................................27
2.3.1 POTENCIAL DE ELETRODO........................................................................................................28
2.3.2 PILHAS ELETROQUÍMICAS.........................................................................................................31
2.3.3 POLARIZAÇÃO...............................................................................................................................33
2.3.4 PASSIVAÇÃO...................................................................................................................................34
2.3.5 MEIOS CORROSIVOS....................................................................................................................35
2.3.6 TIPOS DE CORROSÃO...................................................................................................................36
2.3.6.1 CORROSÃO POR PITE..............................................................................................................37
2.3.6.2 CORROSÃO GALVÂNICA.......................................................................................................38
2.3.6.3 CORROSÃO INTERGRANULAR.............................................................................................38
2.3.6.4 CORROSÃO SOB TENSÃO.......................................................................................................39
2.4 CORROSÃO EM CONJUNTOS SOLDADOS...............................................................................40
2.4.1 CORROSÃO INTERGRANULAR EM CONJUNTOS SOLDADOS..........................................42
2.5 SOLDAGEM DE AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS..............................................................46
2.6 ENSAIOS DE CORROSÃO................................................................................................................47
2.6.1 ENSAIOS DE CORROSÃO EM LABORATÓRIO.......................................................................48
2.6.2 ENSAIOS ELETROQUÍMICOS......................................................................................................49
2.6.2.1 ENSAIOS DE POLARIZAÇÃO .................................................................................................49
2.6.2.2 ENSAIOS DE POLARIZAÇÃO POTENCIODINÂMICA......................................................52
2.6.2.3 ENSAIOS DE REATIVAÇÃO ELETROQUÍMICA POTENCIODINÂMICA (EPR)..........54
2.7 ATAQUE EM ÁCIDO OXÁLICO PARA AVALIAR A CORROSÃO INTERGRANULAR 56
2.8 TÉCNICAS METALOGRÁFICAS...................................................................................................57
2.8.1 O PROGRAMA QUANTIKOV.......................................................................................................62
2.8.2 MÉTODO DE INTERCEPTAÇÃO LINEAR DE HEYN...............................................................64
3 MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................................................66
3.1 MATERIAIS..........................................................................................................................................66
vii
3.2 PROCESSO DE SOLDAGEM...........................................................................................................67
3.3 MÉTODOS.............................................................................................................................................68
3.3.1 ANÁLISES METALOGRÁFICAS..................................................................................................68
3.3.2. ENSAIOS DE POLARIZAÇÃO ANÓDICA POTENCIODINÂMICA.......................................69
3.3.3. ENSAIOS DE REATIVAÇÃO ELETROQUÍMICA POTENCIODINÂMICA DE DUPLO
CICLO - DL-EPR.............................................................................................................................................71
3.3.4. ENSAIO POR IMERSÃO.................................................................................................................72
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO.........................................................................................................73
4.1 SOLDAGEM DO MATERIAL ..........................................................................................................73
4.2 METODOLOGIA DESENVOLVIDA PARA AVALIAÇÃO DA CORROSÃO
INTERGRANULAR EM JUNTAS SOLDADAS......................................................................................74
4.3.1 CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL DO CONJUNTO SOLDADO........................................74
4.3.2 DETERMINAÇÃO DO TAMANHO MÉDIO DE GRÃO DO METAL BASE..........................76
4.3.3 DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DA ZTA..............................................................................77
4.3 PRÁTICA W – NORMA ASTM A 763............................................................................................81
4.4 AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA À CORROSÃO INTERGRANULAR ................................83
4.3.5 ENSAIOS DE POLARIZAÇÃO ANÓDICA POTENCIODINÂMICA.......................................84
4.3.6 ENSAIOS DE REATIVAÇÃO ELETROQUÍMICA POTENCIODINÂMICA - DL-EPR........85
5 CONCLUSÃO .......................................................................................................................................88
6 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS..............................................................................89
7 TRABALHOS PUBLICADOS...........................................................................................................90
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................................................91
viii
NOMENCLATURA
a Comprimento da Linha (mm)
A Área do Contorno de Grão (µm
2
)
b Número de Vezes que a Linha Intercepta o Contorno de Grão(adimensional)
B e R
0
Parâmetros de Ajuste da Equação (adimensional)
G Tamanho de Grão ASTM (adimensional)
HR
B
Dureza (Rockwell B)
I
a
Densidade de Corrente Máxima na Ativação (A/cm
2
)
I
r
Densidade de Corrente Máxima na Reativação (A/cm
2
)
LE
0,2%
Limite de Escoamento (MPa)
LR Limite de Resistência (MPa)
P
a
Carga Normalizada (C/cm
2
)
Q Carga (Coulomb)
X Distância entre a Linha de Interceptos e a Linha de Fusão (mm)
Y Tamanho de Grão (µm)
Y
0
Tamanho de Grão do Metal Base (µm)
? Sobrepotencial (V)
# Granulometria da Lixa (mesh)
ix
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 - Efeito do teor de cromo na resistência à corrosão atmosférica de aços ao cromo (expostos
durante 10 anos em atmosfera industrial). 5
FIGURA 2.2 - Aço inoxidável austenítico AISI 316. Microestrutura típica. 7
FIGURA 2.3 - Família dos aços inoxidáveis feríticos. 8
FIGURA 2.4 - Microestrutura típica de aço inoxidável ferrítico. 9
FIGURA 2.5 - Temperatura de transição dúctil-frágil para aços inoxidáveis ferríticos aumenta com a
espessura. 9
FIGURA 2.6 - Microestrutura típica de um aço inoxidável duplex (liga 255). 11
FIGURA 2.7 - Esquema de uma solda de topo por fusão. 13
FIGURA 2.8 - Soldagem por pressão ou deformação. 14
FIGURA 2.9 - (a) Representação esquemática da soldagem por fusão. (b) Macrografia de uma junta
soldada. 15
FIGURA 2.10 - Desenho esquemático de uma soldagem com eletrodo revestido. 17
FIGURA 2.11 - Desenho esquemático de uma soldagem GTAW. 18
FIGURA 2.12 - Desenho esquemático de uma soldagem SAW. 20
FIGURA 2.13 - Desenho esquemático de uma soldagem GMAW. 21
FIGURA 2.14 - Equipamento básico para soldagem GMAW. 23
FIGURA 2.15 - Tocha para soldagem GMAW. 24
FIGURA 2.16 - (a) Alimentador de arame, (b) sistema com um par de roletes de alimentação, (c) sistema
com dois pares de roletes de alimentação. 24
FIGURA 2.17 - Efeito da mistura dos gases de proteção no perfil de solda, usando corrente direta e
eletrodo positivo. 26
FIGURA 2.18 - Inverso do processo metalúrgico. 27
FIGURA 2.19 - Sistema metal solução eletrolítica para o cobre. 29
FIGURA 2.20 - Esquema de pilha eletroquímica. 31
FIGURA 2.21 - Curva esquemática de polarização para um metal que exibe uma transição ativa-passiva.
34
FIGURA 2.22 - Zonas empobrecidas adjacentes ao precipitado. Estas regiões causam um potencial
eletroquímico (E) diferente que podem promover corrosão localizada no nível microestrutural. 39
FIGURA 2.23 - Fluxograma do mecanismo de corrosão intergranular por sensitização. 42
FIGURA 2.24 - Corrosão intercristalina em aços inoxidáveis soldados, FZ - zona fundida. 43
FIGURA 2.25 - Curva tempo-temperatura - sensitização para aço inoxidável austenítico em uma mistura
de CuSO
4
e H
2
SO
4
contendo cobre. Curvas A e B indicam alta e média taxas de resfriamento,
respectivamente. 44
FIGURA 2.26 – (a) Precipitação intergranular de partículas de carboneto de cromo em um aço inoxidável
austenítico sensitizado e a conseqüente zona adjacente empobrecida em cromo nos contornos de
grãos, (b) Variação do conteúdo de cromo através do contorno de grão de um aço inoxidável
austenítico sensitizado. 45
FIGURA 2.27 - Célula eletroquímica usada para ensaios de polarização. 50
FIGURA 2.28 - Esquema de sistema de medições com potenciostato. 51
FIGURA 2.29 - Arranjo experimental para a aplicação de ensaios eletroquímicos em laboratório. 52
FIGURA 2.30 - Curvas de polarização potenciodinâmica – diagrama hipotético para um sistema que
apresenta passivação com as regiões anódica e catódica. 54
FIGURA 2.31 - Esquema das curvas de polarização potenciodinâmica – (a) ciclo simples e (b) ciclo
duplo. 55
FIGURA 2.32 - Seção transversal da estrutura gerada após ataque em ácido oxálico. 57
FIGURA 2.33 - Método de interceptação linear de Heyn para determinação do tamanho de grão. 65
FIGURA 2.34 - Tipos de interseção: tangente (+0,5), interseção de dois grãos (+1), intercessão de três
grãos (+1,5). 65
FIGURA 3.1 - Microestrutura do aço inoxidável ferrítico AISI 439. Ataque reativo Villela (100x). 67
FIGURA 3.2 - Sistema utilizado para a soldagem robotizada. 68
FIGURA 3.3 - Equipamentos utilizados na caracterização metalográfica. 69
x
FIGURA 3.4 - Sistema utilizado para ensaios eletroquímicos. 70
FIGURA 3.5 -Detalhe do sistema utilizado – Controlador de temperatura e célula eletroquímica. 70
FIGURA 4.1 - Fotografia dos conjuntos soldados, menor (a) e maior (b) aporte térmico respectivamente.
73
FIGURA 4.2 - Microanálises realizadas em amostras do material como recebido. (a) matriz , (b) contorno
de grão. 75
FIGURA 4.3 - Micrografias obtidas da ZTA dos dois aportes estudados, (a) menor aporte térmico e (b)
maior aporte térmico. 76
FIGURA 4.4 - Microestrutura trabalhada pelo programa Quantikov
®
para medida do tamanho de grão da
amostra aço AISI 439 como recebido. 76
FIGURA 4.5 - Tela de resultados do programa Quantikov. 77
FIGURA 4.6 - Linhas paralelas à linha de fusão utilizadas para determinação do tamanho de grão ao
longo da ZTA. 78
FIGURA 4.7 - Evidência de solução por baixo da máscara, (a) resina de poliuretano, (b) fita adesiva de
poli-imida. 80
FIGURA 4.8 -Equipamento para corte ISOMET. 81
FIGURA 4.9 - Micrografia obtida após ataque eletrolítico em ácido oxálico (Prática W) da amostra do
metal base (MB), as setas indicam as valas (a) e os degraus (b). 81
FIGURA 4.10 - Micrografias obtidas após ataque eletrolítico em ácido oxálico (Prática W) da amostra da
ZTA de menor aporte térmico (a) de maior aporte térmico (b). 82
FIGURA 4.11 - Fotografia dos corpos de prova para ensaio eletroquímico. 83
xi
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 4.1 - Gráfico da variação do tamanho de grão em relação à distância da linha de fusão –
amostra menor aporte térmico. 79
GRÁFICO 4.2 - Gráfico da variação do tamanho de grão em relação à distância da linha de fusão –
amostra maior aporte térmico. 79
GRÁFICO 4.3 - Curvas de polarização anódica potenciodinâmica para as regiões de MB e ZTA das
amostras estudadas, em 0,5M de H
2
SO
4
. As setas indicam o sentido de varredura. 84
GRÁFICO 4.4 - Curva de DL-EPR para a região do MB, em 0,5M de H
2
SO
4
. As setas indicam o sentido
de varredura. 85
GRÁFICO 4.5 - Curva de DL-EPR para a região da ZTA de menor aporte térmico, em 0,5M de H
2
SO
4.
As setas indicam o sentido de varredura. 86
GRÁFICO 4.6 - Curva de DL-EPR para a região da ZTA de maior aporte térmico, em 0,5M de H
2
SO
4
.
As setas indicam o sentido de varredura. 86
GRÁFICO 4.7 - Curvas de DL-EPR para as regiões de MB e ZTA das amostras estudadas, em 0,5M de
H
2
SO
4
. As setas indicam o sentido de varredura. 87
xii
LISTA DE QUADROS E TABELAS
QUADRO 2.1 - Vantagens, limitações e aplicações principais do processo SMAW...................................17
QUADRO 2.2 - Vantagens, limitações e aplicações principais do processo GTAW...................................18
QUADRO 2.3 - Vantagens, limitações e aplicações principais do processo FCAW...................................19
QUADRO 2.4 - Vantagens, limitações e aplicações principais do processo SAW......................................20
QUADRO 2.5 - Gases e misturas usados na soldagem GMAW....................................................................26
QUADRO 2.6 - Quadro de potenciais de eletrodo padrão (ASM Handbook, 1994)...................................30
TABELA III.3.1 - Composição química do aço inoxidável ferrítico – AISI 439........................................66
TABELA III.3.2 - Propriedades mecânicas do aço inoxidável ferrítico – AISI 439...................................66
TABELA III.3.3 - Composição química do consumível AISI 308 L Si.......................................................67
TABELA IV.1 - Parâmetros de Soldagem. Soldagem GMAW robotizada...................................................73
TABELA IV.2 - Razão Ir /Ia...........................................................................................................................87
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A Ampère
ABM Associação Brasileria de Metalurgia e Materiais
Acesita Aços Especiais Itabira
Ag/AgCl Prata/Cloreto de Prata
AISI American Iron and Steel Institute
Al Alumínio
AOD Argon Oxygen Decarburization
aq Aquoso
Ar Argônio
ASM American Society of Metals
ASTM American Society for Testing and Materials
AT Alongamento Percentual
AWS American Welding Society
Br
-1
Íons de Boro
C Carbono
ºC Grau Celsius
CC+ Corrente Contínua Pólo Positivo
CCC Cúbica de Corpo Centrado
CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
CDTN Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear
CFC Cúbica de Face Centrada
Cl
-1
Íons de Cloro
cm Centímetro
CNEN Comissão Nacional de Energia Nuclear
CO
2
Gás Carbônico
CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem
Cr Cromo
Cr
23
C
6
Carboneto de Cromo
Cr
2
N Nitreto de Cromo
CrO3 Óxido de Cromo
CST Corrosão sob Tensão
Cu Cobre
DL Ciclo Duplo
e Elétrons
E Potencial
xiv
E.C.S Eletrodo de Calomelano Saturado
EDS Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X
EPR Reativação Eletroquímica Potenciodinâmica
E
pp
Potencial de Passivação
f Função
FCAW Flux Cored Arc Welding
Fe Ferro
GMAW Gás Metal Arc Welding
H
+
Íons de Hidrogênio
He Hélio
I Corrente
in Polegada
i
p
Corrente de Passivação
IPEN Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares
L Low Carbon
l Litros
LF Linha de Fusão
kJ KiloJoules
Log Logaritmo
LRSS Laboratório de Robótica Soldagem e Simulação
M Molar
M
2+
Íons de Metal
MAG Metal Active Gas
MB Metal Base
Mg Manganês
MIG Metal Inert Gas
min Minuto
mm Milímetro
Mo Molibdênio
mV Milivolt
N Nitrogênio
Nb Nióbio
nm Nanômetro
O
2
Oxigênio
p/p Porcentagem em Peso
Pt Platina
S Simplificado
Si Silício
xv
SiC Carbeto de Silício
SL Ciclo Simples
SMAW Submerged Arc Welding
Ti Titânio
TRIP Trasformation Induced Plasticity
TTDF Temperatura de Transição Dúctil-Frágil
UFMG Universidade Federal de Minas Gerais
USP Universidade de São Paulo
V Volt
vs. Versus
ZF Zona Fundida
ZTA Zona Termicamente Afetada
a Ferrita
µm Micrometro
xvi
RESUMO
Aços inoxidáveis são empregados nas indústrias química, alimentícia, petrolífera, etc.
onde a resistência à corrosão é um fator preponderante. Em diversas destas aplicações é
necessário a utilização das operações de soldagem que afetam mecânica, térmica e
metalurgicamente o material. A resistência à corrosão dos aços inoxidáveis está
relacionada à presença de um filme óxido protetor formado em sua superfície. A
soldagem pode causar variação local na composição do material, alterando a
estabilidade deste filme e o comportamento do material frente à corrosão. Apesar da
grande utilização do processo Gas Metal Arc Welding (GMAW) em operações de união
de aços inoxidáveis não há muitos estudos da influência de seus parâmetros na
resistência à corrosão. Uma otimização deste processo que introduza ganhos na
qualidade e uma melhora na resistência à corrosão torna-se muito importante para sua
melhor utilização. Este trabalho tem como objetivo contribuir para o estabelecimento de
uma metodologia de caracterização e determinação da zona termicamente afetada
(ZTA), através da variação do tamanho de grão, medido pelo método de Heyn, visando
determinar a resistência à corrosão por meio de ensaios eletroquímicos
potenciodinâmicos e pela Prática W da norma ASTM A763.
Palavras-chave: aços inoxidáveis ferríticos, gas metal arc welding, zona
termicamente afetada, polarização potenciodinâmico, Prática W, resistência à
corrosão.
xvii
ABSTRACT
Stainless steels are employed in chemical, food and petroleum industries, in which the
corrosion resistance of materials is very important. In several of these application it is
necessary the utilization of welding operations that affect the mechanical, thermal and
metallurgical properties of the material. The stainless steel corrosion resistance is
obtained with the presence of an oxide protect film in its surface. The welding can cause
a local composition variation, altering the film stability and the corrosion behavior. In
spite of the large utilization of Gas Metal Arc Welding (GMAW) process in stainless
steel welding operations there is not much studies about the influence of its parameters
on corrosion resistance. The optimization of this process, inserting quality gains and
corrosion improvement, becomes important for its better utilization. This work presents
a methodology used to set up heat affected zone (HAZ) characterization and
determination, through grain size measured by Heyn’s method. The corrosion resistance
was characterized by potentiodynamic electrochemical tests and Pratice W of ASTM
A763 standard.
Key words: ferritic stainless steel, gas metal arc welding; heat affected zone,
potenciodinamic polarization, Pratice W, corrosion resitance.
1
1 INTRODUÇÃO
Um aspecto importante na escolha de um aço inoxidável para uma determinada
aplicação é a resistência à corrosão, acrescida da resistência mecânica, ductilidade,
soldabilidade, custo, entre outros fatores. Os aços inoxidáveis austeníticos, com teor de
cromo entre 16 e 20%, carbono com teor inferior a 0,15% e com adição de níquel no
teor entre 6 e 14%, apresentam a melhor combinação entre propriedades mecânicas e
resistência a corrosão, mas o custo de fabricação, especialmente pelo preço do níquel,
levou ao desenvolvimento e a utilização dos aços inoxidáveis ferríticos (Campbell,
1992; Pickering, 1976,1985).
Os aços inoxidáveis ferríticos são ligas binárias de ferro-cromo, estruturalmente
simples, com teor de cromo entre 11 e 30%, carbono com teor inferior a 0,12% e sem
adição de níquel. São empregados na fabricação de eletrodomésticos, utensílios para
cozinha e laboratórios, em aplicações a altas temperaturas, tais como sistema de
exaustão e descarga de fumos provenientes da combustão de derivados do petróleo,
indústria nuclear, etc. Em diversas destas aplicações, é necessário o uso de operações de
soldagem.
A soldagem é o principal processo industrial de união de metais. Processos de soldagem
e processos afins são também largamente utilizados na recuperação de peças
desgastadas e para aplicação de revestimentos de características especiais,
freqüentemente de aço inoxidável, sobre superfícies metálicas. Esta grande utilização
deve-se a diversos fatores e, em particular, à sua relativa simplicidade operacional. Dos
processos de soldagem, o GMAW (Gas Metal Arc Welding), tem se revelado como
aquele de maior ascensão no ambiente industrial, decorrente da sua alta produtividade e
qualidade dos cordões de solda. Apesar da ampla utilização, processos de soldagem
afetam mecânica, térmica e metalurgicamente, em geral de forma intensa, a solda e as
regiões vizinhas a esta. Como resultado, as propriedades mecânicas podem variar de
forma mais ou menos significativa ao longo da junta. Além disso, a resistência à
diferentes formas de corrosão pode ser afetada, tanto a zona termicamente afetada
2
(ZTA) como a zona fundida (ZF) podem ser seletivamente atacadas pelo ambiente em
contato com a junta (Modenesi, 2001; Bracarense, 2005).
Nos aços inoxidáveis ocorre, na grande maioria das vezes, a corrosão intergranular. Esta
é um tipo de corrosão localizada que pode causar, algumas vezes, falhas catastróficas e
inesperadas, enquanto o restante da estrutura permanece inalterada; tais fatores são
portanto cuidadosamente considerados no projeto e seleção da liga. O mecanismo de
corrosão mais aceito é a teoria de empobrecimento no teor de cromo, produzido por
precipitados ricos em cromo nos contornos de grão, o qual reduz localmente o teor de
cromo nas regiões adjacentes a estes precipitados, fenômeno denominado sensitização.
Esta redução, geralmente a teores menores que 10,5% de cromo, impede a formação da
película passiva e por conseguinte, o estabelecimento da propriedade de resistência à
corrosão dos aço inoxidáveis (Serna-Giraldo, 2006).
Os métodos de avaliação da sensitização podem ser de imersão, como estão descritos,
por exemplo, nas normas ASTM A262, para aços austeníticos e ASTM A763, para aços
ferríticos. A Prática W da ASTM A763 apresenta o procedimento para a realização do
ataque metalográfico em ácido oxálico, o qual é capaz de revelar a presença de fases
ricas em cromo, tais como carbonetos de cromo. Esta prática é utilizada para a aceitação
do material, mas a sua rejeição deve ser decidida em conjunto com métodos mais
precisos (Pires, 2002).
Nos últimos anos, tem-se desenvolvido amplamente o emprego de técnicas
eletroquímicas, como alternativas aos ensaios de imersão para avaliar a suscetibilidade à
corrosão intergranular de aços inoxidáveis e ligas de níquel. Este método denominado
de reativação eletroquímica potenciodinâmica (EPR), tem três versões: o Single Loop
(SL: ciclo simples), Double Loop (DL: ciclo duplo) e o Simplified (S: simplificado). As
vantagens destes métodos em relação ao de imersão são principalmente o menor tempo
de execução, serem mais econômicos e mais precisos (Sedriks, 1996; Streicher, 1995).
Para avaliar o comportamento frente à corrosão de aços inoxidáveis soldados utilizando-
se técnicas eletroquímicas é necessário fazer uma separação das regiões de solda (metal
3
base (MB), zona termicamente afetada (ZTA) e zona fundida (ZF)), pois as diferenças
entre elas no que diz respeito à composição e a microestrutura podem criar um potencial
eletroquímico entre elas e causar corrosão galvânica – grande parte da dissolução
anódica está na zona termicamente afetada. Deve-se ressaltar que não existem muitos
trabalhos na literatura que relatam a metodologia para a separação da ZTA para uma
avaliação eletroquímica da corrosão em conjuntos soldados.
Com o avanço industrial mundialmente alcançado, os custos da corrosão tornaram-se
um fator de grande importância a ser considerado já na fase de projeto de instalações
industriais. Evidentemente, através da escolha do melhor projeto, seleção de materiais e
emprego de técnicas de proteção, é possível minimizar a deterioração dos materiais em
uso. A potencialidade de pesquisa em corrosão é grande, tendo em vista os problemas
de corrosão freqüentes que ocorrem nas mais variadas atividades, como por exemplo
nas indústrias química, petrolífera, de construção civil, automobilística, na medicina, na
odontologia, em obras de arte como monumentos e esculturas, etc.
O objetivo deste trabalho é apresentar a metodologia desenvolvida para avaliar a
corrosão na zona termicamente afetada (ZTA) em juntas soldadas de aços inoxidáveis
ferríticos AISI 439. Empregou-se o processo de soldagem a arco elétrico, com proteção
gasosa GMAW (Gas Metal Arc Welding) com metal de adição de aço inoxidável
austenítico do tipo AISI 308L-Si. Utilizou-se o método de Heyn para medir a variação
do tamanho de grão da ZTA. A resistência frente á corrosão em 0,5M de H
2
SO
4
foi
avaliada por meio de ensaios eletroquímicos potenciodinâmicos e pela Prática W da
norma ASTM A763.
4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A seguir, será apresentada uma revisão bibliográfica de alguns fundamentos
relacionados aos aços inoxidáveis, corrosão, ensaios eletroquímicos, processos de
soldagem e técnicas metalográficas, os quais são temas que dizem respeito ao escopo
deste trabalho.
2.1 Aços inoxidáveis
Aços inoxidáveis são ligas ferrosas que contém no mínimo 10,5% (p/p) de cromo,
máximo de 1,2% (p/p) de carbono e outros metais que atuam como elementos de liga. A
produção de aço inoxidável representa aproximadamente 2% da produção mundial de
aço bruto, sendo os aços inoxidáveis austeníticos os mais amplamente usados, chegando
a somar mais de 70% da produção de aços inoxidáveis. (Acesita; Chawla, 1995, Núcleo
Inox, 2006).
O cromo é o principal responsável pela resistência frente à corrosão destes aços. A
formação de uma fina camada de óxido de cromo em sua superfície confere a estes
materiais uma elevada resistência a vários tipos de corrosão. Contudo, alto conteúdo de
cromo pode afetar adversamente as propriedades mecânicas, soldabilidade e a
adequação para aplicações envolvendo exposição térmica. Como indicado na FIG. 2.1,
um mínimo de 10,5% de cromo é necessário para que as ligas ferro-cromo sejam
resistentes à corrosão atmosférica (Acesita; Modenesi, 2001; ASM Handbook, 1992).
Além de seus componentes principais, ferro (Fe) e cromo (Cr), os aços inoxidáveis
contêm teores de carbono. Quanto maior for o teor de carbono mais cromo deve estar
presente, devido ao fato do carbono consumir cromo para a formação de carbonetos
(Acesita; ASM Handbook, 1992).
5
FIGURA 2.1 - Efeito do teor de cromo na resistência à corrosão atmosférica de aços ao cromo (expostos
durante 10 anos em atmosfera industrial).
Fonte: Modenesi, 2001, p.4.
Outros elementos de liga estão presentes na composição dos aços inoxidáveis. Eles são
adicionados com objetivos específicos de acordo com a aplicação do material, podendo-
se citar:
• Silício e Cobre: são adicionados para aumentar a resistência à oxidação e à corrosão
em meios contendo ácido sulfúrico. Usualmente são adicionados a aços inoxidáveis
austeníticos.
• Níquel: além de aumentar a resistência frente à corrosão do aço nas soluções ácidas
redutoras, nas quais o cromo não tem condições de formar o filme protetor, promove a
estabilização da estrutura austenítica, por meio da mudança da estrutura cristalina do
material. Esta mudança melhora as propriedades mecânicas e as características de
fabricação. Aumentando-se o conteúdo de níquel acima de 10% (p/p) tem-se uma
melhor resistência frente à corrosão sob tensão (CST) (Acesita; ASM Handbook, 1992).
• Manganês: em quantidades moderadas e associado com a adição de níquel poderá
executar muitas das funções atribuídas ao níquel. Contudo, a substituição total do níquel
pelo manganês não é prático. Nos aços inoxidáveis interage com o enxofre para formar
inclusões de sulfeto de manganês, que podem causar problemas de trincamento a quente
(ASM Handbook, 1992).
6
• Molibdênio: em combinação com o cromo ajuda a estabilizar o filme protetor na
presença de cloretos. Aumenta a resistência frente à corrosão por pite e por crevice
(ASM Handbook, 1992).
• Nióbio e Titânio: reduzem a atividade do carbono e nitrogênio. Ao reagirem com o
carbono ajudam a prevenir a formação de carbonetos de cromo (ASM Handbook, 1992).
A resistência frente à corrosão dos aços inoxidáveis é atribuída a formação de um filme
de óxido de cromo (Cr
2
O
3
) formado na superfície do metal, processo denominado
passivação. A faixa de condições sobre a qual a passividade pode ser mantida depende
do meio, do tipo e da composição dos aços inoxidáveis. A passivação é a propriedade de
resistência à corrosão devido a uma película passiva, superficial, fina, com espessura
típica de 3 a 5nm, aderente, invisível e estável de óxido de cromo (Cr
2
O
3
), que se forma
instantaneamente na presença de oxigênio, responsável pela resistência à corrosão dos
aços inoxidáveis (Chawla, 1995; ASM Handbook, 1992).
2.1.1 Classificação dos aços inoxidáveis
Os aços inoxidáveis podem ser divididos em cinco famílias com suas próprias
características gerais, em termos de propriedades mecânicas e resistência à corrosão.
Essas são descritas a seguir.
2.1.1.1 Aços inoxidáveis austeníticos
Estas ligas possuem na composição cromo e níquel para estabilizar e assegurar a
estrutura austenítica na temperatura ambiente e abaixo dela. São classificados na série
AISI 200, ligas estabilizadas ao manganês e/ou nitrogênio, ou AISI 300, ligas
estabilizadas ao níquel (Lula, 1986; Chawla, 1995).
O conteúdo de carbono é controlado para prevenir a precipitação de carbonetos de
cromo, ocasionando regiões locais de empobrecimento de cromo após a soldagem ou
conformação a quente. Molibdênio, cobre, silício, alumínio, titânio e nióbio podem ser
adicionados para melhorar certas características, tais como resistência à corrosão e à
7
oxidação. Enxofre ou selênio podem ser adicionados para melhorar a usinabilidade. Os
aços inoxidáveis austeníticos possuem uma estrutura cristalina cúbica de face centrada –
CFC e não são magnéticos. Possuem elevada capacidade de endurecimento por
deformação plástica e boa soldabilidade. Encontram aplicações na indústria química,
alimentícia, refino de petróleo e em diversas outras aplicações em que a boa resistência
frente à corrosão e a facilidade de limpeza são necessárias (Chawla, 1995; Modenesi,
2001).
A microestrutura típica de um aço inoxidável austenítico, com grãos equiaxiais de
austenita e a presença de maclas, pode ser observada na FIG. 2.2.
FIGURA 2.2 - Aço inoxidável austenítico AISI 316. Microestrutura típica.
Fonte: ASM Handbook, 2004, p. 1603.
2.1.1.2 Aços inoxidáveis ferríticos
Os aços inoxidáveis ferríticos possuem um teor de cromo na faixa de 11-30% e teor de
carbono de no máximo de 0,2% de carbono. São classificados na série AISI 400.
Apresentam uma estrutura predominantemente ferrítica (estrutura cúbica de corpo
centrado – CCC) e são magnéticos (Bottrel, 1992; Chawla, 1995). Os principais
elementos de liga presentes nesses aços são (Bottrel, 1992):
• Mo, Si e Al: fortes elementos estabilizadores de ferrita - alfagêneos (α);
• C, N: estabilizadores de austenita;
8
• Nb e Ti: também são alfagêneos e formadores de carbonetos e nitretos, removendo
carbono e nitrogênio da austenita.
A FIG. 2.3 apresenta a família dos aços inoxidáveis ferríticos.
FIGURA 2.3 - Família dos aços inoxidáveis feríticos.
Fonte: Chawla, 1995, p. 120 - modificada.
Os aços inoxidáveis ferríticos são estruturalmente simples. À temperatura ambiente são
formados por uma matriz de ferrita (α), uma solução sólida de cromo e outros
elementos de liga em ferro. Normalmente são usados no estado recozido e raramente na
condição laminado a frio. Podem ser facilmente forjados e possuem boa usinabilidade.
A ductilidade e a tenacidade são menores que nos aços inoxidáveis austeníticos. De um
modo geral, possuem resistência à corrosão menor em relação aos aços inoxidáveis
austeníticos e maior em relação aos aços inoxidáveis martensíticos. A principal
vantagem destes aços é resistência à corrosão sob tensão em meios contendo cloreto,
corrosão atmosférica e a oxidação a um custo baixo (Serna-Giraldo, 2006).
Na FIG. 2.4 observa-se a microestrutura típica dos aços inoxidáveis ferríticos com grãos
equiaxiais de ferrita.
9
FIGURA 2.4 - Microestrutura típica de aço inoxidável ferrítico.
Fonte: ASM Handbook, 2004, p. 1630.
A estrutura ferrítica exibe uma transição dúctil-frágil, que ocorre a uma temperatura
denominada temperatura de transição dúctil-frágil (TTDF). Com alto conteúdo de
carbono, nitrogênio e cromo esta transição pode ocorrer acima da temperatura ambiente.
Com o advento do processo AOD (Argon Oxygen Decarburization) foi possível
diminuir o conteúdo de carbono e nitrogênio e suas atividades reduzidas pelo uso de
estabilizadores, que são elementos altamente reativos, como o titânio e o nióbio,
diminuindo os elementos intersticiais, aumentando a ductilidade e tenacidade (ASM
Handbook, 2003). A FIG. 2.5 mostra a TTDF para alguns aços inoxidáveis ferríticos. É
importante notar que a TTDF é uma função da espessura do material.
FIGURA 2.5 - Temperatura de transição dúctil-frágil para aços inoxidáveis ferríticos aumenta com a
espessura.
Fonte: Lula, 1985, p. 60 - modificada.
10
Os aços inoxidáveis ferríticos AISI 439 possuem boa resistência frente à corrosão sob
tensão (CST), alta condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão térmica. Estas
características fazem esta liga ideal para muitas aplicações em sistemas de exaustão de
automóveis, refinamento de petróleo, geração de energia, tubos de trocadores de calor,
indústria de processos químicos, etc. (Allegheny Ludlum, 2005).
O aço inoxidável ferrítico AISI 439 possui uma estrutura cristalina CCC em toda
temperatura abaixo do ponto de fusão. Partículas angulares de carbonitretos de titânio
podem ocorrer na matriz ferrítica. Pode ser usado recozido, conformado a frio ou
soldado em muitas aplicações onde outras ligas de aço inoxidável como o AISI 304,
410, 409 e 430 são usados. Também pode ser utilizado em ambientes oxidantes onde o
AISI 304 é adequado em termos de resistência frente à corrosão generalizada, mas está
sujeito à corrosão sob tensão em meio contendo cloretos. Apresentam boa soldabilidade
e ductilidade.
2.1.1.3 Aços inoxidáveis martensíticos
São ligas de cromo e carbono que possuem uma estrutura cristalina tetragonal de corpo
centrado (martensítica) na condição temperada. Também possuem designação na série
AISI 400, mas com conteúdo de carbono mais elevado, entre 0,11 a aproximadamente
1% e contendo de 12 a 20% de cromo. A aparência da martensita varia com o conteúdo
de carbono. Com o aumento do conteúdo de carbono a martensita torna-se fina,
mudando da forma de ripas para placas (Chawla, 1995; ASM Handbook, 1993).
Além de ferro, cromo e carbono outros elementos de liga podem ser adicionados como
o molibdênio, tungstênio, vanádio ou nióbio, usados para melhorar a resistência à
fluência a alta temperatura. Níquel, nitrogênio e molibdênio são adicionados para
aumentar a tenacidade e a resistência frente à corrosão. São normalmente utilizados na
condição temperada e revenida ou na condição recozida. Apresentam, dependendo do
conteúdo de carbono, alta dureza, são magnéticos e endurecidos por tratamento térmico.
São úteis para aplicações que requerem resistência à abrasão e arestas de corte, tais
como, rotores de bomba e cutelos (Modenesi, 2001; Chawla, 1995).
11
2.1.1.4 Aços inoxidáveis duplex
São aços inoxidáveis com uma composição química balanceada entre os elementos
gamagênios e alfagênios (estabilizadores de austenita e ferrita, respectivamente), de tal
forma a se ter uma estrutura de austenita e ferrita à temperatura ambiente. Possuem em
sua composição maiores teores de cromo (entre 18 e 28%) e menores de níquel (3,5 a
8%) e apresentam adições de molibdênio e de nitrogênio. O molibdênio, juntamente
com o cromo, é forte estabilizador da ferrita e auxilia na melhoria da resistência frente à
corrosão uniforme e localizada. O nitrogênio favorece e acelera a formação da austenita
e a endurece fortemente.
Apresentam resistência mecânica maior do que a dos aços inoxidáveis convencionais.
Podem possuir boa tenacidade e ductilidade quando a quantidade de ferrita e austenita é
balanceada. São mais resistentes à corrosão sob tensão quando comparados aos aços
inoxidáveis austeníticos. São usados em componentes de equipamentos expostos à água
do mar, trocadores de calor, bombas e tubos nas indústrias química, petroquímica, de
papel e celulose (Chawla, 1995; Modenesi, 2001).
A microestrutura típica de um aço inoxidável duplex é mostrada na FIG. 2.6. Pode-se
observar os grãos alongados devido ao processo de laminação e alternados com duas
fases, clara: austenita e escura: ferrita.
FIGURA 2.6 - Microestrutura típica de um aço inoxidável duplex (liga 255).
Fonte: ASM Handbook, 2004, p. 1657.
12
2.1.1.5 Aços inoxidáveis endurecidos por precipitação
Possuem designação AISI 600, endurecidos pela precipitação de elementos de liga
como alumínio, titânio e tântalo. O endurecimento por precipitação destas ligas também
pode ser chamado de envelhecimento. Esta classe pode ter estrutura cristalina
austenítica, semiaustenítica ou martensítica.
2.1.1.6 Aços inoxidáveis TRIP - Transformation Induced Plasticity
São ligas originalmente austeníticas, mas quando passam por uma deformação na
temperatura de serviço, parte da austenita transforma-se em martensita. De um modo
geral, possuem resistência frente à corrosão superior aos aços inoxidáveis austeníticos
correspondentes, combinado com alta resistência e ductilidade.
2.2 Soldagem
Um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recuperação de
peças, equipamentos e estruturas são abrangidos pelo termo SOLDAGEM.
Classicamente, a soldagem é considerada como um método de união, porém, muitos
processos de soldagem ou variações destes, são usados para a deposição de material
sobre uma superfície, visando à recuperação de peças desgastadas ou a formação de um
revestimento com características especiais (Marques, 2005).
Algumas definições de soldagem são (Marques, 2005):
• “Processo de junção de metais por fusão”. (Deve-se ressaltar que não só metais são
soldáveis e que é possível soldar metais sem fusão).
• “Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando, na junta
soldada, a continuidade de propriedades físicas, químicas e metalúrgicas.”
• “Operação que visa obter a coalescência localizada produzida pelo aquecimento até
uma temperatura adequada, com ou sem a aplicação de pressão e de metal de adição.”
13
(Esta definição adotada pela AWS, American Welding Society, é meramente
operacional, não contribuindo com o aspecto conceitual) (AWS, 1992).
• “Processo de união de materiais baseado no estabelecimento, na região de contato
entre os materiais sendo unidos, de forças de ligação química de natureza similar às
atuantes no interior dos próprios materiais.” (Definição baseada no tipo de forças
responsáveis pela união dos materiais).
O conjunto soldado consiste em uma transição do metal base para uma zona
termicamente afetada e uma parte fundida e solidificada, incluindo três regiões distintas
identificadas como zona fundida, a zona termicamente afetada (ZTA) e o metal base.
Esta transição microestrutural é ilustrada na FIG. 2.7.
FIGURA 2.7 - Esquema de uma solda de topo por fusão.
Fonte: Marques, 2005, p. 33.
A zona fundida (ZF) é resultado da fusão do metal base com o metal de adição
produzindo uma zona com composição freqüentemente diferente do metal base. Este par
de metais dissimilares pode ser suscetível à corrosão galvânica macroscópica (ASM
Handbook, 1993). A região do metal base que tem sua estrutura e/ou suas propriedades
alteradas pelo calor de soldagem é chamada zona termicamente afetada (ZTA). Toda
posição na zona termicamente afetada relativa à linha de fusão possui uma única
experiência térmica durante a soldagem, em termos de temperatura máxima e taxa de
resfriamento, sendo que cada posição possui suas próprias características
microestruturais e suscetibilidade à corrosão (ASM Handbook, 2003).
De acordo com a forma que é executada, a soldagem pode ser classificada em manual,
semi-automática, mecanizada e automática. Na soldagem manual toda operação é
realizada e controlada manualmente pelo soldador. Na semi-automática o controle da
14
alimentação do arame do metal de adição é automático, mas com controle manual pelo
soldador do posicionamento da tocha e de seu deslocamento. Na soldagem mecanizada
o controle da alimentação do metal de adição é automático e o controle do deslocamento
do cabeçote é feito pelo equipamento, mas com posicionamento e acionamento do
equipamento e supervisão da operação sob controle do operador de soldagem. Na
soldagem automática existe o controle de praticamente de todas as operações
necessárias. Os sistemas de soldagem automática podem ser divididos em duas classes:
(a) sistemas dedicados, projetados para executar uma operação específica de soldagem,
sem flexibilidade para mudanças no processo, (b) sistemas com robôs, programáveis e
apresentando uma flexibilidade relativamente grande para alterações no processo
(Marques, 2005).
2.2.1 Processos de soldagem
Uma forma de classificação dos processos de soldagem consiste em agrupá-los em dois
grandes grupos baseando-se no método dominante para produzir a solda: (a) processos
de soldagem por pressão (ou por deformação) e (b) processos de soldagem por fusão. O
primeiro método consiste em deformar a superfície de contato, permitindo a
aproximação dos átomos (FIG. 2.8). As peças podem ser aquecidas localmente de modo
a facilitar a deformação da superfície de contato. O segundo método se baseia na
aplicação localizada de calor na região de união até a sua fusão e do metal de adição
(quando este é utilizado), destruindo as superfícies de contato e produzindo a união pela
solidificação do metal fundido (FIG. 2.9) (Marques, 2005).
FIGURA 2.8 - Soldagem por pressão ou deformação.
Fonte: Marques, 2005, p. 20.
15
FIGURA 2.9 - (a) Representação esquemática da soldagem por fusão. (b) Macrografia de uma junta
soldada.
Fonte: Marques, 2005, p. 21.
2.2.1.1 Processos de soldagem por fusão
Os processos de soldagem por fusão podem ser separados em subgrupos de acordo com
o tipo de fonte de energia usada para fundir as peças. Dentre estes, os processos de
soldagem a arco (fonte de energia arco elétrico) são os de maior importância. Todos
estes processos utilizam, como fonte de calor para a fusão localizada, o arco que é uma
descarga elétrica em um meio gasoso parcialmente ionizado. Na maioria dos casos, o
arco elétrico é mantido entre um eletrodo cilíndrico e o metal base, existindo, contudo,
processos em que o metal base não faz parte do circuito elétrico ou que utilizam
eletrodos de diferentes formas ou diversos eletrodos simultaneamente. Em geral, o
eletrodo é fundido pelo arco e fornece metal de adição para a solda (soldagem com
eletrodos consumíveis), existindo, porém, processos em que o eletrodo (em geral, de
tungstênio ou grafite) não se funde de forma apreciável (soldagem com eletrodos não
consumíveis).
Nos processos de soldagem a arco, a quantidade de calor fornecida à junta e, portanto,
as dimensões e o formato do cordão de solda dependem da corrente e tensão elétricas
fornecidas ao arco e, na grande maioria dos processos, da velocidade de soldagem (isto
é, a velocidade com que o arco é deslocado ao longo da junta).
A corrente de soldagem pode variar de valores inferiores a 1A (na soldagem
microplasma) a valores superiores a 1000 ou 2000A (em processos como a soldagem ao
16
arco submerso). Esta variável afeta, de forma importante, a penetração do cordão de
solda e a velocidade de fusão do eletrodo (e, portanto, a taxa de deposição).
A tensão de soldagem varia tipicamente de menos de 10V a valores que podem superar
100V (na soldagem a plasma). Esta, em geral, controla o comprimento do arco (isto é, a
separação entre o eletrodo e o metal base ou entre os eletrodos que mantêm o arco) e a
largura do cordão de solda.
Por fim, quando a fonte de calor se desloca ao longo da junta, a velocidade de soldagem
controla a quantidade de calor que é fornecida. Quanto maior for a velocidade de
soldagem, menor será a quantidade de energia recebida por unidade de comprimento da
junta e, em geral, menores serão as dimensões do cordão.
Finalmente, deve-se deixar claro que, para se garantir uma estabilidade e controle
adequado do processo e se obter um cordão de solda com um formato adequado, não se
pode selecionar valores de corrente, tensão e velocidade de soldagem de forma
independente. Cada processo de soldagem a arco possui uma extensa lista de variáveis
adicionais que devem ser levadas em consideração ao se determinar as condições de
soldagem para uma dada aplicação (Marques, 2005).
Os principais processos de soldagem a arco serão apresentados com uma descrição
sucinta de suas características. Uma ênfase maior será dada ao processo de soldagem a
arco GMAW (Gas Metal Arc Welding), por ser o processo utilizado neste trabalho.
2.2.1.1.1 Processo de soldagem SMAW (Shielded Metal Arc Welding)
A soldagem a arco com eletrodos revestidos (SMAW) é um processo no qual a união dos
metais é obtida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo
especial revestido e a peça que está sendo soldada. O eletrodo é formado por um núcleo
metálico ("alma"), com 250 a 500mm de comprimento, revestido por uma camada de
minerais (argila, fluoretos, carbonatos, etc) e/ou outros materiais (celulose, ferro ligas,
etc), com um diâmetro total típico entre 2 e 8mm. A alma do eletrodo conduz a corrente
17
elétrica e serve como metal de adição. O revestimento gera escória e gases que
protegem da atmosfera a região que está sendo soldada e estabilizam o arco. O
revestimento pode ainda conter elementos que são incorporados à solda, influenciando
sua composição química e características metalúrgicas. O processo é mostrado
esquematicamente na FIG. 2.10 e o QUADRO 2.1 apresenta as suas vantagens,
limitações e aplicações principais (Marques, 2005).
FIGURA 2.10 - Desenho esquemático de uma soldagem com eletrodo revestido.
Fonte: Marques, 2005, p. 181.
QUADRO 2.1 - Vantagens, limitações e aplicações principais do processo SMAW.
Vantagens e Limitações Aplicações
Pouco sensível à presença de correntes de ar
(trabalho no campo).
Soldagem de produção, manutenção e em
montagens no campo.
Não necessita fluxos ou gases externos. Soldagem de aços carbono e ligado.
Equipamento simples, portátil e barato. Soldagem de ferro fundido.
Processo muito versátil em termos de materiais
soldáveis.
Soldagem de alumínio, níquel e suas ligas.
Facilidade para atingir áreas de acesso restrito.
Aplicação difícil para materiais reativos.
Produtividade relativamente baixa.
Exige limpeza após cada passe.
18
2.2.1.1.2 Processo de soldagem GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)
A soldagem a arco gás-tungstênio (GTAW) é um processo no qual a união de peças
metálicas é obtida pelo aquecimento e fusão destas por um arco elétrico estabelecido
entre um eletrodo não consumível de tungstênio e as peças a unir. A proteção do
eletrodo e da zona da solda é feita por um gás inerte, normalmente o argônio, ou mistura
de gases inertes (Ar e He). O metal de adição pode ser utilizado ou não. A soldagem
GTAW pode ser usada na forma manual ou mecanizada e é considerada como um dos
processos de soldagem a arco que permite um melhor controle das condições
operacionais. Permite a execução de soldas de alta qualidade e excelente acabamento,
particularmente em juntas de pequena espessura (inferior a 10mm e mais comumente
entre 0,2 e 3mm). A FIG. 2.11 mostra esquematicamente o processo e o QUADRO 2.2
apresenta as vantagens, limitações e aplicações principais (Marques, 2005).
FIGURA 2.11 - Desenho esquemático de uma soldagem GTAW.
Fonte: Marques, 2005, p. 205.
QUADRO 2.2 - Vantagens, limitações e aplicações principais do processo GTAW.
Vantagens e Limitações Aplicações
Permite soldagem sem o uso de metal de adição. Soldagem de precisão ou de elevada qualidade.
Permite mecanização e automação do processo. Execução do passe de raiz em tubulações.
Produz soldas de alta qualidade e excelente
acabamento.
Soldagem de ligas especiais, não ferrosas e
materiais exóticos.
Exige pouca ou nenhuma limpeza após a
soldagem.
Soldagem de peças de pequena espessura e
tubulações de pequeno diâmetro.
19
2.2.1.1.3 Processo de Soldagem FCAW (Flux Cored Arc Welding)
A soldagem a arco com eletrodo tubular (FCAW) é um processo no qual a coalescência
dos metais é obtida pelo aquecimento destes por um arco entre um eletrodo tubular
contínuo e a peça. O eletrodo tubular apresenta internamente um fluxo que desempenha
funções similares ao revestimento do eletrodo em SMAW, isto é, estabilização do arco,
ajuste de composição da solda, proteção, etc. O processo apresenta duas variações
principais: soldagem auto-protegida, em que o fluxo fornece toda a proteção necessária
na região do arco, e soldagem com proteção gasosa, em que parte da proteção é
fornecida por um gás, de forma semelhante ao processo GMAW. Em ambas as formas,
ele é operado, na maioria das aplicações, na forma semi-automática, utilizando
basicamente o mesmo equipamento do processo GMAW. O QUADRO 2.3 mostra as
principais vantagens, limitações e aplicações do processo (Marques, 2005).
QUADRO 2.3 - Vantagens, limitações e aplicações principais do processo FCAW.
Vantagens e Limitações Aplicações
Elevada produtividade e eficiência. Soldagem de aços carbono e ligados.
Soldagem em todas as posições. Soldagem de partes de veículos.
Produz soldas de boa qualidade e aparência.
Soldagem em fabricação, manutenção e em
montagem no campo.
Equipamento relativamente caro.
Pode gerar elevada quantidade de fumos.
Necessita limpeza após soldagem.
Custo relativamente baixo.
2.2.1.1.4 Processo de Soldagem SAW (Submerged Arc Welding)
A soldagem ao arco submerso (SAW) é um processo em que a união entre metais é
obtida pelo aquecimento e fusão destes com um arco elétrico estabelecido entre um
eletrodo metálico contínuo e a peça de trabalho. O arco é protegido por uma camada de
material fusível granulado (fluxo) que é colocado sobre a peça enquanto o eletrodo, na
forma de arame, é alimentado continuamente. O fluxo na região próxima ao arco é
fundido, protegendo o arco e a poça de fusão e formando, posteriormente, uma camada
20
sólida de escória sobre o cordão. A FIG. 2.12 ilustra o processo e o QUADRO 2.4
apresenta as principais vantagens, limitações e aplicações do processo (Marques, 2005).
FIGURA 2.12 - Desenho esquemático de uma soldagem SAW.
Fonte: Marques, 2005, p. 263.
QUADRO 2.4 - Vantagens, limitações e aplicações principais do processo SAW.
Vantagens e Limitações Aplicações
Ausência de respingos e fumos. Soldagem de aços carbono e ligados.
Facilmente mecanizado. Soldagem de níquel e suas ligas.
Elevada produtividade. Recobrimento, manutenção e reparo.
Altas velocidades de soldagem e taxas de
deposição.
Soldagem de membros estruturais e tubos de
grande diâmetro.
Necessário retirar a escória entre passes.
Soldagem em fabricação de peças pesadas de
aço.
Produz soldas uniformes e de bom acabamento
superficial.
Dispensa proteção contra radiação devido ao
arco não visível.
Aporte térmico elevado pode prejudicar
propriedades da junta em alguns casos.
2.2.1.1.5 Processo de soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding)
O processo de soldagem GMAW é um processo de soldagem a arco em que a união é
obtida pelo aquecimento destas com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo
metálico contínuo, consumível e a peça de trabalho. O metal de solda e o arco são
21
protegidos da atmosfera por meio de um fluxo de gás, ou mistura de gases inertes ou
ativos. Se este gás é inerte (Ar/He), o processo é também chamado MIG (Metal Inert
Gas). Por outro lado, se o gás for ativo (CO
2
ou misturas Ar/O
2
/CO
2
), o processo é
chamado MAG (Metal Active Gas) (ASM Handbook, 1993; Marques, 2005). A FIG.
2.13 ilustra o processo.
FIGURA 2.13 - Desenho esquemático de uma soldagem GMAW.
Fonte: Kou, 2003, p. 31 - modificada.
O processo GMAW é normalmente um processo semi-automático, mas pode ser operado
também no modo automático. No processo semi-automático a alimentação de arame é
feita mecanicamente e o soldador é responsável pela interrupção da soldagem, além de
mover a tocha ao longo da junta. A manutenção do arco é garantida pela alimentação
contínua do arame eletrodo, e o comprimento do arco são mantidos aproximadamente
constantes pelo próprio sistema. O calor gerado pelo arco funde continuamente o arame
eletrodo, que é transferido para a junta, à medida que esta é alimentada a poça de fusão,
e constitui o metal de adição. Todas as ligas comercialmente importantes, como aço
carbono, aços inoxidáveis, alumínio, cobre e ligas de níquel podem ser soldadas em
todas as posições por esse processo, se o gás de proteção, os eletrodos e os parâmetros
de soldagem apropriados são escolhidos (ASM Handbook, 1993).
As principais vantagens deste processo quando comparadas à soldagem com eletrodo
revestido, arco submerso e GTAW são: a soldagem pode ser feita em todas as posições
(quando parâmetros apropriados são usados), alta taxa de deposição, não há necessidade
de remoção de escória, alta velocidade de soldagem, menos distorção nas peças,
22
versatilidade quanto ao tipo de material e espessura aplicável, não há perdas de pontas
como no eletrodo revestido e exigência de menor habilidade do soldador (ESAB, 2004;
Marques, 2005). Essas vantagens fazem deste processo o mais adequado à soldagem
automática e, com o advento dos robôs, à soldagem robotizada (ASM Handbook, 1993).
Na soldagem com eletrodos consumíveis, o metal fundido na ponta do eletrodo tem que
ser transferido para a poça de fusão. O modo de ocorrência desta transferência afeta as
características do processo, como: estabilidade do arco, a quantidade de gás absorvida
pelo metal fundido e o nível de respingos gerados. Os fatores que mais influenciam o
tipo de transferência são: magnitude e tipo de corrente de soldagem, diâmetro, extensão
e composição do eletrodo e gás de proteção (ASM Handbook, 1993; Marques, 2005).
Existem quatro formas básicas de transferência metálica:
• Curto-circuito: ocorre quando se usam baixos valores de corrente e tensão e
eletrodos com diâmetros pequenos. Usado na união de peças de pequena espessura e na
soldagem fora de posição, por produzir uma poça de fusão pequena e com rápido
resfriamento. O metal fundido na ponta do eletrodo é transferido do eletrodo para a poça
de fusão quando este toca a superfície da poça, como conseqüência da ação da tensão
superficial.
• Globular: ocorre com valores intermediários de corrente e tensão. O diâmetro médio
das gotas é geralmente maior que o diâmetro do eletrodo. As gotas de metal fundido são
transferidas do eletrodo para a poça de fusão principalmente pela ação da gravidade.
• Spray (aerosol): ocorre com valores de corrente acima do valor crítico, denominada
corrente de transição. A transferência do metal fundido para a poça de fusão ocorre na
forma de pequenas gotas, com diâmetros menores que o diâmetro do eletrodo, e em
número elevado, pela ação de várias forças de origem eletromagnética.
• Pulsada: ocorre com a introdução de perturbações controladas na corrente de
soldagem e/ou na alimentação de arame, possível na soldagem com fontes eletrônicas.
A transferência é conseguida pela pulsação da corrente de soldagem em dois patamares,
um inferior a corrente de transição (faixa de valores de corrente onde há uma mudança
brusca no modo de transferência, passando de globular para spray) e outro superior a
23
esta, a gota se forma quando o valor de corrente é baixo e é transferida quando o valor
da corrente se eleva.
O equipamento básico para a soldagem GMAW é composto por uma fonte de energia,
tocha de soldagem, fonte de gás protetor, alimentador de arame, além de cabos e
mangueiras, como apresentado na FIG. 2.14 (Marques, 2005).
FIGURA 2.14 - Equipamento básico para soldagem GMAW.
Fonte: Marques, 2005, p. 244.
A fonte de energia possui, em geral, uma saída de tensão constante, regulável entre 15 e
50V, que é usada em conjunto com um alimentador de arame de velocidade regulável
entre cerca de 1 e 20m/min. Este sistema ajusta automaticamente o comprimento do
arco através de variações da corrente. Na soldagem GMAW, utiliza-se em praticamente
todas as aplicações corrente contínua com o eletrodo ligado ao pólo positivo (CC+).
A tocha possui um contato elétrico deslizante (bico de contato), orifícios para passagem
de gás de proteção, bocal para dirigir o fluxo de gás e interruptor para acionamento do
processo. O alimentador de arame é composto basicamente de um motor, sistema de
controle da velocidade do motor e rolos para impulsão do arame A FIG. 2.15 ilustra
uma tocha de soldagem do processo GMAW e a FIG. 2.16 apresenta alimentadores de
arame típicos do processo. A fonte de gás consiste normalmente em um cilindro de gás
ou mistura de gases a serem usados na proteção do cordão de solda e reguladores de
pressão e/ou de vazão. (Marques, 2005).
24
FIGURA 2.15 - Tochas para soldagem GMAW.
Fonte: Marques, 2005, p. 247.
a b c
FIGURA 2.16 - (a) Alimentador de arame, (b) sistema com um par de roletes de alimentação, (c) sistema
com dois pares de roletes de alimentação.
Fonte: Marques, 2005, p. 247.
Variáveis do processo
As variáveis importantes do processo GMAW que afetam a penetração da solda, a
geometria do cordão e a qualidade geral da solda são: corrente, tensão e velocidade de
soldagem, diâmetro do eletrodo, gás de proteção e ângulo da tocha.
O conhecimento e o controle dessas variáveis são essenciais para se obter uma solda de
qualidade. Por não serem completamente independentes umas das outras, a modificação
em uma variável geralmente requer mudança em uma ou mais outras variáveis para se
alcançar os resultados desejados.
Consumíveis
Os dois elementos consumíveis essenciais do processo GMAW são o arame eletrodo e o
gás de proteção.
Os arames para soldagem são constituídos de metais ou ligas que possuem composição
química, dureza, condições superficiais e dimensões bem controladas. Os arames de aço
25
utilizados na soldagem GMAW são usualmente cobreados. A camada de cobre protege o
arame contra a oxidação e melhora o contato elétrico entre este e o bico de contato na
tocha de soldagem. Os arames para soldagem de aços podem ter seção inteiramente
metálica, chamados de arames sólidos, ou ser do tipo tubular, preenchidos com fluxo ou
uma mistura de pó metálico, em inglês são utilizadas as denominações flux cored e
metal cored, respectivamente para os dois tipos de arame (Marques, 2005).
As características físicas dos eletrodos usados são importantes para o sucesso da
soldagem, devendo possuir bobinagem uniforme sem voltas sobrepostas ou dobras,
acabamento superficial liso, livre de lascas, riscos ou incrustações e diâmetro uniforme.
Os eletrodos usados para a soldagem de aços inoxidáveis ferríticos são geralmente de
três tipos: (1) composição química próxima a do metal base, (2) aços inoxidáveis
austeníticos, (3) ligas de níquel. A aplicação de aços inoxidáveis ferríticos como
eletrodo para soldagem é ainda limitada por proporcionar uma baixa tenacidade na zona
termicamente afetada. A dificuldade de transferir alumínio e titânio através do arco
elétrico limita a utilização de eletrodos com fluxos e revestidos com metais de
composição química similar a do metal base. Eletrodos de aços inoxidáveis austeníticos
ou de ligas de níquel são freqüentemente selecionados na soldagem de aços inoxidáveis
ferríticos ou destes com outro material por permitir obter uma zona fundida dúctil e
tenaz, que não necessita de qualquer tratamento térmico pós soldagem. Pode-se
considerar que as propriedades da junta como um todo são melhoradas, devido a
pequena largura da zona termicamente afetada (ZTA) e da zona fundida (ZF) (AWS,
1982; Modenesi, 2001).
A função primária do gás de proteção é proteger a poça de fusão da contaminação e
danos causados pela atmosfera e manter o arco elétrico. Os fatores que afetam a escolha
do gás de proteção são as características do arco e da transferência metálica durante a
soldagem, penetração, velocidade de soldagem, tendência à mordedura e o custo da
operação (Marques, 2005).
26
Os gases utilizados podem ser inertes ou ativos ou misturas destes. Gases inertes puros
são usados na soldagem de metais não ferrosos. Na soldagem de ferrosos a adição de
pequenas quantidades de gases ativos melhora a estabilidade do arco e a transferência
do metal. As misturas de gases, tanto ativos quanto inertes, permitem melhores
condições de soldagem em determinadas situações. A FIG. 2.17 mostra o efeito das
misturas de gases de proteção no perfil de solda.
FIGURA 2.17 - Efeito da mistura dos gases de proteção no perfil de solda, usando corrente direta e
eletrodo positivo.
Fonte: ASM Handbook, 2003, p. 170 - modificada.
Nos últimos anos, foi observado que misturas gasosas ternárias ou mesmo
multicomponentes específicos apresentam melhores resultados em uma operação de
soldagem em condições particulares. Misturas específicas tem sido propostas para a
soldagem de aços inoxidáveis austeníticos, filete vertical em aço carbono, soldagem
robotizada, etc., resultando em menor consumo, melhor penetração, menor nível de
respingos, perfil de cordão mais adequado, entre outros. O QUADRO 2.5 mostra os
principais gases e misturas utilizados na soldagem GMAW (Marques, 2005).
QUADRO 2.5 - Gases e misturas usados na soldagem GMAW.
Gás ou mistura Comportamento Químico
Aplicações
Argônio Inerte Todos os metais, exceto aço
Hélio Inerte Al, Mg, Cu e suas ligas. Alta penetração.
Ar + He (20-50%) Inerte Idem ao He, porém melhor que 100% de He.
Nitrogênio - Cobre, maior energia de soldagem.
Ar + 20-30% N
2
- Idem ao N
2
, porém melhor que 100%de N
2
.
Ar + 1-2% O
2
Ligeiramente oxidante Aços inoxidáveis e algumas ligas de cobre
Ar + 3-5% O
2
Oxidante Aços carbono e alguns aços de baixa liga
CO
2
Oxidante Aços carbono e alguns aços de baixa liga
Ar + 20-50% CO
2
Oxidante Aços (transferência por curto cicuito)
Ar +CO
2
+ O
2
Oxidante Aços
27
2.3 Fundamentos de corrosão
A corrosão pode ser definida como a destruição ou a deterioração de materiais por ação
química, eletroquímica ou física do meio ambiente aliada ou não a esforços mecânicos.
Pode-se considerar também a corrosão como o inverso do processo metalúrgico, cujo
objetivo principal é a extração do metal a partir de seus minérios ou de outros
compostos ao passo que a corrosão tende a oxidar o metal, como indicado na FIG. 2.18
(Gentil, 2003; Fontana,1978). A corrosão pode incidir sobre diversos tipos de materiais,
sejam metálicos como os aços e outras ligas metálicas, ou não metálicos, como
plásticos, cerâmicas ou concreto.
FIGURA 2.18 - Inverso do processo metalúrgico.
Os processos de corrosão são considerados reações químicas (também denominada em
meio não aquoso ou corrosão seca) ou reações eletroquímicas (também denominada
corrosão em meio aquoso) que ocorrem geralmente na superfície de separação entre o
metal e o meio corrosivo. Essa distinção entre os dois processos, corrosão aquosa e
corrosão seca, justifica-se por algumas diferenças nos mecanismos da reação de
natureza eletroquímica que ocorre em soluções aquosas, comparadas com a formação da
fina camada de óxido em contato com o ar ou outra atmosfera oxidante a altas
temperaturas (Gentil, 2003; ASM Handbook, 2003).
28
Os processos de corrosão química são, por vezes, denominados corrosão ou oxidação
em altas temperaturas. Tais processos corrosivos se caracterizam basicamente por:
ausência da água líquida; temperaturas, em geral, elevadas, interação direta entre o
metal e o meio corrosivo.
Os processos de corrosão eletroquímica se caracterizam basicamente por ocorrerem na
presença de água no estado líquido; grande maioria na temperatura ambiente; formação
de uma pilha ou célula de corrosão, com a circulação de elétrons na superfície metálica.
As reações eletroquímicas envolvem mudanças de valência, que é a oxidação ou a
redução dos elementos. Oxidação é a retirada de elétrons, resultando em um aumento do
número de valência, e redução é a adição de elétrons, diminuindo assim a valência.
Essas reações são definidas como reações catódicas que resultam na redução, e reações
anódicas, resultando na oxidação, descritas nas equações EQ. 2.1 e EQ. 2.2 (ASM
Handbook, 2003):
M
2+
(aq) + 2e
-
? M(s) (EQ. 2.1)
M(s) ? M
2+
(aq) + 2e
-
(EQ. 2.2)
Como nessas reações estão envolvidos conhecimentos de eletroquímica, serão
apresentadas algumas considerações básicas sobre potencial de eletrodo, polarização e
passivação.
2.3.1 Potencial de eletrodo
Eletrodo é o sistema formado pelo metal e pela solução eletrolítica vizinha ao metal.
Para o caso do cobre, por exemplo, pode se representar como se vê na FIG. 2.19,
átomos de cobre sendo oxidados a íons de cobre e, em outras áreas íons de cobre sendo
reduzidos a cobre metálico (Gentil, 2003).
29
FIGURA 2.19 - Sistema metal solução eletrolítica para o cobre.
Fonte: ASM Handbook, 2003, p. 31.
O potencial de eletrodo mostra a tendência de uma reação se passar no eletrodo e a
medida da facilidade com que os átomos do eletrodo perdem elétrons ou a facilidade
com que os íons recebem elétrons. O potencial de eletrodo é um importante parâmetro
do processo de corrosão. Este potencial é usado nos cálculos de corrosão e pode ser
medido tanto em laboratório, quanto em campo (Gentil 2003; ASM Handbook 2003).
O potencial de um eletrodo pode ser determinado pela medida do potencial em uma
célula eletroquímica entre este eletrodo e um eletrodo de potencial constante,
denominado eletrodo de referência. Assim os valores relativos de potenciais podem ser
determinados experimentalmente usando-se o eletrodo padrão de hidrogênio que foi
escolhido como referência e, arbitrariamente fixado como tendo potencial zero. O
potencial de eletrodo padrão de um elemento é a diferença de potencial, expressa em
volt, entre o elemento e uma solução 1M (molar) de seus íons em relação ao eletrodo
normal de hidrogênio. O QUADRO 2.6 representa as tendências de corrosão de vários
metais; aqueles na parte superior são mais nobres ou quimicamente inertes, ao mover
para baixo na tabela, os metais tornam-se cada vez mais ativos, mais suscetíveis a sofrer
oxidação (corrosão) (Callister, 2002).
30
QUADRO 2.6 - Quadro de potenciais de eletrodo padrão (ASM Handbook, 1994).
Reação do Eletrodo Potencial Padrão de Redução (25º) E (V)
Au
3+
+ 3e
-
→ Au
1,50
Pd
2+
+ 2e
-
→ Pd
0,987
Hg
2+
+ 2e
-
→ Hg
0,854
Ag
+
+ e
-
→ Ag
0,800
Hg
2
2+
+ 2e
-
→ 2 Hg
0,789
Cu
+
+ e
-
→ Cu
0,521
Cu
2+
+ 2e
-
→ Cu
0,337
2H
+
+ 2e
-
→ H
2
0,000 (Referência)
Pb
2+
+ 2e
-
→ Pb
-0,126
Sn
2+
+ 2e
-
→ Sn
-0,136
Ni
2+
+ 2e
-
→ Ni
-0,250
Co
2+
+ 2e
-
→ Co
-0,277
TI
+
+ e
-
→ TI
-0,336
In
3+
+ 3e
-
→ In
-0,342
Cd
2+
+ 2e
-
→ Cd
-0,403
Fe
2+
+ 2e
-
→ Fe
-0,440
Ga
3+
+ 3e
-
→ Ga
-0,530
Cr
3+
+ 3e
-
→ Cr
-0,740
Cr
2+
+ 2e
-
→ Cr
-0,910
Zn
2+
+ 2e
-
→ Zn
-0,763
Mn
2+
+ 2e
-
→ Mn
-1,180
Zr
4+
+ 4e
-
→ Zr
-1,530
Ti
2+
+ 2e
-
→ Ti
-1,630
Al
3+
+ 3e
-
→ Al
-1,660
Hf
4+
+ 4e
-
→ Hf
-1,700
U
3+
+ 3e
-
→ U
-1,800
Be
2+
+ 2e
-
→ Be
-1,850
Mg
2+
+ 2e
-
→ Mg
-2,370
Na
+
+ e
-
→ Na
-2,710
Ca
2+
+ 2e
-
→ Ca
-2,870
K
+
+ e
-
→ K
-2,930
Li
+
+ e
-
→ Li
-3,050
31
2.3.2 Pilhas eletroquímicas
Basicamente a pilha de corrosão eletroquímica é constituída de quatro elementos
fundamentais (FIG. 2.20):
• Área anódica: superfície onde verifica-se a corrosão (reações de oxidação).
• Área catódica: superfície protegida onde não há corrosão (reações de redução).
• Eletrólito: solução condutora ou condutor iônico que envolve simultaneamente
as áreas anódicas e catódicas.
• Ligação elétrica entre as áreas anódicas e catódicas.
FIGURA 2.20 - Esquema de pilha eletroquímica.
Fonte: Gentil, 2003, p. 30.
O aparecimento das pilhas de corrosão é conseqüência da diferença de potencial entre
seus eletrodos. Um conceito importante, aplicável às pilhas de corrosão, é o da reação
de oxidação e redução. As reações da corrosão eletroquímica envolvem sempre reações
de oxi-redução. Na área anódica onde se processa a corrosão ocorrem reações de
oxidação, sendo a principal a de passagem do metal da forma reduzida para a forma
iônica. Na área catódica, que é uma área protegida (não ocorre corrosão), as reações são
de redução de íons do meio corrosivo. Entre as pilhas eletroquímicas podemos destacar:
pilhas galvânicas, pilha de concentração, e pilha de temperaturas diferentes (Gentil,
2003).
32
A pilha galvânica surge sempre que dois metais ou ligas metálicas diferentes são
colocados em contato elétrico na presença de um eletrólito. A diferença de potencial da
pilha será mais acentuada quanto mais distante estiverem os materiais na tabela de
potenciais no eletrólito considerado. Pode-se considerar como exemplos particulares de
pilhas de eletrodos metálicos diferentes as chamadas pilhas ativa-passiva (ocorre nos
materiais formadores de película) e de ação local (aparece em um metal devido a
heterogeneidades diversas, decorrentes de composição química, textura do material,
tensões internas, dentre outras) (Gentil, 2003).
A pilha de concentração surge quando se tem materiais metálicos de mesma natureza,
mas que podem originar uma diferença de potencial, ocasionando processos de
corrosão. Ocorre quando o mesmo material metálico é exposto a concentrações
diferentes de um mesmo eletrólito, pilha de concentração iônica, ou em contato com o
mesmo eletrólito, porém em locais em que os teores de gases dissolvidos são diferentes,
pilha de aeração diferencial. A pilha de concentração iônica ocorre porque o eletrodo
torna-se mais ativo quando decresce a concentração de seus íons no eletrólito. Esta pilha
é muito freqüente em frestas quando o meio corrosivo é líquido. Neste caso, o interior
da fresta recebe pouca movimentação de eletrólito, tendendo a ficar mais concentrado
em íons de metal (área catódica), enquanto que a parte externa da fresta fica menos
concentrada (área anódica), com conseqüente corrosão das bordas da fresta. A pilha de
aeração diferencial ocorre porque a diferença de concentração de oxigênio origina uma
diferença de potencial, funcionando o eletrodo mais aerado como catodo e o menos
aerado como anodo (Gentil, 2003).
A pilha de temperaturas diferentes é constituída de eletrodos do mesmo material
metálico, porém os eletrodos estão em diferentes temperaturas. È chamado também de
pilha termogalvânica e é responsável pela corrosão termogalvânica (Gentil, 2003).
33
2.3.3 Polarização
A polarização pode ser definida como o deslocamento de cada potencial de eletrodo do
seu valor de equilíbrio, e a magnitude deste deslocamento é o sobrepotencial, como
mostrado na EQ. 2.3 (Callister, 2002).
η = E’ - E (EQ. 2.3)
Os fenômenos de polarização promovem a aproximação dos potenciais das áreas
anódicas e catódicas e produzem aumento na resistência ôhmica do circuito, limitando a
velocidade do processo corrosivo. Devido a existência destes fenômenos as taxas de
corrosão observadas na prática são substancialmente inferiores àquelas que ocorreriam
caso as pilhas de corrosão funcionassem ativamente em todas as condições dos
processos corrosivos. A polarização pode ocorrer pela presença de meio oxidante,
diferenças de concentração iônica, diferença de temperatura e aeração e pela presença
de uma fonte externa. A polarização eletroquímica pode ser dividida em três tipos
principais (Gentil, 2003):
• Polarização por concentração refere-se às reações eletroquímicas controladas pelo
processo de difusão de íons no eletrólito. Este tipo de polarização ocorre
freqüentemente em eletrólitos parados ou com pouco movimento. O efeito de
polarização resulta do aumento de concentração de íons do metal em torno da área
anódica (baixando o seu potencial na tabela de potenciais) e a diminuição de
concentração de íons H
+
no entorno da área catódica. Caso o eletrólito possua
movimento, ambas as situações não devem acontecer.
• Polarização por ativação refere-se ao processo eletroquímico controlado por uma
seqüência de reações na interface metal-eletrólito. Este tipo de polarização ocorre
devido ao sobrepotencial de gases no entorno dos eletrodos.
• Polarização ôhmica corresponde a queda ôhmica de potencial através de uma porção
do eletrólito ao redor do eletrodo ou filme formado como produto de corrosão. A
polarização ôhmica ocorre devido a precipitação de compostos que se tornam insolúveis
com a elevação do pH no entorno das áreas catódicas.
34
2.3.4 Passivação
O fenômeno de passividade metálica se refere à perda de reatividade química que
alguns metais e ligas apresentam em determinados meios. Ou seja, alguns sistemas
metálicos se comportam como metais nobres. A passivação é um processo que depende
do material e do meio. Geralmente admite-se que o comportamento de passivação seja
resultado da formação de um filme óxido aderente e muito fino na superfície metálica
ou por um estado oxidado da superfície, que impede o contato entre o metal e o meio
corrosivo (Bottrel, 1992; Callister, 2002; Gentil, 2003).
O fenômeno de passivação pode ser explicado em termos de curvas do potencial de
polarização em função do logaritmo da densidade de corrente. A FIG. 2.21 ilustra a
curva de polarização para um metal que se passiva em um determinado meio Em
valores de potencial relativamente baixos, dentro da região ativa, o comportamento é
linear. Com o aumento do potencial, a densidade de corrente diminui repentinamente até
um valor muito baixo, que permanece independente do potencial, é a região passiva.
Assim podemos definir a passivação como um estado da superfície do metal
caracterizado pela baixa taxa de corrosão em uma região que é fortemente oxidante para
o metal (Callister, 2002; ASM Handbook, 2003).
FIGURA 2.21 - Curva esquemática de polarização para um metal que exibe uma transição ativa-passiva.
Fonte: Roberge, 1999, p. 527 - modificada.
35
2.3.5 Meios Corrosivos
A corrosão envolve a interação (reação) entre o material e o meio. Deve-se destacar a
importância do meio em contato com a superfície metálica, pois a corrosão é afetada
pelas propriedades do material e do meio.
Os principais meios corrosivos mais encontrados são (Gentil, 2003):
• Atmosfera: A ação corrosiva da atmosfera depende da umidade relativa, das
substâncias poluentes – particulados e gases – e da temperatura. O eletrólito constitui-se
da água que condensa na superfície metálica, na presença de sais ou gases presentes no
ambiente;
• Solo: a corrosão do solo é influenciada pela natureza do solo e essa pode ser
influenciada por variáveis como pH, presença de água, gases e sais solúveis,
resistividade elétrica, condições climáticas, emprego de fertilizantes, aeração, condições
microbiológicas, etc. O eletrólito constitui-se principalmente da água com sais
dissolvidos;
• Águas naturais: A ação corrosiva irá depender de substâncias que podem estar
contaminando a mesma, como gases e sais dissolvidos, matéria orgânica, sólidos
suspensos, bactérias, fungos e limos. O eletrólito constitui-se principalmente da água
com sais dissolvidos;
• Produtos químicos: os produtos químicos, desde que em contato com água ou com
umidade e formem um eletrólito, podem provocar corrosão eletroquímica. Os fatores
que influenciam são vários e complexos, entre eles podemos citar a pureza do metal,
natureza da superfície metálica, pureza do produto químico, concentração, aeração e
temperatura;
• Água do mar: A água do mar em virtude da presença acentuada de sais, é um
eletrólito por excelência. Outros constituintes como gases dissolvidos e matéria
orgânica podem acelerar os processos corrosivos. Os materiais ficam expostos a
variáveis como a presença de diferentes concentrações de sais, temperatura variável,
crescimento de vida biológica, presença de agentes poluentes e áreas de exposição
diferentes.
36
• Metal líquido: A corrosão pode ocorrer devido a formação de ligas, formação de
compostos intermetálicos, penetração do metal líquido intergranularmente no metal
sólido e por transferência de massa. Ocorre devido ao material metálico ser solúvel no
composto ou no metal fundido.
As variáveis nos meios corrosivos, as quais incluem velocidade do fluido, temperatura e
composição (concentração e pH), podem ter uma influência decisiva no comportamento
frente à corrosão dos materiais que estão em contato com ele. Na maioria das vezes um
aumento da velocidade do fluido eleva a taxa de corrosão devido ao processo erosivo. A
taxa da maioria das reações eletroquímicas aumenta com o aumento da temperatura; isto
também domina na maioria das situações de corrosão. Aumentando-se a concentração
das espécies corrosivas, como por exemplo, íons de hidrogênio em soluções ácidas, em
muitas situações produz uma maior taxa de corrosão.
2.3.6 Tipos de corrosão
Podem-se classificar as formas de corrosão como (ASM Handbook, 2003):
• Corrosão generalizada: caracterizada pelo ataque uniforme. Dentro deste grupo
estão a corrosão atmosférica, corrosão induzida por microorganismos, a corrosão
galvânica, corrosão em metal líquido, corrosão a altas temperaturas, oxidação, etc.
• Corrosão localizada: compreende a corrosão por pite, crevice e filiforme.
• Corrosão associada a efeitos metalúrgicos: classificação baseada na influência dos
efeitos metalúrgicos na forma de ataque. Compreende a corrosão intergranular.
• Corrosão associada a solicitações mecânicas: são as formas de corrosão que contém
a associação do meio corrosivo com solicitações mecânicas. Incluem nesse grupo a
corrosão sob tensão (CST), a corrosão por atrito, corrosão erosão, cavitação, corrosão
fadiga, fragilização por hidrogênio e fragilização por metal líquido.
37
2.3.6.1 Corrosão por pite
A corrosão por pite é definida como uma forma de corrosão localizada que consiste na
formação de cavidades na superfície de pequena extensão e razoável profundidade. Este
tipo de corrosão é característica de materiais que formam a camada passiva e resulta da
atuação da pilha ativa-passiva nos pontos nos quais esta camada passiva é rompida. É
freqüentemente difícil de detectar devido ao pequeno tamanho das cavidades e por
estarem normalmente cobertos com produtos de corrosão (Fontana, 1978; ASM
Handbook, 2003).
A corrosão por pite ocorre nos metais e ligas mais comuns. Em ambientes contendo
concentrações apreciáveis de íons halogenetos (Cl
-1
, Br
-1
) a maioria dos materiais
passiváveis tende a corroer em áreas específicas e formar pites profundos. Os pites
podem ocorrer devido a heterogeneidades diversas que ocorrem no metal como,
composição química, textura do material, tensões internas, inclusões, dentre outras
(Gentil, 2003; ASM Handbook, 2003).
Como a corrosão por pite é uma forma de corrosão localizada, testes convencionais de
perda de massa não devem ser utilizados para propostas de avaliação e comparação. A
perda de metal é muito pequena e não indica a profundidade de penetração. Medidas da
profundidade de pite podem ser realizadas por exames metalográficos, pelo uso de
micrômetros e microscópios.
A suscetibilidade a corrosão por pite pode ser avaliada por meio de ensaios
eletroquímicos. As técnicas eletroquímicas utilizadas incluem: simples monitoramento
da variação do potencial com o tempo devido ao ataque por pite, testes potenciostáticos,
potenciodinâmicos, técnicas de polarização galvanostática, técnicas de potencial
constante, polarização cíclica, etc. Com os dados gerados por meio desses ensaios pode-
se avaliar o efeito do potencial, da temperatura, pH, concentração de cloretos,
tratamento térmico e dos elementos de liga na suscetibilidade à corrosão (Fontana,
1978; ASM Handbook, 2003).
38
2.3.6.2 Corrosão galvânica
A corrosão galvânica pode ocorrer quando dois metais diferentes, em contato, são
expostos a uma solução condutora. Durante a união galvânica, a corrosão do metal
menos resistente à corrosão aumenta e a superfície se torna anódica, enquanto que a
corrosão do metal mais resistente à corrosão diminui e a superfície se torna catódica. A
relação entre a área catódica e anódica possui grande influência na corrosão galvânica.
Deve-se obter uma relação menor possível para ter uma baixa densidade de corrente na
parte do metal, anodo, que está sendo corroída e consequentemente um desgaste menor
e mais uniforme.
2.3.6.3 Corrosão intergranular
Corrosão ou ataque intergranular é a dissolução seletiva de contornos de grão ou regiões
adjacentes sem que o grão como um todo sofra dissolução apreciável. A principal causa
da ocorrência deste fenômeno é que os contornos de grão são locais favoráveis a
precipitação e segregação, o que torna suas características muito diferentes do restante
do grão. A diferença de potencial eletroquímico entre as diferentes regiões constituídas
por precipitados, impurezas e/ou partículas de segunda fase é a responsável por este
fenômeno. (Bottrel, 1992; ASM Handbook, 2003).
Essa forma de corrosão pode ser causada por impurezas nos contornos de grãos,
enriquecimento em um dos elementos de liga ou esgotamento desses elementos em
regiões próximas aos contornos de grãos.
Os aços inoxidáveis sofrem corrosão intergranular devido à formação de uma zona
empobrecida em cromo ao longo dos contornos de grão, como conseqüência da
precipitação, neste local, de carbonitretos, nitretos (Cr
2
N) e carbonetos de cromo
(principalmente Cr
23
C
6
). Este empobrecimento de cromo produz muitas células
galvânicas localizadas (FIG. 2.22). Átomos de cromo desta região, que se encontravam
em solução sólida no aço, difundem-se para os contornos de grão, formando carbonetos
e nitretos, diminuindo a resistência à corrosão. A formação desta zona empobrecida em
39
cromo chama-se sensitização, porque torna o material sensível à corrosão intergranular
(Wolynec, 2003).
FIGURA 2.22 - Zonas empobrecidas adjacentes ao precipitado. Estas regiões causam um potencial
eletroquímico (E) diferente que podem promover corrosão localizada no nível microestrutural.
Fonte: ASM Handbook, 1993. p. 2593 - modificada.
2.3.6.4 Corrosão sob tensão
Na corrosão sob tensão (CST) tem-se a deterioração de materiais devido a ação
combinada de tensões residuais de tração ou aplicadas e meios corrosivos. De acordo
com Gentil (2003), existe uma ação sinergética da tensão e o meio corrosivo,
ocasionando a fratura em um tempo mais curto do que a soma das ações isoladas de
tensão e da corrosão.
O termo corrosão sob tensão é usado para descrever falhas em ligas metálicas e metais
puros. Contudo outras classes de materiais também exibem este tipo de falha, como os
materiais cerâmicos e poliméricos (ASM Handbook, 2003).
O tempo necessário para ocorrer CST fraturante de um dado material depende da
(Gentil, 2003):
• tensão;
• concentração ou natureza do meio corrosivo;
• temperatura;
• estrutura e composição do material.
40
2.4 Corrosão em conjuntos soldados
Os principais fatores a considerar na seleção de um material para resistir à corrosão são
suas taxas de corrosão na condição de trabalho, suas propriedades mecânicas e físicas, a
possibilidade de fabricação por métodos como soldagem, rebitamento, etc, sem criar
suscetibilidade à corrosão, disponibilidade e custo do material (Bottrel, 1992).
A soldagem, principalmente pelo processo de fusão, possui um papel importante na
fabricação de produtos de aço inoxidável. Contudo, operações de soldagem
necessariamente envolvem ciclos térmicos com aquecimento e resfriamento localizados,
expansão e contração, que introduzirão mudanças de propriedades na junta e no seu
entorno (Gooch, 1996).
O estudo do comportamento frente à corrosão de juntas soldadas é de relevante
importância. A natureza dos materiais envolvidos e a geometria da junta podem permitir
situações nas quais um dos metais fica sujeito a um ataque corrosivo acelerado e
localizado. Há situações em que a solda exibe resistência à corrosão superior ao metal
não soldado e também há situações que a solda se comporta de maneira inferior,
mostrando elevada suscetibilidade à corrosão. Falhas por corrosão em solda ocorrem
mesmo que o metal de adição e o metal base sejam escolhidos adequadamente, que
normas e códigos industriais tenham sido seguidos e que a soldagem tenha máxima
penetração e tenha os contornos e formas apropriados (Shreir, 2000b; ASM
Handbook;1992).
Às vezes é difícil determinar porque conjuntos soldados corroem, um ou mais dos
seguintes fatores podem estar relacionados:
• Projeto da solda.
• Técnica de fabricação.
• Prática de soldagem.
• Seqüência de soldagem.
• Contaminação de umidade.
41
• Espécies orgânicas ou inorgânicas.
• Filmes óxidos.
• Penetração e fusão incompleta.
• Escolha imprópria do metal de adição.
• Acabamento superficial final.
• Tensão residual.
• Trincas.
• Porosidades.
• Escórias.
Os fatores metalúrgicos relacionados com a corrosão de conjuntos soldados são:
• Microsegregação.
• Precipitação de segunda fase.
• Formação de zonas não misturadas.
• Recristalização e crescimento de grão da zona termicamente afetada (ZTA).
• Volatização de elementos de liga da poça de fusão.
• Contaminação da poça de fusão.
Durante o processo de soldagem, ocorrem importantes mudanças que afetam
significativamente o comportamento frente à corrosão de conjuntos soldados. O modo
como a solda solidifica é igualmente importante para entender como se comportará em
meios corrosivos (ASM Handbook, 1992). Conjuntos soldados podem apresentar todas
as formas clássicas de corrosão, mas são particularmente susceptíveis às que são
afetadas pela variação na microestrutura e composição. Especificamente, corrosão
galvânica, por pite, corrosão sob tensão, intergranular e trincamento induzido por
hidrogênio, devem ser consideradas ao se projetar estruturas soldadas (ASM Handbook,
1993).
42
2.4.1 Corrosão intergranular em conjuntos soldados
A maior parte dos casos de corrosão intergranular verificados em juntas soldadas está
associada ao fenômeno de sensitização, ocorrendo freqüentemente na ZTA.
O mecanismo da sensitização em conjuntos soldados pode ser melhor entendido através
da análise do fluxograma apresentado na FIG. 2.23.
FIGURA 2.23 - Fluxograma do mecanismo de corrosão intergranular por sensitização.
Fonte: Fedele, 2005
O calor gerado na soldagem é responsável por promover uma sequência de
aquecimentos e resfriamentos na zona afetada pelo calor da solda. Este ciclo térmico
pode contribuir para a formação de fases secundárias na microestrutura do componente
soldado. A precipitação destas fases depende basicamente da composição química do
material, das temperaturas atingidas pela ZTA durante a soldagem e do tempo de
permanência nestas temperaturas. Além da temperatura e da composição química, o
43
tempo é uma variável fundamental, assim, a velocidade de resfriamento da ZTA é
extremamente importante e está relacionada à espessura, condutividade térmica,
densidade e calor específico do metal de base, bem como à temperatura de pré-
aquecimento e à energia de soldagem utilizadas (Fedele, 2005).
A precipitação das fases secundárias tende a ocorrer preferencialmente nos contornos de
grão das ligas metálicas devido à elevada energia interna destas regiões. Contudo,
somente as fases precipitadas, ricas em elementos formadores da camada passiva do
metal, contribuem para a sensitização da ZTA, como a formação de carbonetos de
cromo ao longo dos contornos de grão de juntas soldadas de aços inoxidáveis,
resultando em regiões empobrecidas em cromo nas regiões adjacentes aos contornos de
grão. Se o empobrecimento permite a diminuição do conteúdo de cromo abaixo dos
necessários 10,5 p/p que é requerido para manter o filme protetor passivo, a região
tornará suscetível à corrosão, resultando em um ataque intergranular. Corrosão
intergranular (corrosão intercristalina) causa a perda de material paralela a zona fundida
(FIG. 2.24) (ASM Handbook, 1993).
FIGURA 2.24 - Corrosão intercristalina em aços inoxidáveis soldados, FZ - zona fundida.
Fonte: ASM Handbook, 1993, p. 2593 - modificada.
44
A quantidade suficiente de carbonetos de cromo no aço inoxidável austenítico para
causar sensitização pode ser descrita pela curva mostrada na FIG. 2.25.
FIGURA 2.25 - Curva tempo-temperatura - sensitização para aço inoxidável austenítico em uma mistura
de CuSO
4
e H
2
SO
4
contendo cobre. Curvas A e B indicam alta e média taxas de resfriamento,
respectivamente.
Fonte: ASM Handbook, 1993, p. 2594.
A Figura 2.25 apresenta a suscetibilidade a sensitização como uma função da
temperatura, tempo e conteúdo de carbono. Se a taxa de resfriamento é suficientemente
alta (curva A - FIG. 2.25), a curva de resfriamento não irá interceptar a curva para
carboneto de cromo e o aço inoxidável não estará sensitizado. Diminuindo a taxa de
resfriamento, a curva de resfriamento (curva B - FIG. 2.25) eventualmente interceptará
a curva de nucleação indicando que a sensitização ocorrerá. A taxas de resfriamento
muito baixas, a formação de carboneto de cromo ocorrerá mesmo a altas temperaturas e
permitirá mais nucleação e crescimento, resultando em uma região empobrecida em
cromo mais extensa. A Figura 2.26 apresenta a caracterização esquemática do
empobrecimento de cromo.
45
a
b
FIGURA 2.26 – (a) Precipitação intergranular de partículas de carboneto de cromo em um aço inoxidável
austenítico sensitizado e a conseqüente zona adjacente empobrecida em cromo nos contornos de grãos,
(b) Variação do conteúdo de cromo através do contorno de grão de um aço inoxidável austenítico
sensitizado.
Fonte: Shreir, 2000a, pag.142 - modificada.
Em alguns casos, embora ocorra a precipitação de novas fases nos contornos de grão da
ZTA, o fenômeno da sensitização não é observado. Isto se deve aos elevados teores de
elementos passivadores presentes na liga. Assim, mesmo com o empobrecimento
decorrente das possíveis precipitações, as regiões adjacentes aos contornos de grão
ainda possuem teores de elementos químicos suficientes para manter a estabilidade da
camada passiva. Os aços inoxidáveis super duplex são exemplos destes materiais
(Fedele, 2005).
46
2.5 Soldagem de aços inoxidáveis ferríticos
Os aços inoxidáveis ferríticos apresentam, em geral, uma baixa soldabilidade quando
comparados com os aços inoxidáveis austeníticos. Sua solda é caracterizada por
dutilidade e tenacidade baixas além de sensibilidade à corrosão intergranular, devido à
formação de uma estrutura de granulação grosseira, à precipitação de carbonetos e
nitretos e à formação de uma rede de martensita ao longo dos contornos dos grãos de
ferrita (Bottrel, 1992; Modenesi, 2001).
Em temperaturas muito elevadas, acima de 1200ºC, o material tende a apresentar uma
estrutura completamente ferrítica. Nestas condições, a elevada mobilidade atômica da
estrutura ferrítica a altas temperaturas e a ausência de partículas capazes de ancorar os
contornos de grãos possibilitam um crescimento de grão extremamente rápido. Devido à
estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) dos aços inoxidáveis ferríticos, um aumento
do tamanho de grão aumenta a temperatura de transição dúctil-frágil, diminuindo a
tenacidade do aço. Durante a soldagem, como o tempo de permanência a alta
temperatura depende fortemente da energia de soldagem, o tamanho de grão final da
zona termicamente afetada aumenta fortemente com esta energia (Modenesi, 2001).
Os aços inoxidáveis ferríticos podem sofrer problemas de corrosão intergranular da
mesma forma que os aços inoxidáveis austeníticos, sendo o mecanismo similar para
estes dois materiais, a sensitização (Modenesi, 2001).
O fenômeno de sensitização nos aços inoxidáveis ferríticos é um pouco diferente do que
ocorre em aços inoxidáveis austeníticos. A diferença consiste na baixa solubilidade de
nitrogênio na estrutura ferrítica, que resulta na precipitação de nitretos de cromo (Cr
2
N)
em adição à precipitação de carbonetos de cromo (Cr
23
C
6
e Cr
7
C
3
). Ambos precipitados
podem causar sensitização e perda da resistência frente à corrosão em aços inoxidáveis
ferríticos (Fritz, 2005).
A sensitização nesses aços é produzida pela precipitação durante o resfriamento após
aquecimento acima da temperatura de cerca de 925ºC, pois são necessárias maiores
47
temperaturas para solubilizar elementos interticiais. Devido à alta faixa de temperatura
de sensitização, a corrosão intercristalina em aços inoxidáveis ferríticos ocorre nas
regiões da ZTA mais próximas da zona fundida e também nessa região (Modenesi,
2001; Kou, 2003).
Pelo fato das taxas de difusão de carbono (C) e cromo (Cr) serem muito maiores na
ferrita do que na austenita, grades ferríticas não estabilizadas não podem ser resfriadas
rapidamente usando-se processos típicos industriais para evitar precipitações de nitretos
e carbonetos. Também, com processos de produção normalizados, não é efetivo reduzir
os níveis C e N para prevenir a formação de carbonetos e nitretos. Devido a isso, muitas
grades de aços inoxidáveis ferríticos contam com uma combinação de redução dos
conteúdos de C e de N e adição de titânio e/ou nióbio para prevenir a sensitização
(Fritz, 2005; Kou, 2003).
Fases intermetálicas de elementos de liga como cromo e molidênio podem ser formadas
durante a soldagem de aços inoxidáveis. As fases mais comuns possíveis de ocorrer são
as fases sigma e chi. Fases intermetálicas sigma e chi podem precipitar na zona
termicamente afetada de aços inoxidáveis ferríticos, reduzindo a tenacidade e a
resistência à corrosão desses (Fritz, 2005).
2.6 Ensaios de corrosão
Os ensaios de corrosão são uma ferramenta importante para selecionar materiais
adequados para aplicações em processos industriais, construção de equipamentos e
engenharia.
Os principais objetivos para a realização de ensaios de corrosão são (Fontana, 1978;
ASM Handbook, 2003):
• avaliação ou seleção de materiais para um meio específico ou aplicação definida;
• determinar a vida em serviço de um produto ou estrutura;
48
• avaliação de materiais novos ou já conhecidos para determinação das condições as
quais são susceptíveis a corrosão;
• determinação do meio mais econômico para reduzir o fenômeno de corrosão -
avaliação de métodos de prevenção;
• estudo dos mecanismos de corrosão;
• controle da resistência dos materiais à corrosão e do grau de agressividade do meio.
Os ensaios de corrosão podem ser classificados em:
• testes em laboratório;
• teste de campo;
• teste em condições reais de serviço.
2.6.1 Ensaios de corrosão em laboratório
Os testes em laboratório são caracterizados por pequenos corpos-de-prova e volumes de
solução, nas quais as condições reais são simuladas. Pode-se manter constante, bem
definidas e controladas as condições de ensaio. Por esta razão, é possível identificar
separadamente a influência dos efeitos de fatores como condição superficial do metal,
composição do meio, temperatura, pressão e tempo de exposição no comportamento
frente à corrosão. Os testes de corrosão em laboratório podem ser subdivididos em
quatro categorias: testes de imersão, testes a alta temperatura e alta pressão, teste em
sistemas fechados e testes eletroquímicos, representando diferentes conjuntos de
condições de processos acelerados de corrosão (Gentil, 2003; Shreir, 2000b).
Os testes em sistemas fechados são conduzidos em gabinetes fechados onde as
condições de exposição são controladas. Sendo utilizados principalmente para
determinar a suscetibilidade à corrosão em materiais expostos a atmosfera natural. São
divididos em três tipos: névoa salina, ensaios com umidade controlada e em gases
corrosivos (Gentil, 2003; Shreir, 2000b).
49
Os testes a alta pressão e temperatura são realizados em autoclaves, simulando as
condições de meios corrosivos e reproduzindo a temperatura e pressão que comumente
ocorrem em processos comerciais e industriais (Shreir, 2000b).
Os testes de imersão consistem na imersão do material em estudo em meio corrosivo.
As condições do meio devem ser simuladas e o grau de aceleração que é requerido
determina a escolha do teste. Nos ensaios de imersão, a aceleração é alcançada
principalmente pelo tempo de exposição da amostra a condições críticas que
possivelmente causam danos por corrosão e pela intensidade das condições com o
objetivo de aumentar a taxa de corrosão (Shreir, 2000b; Roberge, 1999).
Para uma apropriada realização e interpretação dos testes, as influências específicas de
variáveis como composição da solução, temperatura, aeração, volume, velocidade,
superfície da amostra, agitação da solução, método de fixação dos corpos de prova e
condições do ensaio, devem ser consideradas (Roberge, 1999; ASM Handbook, 1992).
2.6.2 Ensaios eletroquímicos
Muitas técnicas eletroquímicas são usadas em estudo de fenômenos e monitoramento da
corrosão em laboratório. Possuem uma vantagem em relação aos testes de imersão por
poder estudar quantitativamente a cinética de corrosão. Muitas formas típicas de
corrosão podem ser estudadas por técnicas eletroquímicas, como corrosão uniforme,
localizada, galvânica, corrosão sob tensão e fragilização por hidrogênio (Roberge, 1999;
ASM Handbook, 1992).
2.6.2.1 Ensaios de polarização
As modificações no potencial de eletrodo resultante da polarização provocam mudanças
no valor deste potencial alterando o ponto de equilíbrio, fazendo com que o potencial
anódico desloque no sentido catódico e vice-versa. O conhecimento do comportamento
eletroquímico de um metal em um potencial de eletrodo diferente do potencial de
equilíbrio (potencial de corrosão) apresenta interesse tanto prático como teórico. Entre
50
os numerosos métodos de estudo da corrosão eletroquímica, a polarização é
fundamental (Wolynec, 2003; Gentil, 2003).
Para a realização desses ensaios é necessário o uso de uma célula eletroquímica e um
potenciostato.
A célula eletroquímica, ilustrada na FIG. 2.27, é composta de um eletrodo de trabalho
que é o material a ser estudado, um eletrodo de referência, um eletrodo auxiliar ou
contra eletrodo, geralmente de platina ou grafite. Um borbulhador de gás é incorporado
para o controle atmosférico, por exemplo, para desaerar a solução ou saturar a solução
com algum gás específico.
FIGURA 2.27 - Célula eletroquímica usada para ensaios de polarização.
Fonte: ASM Handbook, 1992 – modificada.
O potenciostato é um equipamento eletrônico cuja principal característica é impor ao
eletrodo de trabalho o potencial de eletrodo desejado. Um eletrodo auxiliar fornece a
corrente ao eletrodo de trabalho (amostra testada) a fim de polarizá-lo. Por meio de um
potenciostato consegue-se o controle adequado do potencial de eletrodo (medindo-se os
valores de corrente em função do potencial aplicado), ou o controle da corrente (valores
de potencial em função da corrente). Obtêm-se as curvas de polarização – representação
51
gráfica da relação de potencial em função da corrente ou da corrente em função do
potencial. Essas curvas são representações globais de todas as reações que ocorrem em
um eletrodo (Gentil, 2003; ASM Handbook, 2003).
O esquema de medições com um potenciostato é ilustrado na FIG. 2.28. Supondo que se
quer o potencial do eletrodo de trabalho (1), medido pelo eletrodo de referência (2),
num determinado valor E constante. O potenciostato (5) é conectado, segundo o circuito
esquematizado, e ajustado à fonte de tensão variável (4) de modo que seu potencial
atinja um valor E desejado. Uma corrente começa a circular a partir de (5) pelo contra
eletrodo (3) em direção a (1), aumentando até que não haja mais diferença entre os
pólos positivo e negativo do potenciostato (5) (Gentil, 2003).
FIGURA 2.28 - Esquema de sistema de medições com potenciostato.
Fonte: Gentil, 2003.
À medida que o eletrodo de trabalho (1) sofre variações de potencial, a diferença gerada
em relação ao potencial fixado em (4) será detectada em (5) que fará circular uma
corrente entre o contra eletrodo (3) e o eletrodo de trabalho (1). Com o amperímetro (6)
mede-se a corrente alcançada em determinado potencial.
O potenciostato conectado à célula de teste pode ser controlado por um computador
com software adequado para fornecer os dados e gráficos gerados durante o ensaio,
permitindo a análise dos resultados. A FIG. 2.29 representa o arranjo experimental para
a aplicação de ensaios eletroquímicos em laboratório.
1 – Eletrodo de Trabalho
2 – Eletrodo de Referência
3 – Contra-Eletrodo
4- Fonte de Tensão Variável
5 – Potenciostato
6- Amperímetro
52
FIGURA 2.29 - Arranjo experimental para a aplicação de ensaios eletroquímicos em laboratório.
Fonte: ASM Handbook, 2003, p.1150 - modificada.
A determinação experimental da curva de polarização de um certo material, num dado
eletrólito, pode ser de dois tipos:
• Método Galvanostático: é o método mais simples, que é caracterizado pelo fato de
ter como variável de controle a intensidade da corrente que circula no sistema, a qual é
variada por meio de uma resistência. Apresenta como variante o método
galvanocinético no qual a corrente varia continuamente ou em degraus e registra-se o
potencial (Gentil, 2003).
• Método potenciocinético ou potenciodinâmico: é caracterizado pelo fato de ter como
variável de controle o potencial e não a intensidade da corrente, como no modo
galvanostático. Tem-se uma variação contínua do potencial de eletrodo, em função do
tempo, t, e registra-se a variação de corrente ∆i, que também varia de uma forma
contínua. Apresenta como variante o método potenciostático no qual se tem a variação
descontínua do potencial de eletrodo, E, em cada potencial, determina-se o valor da
variação de corrente ∆i (Gentil, 2003; Wolynec, 2003).
2.6.2.2 Ensaios de polarização potenciodinâmica
Este ensaio consiste em realizar uma eletrólise, em que se utilizam como eletrodo e
eletrólito, respectivamente, o metal e o meio cuja interação se deseja estudar. O ensaio é
conduzido a potenciais de eletrodo controlado, corrente medida em função do potencial,
53
a uma velocidade de varredura padronizada. Representa-se graficamente a relação I =
f(E), obtendo-se a curva de polarização potenciodinâmica (Gentil, 2003).
A FIG. 2.30 ilustra uma curva de polarização potenciodinâmica hipotética de um
material que sofre passivação. Pode-se dividir a curva de polarização potenciodinâmica
em três regiões, ativa, passiva e transpassiva. Na região ativa ocorrem duas reações,
catódica (oxidação) e anódica (redução). Na reação catódica o metal oxida de seu estado
metálico M para ións M
2+
. Nesta reação, estado +2 de oxidação do metal, indica que 2
elétrons foram tirados de cada átomo do metal. Para manter a neutralidade eletrônica
estes elétrons devem ser adquiridos. Em uma solução ácida, as cargas positivas de ións
de hidrogênio são provavelmente os mais apropriados para cumprir esta função, ocorre
a reação anódica. Nesta reação os íons de hidrogênio H
2+
em solução ganham os
elétrons perdidos pelos átomos do metal para formar a molécula neutra de H
2
. A
corrente resultante da oxidação é a corrente anódica e é apresentada com uma
polaridade positiva. A corrente resultante da redução é chamada corrente anódica e é
mostrada com um polaridade negativa. Devido ao grande fluxo de elétrons decorrente
destas reações, pequenos aumentos no potencial causam um aumento rápido
correspondente na corrente.
No potencial de corrosão a taxa do processo de oxidação é exatamente igual a do
processo de redução, o sistema se encontra em equilíbrio. A partir de um certo ponto na
curva, um aumento no potencial mostra um rápido decréscimo na corrente. Este
corresponde ao começo da região passiva, na qual a corrente se mantém muito pequena,
numa faixa de potencial. O ponto que a corrente passiva permanece constante
independente da variação de potencial depende das propriedades passivas em relação a
solução eletrolítica. O filme óxido formado anodicamente cria uma barreira entre o
metal e o meio ocasionando uma menor oxidação.
Em um determinado, potencial a corrente começa a aumentar novamente, esta é a região
transpassiva, onde a barreira criada pelo filme óxido é quebrada, em soluções de
concentrações suficientemente agressivas, há a formação de pites. Baixas correntes na
região passiva indicam um alto grau de passivação. A região passiva a potenciais mais
54
positivos indicam um filme passivo mais estável. Depois dessa região, em um
determinado potencial, o eletrólito começa a se oxidar. Em soluções aquosas é a
oxidação da água em oxigênio. O aumento da corrente com o aumento do potencial
nesta região descreve o aumento da taxa da evolução do oxigênio – formação de
oxigênio (Princeton applied research, 2006; Shreir, 2000a; Gentil, 2003).
FIGURA 2.30 - Curvas de polarização potenciodinâmica – diagrama hipotético para um sistema que
apresenta passivação com as regiões anódica e catódica.
Fonte: Roberge, 1999, p.527 - modificada.
Uma variação deste método é o ensaio de polarização potenciodinâmica cíclica,
freqüentemente usado para avaliação da corrosão por pite. Este teste consiste no mesmo
procedimento descrito acima e quando a densidade de corrente, após um aumento
brusco, atinge um determinado valor, faz-se a reversão da direção de varredura do
potencial. A densidade de corrente volta a diminuir e a varredura continua até obter-se o
cruzamento das curvas ou passar a assumir valores negativos. A resistência frente à
corrosão é avaliada em relação ao formato da curva (Wolynec, 2003; Roberge, 1999).
2.6.2.3 Ensaios de reativação eletroquímica potenciodinâmica (EPR)
Este ensaio foi inicialmente desenvolvido para se determinar o grau de sensitização de
aços inoxidáveis austeníticos do tipo AISI 304 e 304L. A técnica de reativação
potenciodinâmica (EPR) consiste no levantamento de uma curva eletroquímica a partir
55
da região passiva para a região ativa até o potencial de corrosão de uma dada liga em
um meio específico (ASM Handbook, 1992, Shreir, 2000b). Três diferentes formas
deste ensaio podem ser empregadas, designadas como ciclo simples (single loop), ciclo
duplo (double loop) e simplicada (Wolynec, 2003). A FIG. 2.31 ilustra as duas
primeiras curvas.
Potencial vs. E.C.S
FIGURA 2.31 - Esquema das curvas de polarização potenciodinâmica – (a) ciclo simples e (b) ciclo
duplo.
Fonte: ASM Handbook, 1992, p. 1200 - modificada.
Na técnica eletroquímica de reativação potenciodinâmica de ciclo simples pode-se
utilizar dois critérios para medir o grau de sensitização. No primeiro critério utiliza-se a
própria densidade de corrente de pico Ir. O valor desta corrente seria o grau de
sensitização (Wolynec, 2003). No segundo critério, a quantidade de carga (Q) gerada
durante a polarização do material desde a faixa de passivação até o potencial de
corrosão ativo é utilizada para o cálculo da carga normalizada P
a
, obtendo assim o grau
de sensitização. A área sobre a curva E vs. Log I é proporcional à carga Q, medida
durante o processo de reativação. O processo de reativação resulta da quebra
preferencial do filme protetor nas regiões de contorno de grão empobrecidas em cromo
de materiais sensitizados e há um aumento de corrente através da célula. Este cálculo é
feito através da equação EQ. 2.4, descrita a seguir (Shreir, 2000b).
P
a
(C/ cm
2
) = Q/A (EQ. 2.4)
Onde:
56
Q: Integral da carga durante o processo de reativação;
A: área do contorno de grão [5,1 x 10
-3
x e
0.35
x G, onde G é o tamanho de grão ASTM].
O ensaio de polarização eletroquímica de reativação potenciodinâmica de ciclo duplo
envolve a polarização da superfície metálica desde o potencial de circuito aberto na
região ativa até o potencial na faixa de passivação, seguido da polarização reversa na
direção oposta voltando para o potencial de circuito aberto. A razão entre a corrente
máxima gerada na reativação e a corrente máxima gerada na varredura anódica (Ir/Ia)
determina o grau de sensitização neste método. Materiais sensitizados apresentam
maiores valores de Ir do que aqueles solubilizados.
O ensaio simplificado de polarização eletroquímica de reativação potenciodinâmica é
um ciclo simples, porém inclui um polimento eletrolítico prévio no potencial de pico da
polarização anódica por aproximadamente 2 minutos. Durante a varredura de
reativação, o máximo de corrente I
r
, é medido e divido pela superfície da área indicando
o grau de sensitização (Wolynec, 2003; Shreir, 2000b).
2.7 Ataque em ácido oxálico para avaliar a corrosão intergranular
A prática W da norma ASTM A763 descreve os procedimentos para a verificação da
suscetibilidade à corrosão intergranular, a qual é realizada por exame metalográfico
após ataque eletrolítico a temperatura ambiente por 90 segundos em uma solução 10%
de H
2
C
2
O
4
.2H
2
O (ácido oxálico)e uma densidade de corrente de 1A/cm
2
. A FIG. 2.32
mostra a representação esquemática de uma seção transversal da morfologia do ataque
gerado. A diferença nas velocidades de dissolução dos grãos devido a orientação
cristalográfica gera a estrutura do tipo degrau, enquanto que a estrutura tipo de vala é
obtida pela presença de carbonetos de cromo, os quais são dissolvidos durante o ataque
em potenciais de 2V
EH
(Serna-Giraldo, 2006).
57
FIGURA 2.32 - Seção transversal da estrutura gerada após ataque em ácido oxálico.
Fonte: Serna-Giraldo, 2006, p 49.
A estrutura “degrau” é onde são observados degraus entre os grãos sem valas. Essa
estrutura significa que o material não está sensitizado, pois os contornos de grão estão
livres de precipitados de carbonetos de Cr. A estrutura “vala” é onde um ou mais grãos
são completamente circundados por valas. Essa estrutura indica a presença de
carbonetos ricos em Cr nos contornos dos grãos. A estrutura “mista” contém algumas
valas além dos degraus, mas sem contornar completamente um único grão (Serna-
Giraldo, 2006).
Recomenda-se a realização da Prática W somente para os aços estabilizados e quando se
deseja uma avaliação do tratamento térmico ou soldagem sobre a microestrutura (Serna-
Giraldo, 2006).
2.8 Técnicas metalográficas
A metalografia consiste da análise dos aspectos estruturais e de superfície, de metais,
descrita para todas as ampliações, desde a macrografia, com observações de até 50
vezes de aumento feita desde a olho nu até observações com lupas, até a micrografia
com observação de 50 até cerca de 1000 vezes de aumento, que se obtém através de
microscópio ótico (Colpaert, 1974).
58
As técnicas utilizadas para análise macrográfica e micrográfica são geralmente
diferentes (Colpaert, 1974).
Macrografia: para exame de características em larga escala como, estrutura de grãos de
fundidos, grãos grosseiros em produtos forjados, porosidade em fundidos, ou distorções
em elementos de liga e impurezas em uma larga escala (segregação) é necessário
preparar grandes superfícies livres de distorções, mas não requer uma superfície
extremamente plana e estruturalmente perfeita. A seção requerida é serrada ou usinada
com adequada refrigeração e lubrificação, e é preparada por usinagem fina, lixamento
e/ou polimento, seguido de um ataque químico, dependendo da necessidade.
Micrografia: os corpos de prova são normalmente preparados para exame sob
microscópio, cortados da peça a ser examinada (diâmetro não maior que 3 cm). Os
distúrbios ocorridos na superfície devido ao corte devem ser totalmente removidos e
então a superfície deve ser lixada e polida com abrasivos de granulação cada vez mais
finos, assim a superfície plana, limpa, livre de distorções é então atacada quimicamente
com reagentes e técnicas adequadas para revelar a microestrutura do material.
A escolha da seção a ser analisada depende dos dados a serem obtidos da amostra,
podendo-se efetuar um corte longitudinal ou transversal. O corte transversal é
normalmente indicado nos casos em que se deseja verificar a natureza do material,
homogeneidade da amostra, a existência de segregações, forma e dimensões de bolhas e
vazios, grãos e outros constituintes de interesse, profundidade de tratamentos térmicos
superficiais e detalhes em soldas (zona termicamente afetada). O corte longitudinal é
recomendado quando se deseja verificar o trabalho mecânico (se a amostra foi
laminada, forjada, fundida), a extensão de tratamentos térmicos e detalhes de soldas
(Colpaert, 1974).
A preparação de amostras para análise metalográfica, utilizadas na caracterização dos
materiais, requer que se siga um rígido procedimento. Este procedimento consiste de
cinco principais operações: corte com identificação, embutimento com identificação,
lixamento, polimento e ataque para revelar a microestrutura (ASM Handbook, 2004).
59
Muitas vezes o seccionamento de um corpo de prova se torna necessário para obter-se
amostras para análise metalográfica. A dimensão mais apropriada para o preparo de
uma amostra metalográfica está entre 15 e 25mm
2
de área e espessura entre 7 e 10mm.
Operações mecânicas, como torneamento, plainamento e outras, impõem severas
alterações microestruturais devido ao trabalho mecânico a frio. O corte abrasivo apesar
de provocar aquecimento do corpo de prova, quando refrigerado adequadamente oferece
a melhor solução para esse seccionamento, pois elimina por completo o trabalho
mecânico a frio, resultando superfícies planas e com baixa rugosidade, de modo rápido
e seguro.
O equipamento utilizado para o corte, conhecido como cut-off, com discos abrasivos
intensamente refrigerados (água ou solução aquosa de um óleo refrigerante, sem
aquecimento), a baixas rotações é largamente utilizado em laboratórios metalográficos.
Os cortes realizados por este processo podem produzir danos por deformações a uma
profundidade da ordem de 1mm, que podem ser minimizados utilizando discos de corte
mais finos. Discos duros (feitos com abrasivos mais duros) são utilizados para cortar
materiais macios, enquanto discos macios são preferíveis para materiais duros. Em geral
são utilizados discos de carbeto de silício de média dureza.
O principal propósito do embutimento de uma amostra metalográfica é permitir
manipulação de amostras de formas difíceis e de pequeno tamanho e proteger as mãos
do operador durante os passos de preparação. O propósito secundário é proteger e
preservar as quinas ou defeitos da superfície das amostras durante a sua preparação, o
que impediria a observação ao microscópio dessa região.
Os materiais mais utilizados no embutimento de amostras são:
• Baquelite: de baixo custo e de dureza relativamente alta, este polímero é talvez o
mais comumente utilizado.
• Acrílico: são utilizados quando a transparência é requerida.
60
• Epóxi: apesar da sua qualidade inferior, relativamente ao baquelite e acrílico, as
resinas epóxi são o meio mais barato e prático de embutimento e são curadas à
temperatura ambiente para amostras que não podem ser aquecidas.
• Resina plástica sintética: apesar da necessidade de serem curadas à quente, sob
pressão, muitos laboratórios preferem essa resina devido à sua estabilidade dimensional.
• Em alguns casos onde se necessita de análise eletroquímica da amostra (polimento e
ataque eletrolítico), são utilizadas resinas condutoras, com adição de pó de cobre ou de
ferro.
Os materiais utilizados nos embutimentos e o material das amostras devem ser
compatíveis com relação a dureza ou resistência à abrasão, pois grandes diferenças entre
eles podem promover polimento diferencial, desnível e má preservação das quinas. O
material do embutimento deve ser quimicamente resistente às soluções de polimento e
de ataque requeridos para revelar a microestrutura das amostras.
O lixamento é a mais importante das operações de preparação de uma amostra
metalográfica. Durante o lixamento, o operador tem a oportunidade de minimizar os
danos mecânicos causados na superfície durante o processo de corte, que podem ser
removidos pelos passos seguintes das operações de polimento. Entretanto, polimentos
prolongados podem causar pequenos danos à amostra.
Os abrasivos comumente utilizados em metalografia são o carbeto de silício (SiC),
oxido de alumínio (Al
2
O
3
), pó de esmeril (Al
2
O
3
– Fe
3
O
4
) e partículas de diamante.
Um fator importante durante a fase de lixamento manual é que os riscos causados pelas
lixas, no final de cada lixamento, estejam todos paralelos entre si e para o lixamento
automático estejam uniformemente distribuídos. Para que o lixamento esteja correto, é
necessário que a amostra seja girada de 90° entre cada estágio do processo de
lixamento. É necessário, ainda, que se mantenha constante o ângulo de lixamento até
que os riscos deixados pela lixa sejam visivelmente paralelos, eliminando-se os
vestígios do estágio de lixamento anterior.
61
O polimento é o passo final na produção de uma superfície plana, livre de riscos de
lixamento, devendo parecer espelhada e com rugosidade mínima. Tal superfície é
necessária para uma subsequente interpretação metalográfica precisa, tanto qualitativa
quanto quantitativa. A técnica de polimento não deve introduzir distúrbios no metal,
pite, arrastes de retirada de inclusões, cometas e manchas. O polimento é realizado com
abrasivos de granulometria muito pequena, 6µm, 3µm, 1µm e 1/4µm, utilizando-se
como lubrificante preferencialmente uma solução a base de glicerina e álcool absoluto,
sobre um disco recoberto por tecido macio especial.
O exame ao microscópio da superfície polida de uma amostra revela somente algumas
características estruturais como inclusões, trincas e outras imperfeições físicas
(incluindo-se defeitos no polimento propriamente dito). O ataque químico é utilizado
para destacar e algumas vezes identificar características microestruturais ou fases
presentes nas amostras. Os reagentes utilizados no ataque químico são em geral ácidos
ou álcalis diluídos em água, álcool ou outro tipo de solvente. O processo de ataque
químico consiste no contato entre a face preparada da amostra com o reagente
apropriado por alguns segundos até alguns minutos. Quando o reagente entra em
contato com a amostra ocorre um ataque químico diferencial devido a diferentes taxas
de corrosão dos diversos microconstituintes e sua orientação.
O exame microscópico deve ser iniciado utilizando-se preferencialmente um
microscópio estereoscópico, que revelará imagem geral e tridimensional da amostra,
com a menor ampliação disponível, até 50 vezes de aumento. O exame detalhado da
amostra, com ampliações entre 50x e 1000x é realizado para a caracterização da
amostra. Microscópios Eletrônicos de Varredura (Scanning Electron Microscope, SEM),
têm capacidade de ampliação de até 200.000x e os Microscópios Eletrônicos de
Transmissão (Transmission Electron Microscopes, TEM), são capazes de ampliação de
até 100.000x.
A partir das fotomicrografias das amostras o tamanho médio, a distribuição de tamanho
e o fator de forma dos constituintes presentes podem ser determinados com o uso de
diversos programas de análise de imagem disponíveis no mercado. Nesse trabalho
62
utilizou-se software de análise de imagem Quantikov
®
. A conceituação, as
características principais e os resultados possíveis de serem obtidos com este programa
são assuntos da próxima seção.
2.8.1 O programa Quantikov
O programa Quantikov foi desenvolvido por um pesquisador do CDTN/CNEN e
apresentado em um trabalho de doutoramento no Ipen-USP (Pinto, 1996). Sua
característica principal é a partir de distribuições planas de elementos microestruturais
obter distribuições volumétricas, utilizando métodos estereométricos (estereologia é a
interpretação tridimensional de imagens planas, seções ou projeções, com base nos
princípios gerais da probabilidade geométrica). É amplamente empregada por geólogos,
metalurgistas e biólogos na descrição de estruturas tridimensionais. È um programa
processador digital de imagens que incorpora elementos do método Saltykov que
permite a obtenção de parâmetros microestruturais em volume a partir de medições no
plano.
Todo o sistema Quantikov foi projetado para integrar recursos da plataforma
Windows™, mundialmente usada e conhecida, de forma que o pesquisador possa ter
neste sistema uma ferramenta útil, acessível e que reduza, ao mínimo, a necessidade de
treinamento para a caracterização de elementos microestruturais e outros trabalhos
correlatos, como medições de distâncias, larguras, áreas, perímetros. Para melhorar a
qualidade das imagens microestruturais, funções baseadas em processamento digital
foram implementadas, tais como funções para realce ou suavização de bordas, erosão,
dilatação de contornos e outras operações derivadas (Pinto, 1996).
Uma das características principais do projeto do sistema Quantikov foi a modularização.
Cada grupo é um módulo que por sua vez se subdivide em itens ou sub-programas
pequenos independentes, os quais os principais serão mostrados a seguir.
63
Módulo Quantikov-Main
Este módulo oferece os recursos necessários para a quantificação de micropartículas
com diversas funções comuns a outros softwares do gênero mas com implementação de
alguns métodos não existentes em outros analisadores. Entre os recursos implementados
encontram-se os algoritmos baseados em morfologia matemática, segmentação baseada
em limiarização, afinamento de contornos, operadores lógicos e aritméticos entre
imagens, suavização de imagens ruidosas, determinação de interceptos horizontal,
vertical e médio (com base na norma ASTM-E112), eliminação de poros numa estrutura
de grãos e poros, eliminação de grãos numa estrutura de grãos e poros, processamento
unitário de elementos, processamento automático e global de elementos em imagens
segmentadas, desprocessamento de elementos, etc. Este módulo permite ainda a
utilização de métodos não implementados noutros sistemas como o método de Saltykov,
o método da amostragem por pontos e um método próprio para determinação da
distribuição plana de microelementos com subdivisão em 30 classes de tamanhos. O
módulo principal Quantikov-Main oferece ainda um método especial denominado Xpert
para obtenção da distribuição de tamanhos de grãos que apresentem os contornos
descontínuos. Foram também implementadas facilidades para acesso ao Paint e
WordPad do Windows95™ facilitando edições suplementares de imagens e textos sem a
necessidade de abandonar o ambiente Quantikov (Pinto, 1996).
O módulo QtkIMPORT
O objetivo principal deste módulo é a importação e exportação de imagens que estejam
gravadas noutros formatos diferentes do formato bmp (bitmap) que é o formato
utilizado pelo módulo principal. Estão disponíveis os formatos mais utilizados
atualmente, como bmp, pcx, tif e jpg de tal forma que o sistema Quantikov pode ser
considerado bastante independente de softwares ou equipamentos de captura de
imagens, como câmeras e scanners, os quais gravam as imagens nem sempre em
formatos usuais.
64
O módulo QtkGRAF
Após a quantificação das micropartículas o módulo QtkGRAF deve ser chamado para
que se possa realizar algum tipo de classificação das partículas. Esta classificação pode
ser realizada segundo o tamanho, o fator de forma, o perímetro ou outro parâmetro
geométrico.
Normalmente, os analisadores convencionais classificam os elementos conforme as
áreas ou segundo o diâmetro equivalente das áreas obtidas, obtendo-se uma distribuição
plana de tamanhos. Com base na quantificação realizada pelo módulo principal, o
módulo QtkGRAF oferece ao usuário a possibilidade de obtenção da distribuição
tridimensional de tamanhos com aplicação do método de Saltykov, frações volumétricas,
relação Sv, intercepto linear médioλ, volume médio, construção automatizada de
gráficos de distribuição e estatística de medidas. Ainda no módulo QtkGRAF pode-se
obter uma distribuição plana de tamanhos conforme classes determinadas pelo próprio
sistema Quantikov ou obter-se o volume médio pelo método da amostragem por pontos,
além de recursos de impressão de tabelas e dos gráficos de distribuição em impressoras
compatíveis com a plataforma Windows™.
2.8.2 Método de interceptação linear de Heyn
Nesse método estima-se o tamanho de grão médio contando o número de interseções
existentes entre o contorno de grão e linhas retas com comprimento bem conhecido
previamente traçadas sobre a imagem (FIG. 2.33). A precisão da medida de tamanho de
grão está diretamente relacionada com a quantidade de interseções encontradas.
65
FIGURA 2.33 - Método de interceptação linear de Heyn para determinação do tamanho de grão.
Fonte: Santana, 2006.
Uma interseção é a parte comum entre o contorno de grão e a linha de “teste” traçada
sobre a imagem. A contagem do número de interseções e do tipo de interseção é
relacionada com o tamanho de grão médio. Quando se utiliza interseções, o pedaço do
final da linha de teste que não atravessa o grão é contada como meio. Quando o final da
linha de teste toca o contorno de grão adiciona-se meio à contagem. Interseção tangente
ao contorno de grão, também é contada como meio (0,5). Uma interseção que
aparentemente coincide com o contorno de grão na interseção de três grãos é contada
como um e meio (1,5), interseção com contorno de dois grãos vizinhos é contada como
um (1). A representação destas diferentes intercessões bem como seus valores de
contagem podem ser vistos na FIG. 2.34 (Santana, 2002).
FIGURA 2.34 - Tipos de interseção: tangente (+0,5), interseção de dois grãos (+1), intercessão de três
grãos (+1,5).
Fonte: Santana,2006.
A principal vantagem na utilização do método de intercessão se encontra no menor
tempo despendido no tratamento da imagem a ser analisada. Ao segmentar a imagem
não existe a necessidade de se definir com precisão os limites do grão, basta conseguir
segmentar a maior parte do contorno de grão sem a necessidade de fechá-lo
completamente.
66
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo apresenta a descrição dos materiais e técnicas utilizadas para o
desenvolvimento dessa dissertação.
3.1 Materiais
Utilizou-se o aço inoxidável ferrítico AISI 439 com a composição química descrita na
TAB. III.1 e as propriedades mecânicas apresentadas na TAB. III.2, fornecidos pelo
fabricante do material.
TABELA III.3.1 - Composição química do aço inoxidável ferrítico – AISI 439.
Composição Química (% peso)
C Mn P Si Ni Cr Mo Ti
0,0095 0,1434 0,0234 0,4032 0,1777 17,1283 0,0191 0,1984
TABELA III.3.2 - Propriedades mecânicas do aço inoxidável ferrítico – AISI 439.
Limite de Escoamento
LE
0,2%
(MPa)
Limite de Resistência
LR (MPa)
Alongamento
Percentual AT (%)
Dureza Rockwell B
HR
B
282 455 34 75
A microestrutura do material revelada pelo reagente Villela, é mostrada na FIG. 3.1.
Pode-se observar que o material possui grãos de ferrita com alguns carbonetos e perlitas
distribuídos aleatoriamente.
67
FIGURA 3.1 - Microestrutura do aço inoxidável ferrítico AISI 439. Ataque reativo Villela (100x).
O material foi fornecido pela ACESITA (Aços Especiais Itabira) na forma de chapas,
com dimensões de 300x100x1,5mm. Deste material foram retiradas amostras para a
realização da Prática W da norma ASTM A763 e dos ensaios eletroquímicos.
3.2 Processo de soldagem
Para a soldagem das chapas de aço inoxidável ferrítico AISI 439 utilizou-se como
consumível um arame de aço AISI 308L-Si, com diâmetro de 1,2mm. Como gás de
proteção utilizou-se argônio puro, com vazão fixa e controlada de 15l/min. A
composição química do consumível é apresentada na TAB. III.3.
TABELA III.3.3 - Composição química do consumível AISI 308 L Si.
Composição Química (% peso)
C Mn P máx. S máx. Si Ni Cr
≤ 0,025
1,8 0,025 0,015 0,9 10,5 20
Cordões sobre chapa foram depositados empregando-se o processo de soldagem a arco
GMAW robotizado. Para a soldagem utilizou-se o robô Motoman
. Trata-se de um robô
com 6 graus de liberdade utilizado industrialmente. Acoplou-se a ele uma tocha de
soldagem, de modo que a abertura e manutenção do arco elétrico, a alimentação do
arame, a velocidade de soldagem e o comprimento do arco elétrico foram variáveis do
68
processo controladas pela máquina de soldagem MotoArc
450 acoplada ao robô. A
programação das diferentes condições de soldagem foi elaborada através do teach
pendant, um controle com interface ligado ao robô. A FIG. 3.2 mostra o sistema
utilizado para a soldagem robotizada.
FIGURA 3.2 - Sistema utilizado para a soldagem robotizada.
3.3 Métodos
3.3.1 Análises metalográficas
As amostras do material como recebido foram submetidas a corte, embutimento a
quente, lixamento e polimento até 1µm para análise microestrutural. Os corpos-de-
prova soldados foram cortados em amostras transversalmente ao cordão de solda, que
por sua vez também foram embutidas, lixadas e polidas até 1µm para análise
metalográfica. Essas operações foram realizadas utilizando os equipamentos mostrados
na FIG. 3.3.
69
Embutimento a quente - Struers -
LaboPress 3
Politriz - Buehler - Phoenix 4000
FIGURA 3.3 - Equipamentos utilizados na caracterização metalográfica.
O embutimento a quente ocorreu a 180ºC (8min.) seguido de resfriamento em água
(8min.), utilizando-se resina baquelite. O lixamento e polimento foram realizados de
acordo com a seqüência: #220, #320, #400, #600, #1000, #1200, #2000, 6µm, 3µm,
1µm, com os valores de pressão: 2,0 a 2,5lbs, tempo: 2 a 4min., rotação: 300rpm.
O ataque metalográfico foi realizado com o reagente Villela (100ml álcool etílico, 1g
ácido pícrico, 10ml de ácido clorídrico) durante 30 segundos, tempo este otimizado em
laboratório. As amostras foram fotografadas em um microscópio marca LEITZ, modelo
ORTHOLUX II-POL-BK, no qual foi adaptado uma câmara digital acoplada a um
microcomputador.
Para verificar a presença dos elementos estabilizantes nióbio (Nb) e titânio (Ti) na
mostra do material como recebido foi feita uma microanálise utilizando uma
microssonda GEOL modelo JXA 8900 RL.
3.3.2. Ensaios de polarização anódica potenciodinâmica
Os ensaios de polarização anódica potenciodinâmica foram conduzidos em uma célula
eletroquímica com montagem de três eletrodos, utilizando-se Ag/AgCl, com
concentração de 1mol/l, como eletrodo de referência e um fio de platina (Pt) como
70
eletrodo auxiliar e foram realizados por meio de um potenciostato/galvanostato Autolab
PGSTAT 20. As FIG. 3.4 e FIG. 3.5 mostram o sistema utilizado para a realização dos
ensaios eletroquímicos.
FIGURA 3.4 - Sistema utilizado para ensaios eletroquímicos.
FIGURA 3.5 -Detalhe do sistema utilizado – Controlador de temperatura e célula eletroquímica.
Os ensaios foram realizados em solução aquosa de 0,5M de H
2
SO
4
, desaerada por 50
minutos com nitrogênio, à temperatura controlada de 30 ± 1ºC e a uma velocidade de
varredura de potencial de 0,167mV/s, sendo o acabamento superficial de lixa #600,
imediatamente antes da imersão no eletrólito. A solução de 0,5M de H
2
SO
4
foi
preparada com reagente padrão analítico e água destilada.
Controlador de
temperatura
Célula
Eletroquímica
Banho
termostatizado
71
A faixa de polarização foi de -200mV até o potencial de 2000mV em relação ao
potencial de corrosão, medido após estabilização de 3600 segundos, antes de cada
ensaio. Foram realizados três ensaios para cada amostra, metal como recebido e zona
termicamente afetada.
Os resultados obtidos são apresentados por meio de curvas de polarização anódica
potenciodinâmicas. A partir dessas curvas são analisados parâmetros do processo tais
como: forma geral da curva, corrente crítica de passivação, potencial de corrosão,
regiões e potenciais de passivação e transpassivação, etc.
3.3.3. Ensaios de reativação eletroquímica potenciodinâmica de duplo ciclo - DL-EPR
O ensaio DL-EPR foi realizado em solução aquosa de 0,5M de H
2
SO
4
, desaerada por 50
minutos com nitrogênio, à temperatura controlada de 30 ± 1ºC. A solução de 0,5M de
H
2
SO
4
foi preparada com reagente padrão analítico e água destilada. O material ficou
imerso por 5 minutos, antes de cada ensaio, sem aplicação de potencial para permitir a
estabilização do potencial de corrosão.
O corpo de prova foi polarizado anodicamente a partir do potencial de corrosão até o
potencial de 500mV (zona de passivação). Este processo é denominado ativação. Em
seguida o potencial foi diminuído até o potencial inicial, e este processo é denominado
reativação. Tanto na ativação como na reativação a velocidade de varredura de potencial
aplicada foi de 1,67mV/s, sendo o acabamento superficial de lixa #600, imediatamente
antes da imersão no eletrólito. Para cada condição foram realizados três ensaios.
A partir da curva obtêm-se os valores de densidade de corrente anódica máxima I
a
(processo de ativação), e a densidade de corrente anódica I
r
(processo de reativação). O
grau de sensitização é obtido pelo quociente entre os dois máximos de densidade de
corrente, I
r
/ I
a
.
72
3.3.4. Ensaio por imersão
Os ensaios em ácido oxálico foram realizados segundo procedimento da Prática W da
Norma ASTM A763-93. As amostras foram lixadas até a lixa #600 e atacadas
eletroliticamente em solução aquosa contendo 10% H
2
C
2
O
4
.2H
2
O (ácido oxálico), a
uma densidade de corrente de 1A/cm
2
, durante aproximadamente 90 segundos.
Foi utilizado o potenciostato PGSTAT 12 acoplado a um microcomputador. Como
eletrodo de referência foi utilizado o eletrodo Ag/AgCl, com concentração de 1mol/l, e
um fio de platina (Pt) como eletrodo auxiliar. Após o ataque eletrolítico as amostras
foram analisadas microestruturalmente em um microscópio marca LEITZ, modelo
ORTHOLUX II-POL-BK e sua estrutura fotografada.
73
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Soldagem do material
Foram depositados diversos cordões sobre as chapas empregando-se o processo de
soldagem a arco – GMAW robotizado, utilizando-se diferentes aportes térmicos. Após a
soldagem os cordões de solda foram avaliados visualmente e escolhidos o de maior e
menor aporte térmico que apresentaram melhor penetração e aspecto visual.
A TAB. IV.1 apresenta os parâmetros de soldagem que foram otimizados e utilizados
neste trabalho. A FIG 4.1 mostra as fotografias dos conjuntos soldados com menor e
maior aportes térmicos respectivamente.
TABELA IV.1 - Parâmetros de Soldagem. Soldagem GMAW robotizada.
Amostra
Corrente média
(A)
Velocidade média
(mm/s)
Tensão média
(V)
StickOut médio
(mm)
Aporte Témico
(kJ)
1 105 8,33 20 25 252,1
2 57 8,33 13 25 88,9
FIGURA 4.1 - Fotografia dos conjuntos soldados, menor (a) e maior (b) aporte térmico respectivamente.
(a)
(b)
74
4.2 Metodologia desenvolvida para avaliação da corrosão intergranular em
juntas soldadas
Para avaliar a resistência à corrosão intergranular do aço inoxidável ferrítico AISI 439
após o processo de soldagem foi desenvolvida uma metodologia composta das seguintes
etapas:
• caracterização microestrutural do metal base e da ZTA;
• determinação do tamanho médio de grão do metal base;
• determinação do tamanho da ZTA;
• separação das regiões de solda;
• realização dos ensaios de corrosão intergranular.
4.3.1 Caracterização estrutural do conjunto soldado
Foram feitas análises por EDS utilizando-se uma microssonda GEOL modelo JXA 8900
RL, com o objetivo de identificar com mais detalhes a presença dos elementos
estabilizantes e a distribuição de carbonetos ao longo dos contornos de grão. A FIG. 4.2
apresenta o mapeamento de raios-X, feito na amostra do material como recebido. A
FIG. 4.2 (a) apresenta o mapeamento dos precipitados presentes na matriz. Observa-se a
maior presença de titânio, indicando que os precipitados distribuídos aleatoriamente na
matriz são, em sua maioria, de titânio. A FIG. 4.2 (b) apresenta o mapeamento realizado
no contorno de grão. Observa-se a presença, em sua maioria, de ferro, cromo e carbono,
indicando possivelmente a presença de carbonetos de cromo nos contornos de grão.
75
(a)
(b)
FIGURA 4.2 - Microanálises realizadas em amostras do material como recebido. (a) matriz , (b) contorno
de grão.
A FIG. 4.3 mostra as micrografias obtidas da ZTA dos dois aportes térmicos estudados.
Pode-se observar um aumento no tamanho de grão na ZTA com o aumento do aporte
térmico.
76
a
b
FIGURA 4.3 - Micrografias obtidas da ZTA dos dois aportes estudados, (a) menor aporte térmico e (b)
maior aporte térmico.
4.3.2 Determinação do tamanho médio de grão do metal base
O tamanho médio de grão das amostras do material como recebido, foi obtido com a
aplicação do programa de análise de imagens Quantikov
®
. Foram observados três
campos para cada amostra fotografados com aumento de 100x. O aspecto final da foto
após análise no Quantikov
®
é mostrado na FIG. 4.4.
FIGURA 4.4 - Microestrutura trabalhada pelo programa Quantikov
®
para medida do tamanho de grão da
amostra aço AISI 439 como recebido.
77
O tamanho médio de grão medido pelo Quantikov
®
. foi de 21,3 µm como mostra a FIG.
4.5.
FIGURA 4.5 - Tela de resultados do programa Quantikov.
4.3.3 Determinação do tamanho da ZTA
Para determinação da ZTA a ser utilizada nos ensaios eletroquímicos, foi feito um perfil
fotográfico a partir da linha de fusão (LF) em direção ao metal base (MB). Com este
perfil fotográfico, traçaram-se linhas de referência paralelas a LF, como mostra a FIG.
4.6. A variação do tamanho de grão ao longo da ZTA foi determinada pelo método de
Heyn, que consiste em estimar o tamanho de grão médio contando o número de
interseções existentes entre o contorno de grão e as linhas retas com comprimento bem
conhecido, previamente traçadas sobre a imagem. Para a medida do tamanho de grão foi
tirada a média de cinco campos fotografados.
78
FIGURA 4.6 - Linhas paralelas à linha de fusão utilizadas para determinação do tamanho de grão ao
longo da ZTA.
O tamanho de grão foi calculado pela equação EQ. 4.1:
( )
m
b
a
µ1000× (EQ. 4.1)
a: comprimento da linha;
b: número de vezes que a linha intercepta o contorno de grão.
A ZTA foi determinada, para fins dos ensaios eletroquímicos, como sendo a região,
entre a LF e o MB, cujo tamanho de grão medido fosse maior ou igual a 1/3 em relação
ao tamanho médio de grão medido do MB.
As curvas que descrevem a variação do tamanho de grão em relação à distância até a
linha de fusão apresentam um decaimento exponencial de primeira ordem e podem ser
representadas pela equação (EQ. 4.2):
Y = Y
0
+ B e
Ro.X
(EQ. 4.2)
Onde:
Y: Tamanho de grão;
Y
0
: Tamanho de grão do metal base (21,3 µm);
X: Distância entre a linha de interceptos e a linha de fusão;
B e R
0
: parâmetros de ajuste da equação.
79
O GRA. 4.1 e GRA. 4.2 mostram as curvas que representam o tamanho dos grãos em
relação à distância até a linha de fusão, obtidas para as amostras de menor e maior
aporte térmico respectivamente. As curvas foram obtidas pelo software OriginPro 7.0
e ajustadas segundo o modelo exponencial.
0 1 2 3 4 5 6
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Variação de TG em relação a distância da LF
Menor aporte robotizada
X - distância da linha de fusão (mm)
Y - Tamanho de grão (µm)
Modelo: Exponencial
Equatição: y = y0 + A*e
(R
0
*X)
Chi^2/DoF= 23.65384
R^2 = 0.93486
y0 21,3 ±0
A 110 ±0
R0 -1.19851 ±0.05747
GRÁFICO 4.1 - Gráfico da variação do tamanho de grão em relação à distância da linha de fusão –
amostra menor aporte térmico.
0 1 2 3 4 5 6
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Modelo: Exponencial
Equação: y = y0 + A*exp(R0*x)
Chi^2/DoF = 224.17147
R^2 = 0.89059
y0 21.3 ±0
A 400 ±0
R0 -1.05059 ±0.04381
X - distância da linha de fusão (mm)
Y - Tamanho de grão (µm)
Variação de TG em relação a distância da LF
Maior aporte robotizada
GRÁFICO 4.2 - Gráfico da variação do tamanho de grão em relação à distância da linha de fusão –
amostra maior aporte térmico.
80
Utilizando o critério descrito, foram determinadas as localizações da ZTA. Para a
amostra de menor aporte térmico a ZTA se estendeu da linha de fusão até,
aproximadamente, 2 mm em direção ao metal base. Para a amostra de maior aporte
térmico este tamanho foi de cerca de 4 mm.
4.3.4 Separação das regiões da solda
Para a avaliação eletroquímica de conjuntos soldados é necessário fazer uma separação
das regiões da solda, metal base (MB) e zona termicamente afetada (ZTA), pois as
diferenças entre elas no que diz respeito à composição e a microestrutura podem criar
um potencial eletroquímico entre elas e causar corrosão galvânica – grande parte da
dissolução anódica está na zona termicamente afetada.
Inicialmente foram utilizados vários tipos de materiais como “máscaras” para isolar as
diferentes regiões. Utilizou-se a resina para cobertura de poliuretano para proteção de
umidade, utilizada para proteção de extensômetros (strain gage), fabricada pela Vishay
Micro Measurements e tentou-se também a utilização de uma fita adesiva de poli-imida,
utilizada em laboratórios como isolante térmico e elétrico, fabricada por DeWAL
Industries, Inc. mas estes materiais não foram resistentes à solução utilizada nos ensaios
eletroquímicos, conforme evidenciado na FIG. 4.7.
(a) (b)
FIGURA 4.7 - Evidência de solução por baixo da máscara, (a) resina de poliuretano, (b) fita adesiva de
poli-imida.
Máscara
Máscara
Amostra
Amostra
81
O procedimento mais adequado para realizar a separação das regiões do conjunto
soldado foi a demarcação destas em microscópio ótico e o corte utilizando o
equipamento para corte ISOMET (Low Speed Saw – Buehler) (FIG. 4.8). O
equipamento possui discos abrasivos intensamente refrigerados (água, sem
aquecimento), a relativamente baixas rotações. Os cortes realizados por este processo
não produzem danos devido ao disco ser de corte muito fino, de 0,4mm.
FIGURA 4.8 -Equipamento para corte ISOMET.
4.3 Prática W – Norma ASTM A 763
A FIG. 4.9 mostra a micrografia obtida após ataque eletrolítico em ácido oxálico
(Prática W) da amostra do metal base (MB).
(a) (b)
FIGURA 4.9 - Micrografia obtida após ataque eletrolítico em ácido oxálico (Prática W) da amostra do
metal base (MB), as setas indicam as valas (a) e os degraus (b).
82
Nota-se a estrutura de grãos de ferrita com carbonetos dispersos pela matriz. Observa-se
pelas micrografias a estrutura mista com presença de valas e degraus. A estrutura tipo
degrau caracteriza a ausência de precipitados nos contornos de grão e a vala significa
presença de fase rica em cromo. Observa-se neste caso a maior presença da estrutura
degrau do que a estrutura de valas.
A FIG. 4.10 mostra as micrografias após ataque eletrolítico em ácido oxálico 10%
(Prática W), da ZTA, da amostra de menor e maior aporte térmico. Observa-se que os
contornos de grão estão circundados por valas, indicando um maior grau de sensitização
comparado com o MB.
a b
FIGURA 4.10 - Micrografias obtidas após ataque eletrolítico em ácido oxálico (Prática W) da amostra da
ZTA de menor aporte térmico (a) de maior aporte térmico (b).
Todas as micrografias (FIG. 4.9 e 4.10) apresentadas mostram a estrutura
completamente ferrítica do material, sendo que, para a amostra de menor aporte térmico
e do MB ocorre a formação de degraus. Na amostra de maior aporte térmico a
micrografia obtida revela a maior presença de valas, evidenciando os precipitados
envolvendo totalmente os contornos de grão. O ataque eletrolítico em ácido oxálico
dissolve fases ricas em cromo e o sistema Fe-Cr-C-N permite a precipitação de
carbonetos e nitretos de cromo, tem-se que nos contornos de grão a causa da formação
das valas é a dissolução de tais carbonetos e/ou nitretos (Cowan II, 1973).
83
4.4 Avaliação da resistência à corrosão intergranular
Os métodos eletroquímicos foram desenvolvidos e/ou adaptados para a determinação da
suscetibilidade dos aços inoxidáveis à corrosão intergranular, distinguindo-se entre
outros as seguintes técnicas:
• levantamento de curvas de polarização anódica;
• técnicas de reativação potenciodinâmica DL-EPR.
O levantamento de curvas de polarização anódica é um método eletroquímico que tem
sido utilizado para distinguir materiais sensitizados de não sensitizados. O método DL-
EPR é uma versão muito utilizada para quantificar o grau de sensitização (Zanetic,
2002).
Para a realização dos ensaios eletroquímicos os corpos de prova foram embutidos em
resina baquelite. O contato elétrico necessário para os ensaios foi realizado através de
um pequeno orifício no embutimento de baquelite até a superfície da amostra e soldado
um fio de cobre encapado. A medida da área superficial em contato com o meio
corrosivo das amostras foi realizada utilizando o software Quantikov
®
. A FIG. 4.11
apresenta os corpos de prova ensaiados.
FIGURA 4.11 - Fotografia dos corpos de prova para ensaio eletroquímico.
84
Para obter um controle da camada passiva, os corpos de prova do material como
recebido foram lixados nas lixas: #220, #320, #400, #600. E imediatamente antes do
início da experiência o corpo de prova foi novamente lixado na lixa #600.
4.3.5 Ensaios de polarização anódica potenciodinâmica
O GRA. 4.3 mostra as curvas de polarização anódica obtidas para as três amostras
estudadas.
-8,0 -7,5 -7,0 -6,5 -6,0 -5,5 -5,0 -4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Potencial / V vs. Ag/AgCl
Log I / A cm
-2
Metal Base
ZTA - maior aporte térmico
ZTA - menor aporte térmico
GRÁFICO 4.3 - Curvas de polarização anódica potenciodinâmica para as regiões de MB e ZTA das
amostras estudadas, em 0,5M de H
2
SO
4
. As setas indicam o sentido de varredura.
Observa-se que as três amostras apresentaram comportamento similar em relação à
corrosão, pois o potencial de corrosão, a corrente anódica crítica e o potencial de
passivação primário obtidos foram aproximadamente da mesma ordem de grandeza,
-0,520Vvs.Ag/AgCl, da ordem de 10
-2
A/cm
2
, e cerca de -0,440Vvs.Ag/AgCl,
respectivamente. Entretanto, a densidade de corrente na região de passivação apresentou
valores diferenciados para as três amostras, indicando diferentes graus de passivação.
Observa-se que, enquanto as densidades de correntes são da ordem de 10
-6
A/cm² para a
amostra do metal base, para a amostra da ZTA do menor térmico são da ordem de 10
-5
A/cm². A amostra da ZTA de maior aporte térmico não exibe um comportamento típico
de uma região passiva, uma vez que a corrente aumenta com o aumento do potencial.
85
Este comportamento é provavelmente o resultado da deficiência de cromo na região
adjacente aos contornos de grão, levando a um menor grau de passivação das amostras
da zona termicamente afetada do conjunto soldado de maior aporte térmico.
4.3.6 Ensaios de reativação eletroquímica potenciodinâmica - DL-EPR
A seguir são apresentadas as curvas após ensaios de DL-EPR em solução de 0,5M de
H
2
SO
4
. Foram realizados cinco ensaios para cada região (MB e ZTA). Com velocidade
de varredura de 1,67mV/s sendo o acabamento superficial com lixa #600,
imediatamente antes da imersão no eletrólito. No GRA. 4.4 é apresentada a curva
característica obtida por meio do ensaio DL-EPR em solução de 0,5M de H
2
SO
4
para o
metal base.
-8,0 -7,5 -7,0 -6,5 -6,0 -5,5 -5,0 -4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Segundo Máximo de Corrente
I
r
I
a
Potencial / V vs. Ag/AgCl
Log I / A cm
-2
GRÁFICO 4.4 - Curva de DL-EPR para a região do MB, em 0,5M de H
2
SO
4
. As setas indicam o sentido
de varredura.
O ensaio inicia-se no potencial de corrosão sendo a amostra polarizada anodicamente
até o potencial de 0,500Vvs.Ag/AgCl (zona de passivação). Imediatamente foi realizada
a reversão até o potencial de corrosão inicial. O grau de sensitização obtido para o MB
foi de 0,44 = I
r
/I
a
.
86
O GRA. 4.5 mostra a curva típica obtida após ensaio de DL-EPR para a zona
termicamente afetada de menor aporte térmico. O grau de sensitização foi de 1,08.
-6,5 -6,0 -5,5 -5,0 -4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Segundo Máximo de Corrente
I
r
I
a
Potencial / V vs. Ag/AgCl
Log I / A cm
-2
GRÁFICO 4.5 - Curva de DL-EPR para a região da ZTA de menor aporte térmico, em 0,5M de H
2
SO
4.
As setas indicam o sentido de varredura.
O GRA. 4.6 mostra a curva típica obtida após ensaio de DL-EPR para a zona
termicamente afetada de maior aporte térmico. O grau de sensitização foi de 1,44.
-7,5 -7,0 -6,5 -6,0 -5,5 -5,0 -4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Segundo Máximo de Corrente
I
r
I
a
Log I / A cm
-2
Potencial / V vs. Ag/AgCl
GRÁFICO 4.6 - Curva de DL-EPR para a região da ZTA de maior aporte térmico, em 0,5M de H
2
SO
4
.
As setas indicam o sentido de varredura.
87
O GRA. 4.7 mostra uma comparação do grau de sensitização após os ensaios de DL-
EPR para a ZTA das amostras com diferentes aportes térmicos em relação ao MB.
-7,5 -7,0 -6,5 -6,0 -5,5 -5,0 -4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Potencial / V vs. Ag/AgCl
Log I / A cm
-2
Metal Base
ZTA - maior aporte
ZTA - menor aporte
GRÁFICO 4.7 - Curvas de DL-EPR para as regiões de MB e ZTA das amostras estudadas, em 0,5M de
H
2
SO
4
. As setas indicam o sentido de varredura.
As curvas apresentaram na ativação picos com densidade de corrente da mesma ordem
de grandeza, enquanto que na reativação, apresentaram valores diferenciados. Observa-
se que as curvas que apresentaram maiores valores de i
r
também apresentaram maiores
densidades de corrente no trecho passivo.
É importante notar que as três curvas apresentadas no GRA. 4.7 mostram que quando
um aço tem um grau de sensitização significativo, as densidades de corrente nos trechos
do segundo máximo de corrente anódica e de reativação são bem maiores do que nas
condições nas quais há pouca ou ausência de sensitização. A TAB. IV.2 mostra a razão
Ir /Ia para as amostras estudadas.
TABELA IV.2 - Razão Ir /Ia.
Amostra I
r
I
a
Ir/Ia
Material como recebido 6,33 x 10
-3
1,43 x 10
-2
0,44
ZTA - maior aporte térmico 1,15 x 10
-2
1,01 x 10
-2
1,14
ZTA - menor aporte térmico 7,88 x 10
-3
7,29 x 10
-3
1,08
88
5 CONCLUSÃO
• A metodologia apresentada mostrou-se adequada para avaliar a resistência à
corrosão intergranular de conjuntos soldados do aço inoxidável ferrítico AISI 439
soldado com AISI 308L-Si por técnicas eletroquímicas.
• A técnica de reativação eletroquímica potenciodinâmica DL-EPR permitiu
determinar o grau de sensitização sendo uma excelente alternativa para diferenciar
materiais sensitizados de não sensitizados com elevada sensibilidade. Os resultados
obtidos com este método foram compatíveis com a Prática W, comprovando que a
metodologia de separação das regiões da solda empregada mostrou-se adequada.
89
6 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS
• Empregar a metodologia desenvolvida em outros tipos de aços inoxidáveis ferríticos
para verificar a sua aplicação.
• Utilizar a metodologia desenvolvida para avaliar a resistência frente à corrosão de
aços inoxidáveis ferríticos AISI 439 com diferentes espessuras e aporte térmicos, com o
objetivo de definir a melhor condição de soldagem.
• Avaliar a resistência à corrosão de AISI 439 utilizando outros metais de adição.
• Estudar diferentes soluções para avaliação da sensitização utilizando ensaios de
reativação potenciodinâmica DL-EPR (ciclo duplo).
90
7 TRABALHOS PUBLICADOS
A partir desta dissertação foram publicados os seguintes trabalhos:
• Metodologia para avaliação da corrosão em aço inoxidável ferrítico soldado. In: 61º
Congresso Anual da ABM, 2006, Rio de Janeiro. 61º Congresso Anual da ABM. São
Paulo: Associação Brasileria de Metalurgia e Materiais, 2006.
• Metodologia para avaliação da corrosão da zona termicamente afetada de aço
inoxidável ferrítico AISI 439 soldado. In: XXXII CONSOLDA - CONGRESSO
NACIONAL DE SOLDAGEM, 2006, Belo Horizonte. XXXII CONSOLDA. São
Paulo: Associação Brasileira de Soldagem, 2006. v. 1. p. 1.
91
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Aços Especias Itabira - ACESITA S. A. Manual Técnico de Aços Inoxidáveis -
Características Básicas e Cuidados.
ALLEGHENY LUDLUM Allegheny Technologies.
http://www.alleghenyludlum.com/lundlum/documents/439.pdf. Acesso em: setembro,
2005.
ASM – American Society for Metals - In: Corrosion,1992, V.13.
ASM – American Society for Metals - In: Metallography and Microestructures,
2004,V.9.
ASM – American Society for Metals - In: Welding, Brazing and Soldering, 1993,V.6.
ASM – American Society for Metals - Metals Handbook – In: Corrosion:
Fundamentals,Testing, and Protection, 2003, V.13A.
ASTM E 112 – Standard Test Methods for Determining Average Grain Size - American
Standards For Testing Materials, 2004.
ASTM A763 – Standard Pratices for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in
Ferritic Stainless Steel - American Standards For Testing Materials, 1999.
AWS – American Welding Society - Welding Handook - In: Metals and their
Weldability, 1982, V.4.
BOTTREL-COUTINHO, C. A. Materiais Metálicos para Engeharia. Fundação
Christiano Ottoni, BH. 1992.
BRACARENSE, A. Q. Processo de soldagem – Gás Metal Arc Welding GMAW.
Apostila curso Processos de Soldagem – Mestrado UFMG, 2005.
COWAN II, R. L.; TEDMON, C.S. Intergranular corrosion of Iron-Nickel-Chromium
alloys. In: Fontana, M. G.; Staehle, R. W. Advances in corrosion Science and
Techonolgy, V.3, 1973.
CAMPBELL, R. D. Ferritic Stainless steel Welding Metaluurgy. Key Engineering
Materials, v. 69& 70, p 167-216, 1992.
CHAWLA, S. L.; GRUPTA. R. K. Materials Selection for corrosion control. Metals
Park, O.H. American Society for Metals. 1995.
92
COLPAERT, H. Metalografia de produtos siderúrgicos comuns. Edgar Blucher, SP,
1974.
ESAB S.A. Indústria e Comércio. Apostila Eletrodo Inoxidáveis, 2004. Disponível em:
http://www.esab.com.br/literatura/apostilas/Apostilas_Eletrodos_Inoxidaveis_rev0.pdf
FEDELE, R.A. Corrosão intergranular em juntas soldadas, parte I, II, III. In: Revista
Soldagem Inspeção Ano 6 nº 3. Disponível em: http://www.btwr.com.br . Acesso em:
setembro, 2005.
FONTANA, M.G.; GREENE, N.D. Corrosion Engineering., New York. Materials
Science and Engineering Series, 1978.
FRITZ, J. D., MEADOWS, C. Understanding Stainless Steel Heat-Affected Zones,
2005.
GOOCH, T.G. Corrosion behaviour of welded stainless steel. Welding Journal, V.75,
nº5, 1996.
KOU, S. Welding Metallurgy. John Wiley & Sons, New Jersey, 2003.
LULA, R. A. Stainless Steel. Metals Park, O.H. American Society for Metals. 1986.
MARQUES P. V., MODENESI, P. J., BRACARENSE A. Q. Soldagem Fundamentos e
Tecnologia. UFMG, BH. 2005.
MODENESI, P. J. Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis. Coleção Tecnologia da
Soldagem, v.1. Senai, SP. 2001.
PICKERING, F. B. International Metals Reviews, Rewiew 211, p 227-249,
December,1976.
PICKERING, F. B. Physical Metallurgy of Stainless Steel Developments. The Institute
of Metals, London, p 1-28, 1985.
PINTO, L. C. M. Quantikov – Um analisador Microestrutural para um ambiente
WindowsTM. / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – USP/IPEN. 1996.
PIRES, R. F.; ALONSO-FALLEIROS, N. Corrosão intergranular de aço inoxidável
ferrítico: Avaliação através de método eletroquímico. Produção em Iniciação Científica
da Epusp, 2002. http://www.poli.usp.br. Acesso em 25 out 2005.
PRINCETON APPLIED RESEARCH –– Electrochemistry and Corrosion Overview
and Techniques - Application Note CORR-4. Electrochemical Instruments Division.
Disponível em: http://new.ametek.com/content-manager/files/PAR/088.pdf.
ROBERGE, P. R. Handbook of Corrosion Engineering. MacGraw Hill, 1999.
93
SANTANA, A. J.; AMORIN, D. S. C.; CUNHA, M.A.; CÔRTES, P. E. F. Automação
da medida de tamanho de grão médio utilizando metodologia estatística para
identificação de formas. Disponível em:
http://www. npdi.dcc.ufmg.br/workshop/wti2002/pdf/santana.pdf. Acesso em:
13/08/2006.
SEDRICKS, A. J. Corrosion of Staniless Steel. Second Edition. Princeton, New Jersey.
1996.
SERNA-GIRALDO, C. A. Resistência à Corrosão IntergranularUNS S43000: avaliação
por método de reativação eletroquímica, efeito de tratamento isotérmico e mecanismo
de sensitização. Tese de Doutorado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
2006.
SHEIR, L.L.; JARMAN, R.A.; BURSTEIN, G.T. Corrosion – In: Metals Enviroments
Reactions, 2000,V.1 (a)
SHEIR, L.L.; JARMAN, R.A.; BURSTEIN, G.T. Corrosion – In: Corrosion Control,
2000,V.2 (b)
STREICHER, M. A. The role of carbon, nitrogen and heat treatment in the dissolution
of iron- chromium alloys in acids. Corrosion, v.29. September, 1973.
Gentil, V. Corrosão, 4ª edição. 2003.
WOLYNEC, S. Técnicas Eletroquímicas em Corrosão. In: Palestra “keynote” proferida
no 59º Congresso Anual da ABM – Internacional, 2004, São Paulo. Anais...São Paulo:
cd.1.
ZANETIC, S. T.; ALONSO-FALLEIROS, N. Determinação do grau de sensitização de
aços inoxidáveis austeníticos pelo método DL-EPR. Produção em Iniciação Científica
da Epusp, 2002. Disponível em: http://bt.fatecsp.br/arquivos/bt10/trabalho22.pdf.
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
