Aulas Metalurgia da Soldagem

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Aspectos metalúrgicos de 
soldas em materiais metálicos
Prof. Dr. João Batista Fogagnolo
Soldagem por pressão ou deformação
Soldagem por fusão
Processos de soldagem 
1
2
2
Soldagem
calor
pressão
fenômenos 
metalúrgicos
Alterações estruturais dos materiais 
na região da junta
Forte influência nas propriedades mecânicas
Comprometimento do desempenho
Minimizar as alterações pela 
adequação do processo;
Selecionar materiais menos 
sensíveis às alterações estruturais.
Por que estudar processo de soldagem 
e a metalurgia envolvida nele? 
3
4
3
Mecanismos de endurecimento
•Deformação a frio
•Formação de solução sólida
•Formação de fases ou constituintes mais 
resistentes
•Endurecimento por precipitação
•Refino de grão 
Fornecimento de calor a junta pela fonte de calor
Energia de soldagem ou aporte térmico
Condutividade térmica 
do metal base
FLUXO DE CALOR
Dissipação do calor pela peça
5
6
4
Energia de Soldagem ou Aporte Térmico (H)
Quantidade de energia (q) gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento (L) da junta
t = tempo de soldagem
P = potência
v = velocidade de soldagem
Energia de Soldagem ou Aporte Térmico (H)
Considerando o arco como a única fonte de calor
η = eficiência térmica do processo
V = tensão no arco
I = corrente de soldagem
v
IV
H



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8
5
Ciclo térmico
variação de temperatura experimentada por um 
determinado ponto do material localizado próximo 
à junta
Ciclo térmico
variação de temperatura experimentada por um 
determinado ponto do material localizado próximo 
à junta
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6
Ciclo térmico
variação de temperatura experimentada por um 
determinado ponto do material localizado próximo 
à junta
Temperatura de pico
Ciclo térmico
variação de temperatura experimentada por um 
determinado ponto do material localizado próximo 
à junta
Temperatura de pico
Temperatura crítica
Tempo de permanência acima 
da temperatura crítica
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7
Ciclo térmico
variação de temperatura experimentada por um 
determinado ponto do material localizado próximo 
à junta
Temperatura de pico
Temperatura crítica
Tempo de permanência acima 
da temperatura crítica
Ciclo térmico
variação de temperatura experimentada por um 
determinado ponto do material localizado próximo 
à junta
Temperatura de pico
Temperatura crítica
Tempo de permanência acima 
da temperatura crítica
Velocidade de 
resfriamento
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8
Ciclo térmico
variação de temperatura experimentada por um 
determinado ponto do material localizado próximo 
à junta
Temperatura de pico
Temperatura crítica
Tempo de permanência acima 
da temperatura crítica
Velocidade de 
resfriamento
Retrado do tratamento 
térmico para um 
determinado ponto
Ciclo térmico – temperatura de pico
Temperatura de pico
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9
Ciclo térmico – temperatura de pico
To = temperatura inicial
H = energia de soldagem
ρ = densidade do material
c = calor específico
rx = distância do ponto ao eixo da solda
h = espessura da peça
y = distância do ponto à linha de solda
Ciclo térmico – velocidade de resfriamento
importante na determinação da microestrutura em 
aços estruturais comuns
ΔtT1/T2
Δt8/5 (Aços) Intervalo entre 800 e 500oC.
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Ciclo térmico – velocidade de resfriamento
fluxo de calor bidimensional
k = condutividade térmica do material
Ciclo térmico
temperatura de pico
velocidade de resfriamento
Repartição térmica
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Repartição térmica
Variação de temperatura de pico com a distância 
ao centro do cordão de solda, na direção 
perpendicular ao cordão de solda.
Repartição térmica
Variação de temperatura de pico com a distância 
ao centro do cordão de solda, na direção 
perpendicular ao cordão de solda.
Repartição térmica em soldas com 
diferentes energias de soldagem (H)
temperatura de pico
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Ciclo térmico
Repartição térmica
Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição 
térmica
condutibilidade térmica do metal 
base
geometria da junta
espessura da junta
energia de soldagem
temperatura inicial de peça
Ciclo térmico
Repartição térmica
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dissipam maior quantidade de calor
dificultam a formação da poça de 
fusão
pior aproveitamento da energia de 
soldagem
Ciclo térmico
Repartição térmica
bons condutores de calor
Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição 
térmica
condutibilidade térmica do metal base
pior aproveitamento da energia de 
soldagemCiclo térmico
Repartição térmica
bons condutores de calor
Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição 
térmica
condutibilidade térmica do metal base
maus condutores de calor
melhor aproveitamento da energia 
de soldagem
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apresentam gradientes térmicos 
mais abruptos no aquecimento e 
menores velocidades de 
resfriamento 
Ciclo térmico
Repartição térmica
maus condutores de calor
Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição 
térmica
condutibilidade térmica do metal base
k = condutibilidade térmica do material
Δt8/5 chapas grossas
Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição 
térmica
geometria da junta
Ciclo térmico
Repartição térmica
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Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição 
térmica
espessura da junta
quanto mais espessa a junta
melhor o escoamento do calor 
maior a taxa de resfriamento
Espessura limite – acima da qual a 
velocidade de resfriamento 
independe da espessura
Ciclo térmico
Repartição térmica
Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição 
térmica
energia de soldagem
temperatura inicial da peça
Ciclo térmico
Repartição térmica
A velocidade de resfriamento 
diminui e a repartição térmica torna-
se mais larga com o aumento 
destes dois parâmetros.
Controle sobre a velocidade de 
resfriamento da região da solda. 
Controle da microestrutura e 
propriedades.
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A curva de repartição térmica define as zonas em 
uma solda por fusão:
A curva de repartição térmica define as zonas em 
uma solda por fusão:
As temperaturas de pico desta região foram 
superiores à temperatura de fusão do material base
(ZF) Zona Fundida
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A curva de repartição térmica define as zonas em 
uma solda por fusão:
As temperaturas as temperaturas de pico desta 
região foram superiores à temperatura crítica e 
inferiores à temperatura de fusão do material base
(ZTA) Zona Termicamente Afetada
A curva de repartição térmica define as zonas em 
uma solda por fusão:
As temperaturas as temperaturas de pico desta 
região foram inferiores à temperatura crítica 
(MB) Metal de Base
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(ZF) Zona Fundida
(ZTA) Zona Termicamente Afetada
Formação:
Pela fusão do material de base, em processos 
autógenos.
Em processos a arco com eletrodo consumível, o 
metal de adição é transferido para a poça de fusão 
no estado líquido, em forma de gotas, a elevadas 
temperaturas.
(ZF) Zona Fundida
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(ZF) Zona Fundida
(ZF) Zona Fundida
Partes mais quentes (abaixo do arco elétrico): 
intensa agitação
mistura do metal base com o metal de adição
intensa interação do metal fundido com gases e 
escoria
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(ZF) Zona Fundida
Partes mais quentes (abaixo do arco elétrico):
absorção de hidrogênio
redução de óxidos – transferência de oxigênio 
para o metal
transferência de elementos de liga para a escória
volatilização de elementos de liga (Zn, Cd, Cr, Al)
(ZF) Zona Fundida
Região I: gota de metal de adição localizadas na 
ponta do eletrodo e no arco.
Região II: parte anterior da poça de fusão e região 
localizada sob a raiz do arco.
Região III: parte posterior da poça de fusão, 
localizada após o arco.
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(ZF) Zona Fundida
Região I
intensas interações com o ambiente
dissolução no metal fundido:
gases (O, N, H, etc.)
elementos existentes no arco
elementos existentes na escória 
(Si, Mn, O, etc.) 
(ZF) Zona Fundida
Região II
diluição
mistura do metal base com o metal de adição
reações de incorporação de gases e de outros 
elementos
(de forma menos intensa que na Região I)
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(ZF) Zona FundidaRegião III
temperaturas menores e decrescentes até a 
solidificação da poça
reações de evolução de gases dissolvidos na poça
precipitação de compostos 
formação de escória e de inclusões
solidificação da solda
Interações metal-gás
Interações metal-escória
Diluição e formação da zona fundida
Solidificação da poça de fusão
(ZF) Zona Fundida
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He, Ar: 
Insolúveis e não reagem com os metais líquidos.
N2, O2, H2: 
Dissociam-se na forma atômica na superfície do 
metal líquido e são dissolvidos neste.
CO, CO2, H2O, SO2:
Também podem se dissociar e serem incorporados 
na poça de fusão.
Interações metal-gás
Implicações da absorção de gás pelo metal fundido:
reações entre o gás e outros elementos da poça
evolução de gás durante o resfriamento e a
solidificação da poça
permanência do componente em solução na 
solda após a solidificação
Interações metal-gás
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Solubilidade do gás na poça de fusão
Interações metal-gás
No cordão de solda de um aço carbono, o teor de H2
pode chegar a 27ml/100g na temperatura ambiente, 
após soldagem com eletrodo revestido rutílico
ou celulósico
Interações metal-gás
alumínio ferro
no líquido 0,69 ml/100g 27,7 ml/100g
no sólido 0,04 ml/100g 7,8 ml/100g
Solubilidade do gás na poça de fusão
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Certos elementos dissolvidos na poça de fusão 
podem reagir (particularmente na região III) 
formando um gás ou uma fase condensada.
Formação de gás – porosidade
2C + O2 → 2CO
Formação de fase condensada – inclusões 
Si + O2 → SiO2
Formação de gás – porosidade
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Porosidade fina – tolerada na maioria das aplicações
Porosidade grosseira – pode exigir a remoção da 
região afetada e o seu reparo
Poros formados um uma solda de alumínio feita com 
o processo GMAW
Formação de fase condensada 
Si + O2 → SiO2
Elementos desoxidantes utilizados em soldagem
aços e ligas de ferro: manganês e silício
cobre : fósforo
ligas de cobre e níquel: alumínio e o titânio
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Formação de fase condensada 
Elementos candidatos a 
desoxidantes são 
aqueles cujas linhas se 
localizam abaixo das 
linhas dos elementos 
que não devem ser 
oxidados.
Diagrama de Ellingham
Formação de fase condensada 
Se a fase condensada ATINGE a superfície antes 
de sua solidificação da poça
escória
Se a fase condensada NÃO ATINGE a superfície 
antes de sua solidificação da poça
inclusões não metálicas na solda
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Inclusões não metálicas na solda
Papel fundamental na formação da 
microestrutura de soldas de aço estrutural.
Presença em grande quantidade pode afetar 
as propriedades mecânicas da solda, 
particularmente a sua ductilidade.
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Evolução de gás 
formação de porosidade
inclusões não metálicas
Hidrogênio dissolvido 
trincas a frio
degradação de propriedades 
Interações metal-gás
Controle da absorção de gases
uso de proteção gasosa
limpeza da junta
uso de eletrodos com o revestimento em boas 
condições físicas e adequadamente secos
execução da soldagem com parâmetros 
corretos
execução da soldagem em locais protegidos 
contra correntes de ar
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Interações metal-gás
Interações metal-escória
Diluição e formação da zona fundida
Solidificação da poça de fusão
(ZF) Zona Fundida
Principais processos que utilizam fluxo e produzem 
escória: 
SMAW (eletrodo revestido) – fluxo no revestimento 
Interações Metal-Escória
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Principais processos que utilizam fluxo e produzem 
escória: 
FCAW (arame tubular) - fluxo no centro do eletrodo 
Interações Metal-Escória
Principais processos que utilizam fluxo e produzem 
escória: 
SAW (arco submerso) – fluxo sobre a junta
Interações Metal-Escória
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Funções do fluxo
formação de escória
gerar gases
fornecer elementos de liga
remover contaminações do metal líquido
fornecer elementos estabilizadores de arco
aumenta a estabilidade do arco
facilita o controle do processo
permite a soldagem com corrente alternada. 
aumenta a intensidade do arco
Tipos de fluxo
Fluxos de sais halogênicos
Fluxos de sais halogênicos e óxidos
Fluxos de óxidos
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Tipos de fluxo
Fluxos de sais halogênicos
CaF2-NaF
CaF2-BaCl2
KCl-NaCl-Na3AlF6
BaF2-MgF2-CaF2-LiF
isentos de oxigênio
soldagem de não ferrosos
Tipos de fluxo
Fluxos de sais halogênicos e óxidos
CaF2-CaO-Al2O3
CaF2-CaO-SiO2
CaF2-CaO-Al2O3-SiO2
CaF2-CaO-MgO-Al2O3
ligeiramente oxidantes
soldagem de aços de alta liga
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Tipos de fluxo
Fluxos de óxidos
MnO-SiO2
FeO-MnO-SiO2
CaO-TiO2-SiO2
fortemente oxidantes 
soldagem dos aços carbono e de baixa liga
Índice de basicidade do fluxo
B < 1,0 Fluxo ácido
1,0 < B < 1,5 Fluxo neutro
B > 1,5 Fluxo básico
Índice de basicidade
Teor de oxigênio na solda
Propriedades da solda
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35
Tipos de escória
Protetora (inativa) 
Envolve a poça de fusão
Baixa permeabilidade à passagem de gases
Viscosa – restringir o escorrimento do metal 
líquido na poça de fusão
Fluxante” (reativa)
Efeito ativo durante a soldagem
Remoção das camadas superficiais de óxido e de 
outras contaminações que dificultam a soldagem
A escória em contato com a poça de fusão pode 
controlar as características do movimento de metal 
líquido na poça de fusão a afetar o formato do 
cordão. 
TIG ATIG
chapas de aço inoxidável AISI304 de 5mm de espessura
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36
Interações metal-gás
Interações metal-escória
Diluição da zona fundida
Solidificação da poça de fusão
(ZF) Zona Fundida
Diluição da zona fundida
Coeficiente de diluição (δ)
.
δ = 100% - soldagem sem metal de adição
δ = 0% - brasagem
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Fatores que influenciam o coeficiente de diluição (δ)
.
Presença de chanfro diminui a diluição
Fatores que influenciam o coeficiente de diluição (δ)
.
Condições de soldagem
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Fatores que influenciam o coeficiente de diluição (δ)
.
Espessura da chapa
Diluição da zona fundida
Importância:
Soldagem de materiais dissimilares
Deposição de revestimentos especiais
Soldagem de materiais de composição 
desconhecida (soldagem de manutenção)
Soldagem de materiais com alto teor de 
carbono e enxofre.
.
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76
39
Interações metal-gás
Interações metal-escória
Diluição da zona fundida
Solidificação da poça de fusão
(ZF) Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Ocorre na parte posterior da poça de fusão
Dá origem ao cordão de solda
Determina sua macro e microestrutura
Importante efeito sobre as propriedades da solda
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Solidificação da poça de fusão
A taxa de resfriamento e velocidade de solidificação 
da poça é significativamente maior do que as 
geralmente encontradas em peças fundidas
Depende da velocidade de soldagem e pode atingir 
até 103mm/s. 
Gradientes térmicos podem atingir 102 ºC/mm. 
Solidificação de um lingote de fundição em coquilha
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80
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Solidificação da poça de fusão
Não ocorre super-resfriamento
A parede da poça está aquecida a temperaturas 
muito próximas de seu ponto de fusão
Não se forma a zona coquilhada
O metal líquido molha perfeitamente os grãos do 
metal base 
Solidificação da poça de fusão
Crescimento epitaxial
O metal líquido molha 
perfeitamente os grãos 
do metal base 
Os grãos na ZF se formam 
como um prolongamento 
dos grãos do metal base
Não há a nucleação de 
novos grãos
aço inoxidável ferrítico
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82
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Formato da poça de fusão
elíptico gota
Velocidade de soldagem
Condutibilidade térmica da liga
Formato da poça de fusão
elíptico
baixas velocidades de soldagem
a orientação da frente de solidificação 
muda progressivamente da linha de fusão 
até o centro do cordão
grão encontrará sempre condições ótimas para o seu 
crescimento
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84
43
Formato da poça de fusão
gota
altas velocidades de soldagem
a frente de solidificação tem uma 
orientação relativamente constante 
em relação à direção de soldagem
favorece o crescimento somente dos grãos 
inicialmente melhor orientados 
a solidificação se desenvolve como duas paredes, 
que se deslocam e se encontram no meio do cordão.
Transição de formada poça de fusão 
de elíptica para gota
Parte posterior da gota
gradiente térmico mínimo
velocidade de solidificação máxima 
alta quantidade de calor latente tende a ser gerada
condições favoráveis para dissipar o calor latente
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44
Transição de forma da poça de fusão 
de elíptica para gota
• liga com baixa condutibilidade térmica
• ou alta velocidade de soldagem
• e alta velocidade de solidificação
impossível dissipar o calor latente
a frente de solidificação torna-se instável
a alteração para a forma de gota 
reduz a região de máxima geração 
de calor a um ponto
(ZF) Zona Fundida
(ZTA) Zona Termicamente Afetada
87
88
45
Zona Termicamente Afetada
Influência do metal base
Ligas endurecidas por solução sólida
Ligas endurecidas por encruamento
Ligas endurecíveis por precipitação
Ligas transformáveis
Zona Termicamente Afetada
Ligas endurecidas por solução sólida
principal alteração: crescimento de grão
temperaturas alcançadas
tempo de permanência nestas temperaturas
89
90
46
Zona Termicamente Afetada
Ligas endurecidas por solução sólida
ligas CCC
aumento de sua temperatura de transição dútil-frágil 
diminuição da tenacidade à temperatura ambiente
aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos
precipitação de carbonetos e, eventualmente, 
nitretos em contornos de grão
sensibilidade à problemas de corrosão na ZTA
Zona Termicamente Afetada
Ligas endurecidas por encruamento
região de recristalização
região de granulação grosseira
91
92
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Zona Termicamente Afetada
Ligas endurecidas por encruamento
região de 
recristalização
região de granulação grosseira
Zona Termicamente Afetada
Ligas endurecíveis por precipitação
93
94
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Zona Termicamente Afetada
Ligas endurecíveis por precipitação
(B) região de solubilização
- mais macia que o metal base
- pode apresentar uma granulação grosseira
- tratamento de envelhecimento pós soldagem pode restaurar 
as propriedades mecânicas
Zona Termicamente Afetada
Ligas endurecíveis por precipitação
(C) região super-envelhecida
- ocorre algum super-envelhecimento
- perda de dureza
- tratamentos de solubilização e envelhecimento são 
necessários para restaurar as propriedades
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49
Medidas para minimizar a diminuição de 
propriedades em soldagem de liga endurecível 
por precipitação:
Tratar termicamente toda a estrutura
(solubilização e envelhecimento).
• medida mais efetiva em termos de 
recuperação de propriedades mecânicas
• difícil e de alto custo
• impossível no caso de estruturas de grande 
porte.
Zona Termicamente Afetada
Medidas para minimizar a diminuição de 
propriedades em soldagem de liga endurecível 
por precipitação:
Submeter a junta apenas a um tratamento de 
envelhecimento. 
• recupera parte da resistência da região 
solubilizada
• não afeta a região super-envelhecida.
Zona Termicamente Afetada
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98
50
Medidas para minimizar a diminuição de 
propriedades em soldagem de liga endurecível 
por precipitação:
Soldar a peça na condição solubilizada e 
envelhecer toda a peça após a soldagem. 
• a região super-envelhecida permanecerá 
com menor resistência.
Zona Termicamente Afetada
Medidas para minimizar a diminuição de 
propriedades em soldagem de liga endurecível 
por precipitação:
Prever a perda de resistência e compensá-la 
aumentando a espessura da peça na região 
da solda. 
• raramente justificável devido aos altos custos 
envolvidos na usinagem e perdas de material
Zona Termicamente Afetada
99
100
51
Medidas para minimizar a diminuição de 
propriedades em soldagem de liga endurecível 
por precipitação:
Utilizar processos que permitam a execução da 
junta com uma menor energia de soldagem 
e, portanto, com uma menor ZTA.
Zona Termicamente Afetada
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
Região de crescimento de grãos
Região de refino de grãos
Região interdendrítica
101
102
52
Região de crescimento de grãos (GGZTA)
Região mais próxima ao cordão de solda
– temperaturas acima de 1.200oC
•Crescimento de grãos da estrutura austenítica.
Grãos austeníticos maiores 
menor quantidade de contornos de grãos
dificuldade de nucleação da ferrita
aumento da temperabilidade do aço
fenômeno acentuado para aços com maior teor de C
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
Região de crescimento de grãos (GGZTA)
Estrutura final: - estrutura grosseira
- ferrita em forma de placas
- presença de bainita
Para aços com maior teor de C 
- estrutura completamente 
martensítica.
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
103
104
53
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
Região de crescimento de grãos
Região de refino de grãos
Região interdendrítica
Região de refino de grãos (GFZTA)
Região aquecida a temperaturas usadas na 
normalização de aços.
– temperaturas entre 900 a 1.200oC
Estrutura final: - estrutura fina de ferrita e perlita
Esta região não problemática na maioria dos casos.
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
105
106
54
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
Região de crescimento de grãos
Região de refino de grãos
Região interdendrítica
Região interdendrítica (ICZTA)
Região aquecida a temperaturas que levam a 
transformação parcial da ferrita em austenita. 
temperaturas entre 727oC e a linha que separa 
os campos da ferrita e austenita.
Em alguns casos, especialmente na soldagem com 
vários passes, constituintes de elevada dureza e baixa 
tenacidade podem se formar.
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
107
108
55
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
Região de crescimento de grãos
Região de refino de grãos
Região interdendrítica
Região subcrítica (SCZTA)
Temperaturas de pico inferiores a A1.
Pequena esferoidização da perlita.
Aços temperados e revenidos
-super-revenimento nas regiões da ZTA aquecidas 
acima da temperatura original de tratamento
- perda de resistência mecânica.
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
109
110
56
energia de soldagem
temperatura de pré-aquecimento
variáveis do procedimento de soldagem que mais 
facilmente podem ser alteradas para se controlar 
o fluxo de calor em soldagem
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
energia de soldagem
tempo de permanência
região de granulação grosseira
extensão da ZTA
tamanho de grão
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
111
112
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energia de soldagem
formação de produtos mais frágeis na ZTA
velocidades de resfriamento
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
alta velocidade de resfriamento 
• microestrutura tende a ser predominantemente 
martensítica
• dureza elevada 
• tenacidade baixa
baixa velocidade de resfriamento 
• microestrutura grosseira na ZTA
• formação de produtos de baixa dureza
• a tenacidade pode ser tornar baixa
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
113
114
58
Zona Termicamente Afetada
Ligas transformáveis
115