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Tratamento Termico de Alivio de Tensoes
Tipologia: Notas de estudo
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5 .2 Determinação da Taxa de Aquecimento (TA) 27
Para os aços, a permanência na temperatura de patamar durante um determinado tempo seria para homogeneizar a austenita, seguido de resfriamento lento, geralmente no próprio forno. Os principais objetivos a serem alcançados pos este Tratamento são:
b) Normalização
É um tratamento para aços que consiste em aquecimento a uma temperatura um pouco acima da austenitização, e resfriamento em ar, com o intuito de refinar o grão, aumentando sua resistência mecânica.
c) Revenimento
É um tratamento para aços que consiste no aquecimento da peça com temperaturas entre 450 a 750 °C, permanecendo no forno com períodos de 30 minutos a 4 horas, seguido de resfriamento controlado. O revenimento é um tratamento térmico aplicado a peças nas quais tenham sido produzidas microestruturas martensíticas, quando se deseja acançar os seguintes objetivos. -aliviar tensões internas; -aumentar a tenacidade (diminuir a fragilidade) Em algumas ligas de alumínio faz-se um evelhecimento, com temperaturas de 100 a 200 °C, usado para restaurar a ZTA aumentando a resistência mecânica, que foi afetada pela solda deixando a região menos dura.
d) Solubilização
É um Tratamento Térmico que faz uma solução no estado sólido de elementos que anteriormente estavam precipitados, seguido de resfriamento rápido, o suficiente para reter na matriz os elementos na solução, antes precipitados.
e) Têmpera
Consiste no aquecimento da peça até um determinada temperatura, para austenitização do aço, permanência nesta temperatura durante um determinado tempo para homogeneização da austenita, seguido de refriamento rápido.
São os seguintes os objetivos da têmpera: -Endurecer;
-Aumentar a resistência mecânica; -Aumentar a resistência ao desgaste; -Aumentar a resistência ao escoamento. A peça temperada fica muito frágil, sendo necessário, obrigatóriamente, a aplicação do revenido após a têmpera. Esse conjunto de operações, Têmpera e Revenimento dá-se o nome de Beneficiamento.
f) Préaquecimento
Apesar de ser uma fonte de calor adicional introduzida na peça, quando se executa uma soldagem, muitos não consideram como um Tratamento Térmico. O aquecimento pode muitas vezes ser feito em uma faixa que varia de 6 a 12 vezes a espessura da peça, o aquecimento pode ser obtido por vários métodos descritos no ítem 4, o pré aquecimento tem o objetivo de diminuir a velocidade de resfriamento de uma junta soldada, diminuindo tensões residuais, comentada no item seguinte. O préaquecimento em metais com alta condutibilidade térmica, facilita as operações de soldagem. Em aços favorece a difusão do hidrogênio, reduz a ocorrência de ZTA com altos níveis de dureza. Os principais parâmetros para especificar um préaquecimento são: a espessura da peça, naturea composição química e condições metalurgicas do metal, e o nível de restrição a que a junta está sendo submetida, também o processo de soldagem e seu aporte de energia são variáveis importantes.
g) Pós-Aquecimento
A principal utilização do pós-aquecimento, é a eliminação de hidrogênio induzido por processos de soldagem, aplicados em aços ao Carbono e Baixa Liga. Consiste em aquecer a junta soldada em temperaturas na ordem de 250 a 400 °C por 1 a 4 horas, imediatamente após a soldagem, aproveitando o préaquecimento. As temperaturas e os tempos são diretamente proporcinais à quantidade de liga do material e da espessura. Na maioria dos casos este aqueciento não provoca alivio de tensões, salvo em materiais onde sofreram tempera ou são suscetíveis a ela, o pós aquecimento pode influenciar em um abaixamento de dureza, caso as temperaturas e os patamares de revenimento do material fiquem próximas as do pós-aquecimento.
h) Alívio de Tensões
O tratamento térmico de alívio de tensões, é o mais empregado de todos os estudados do assunto, e será tratado mais profundamente, nos capítulos a seguir. Este tratamento para aços envolve aquecimento abaixo da temperatura crítica de transformação, permanecendo por um período de tempo, geralmente proporcional a espessura seguido de resfriamento lento, permitindo desta forma reduzir as tensões prejudiciais um limite mínimo e aceitável, provocados pelas operações de soldagem, ou mesmo de conformação.
diâmetro/espessura permitida por norma, relaciona-se abaixo os requisitos do ASME VIII div, muito empregado na indústria. Partes de Vasos sujeitas a pressão que tenham um alongamento na fibras externas superior a 5%, para materiais em aço carbono ( P no. 1) acima de 40%, devem ser aliviadas tensões antes de outras operações, e caso um ou mais requisitos relacionados abaixo for aplicável:
a) A temperatura da peça durante a conformação ficou entre 120 a 480 °C. b) O material submetido a comformação tem exigência de Teste de Impacto. c) A espessura da chapa antes de comformar é superior a 15,8 mm. d) O vaso irá trabalhar com substâncias letais ao ser humano. e) Houve redução de espessura superior a 10% da chapa.
O alongamento pode ser obtido pela seguinte fórmula: onde: e = Espessura da Chapa Rf= Raio Final Ri= Raio Inicial, adotar Ri= 8 para chapa plana
Rf Ri
e Rf
Na soldagem o fenômeno da indução de tensões, pode ser descrito como por uma deposição de um cordão de solda sobre chapa. A poça de fusão e a fonte de calor juntos provocam um aquecimento localizado na região, a massa sob a ação da fonte de calor XY, tenderá a se expandir, o metal quente é relativamente dúctivel e portanto as tensões de compressão causará deformação local no metal quente, ver Figura 1.2.b.
Figura 1.2.b Cordão Sobre Chapa
As adjacências resistem a essa expansão e impedem que a seção se expanda, a medida que a poça de fusão esfria o metal quente contrai e tensões de compressão são anuladas e em seguida transformam-se em tensões de tração acarretando o aparecimento de tensões de tração no metal frio, Figura 1.2.c.
Figura 1.2.c Codão de Solda Quente e Frio
Estas tensões internas podem alcançar altos valores. Isto pode causar distorções na estrutura como um todo, mas, o importânte, é que isso pode levar as trincas na região próxima a solda se o metal que está sujeito a essas tensões é insuficientemente dúctivel para absorver as tensões por deformação. Associado ao préaquecimento os tratamentos de Alívio de Tensões e Recozimento, fazem com que as tensões internas sejam diminuidas.
1.3 Hidrogênio
Os gases mais comuns encontrados em operações de soldagem são: oxigênio, nitrogênio, argônio, hélio, dióxido de carbono e hidrogênio. O dois primeiros orindos da atmosfera, argônio, hélio e o dióxido de carbono são usados como gases de proteção. Quando na soldagem de aços carbono e baixa liga , o hidrogênio, no entanto, requer uma consideração especial, por causa de seu efeito, podendo ser desastroso. O hidrogênio pode ser oriundo de gases combústivel, umidade ou graxas. a umidade está presente, em fluxos e revestimentos de eletrodos. Sendo o hidrogênio muito menos solúvel no metal no estado sólido do que no estado líquido, há supersaturação quando o metal de solda solidifica-se. um excesso de átomos de hidrogênio, com um raio atômico reduzido pode facilmente de difundir na rede cristalina do metal até alcançar a ZTA, caso o gas dissociado encontra algum poro ou descontinuidade na estrutura cristalina do metal, eles se combinam com grande vigor e exercem uma pressão muito grande nos átomos da rede cristalina. O aço tem duas escolhas: ou se deforma caso o aço seja dúctil ou trinca se ele for duro e frágil, como é na forma martensítica, a Figura 1.3.a ilustra o fenômeno.
Figura 1.3.a Fenômeno de Difusão do Hidrogênio
A combinação martensita, hidrogênio e tensões, deve ser evitada a todo custo. Um problema muito comum aos profissionais de soldagem , são processos de soldagem que induzem quantidades de hidrogênio consideráveis em uma junta soldada, já que para a eliminação deste gás, pode ser feito pelo aquecimento das peças a serem
Espessuras: Acima de 25 até 300 mm
2.2 Aços Baixa Liga
As Tabelas 2.9.a à 2.9.d podem ser usadas para o desenvolvimento de parâmetros iniciais de préaquecimento e alívio de tensões, inclusive para as suas várias combinações.
A soldagem dos aços baixa liga requerem cuidados especiais, pois são materiais temperáveis, por causa da adição de elementos de liga, os principais são Cr, Mo, Ni, V, além do C, e tem suas ZTA suscetível ao endurecimento, geralmente as faixas de préaqueciemnto são mais elevada que os aços ao carbono.
Para os aços de construção mecânica mais usuais da indústria, sugere-se a Tabela 2.2 , usar as faixas de espessuras mais encontradas.
O alivio de tensões é obrigatório após as operações de soldagem desses materiais, e deve ser feito na faixa de 520 a 620 °C com 1 hora para cada 25,4 mm de espessura e, fazer o alivio preferencialmente imediatamente após a soldagem, caso não seja possível, fazer um pós aquecimento com 50 °C acima da temperatura máxima de préaquecimento empregada, com um patamar de 1 a 4 horas e promover resfriamento lento.
Tabela 2.2 Sugestão de Préaquecimento
AÇO TEMPERATURA DE PRÉAQUECIMENTO SAE e < 12,7 (mm) 12,7 < e < 25,4 (mm) 25,4 < e < 50,8 (mm) 4130 150 - 200 200 - 250 250 - 300 4140 200 - 250 250 - 300 300 - 350 4340 300 - 350 300 - 350 300 - 350 4640 200 - 250 250 - 300 250 - 300 5140 200 - 250 250 - 300 250 - 300 8640 150 - 200 200 - 250 250 - 300
2.3 Aços inoxidáveis
Trincas por hidrogênio não ocorrem nos aços inoxidáveis austeníticos, sendo o préaquecimento desnecessário, no caso de soldagem dissimilar com os aços ferríticos, deve ser considerado as Tabelas 2.9 a a 2.9.d, para os aços inoxidáveis martensíticos o préaquecimento e alívio são obrigatórios, afim de tornar a ZTA menos frágil e sujeita a trincas. Os aços inoxidáveis podem sofrer vários tipos de Tratamento térmico, os mais importantes após soldagem são descritos abaixo:
a) Redistribuição de Tensões
Situa-se na faixa de temperatura entre 290 a 425 oC, sendo abaixo da faixa de sensitização, sendo aplicável para peças deformadas em até 30% ou soldadas. Com este tratamento térmico há uma significativa redistribuição dos picos de tensões e um aumento dos limites de tensão e escoamento, sendo que a precipitação e sensitização intergranular não são problema para os graus de aços inoxidáveis envelhecidos com alto carbono.
b) Alivio de Tensões Parcial
As temperaturas giram entre 425 a 595 oC, é adequado normalmente para minimizar distorções provocados por usinagem ou mesmo entre de operações de soldagem e antes das operações de usinagem, somente devem ser empregados para os graus baixo carbono "L" e os estabilizados 321 e 347.
c) Alívio de Tensões Pleno
Está entre 815 a 870 oC, é ocasionalmente necessário para alívio de aproximadamente 90 % da tensões, mas somente poderão sofrer este tratamento térmico os graus baixo carbono "L", e os estabilizados 321 e 347. Em testes de susceptibilidade a corrosão de acordo com ASTM A262 não foi revelada sensitização, em peças sujeitas ao tratamento térmico nesta faixa de temperatura.
d) Solubilização
O tratamento deve ser no mínimo a 900 oC de 1 a 10 horas são ocasionalmente empregado em conjuntos soldados, quando sua utilização em trabalho for na faixa de 400 a 900 oC. O objetivo da solubilização é a aglomeração dos carbonetos para a prevensão de precipitação intergranular de carbonetos, tal como no alívio pleno, consegue-se bons resultados de susceptibilidade a corrosão intergranular de acordo com o ASTM A
Erro! Indicador não definido. TIPO DE TRATAMENTO TÉRMICO
FINALIDADE DO TRATAMENTO AÇOS INOXIDÁVEIS
FAIXA DE TEMPERATURA (oC)
Redistribuicao de tensões
Homogeneizar o conjunto aumentar limite de escoamento e resistência
todos 290 a 425
Alivio de tensões parcial Minimizar distorções por usinagem e conjuntos soldados
graus "L" 321 347
425 a 595
Alivio de tensões pleno Aliviar tensões graus "L" 321 347
815 a 870
Solubilização Previnir corrosão intergranular todos acima de 900
2.4 Ligas de Níquel
BRONZE SILÍCIO 1A / 3A 7C 2E CUPRO NÍQUEL 1A / 3A / 4A 1E 2E 2E 4E NÍQUEL 4A / 5A 4E / 5E MONEL 4A / 5A 4E / 5E INCONEL/ INCOLOY
6A 6A
AÇO BAIXO C 2A / 3A / 6A 1C 2D 2E 2E / 6E AÇO MÉDIO C 2A / 3A / 6A 1C 2c 2E 2E / 6E AÇO ALTO C 2A / 3A / 6A 1B 2B 2C 2E / 6E AÇO BAIXA LIGA 2A / 3A / 6A 1B 2B 2C 2E / 6E AÇO INOX AUSTENÍTICO
2A / 3A / 6A 1C 2E 2E 2E / 6E FERRO FUNDIDO CINZENTO
2A / 3A 1C 2C 2D / 7D 2E
FERRO FUNDIDO DUCTIL
2A / 3A 1C 2E 2E / 7E 2E
TABELA 2.7.b METAL DE ADIÇÃO INDICADO No. VARETA 1 ER Cu Sn-A 2 ER Cu Al-A 3 ER Cu 4 ER Cu Ni 5 ER Ni Cu- 6 ER Ni- 7 ER Cu Si-A
LETRA PRÉAQUECIMENTO (°C) A 500 mínimo B 250 mínimo C 200 mínimo D 150 mínimo E 80 máximo
2.8 Ligas de Aluminio
Devido a maioria das ligas de alumínio tem alta condutibilidade térmica, por vezes o préaquecimento é necessário para se oter boa fusão na junta. No caso de ligas com solução sólida o préaquecimento não deve exceder a 400 °C, e ligas endurecidas por precipitação, não podem ir além de 150 °C. Geralmente o préaquecimento, quando as seções são muito grandes e espessas, e este faz-se necessario, a fim de diminuir os gradientes de temperatura e reduzir as tensões induzidas por estes gradientes. Para ligas da classe 6XXX com têmpera T-4 e T-6, em algumas oportunidades, onde temos que ter uma recuperação da resistência da ZTA, é necessário um tratamento de solubilização e envelhecimento. Em algumas oportunidades somente o
envelhecimento é vantajoso, já que a solubilização poderá provocar distorções e mais tensões residuais.
2.9 Juntas Soldadas com Metais Dissimilares
As Tabelas 2.9.a e 2.9.b funcionam da seguinte maneira: a intersecção entre uma linha e uma coluna, as quais são dois metais distinto a serem soldados sendo, fornece um algarismo que corresponde ao consumível a ser empregado, que pode ser obtido na Tabela 2.9.c , e uma letra corresponde ao ciclo térmico recomendado para a junta dissimilar, que pode ser obtido na Tabela 2.9.d. O processo de soldagem aplicáveis para as tabelas sugeridas são SMAW, na coluna eletrodo, e GTAW, GMAW para a coluna de arames, para o processo SAW, pode- se empregar o arame indicado e com a adição do fluxo correspondente, o qual deve ser consultado o fabricante.
TABELA 2.9.c - CONSUMÍVEL DE SOLDAGEM
CONSUMIVEIS DE SOLDAGEM No MATERIAL ELETRODO REVESTIDO ARAME SOLIDO ASME AWS ASME AWS 1 AÇO CARBONO 5.1 E 7018 5.18 ER 70S- 2 C Mo 5.5 E 7018 A1 5.18 ER 80S-D 3 1 1/4 Cr 1/2 Mo 5.5 E 8018 B2 5.28 ER 80S-B 4 2 1/4 Cr 1 Mo 5.5 E 9018 B3 5.28 ER 90S-B 5 5 Cr 1/2 Mo 5.4 E 502 5.9 ER 502 6 9 Cr 1 Mo 5.4 E 505 5.9 ER 505 7 12 Cr 5.4 E 410 5.9 E 410 8 3 1/2 Ni 5.5 E 8018 C2 5.28 ER 80S-Ni 3 9 304 304L
5.4 E 308 E 308L
5.9 ER 308 ER 308L 10 347 5.4 E 347 5.9 ER 347 11 316 316 L
5.4 E 316 E 316L
5.9 ER 316 ER 316L 12 309 5.4 E 309 E 309 Mo E 309 CB E 309 L
5.9 ER 309 ER 309 Mo ER 309 CB ER 309 L INCONEL 5.11 E NiCrFe 3 5.14 ER NiCr 3 13 INCONEL 5.11 E NiCrFe 3 5.11 ER NiCr 3 14 MONEL 5.11 E NiCu 7 5.14 ER NiCu 7 15 NIQUEL 5.11 E Ni 1 5.14 ER Ni 1 16 310 5.4 E 310 5.9 ER 310
TABELA 2.9.d - TRATAMENTO TÉRMICO E PREAQUECIMENTO
LETRA PREAQUECIMENTO MINIMO (°C) PATAMAR MÍNIMO (°C) X TEMPO (H) (*)
TRATAMENTO TÉRMICO A 10 °C MINIMO T<= 19,04 mm DESNECESSARIO T > 25,4mm 100 °C MINIMO T > 19,04 mm - 595 °C X H/25,4mm^ OPCIONAL B 10 °C MINIMO T < = 12,7mm DESNECESSARIO T > 12,7mm 100 °C MINIMO T > 12,7mm - 595 °C X H/25,4mm^ OPCIONAL C 100 °C MINIMO 595 °C X H/25,4 mm OBRIGATÓRIO D 150 °C MINIMO 705 °C X H/25,4 mm 2 H MINIMO^ OBRIGATÓRIO E 180 °C MINIMO 705 °C X H/25,4mm 2 H MINIMO^ OBRIGATÓRIO F 200 °C MINIMO 725 °C X H/25,4mm 2 H MINIMO^ OBRIGATÓRIO G 180 °C MINIMO 705 °C X H/25,4mm 2 H MINIMO^ OBRIGATÓRIO POS-AQUEC 300 °C X 1 H/25,4mm H 10 °C MINIMO DESNECESSARIO
(*) Para saber a faixa máxima de Temperatura acrescentar 50 °C a faixa mínima, Para tempo máximo de permanência adotar 6 horas.
2.10 Ferro Fundido
a) Cinzento
Para um alivio de tensões parcial e redução de dureza, de no máximo 30%, um patamar de 480 °C e resfriamento em ar calmo produz bons resultados. Um a temperatura de 590 °C por uma hora e resfriamento em ar calmo reduz substancialmente as tensões e a dureza. Para máxima redução de dureza na ZTA, promover aquecimento à 900 °C e resfriar em forno.
b) Ductil
Por causa da boa ductilidade, que é a característica deste metal, os fundidos que sofrerem soldagem, devem ter a região soldada o restabelecimento das suas propriedades, sendo que para atingir bons resultados, deve-se promover o alivio de tensões imediatamente após as operações de soldagem, não deixar esfriar, e seguir de resfriamento lento. Se necessita-se de moderada ductilidade, um aquecimento a 480 °C e resfriamento em ar calmo, já é o suficiente para diminuir a dureza da ZTA e as tensões internas Caso necessite de alta ductilidade, deve-se recozer conforme o ciclo abaixo Aquecer até 900 °C a uma taxa de 55 °C/hora máximo, para um patamar de 1 hora por polega de espessura, resfriar a uma taxa de 55 °C/hora máximo, até 260 °C e em seguida resfriar em ar calmo.
Figura 3.2 Gráfico Típico de Tratamento Térmico
3.3 Cabos de Compensação
De constituição igual ao termopar porém muito mais flexível, conduz a corrente elétrica produzida pelo termopar até o registrador de temperatura.
Identificação do cabo segundo ANSI: Tipo J azul Tipo K amarelo
O Tratamento Térmico em fornos constitui-se de uma solução tecnicamente perfeita, os quais são feitos com bastante facilidade, no entanto frequentemente as dimensões das peças impedem sua entrada no forno ou em alguns casos execede o comprimento deste, em outros casos impõem-se o tratamento de juntas soldadas em elementos grandes e extensos, tais como tubulações ou conjuntos petroquímicos. Nestes casos, e dependendo das exigências das normas pode-se efetuar um tratamento térmico localizado em vários períodos ou em partes. A seguir enumeramos os diversos métodos de tratamento térmico:
4.1 Fornos Fechados
É a forma mais recomendável e econômica de se executar um tratamento térmico. São estruturas de aço revestidas com placas de materiais refratários que suportam altas temperaturas, quanto mais alta a temperatura a ser submetida,mais caro será o custo do revestimento térmico, para se confinar o equipamento utiliza-se diversos modelos tais como: Campânula, portas laterais ou mesmo contínuo, as dimensões são as mais variadas, geralmente de secções arredondadas para facilitar e manter o aquecimento constante e uniforme. Como fonte de calor para o aquecimento são usados materiais combustíveis como óleo ou gás, também utilizam-se resistências elétricas. Os elementos aquecedores são distribuidos de maneira a provocar um aquecimento por igual em todas as partes do equipamento A atmosfera é geralmente redutora e o equipamento sofre uma pequena oxidação.
4.2 Aquecimento Resistivo
Este método ainda é largamente empregado devido ao seu baixo custo quando comparado a outros métodos de tratamento térmico localizado e sua boa confiabilidade. Consiste de elementos resistivos protegidos por material cerâmico que é convenientemente ajustado em torno do local a ser tratado, sendo este conjunto protegido por mantas cerâmicas, material de isolação térmica capaz de manter a região tratada nas temperaturas de até 1200 °C. As resistências são supridas de energia através de fontes de corrente contínua de baixa tensão, geralmente máquinas de solda, conjuntos transformador/retificador. Um exemplo de uma momtagem de um aquecimento localizado em tubulação é mostrado na Figura 4..
Figura 4.2 Tratamento Térmico de uma Tubulação