D7_T3_Tensões Residuais

Prévia do material em texto

Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 1 
Metalurgia da Soldagem 
Tensões Residuais e Deformações em Soldagem 
 
Neste texto você conhecerá os principais aspectos relacionados com as 
tensões residuais e deformações decorrentes do processo de soldagem. 
Conhecerá também a Analogia da Barra Aquecida, os efeitos de 
Repartição Térmica e Plastificação, além dos Tratamentos Térmicos de 
Normalização, Recozimento, Têmpera e Revenimento. 
 
A soldagem, devido ao aquecimento localizado, provoca tensões 
residuais e deformações que devem ser levadas em conta no projeto e 
fabricação das peças. 
 
Analogia da Barra Aquecida 
Considere um dispositivo constituído de três barras engastadas a 
suportes fixos, inicialmente à temperatura ambiente (Figura 1). Admita, 
agora, que a barra B seja aquecida independentemente das outras duas. 
 
• A dilatação térmica restringida provoca tensões de compressão na 
barra B e de tração - para que o equilíbrio seja mantido - nas barras 
A e C. 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 2 
• À medida que a temperatura se eleva, as tensões nas barras 
aumentam, atingindo o limite de escoamento na barra B (ponto 1). A 
partir desse ponto a dilatação térmica é absorvida com a deformação 
plástica da barra B. 
• As curvas indicam a variação do limite de escoamento com a 
temperatura. Continuando o aquecimento, a tensão na barra B evolui 
ao longo de 1, 2, onde a plastificação impede o estabelecimento de 
tensões superiores ao limite de escoamento. O ponto 2 corresponde 
à temperatura máxima atingida (θ2). 
• Durante o resfriamento, a barra B se contrai tendendo para um 
comprimento livre menor do que L, em virtude da deformação 
plástica a que foi submetida. A tensão diminui, muda de sinal e 
atinge o limite de escoamento - à tração - no ponto 3. 
• A partir do ponto 3 a contração térmica é absorvida por deformação 
plástica, não permitindo que a tensão na barra ultrapasse o limite de 
escoamento. Ao longo de 3, 4, o valor da tensão acompanha a 
variação do limite de escoamento com a temperatura. 
• Concluindo o resfriamento, as 3 barras ficam submetidas a um 
sistema de tensões residuais. Na barra B a tensão é de tração e da 
ordem de grandeza do limite de escoamento do material. 
 
Esse raciocínio é evidentemente simplificado. Não foi considerada a 
variação do módulo de elasticidade e do coeficiente de dilatação 
térmica, com a temperatura. A fluência do material ("creep") foi também 
desprezada. 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 3 
 
Figura 1: Variação da tensão na barra B. 
 
Repartição Térmica e Plastificação 
Uma peça soldada se assemelha ao sistema de três barras. A repartição 
térmica mostra que a zona aquecida acima de θ1 sofre deformações 
plásticas, analogamente à barra B, determinando o aparecimento de 
tensões residuais (figura 2). O nível de tensões depende do grau de 
restrição da estrutura, na direção considerada. Na maioria dos casos, a 
restrição é total na direção longitudinal do cordão de solda. Verificações 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 4 
experimentais confirmam que nessa direção as tensões são muito 
próximas do limite de escoamento. 
 
Figura 2: Distribuição de tensões residuais de uma solda entre peças. 
 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 5 
Não dispondo de rigidez suficiente, as peças se deformam tendendo a 
aliviar as tensões residuais. As deformações são proporcionais à 
extensão da zona plastificada. 
As tensões e deformações resultantes da soldagem aparecem em 
condições muito mais complexas que no modelo da barra aquecida. O 
movimento da fonte de calor, a variação do grau de restrição à medida 
que a solda é depositada e a soldagem em vários passes são os 
principais fatores eliminados pela simplificação. Entretanto, apesar de 
sua relativa simplicidade, a analogia permite conclusões úteis, tais 
como: 
O preaquecimento em temperaturas inferiores a θ1 - aproximadamente 
150°C, para os aços carbono - praticamente não reduz o nível de 
tensões residuais. O preaquecimento total da peça em temperaturas nas 
quais o limite de escoamento se anula, previne o aparecimento das 
tensões residuais. Entretanto, nesta condição, a peça pode se deformar 
sob ação de seu peso. O preaquecimento local - qualquer que seja a 
temperatura - não reduz o nível de tensões, embora apresente várias 
outras ações benéficas. 
 
Repartições térmicas mais estreitas - soldagem com baixa energia ("low 
heat input") - reduzem a zona plastificada, diminuindo as deformações. 
A soldagem a gás, por exemplo, provoca maiores deformações que a 
soldagem a arco. Pela mesma razão, o preaquecimento tende a 
aumentar as deformações. 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 6 
A contração de solidificação não tensiona a peça soldada. A falta de 
continuidade do meio sólido não possibilita a ação de forças. Em vista 
disso, ao se avaliar as deformações, deve-se reportar às dimensões da 
zona plastificada e não da zona fundida da solda. 
 
As deformações podem ser evitadas, com a utilização de dispositivos de 
montagem, entretanto, deve-se considerar que, quanto maior o grau de 
restrição, mais elevadas são as tensões residuais de soldagem. 
 
Tratamentos Térmicos 
Para se obter o controle metalúrgico de uma junta soldada e, por 
conseqüência, o controle das propriedades mecânicas, é necessário que 
se conheça os ciclos térmicos a que a junta soldada é submetida. Os 
tratamentos térmicos têm o objetivo de alterar ou conferir 
características determinadas à junta soldada. 
 
Tratamento Térmico de Alívio de Tensões 
O tratamento térmico de alívio de tensões consiste de modo 
simplificado, em aquecer uniformemente a peça, de maneira que o 
limite de escoamento do material fique reduzido a valores inferiores às 
tensões residuais. Nesta condição, as tensões residuais provocam 
deformações plásticas locais diminuindo de intensidade. 
O tratamento térmico de alívio de tensões é executado através do 
aquecimento da peça à temperatura apropriada e pela manutenção 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Cursode Inspetor 
de Soldagem 
Página | 7 
nesta temperatura por um determinado tempo, seguida de um 
resfriamento uniforme de modo a impedir a introdução de novas 
tensões. Para impedir mudanças na microestrutura ou dimensões da 
peça, a temperatura é mantida abaixo da temperatura crítica. 
 
Para os aços carbono, somente os tratamentos realizados em 
temperaturas superiores a 5000 C são realmente eficazes. Para cada tipo 
de aço temperaturas específicas de tratamento são recomendadas. 
O tratamento térmico de alívio de tensões pode reduzir a tenacidade do 
metal de base. Isto se torna bastante relevante em ocasiões em que se 
faz necessário à execução do tratamento por mais de uma vez. 
 
Normalização 
A normalização consiste no aquecimento do aço a uma temperatura 
acima da zona crítica (temperatura A3 ou temperatura Acm), seguido de 
resfriamento ao ar. É necessário que toda a estrutura se austenitize 
antes do resfriamento. 
O objetivo da normalização é a obtenção de uma microestrutura mais 
fina e uniforme. Os constituintes que se obtém da normalização do aço 
carbono são ferrita e perlita fina (aços hipoeutetóides) ou cementita e 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 8 
perlita fina (aços hipereutetóides). Dependendo do tipo de aço pode-se, 
eventualmente, obter bainita (ver figura 3). 
 
Figura 3: Normalização de um aço hipoeutetóide. 
 
Recozimento 
O recozimento consiste no aquecimento do aço acima da zona crítica 
(temperatura A3 ou temperatura Acm) durante o tempo necessário para 
que toda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento 
muito lento, mediante o controle da velocidade de resfriamento do 
forno. A microestrutura obtida nos aços carbono é a perlita grossa e 
ferrita (ver Figura 4). 
 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 9 
 
Figura 4: Recozimento. 
 
Têmpera e Revenimento 
A têmpera consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica 
durante o tempo necessário para que toda a microestrutura se 
austenitize, seguido de um resfriamento rápido. O objetivo da têmpera 
é a obtenção da estrutura martensítica resultando, por este motivo, no 
aumento da dureza e na redução da tenacidade da peça. 
O revenimento é o tratamento térmico que normalmente acompanha a 
têmpera, pois atenua os inconvenientes produzidos por esta. O 
revenimento consiste em aquecer o material a temperaturas bastante 
inferiores à temperatura crítica, permitindo certa acomodação do 
sistema cristalino e, como conseqüência, a diminuição da dureza e o 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 10 
aumento da tenacidade da peça. A estrutura resultante chama-se de 
martensita revenida. (ver figura 5). 
 
 
Figura 5: Têmpera e revenimento. 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 11 
 
____________________________________________________________________ 
Neste texto você conheceu a Analogia da Barra Aquecida, os efeitos de 
Repartição Térmica e Plastificação, além dos Tratamentos Térmicos de 
Normalização, Recozimento, Têmpera e Revenimento. Percebeu 
também a importância de se conhecer os ciclos térmicos ao no qual a 
junta se submete, para evitar tensões residuais e deformações durante 
o aquecimento localizado da soldagem. Isso confere ao soldador o 
controle metalúrgico e, consequentemente, o controle das propriedades 
mecânicas das juntas soldadas, já que esses processos promovem 
características determinadas as peças. 
Para consolidar seu conhecimento, responda às questões propostas 
abaixo. Caso seja necessário releia o texto e/ou recorra aos tutores 
para resolver suas dúvidas. 
 
Questões de Revisão 
1 - Considerando os processos de Repartição Térmica e Plastificação, 
que conclusões podem ser extraídas no que diz respeito às tensões e 
deformações geradas pelo aquecimento durante a soldagem de uma 
peça soldada e de uma barra aquecida. 
 
 
Tensões residuais e deformações em soldagem 
_____________________________________________________________________________________ 
Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS 
Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor 
de Soldagem 
Página | 12 
2 – Os Tratamentos Térmicos podem alterar ou conferir características 
específicas à junta soldada. Portanto, é preciso identificar e conhecer 
cada um desses processos no qual a junta se submete. Sendo assim, 
explique em que consiste os respectivos tratamentos térmicos: 
a) Processo de Tratamento Térmico de Alívio de Tensões. 
b) Processo de Nomaralização. 
c) Processo de Recozimento. 
d) Processo de Têmpera e Revenimento.