54 Excavación en pozos para cimentaciones en suelo de roca blanda, con medios mecánicos,
MEDIDAS PARA ASEGURAR LA COMPATIBILIDAD ENTRE LOS DIFERENTES PRODUCTOS, ELEMENTOS Y SISTEMAS CONSTRUCTIVOS QUE COMPONEN LA UNIDAD DE OBRA
Os primeiros ensaios de torção foram elaborados com o objetivo de nortear as etapas posteriores do trabalho. Para tanto, três configurações estruturais distintas para a austenita foram geradas através da aplicação combinada de tratamentos térmicos e/ou termomecânicos: DSS62 aquecido a 1250oC por 1 hora e resfriado em água; e aços DSS62 e DSS63 submetidos ao mesmo tratamento anterior e posteriormente laminados a frio com 60% e 30% de deformação respectivamente. O efeito provocado pela aplicação dos tratamentos termomecânicos pode ser visto na Figura 4.1.
Figura 10 Micrografias obtidas no MEV: (A) DSS62 tratado a 1250ºC/1h/(B) DSS62 tratado e laminado a frio (60%) e (C) DSS63 tratado e laminado a frio
(30%). Ataque Behara (3)
As micrografias acima destacam claramente as diferenças causadas pelos diferentes tratamentos aplicados. No primeiro caso (Figura 4.1A) as partículas de austenita tendem a se apresentar de uma forma dispersa dentro da matriz ferrítica. Isto é, observa-se que não há formação de blocos contínuos como aqueles promovidos pela severa laminação a frio aplicada na segunda condição proposta (Figura 4.1B). A microestrutura apresentada na Figura 4.1B é aquela que mais se aproxima de uma estrutura percolada, onde as partículas da segunda fase estão em contato ao longo de toda a matriz. Já para a Figura 4.1C o grau de deformação a frio imposto não foi suficiente para gerar uma estrutura onde os blocos de austenita estivessem percolados ao longo da matriz, formando assim uma estrutura intermediária entre as duas condições anteriores.
As curvas de escoamento plástico obtidas a partir dos testes de torção a 1000oC e 1100oC com taxa de deformação de 1 s-1 para as três condições microestruturais descritas anteriormente podem ser observadas na Figura 4.2.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0 40 80 120 160 200 0 40 80 120 160 200 1 2 3 (A)
True Strain
1 2 3 (B) D1 1250oC/1h D1 1250oC/1h+CR D2 1250oC/1h+CRT
rue
St
res
s
(M
Pa)
Figura 11 Curvas de escoamento plástico: (A) 1000oC e (B) 1100oC. Como pode ser visto na Figura 4.2 as curvas de escoamento tem duas formas distintas. A primeira forma que merece destaque refere-se às curvas que recebem os números 1 e 3, nas quais é possível observar uma região inicial de carregamento com elevada taxa de encruamento ( 0,05) precedendo uma região com taxa de encruamento mais baixa que vai até a tensão de pico ( 0,6). A partir deste ponto inicia-se a região de amaciamento, a qual praticamente não existe para as curvas de número 3 (ruptura entre 0,65 para 1000oC e 0,8 para 1100oC) e que para as
curvas com número 1 estende-se para valores de deformação de 1,4. Já para as curvas que levam o numero 2 nota-se uma região com rápido carregamento
inicial para uma pequena deformação ( 0,02), a qual antecede uma segunda região de encruamento que vai levar ao pico de tensões em torno de 0,8 de deformação equivalente. A região de amaciamento é extremamente reduzida para as duas condições (rup 0,85 para 1000oC e rup 1,0 para 1100oC).
Para analisar a origem destas diferenças foram realizadas medidas de fração volumétrica das fases presentes nos materiais antes e após a conclusão dos ensaios. A Tabela 4.1 resume as variações para a ferrita.
Tabela 4.1 Fração volumétrica de ferrita (%) e respectivos desvios.
Aços DSS62 DSS62 + LF DSS63 + LF
Condição
Inicial 58.25 1.54 55.36 1.37 60.17 2.69 1000oC 26.74 1.67 38.10 2.93 12.35 1.79 1100oC 36.11 2.41 40.93 2.45 22.12 2.02
Os valores da Tabela 4.1 mostram, como era de se esperar, que existe transformação de fase durante a deformação e que este fenômeno é mais intenso no aço DSS63 que possui um maior potencial para formação de austenita devido ao seu menor valor da relação Creq/Nieq.
A Figura 4.3 apresenta a microestrutura dos materiais depois de realizados os ensaios de torção a quente.
Figura 12 Micrografias obtidas por MEV após os ensaios de torção a quente: (A) DSS62 tratado a 1250oC/1h, (B) DSS62 laminado a frio (60%) e (C) DSS63
laminado a frio para ensaios a 1000oC; (D), (E) e (F) para ensaios a 1100oC. A principal diferença observada na comparação entre as Figuras 4.1 e 4.3 que denota relação com as curvas de escoamento, diz respeito à presença de partículas de austenita com morfologia do tipo Widmansttäten nas
microestruturas correspondentes às curvas de escoamento do tipo 1 e 3 e a quase ausência destas nas curvas de formato número 2. Outro aspecto relevante refere-se à disposição espacial das partículas de austenita após deformação. É possível dizer que sofrem uma rotação em relação ao eixo longitudinal das amostras para ambas as condições testadas (1000oC e 1100oC). Já para as curvas 2 pode-se observar que além da rotação das partículas acontece uma quebra nos blocos de austenita formados pela laminação à frio.
Para todas as micrografias apresentadas pode-se verificar um aumento na quantidade de austenita seja na forma de partículas de Widmansttäten (Figuras 4.3A, 4.3C, 4.3D e 4.3F) ou mesmo através do engrossamento das partículas de austenita primária (Figuras 4.3B e 4.3E). A comprovação da ocorrência de transformação de fase no estado sólido foi notada pela comparação dos valores de fração volumétrica da fase ferrita constantes da Tabela 4.1.
A comparação preliminar das curvas de escoamento plástico com os resultados microestruturais (quantitativos e qualitativos) serviu para nortear os ensaios futuros, pois os resultados iniciais forneceram indícios de que se deve conhecer e entender o papel das características morfológicas do constituinte resultante da transformação de fase que ocorre durante a deformação, para se compreender melhor como ocorre a acomodação da deformação em um processo de conformação de aços inoxidáveis dúplex.
O aço que foi utilizado na seqüência do trabalho foi o DSS63. Buscando alcançar um maior potencial para formação de austenita durante a deformação, amostras do DSS63, previamente laminado a quente para redução de dimensões, foram tratadas termicamente em temperatura de 1300oC por uma hora, sendo resfriadas rapidamente em água depois de decorrido tempo de tratamento. A microestrutura resultante obtida por microscopia ótica (MO) é apresentada na Figura 4.4.
Figura 13 Microestrutura do aço DSS63 proveniente de tratamento térmico a 1300oC por 1 hora. MO com reativo Behara.
É possível observar que em virtude da baixa razão Creq/Nieq o DSS63
não teve toda a austenita solubilizada após tratamento. Entretanto, é possível notar que as partículas de austenita apresentam-se com um formato relativamente equiaxial e com um tamanho de partículas relativamente uniforme.
Para avaliar a ocorrência e o grau de transformação que ocorrem durante o reaquecimento foi introduzida uma etapa de têmpera dos corpos-de- prova após reaquecimento com taxa de aquecimento controlada e imediatamente antes do início da deformação. Os corpos-de-prova foram fixados à máquina de torção e reaquecidos no forno de radiação infravermelho com taxa de aquecimento de 90oC/min até a temperatura de 1100oC na qual foram mantidos por tempos de encharques distintos: 60 segundos, 900 segundos e 3600 segundos. Findo o tempo, os corpos-de-prova foram imediatamente resfriados com água através da introdução de um jato de água no interior do tubo de quartzo. O objetivo desta etapa foi determinar a transformação de fase ocorrida (fração volumétrica), observar detalhes da morfologia da austenita formada durante o reaquecimento e analisar os efeitos dos diferentes tempos de espera na temperatura de encharque. O resultado
das alterações promovidas pelo reaquecimento e tempo de encharque pode ser observado na Figura 4.5.
Figura 14 Microestruturas resultantes do reaquecimento do aço DSS63 a 1100oC por tempos de encharque distintos: (A) 60 segundos; (B) 900
segundos e (C) 3600 segundos.
A observação direta das micrografias da Figura 4.5 mostra que existe um aumento da fração volumétrica das partículas de austenita e que o formato e disposição das mesmas varia de acordo com o tempo de espera apreciado. Para 60 segundos de tempo de espera na temperatura de ensaio (1100oC) nota-se a ocorrência de partículas com estrutura do tipo Widmanstätten que se supõem representam um estágio mais inicial na formação da segunda fase. À medida que o tempo de encharque aumenta (900 segundos e 3600 segundos) nota-se que ocorre um engrossamento das partículas de austenita através do
coalescimento gradual das partículas inicialmente finas (estrutura do tipo Widmanstätten).
Os efeitos das diferenças morfológicas resultantes do reaquecimento serão revelados nas curvas de escoamento plástico obtidas por torção. Novos corpos-de-prova reaquecidos nas mesmas condições foram ensaiados a 1100oC com taxa de deformação de 1 s-1 e o resultado está no gráfico da Figura 4.6.
Figura 15 Curvas de escoamento plástico do DSS63 obtidas a 1100oC com taxa de deformação constante de 1 s-1.
As curvas de escoamento da Figura 4.6 apresentam grande semelhança no seu formato, entretanto, uma diferença importante pode ser verificada nos valores de início de escoamento plástico alcançados para os três tempos diferentes. A curva de escoamento plástico para o tempo de espera de 60 segundos revela um valor superior de tensão de início de escoamento plástico ( 94 MPa) quando comparada às outras duas condições de tempo de espera ( 80 MPa). As microestruturas ao final dos ensaios de torção (Figura 4.7) e os valores das frações volumétricas de austenita em todas as etapas do procedimento experimental (Tabela 4.2) podem com certeza
fornecer mais detalhes sobre a origem das diferenças de tensão no inicio das curvas de escoamento plástico.
Figura 16 Microestruturas resultantes dos ensaios a 1100oC com taxa de deformação de 1 s-1 com tempos de encharque distintos: (A) 60 segundos; (B)
900 segundos e (C) 3600 segundos.
Tabela 4.2 Frações volumétricas de austenita (%) em todas as etapas experimentais.
Tratado Têmpera antes da deformação Depois da deformação 1300oC/1h 60 s 900 s 3600 s 60 s 900 s 3600 s 36,8 3,47 58,2 2,64 59,6 2,02 54,5 2,92 65,1 3,85 61,2 1,78 62,5 1,88 Considerando os desvios padrões para cada medida da Tabela 4.2 acima se pode notar que a fração volumétrica de austenita praticamente não
varia durante o ensaio. Assim, ao principiar a deformação a maior parte da transformação de fase (formação de austenita) já foi efetivamente concluída. Como os valores das frações volumétricas de austenita durante toda etapa experimental não revelam alterações significativas em todas as condições testadas, a diferença nas curvas de escoamento plástico pode ter origem na morfologia das partículas de austenita presentes imediatamente antes do início do ensaio. Para o tempo de espera de 60 segundos a 1100oC podemos notar que as partículas de austenita possuem um tamanho menor e morfologia típica de partículas com estrutura do tipo Widmanstätten, ao passo que para as outras condições, devido aos tempos mais longos de encharque, é notado um certo nível de coalescimento nas partículas de austenita.
As micrografias da Figura 4.7 revelam ainda que existe um alinhamento de todas as partículas de austenita em uma direção preferencial. O efeito do fluxo plástico está mais bem caracterizado na microestrutura da Figura 4.7A onde o pequeno tempo de espera não promove o engrossamento das agulhas de austenita, entretanto, todas apresentam indícios do alinhamento motivado pelo processo de torção a quente.
Os resultados obtidos com o DSS63 reforçam a idéia de que existe uma influência acentuada da morfologia das partículas de austenita sobre a deformação desta classe de materiais.
Os ensaios prosseguiram com a utilização do aço DSS62 que é aquele que possui um valor intermediário para a relação Creq/Nieq e que produz microestruturas com frações volumétricas semelhantes de austenita e de ferrita. Seguindo a lógica de se produzir diferentes configurações microestruturais os tratamentos termomecânicos da Tabela 3.2 foram aplicados ao aço DSS62. As micrografias resultantes dos tratamentos mostram desde partículas de austenita dispersas (aço TT) até partículas com forte alinhamento ao longo da matriz ferrítica (LF 60%), passando por um estado intermediário proporcionado pelas condições LQ (partículas semidispersas) e LF 30% (nível intermediário de percolação). As mudanças microestruturais induzidas pelos tratamentos prévios podem ser observadas na Figura 4.8. Os
valores das frações volumétricas de austenita depois da aplicação dos tratamentos estão compilados na Tabela 4.3.
Figura 17 Microestruturas do aço DSS62 (DIN W. Nr. 1.4462) após aplicação dos procedimentos da Tabela 3.2: (A) Laminado a quente, (B) Laminado a frio
30%, (C) Laminado a frio 60% e (D) 1300oC/1h.
Tabela 4.3 Frações volumétricas de austenita depois dos tratamentos iniciais.
Condição LQ LF 30% LF 60% TT
Fração (%) 36.8 2.45 46.3 3.31 45.7 2.06 25.1 2.62
As curvas de escoamento plástico para as quatro condições acima estão na Figura 4.9. Os tempos de encharque na temperatura de ensaio foram variados para observar os reflexos na nucleação e crescimento das partículas
de austenita e conseqüentemente o reflexo destas alterações no formato das curvas de escoamento.
Figura 18 Curvas de escoamento plástico para as quatro condições microestruturais iniciais. (A) LQ com tempos de espera de 180 s e 300 s, (B) LF 30% com tempo de espera antes da deformação de 300 s, (C) LF 60% com
tempo de 600 s e (D) TT com três tempos de espera
Algumas características importantes podem ser extraídas das curvas de escoamento plástico apresentadas acima. A primeira delas diz respeito ao formato das curvas até o pico de tensão. Pode-se observar que para os materiais LQ, LF 30% e LF 60% a região de encruamento (que vai do inicio do carregamento até o pico de tensão) apresenta comportamento semelhante mediante deformação. Após um carregamento rápido, a tensão aumenta linearmente com a deformação até atingir o valor máximo de tensão em
valores de deformação próximos a 0,6. Uma diferença marcante ocorre quando se observa as curvas de escoamento plástico para a amostra TT sem tempo de encharque (t = 0 s). Nestas curvas (Figura 4.9 D nas temperaturas de 1000oC e 1200oC) o pico de tensões é alcançado imediatamente após o inicio do ensaio e um amaciamento contínuo ocorre até a ruptura. À medida que o tempo de encharque é aumentado o formato das curvas tende a se ajustar àqueles apresentados pelos conjuntos A, B e C conforme pode ser observado na curva obtida para temperatura de 1200oC com tempo de espera de 600 s. Foram destacadas algumas curvas de escoamento plástico que estão agrupadas abaixo e que retratam com mais clareza as diferenças abordadas acima. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 0 10 20 30 40 50 60 70 eq (M P a) eq LQ (180 s) LF 30% (300 s) LF 60% (600 s) TT (0 s) TT (600 s)
Figura 19 Curvas de escoamento plástico destacadas para mostrar o efeito dos diferentes tempos de encharque nas temperaturas de ensaio.
Para se verificar o efeito do reaquecimento e do tempo de espera sobre a formação e a morfologia das partículas de austenita foi realizada uma etapa de têmpera dos corpos-de-prova imediatamente antes do início da deformação. As microestruturas depois do tempo de encharque estão na Figura 4.11 e as frações volumétricas correspondentes na Tabela 4.4.
Figura 20 Microestruturas resultantes do reaquecimento do aço DSS62 a 1200oC: (A) TT sem tempo de espera, (B) aço TT com tempo de espera de
600 s e (C) aço LF 60% com tempo de espera de 600 s.
Tabela 4.4 Frações volumétricas de austenita das micrografias da Figura 4.11 (T = 1200oC)
Condição TT (0 s) TT (600s) LF 60% (600s) Fração (%) 39.9 2.37 38.3 3.01 35.3 3.08
Os dados experimentais apresentados na Figura 4.11 e na Tabela 4.4 representam efetivamente o estado microestrutural inicial para aplicação da deformação por torção. Com base nas micrografias e nos valores de fração volumétrica é permitido dizer que a principal diferença refere-se ao tamanho, forma e distribuição das partículas de austenita na matriz, pois os valores de fração volumétrica medida em dez campos não apresentam diferença
significativa que justifique o comportamento de inicio de escoamento plástico apresentado nas curvas do aço TT. Apesar de ter ocorrido transformação de fase com relação aos valores da Tabela 4.3, o que realmente diferencia as Figuras 4.11A e 4.11B é o engrossamento apresentado pelas partículas de austenita formadas durante o reaquecimento e tempo de encharque.
Destaca-se ainda o fato de que grande parte da orientação produzida pela laminação a frio (60% de deformação) é perdida com a permanência na temperatura de 1200oC. Este aspecto pode ser importante para explicar o comportamento similar das curvas de escoamento plástico obtidas para as condições LQ, LF 30% e LF 60%, pois nestes conjuntos o tempo de espera foi relativamente elevado quando comparado a algumas condições empregadas em TT e, portanto, a microestrutura antes do ensaio tende a assumir uma distribuição característica de partículas de austenita dispersas ao longo da matriz (perda da percolação produzida pela laminação a frio).
As análises microestruturais também foram realizadas nas amostras deformadas que foram resfriadas em água imediatamente após a conclusão dos ensaios de torção. Estas análises são importantes, pois podem revelar a ocorrência de transformação de fase induzida por deformação, além de elucidar novos detalhes da disposição especial e da morfologia das partículas depois de deformadas plasticamente. Alguns exemplos de microestrutura e seus valores de fração volumétrica de austenita após ensaio são apresentados na Figura 4.12 e na Tabela 4.5 respectivamente.
Figura 21 Micrografias após ensaio de torção a quente a 1200oC. (A) TT sem tempo de espera, (B) LF 30% com tempo de espera de 300 s, (C) LF 60% com
tempo de espera de 600 s e (D) TT com tempo de espera de 600 s. Tabela 4.5 Fração volumétrica de austenita após ensaio a 1200oC. Condição TT (0s) LF 30% (300s) LF 60% (600s) TT (600s) Fração (%) 34.7 1.68 36.9 1.97 35.2 2.01 34.2 1.28
Os resultados das Tabelas 4.4 e 4.5 mostram que dentro da faixa de desvio padrão não foi verificado a ocorrência de transformação de fase induzida durante o processo de deformação. Assim, ao principiar a deformação a maior parte da transformação de fase (formação de austenita) já foi efetivamente concluída, restando desta forma o tamanho, formato e distribuição das partículas formadas para explicar os diferentes valores de tensão de início de escoamento. Complementando, as micrografias do aço
DSS62 após deformação (Figura 4.12) revelam ainda indícios da ocorrência de fluxo plástico localizado, pois um alinhamento preferencial semelhante aquele observado para as micrografias da Figura 4.7 (DSS 63) também foi constatado. Analisando sinteticamente todos os resultados apresentados (valores de fração volumétrica, curvas de escoamento plástico e micrografias) até agora algumas ponderações podem ser feitas. A primeira delas é que os resultados de fração volumétrica não variam significativamente durante a deformação a quente dos aços DSS62 e DSS63. A outra situação interessante diz respeito às diferenças apresentadas no inicio das curvas de escoamento plástico. As micrografias obtidas imediatamente antes dos ensaios apontam para a presença de partículas com estrutura do tipo Widmansttäten em tempos de encharque curtos. Este tipo de morfologia das partículas de austenita parece produzir sempre curvas de escoamento plástico onde a tensão de pico é alcançada com elevada taxa de encruamento e com valores extremamente baixos de deformação. Por outro lado, nas outras configurações microestruturais obtidas em tempos de encharque maiores, as curvas de escoamento plástico tendem a alcançar valores de pico de tensão em níveis mais altos de deformação com uma velocidade de encruamento mais gradativa.
Para tentar elucidar ainda mais o papel marcante das partículas de austenita com estrutura do tipo Widmansttäten sobre as curvas de escoamento plástico dos aços inoxidáveis dúplex, os ensaios prosseguiram com a utilização do aço DSS60. Como este aço apresenta o maior valor para a relação Creq/Nieq (ver Tabela 3.1) espera-se que ele apresente um enorme potencial para a precipitação de partículas do tipo Widmansttäten durante os ensaios de torção a quente, pois a aplicação do tratamento térmico descrito na Tabela 3.2, deve produzir uma microestrutura quase que essencialmente ferrítica. A Figura 4.13 mostra um exemplo da micrografia do DSS60 após tratamento térmico a 1300oC por uma hora e rápido resfriamento em água.
Figura 22 Microestrutura do material DSS60 após tratamento térmico a 1300oC por uma hora. Ataque: Behara
Após tratamento o material encontra-se essencialmente ferrítico e nota- se um crescimento acentuado dos grãos ferríticos. A Figura 4.14 mostra as curvas obtidas por torção a quente.
Figura 23 Curvas de escoamento plástico do aço DSS60 com taxa de deformação constante (1s-1) obtidas para os diferentes tempos de espera na
temperatura de deformação – 1000oC.
As micrografias e os valores de fração volumétrica de austenita resultantes do resfriamento imediatamente antes da torção depois do ensaio estão na Figura 4.15 e Tabela 4.6 respectivamente.
Figura 24 Micrografias após tempo de encharque a 1000oC: (A) 60s, (B) 300s, (C) 600s e (D) 1800s. Ataque Behara
Tabela 4.6 Fração volumétrica de austenita imediatamente antes do inicio da deformação (AT) e após deformação por torção a 1000oC (DT).
Condição 1s 60s 300s 600s 900s 1800s AT (%) 8.95 1.93 15.0 1.11 19.2 1.19 19.3 1.27 21.1 1.54 20.5 1.85 DT (%) 7.67 1.89 9.52 0.79 16.9 1.12 16.1 2.51 14.9 2.14 13.3 1.34 É possível notar que a medida que elevamos o tempo de encharque até 300 segundos, a tensão de inicio de escoamento é bruscamente alcançada (valores relativamente baixos de deformação aplicada); sendo que a curva de escoamento para 600 segundos representa o limite para uma mudança de
(A) (B)
comportamento que se nota no formato do pico de tensão. A partir de 600 segundos a elevação até o pico não se dá de forma tão aguda e o pico de tensão é precedido por uma elevação gradativa conforme se observa nas curvas 600, 900 e 1800 segundos. Este comportamento pode ser correlacionado às variações morfológicas presentes nas micrografias da Figura 4.15 e também aos valores de fração volumétrica encontrado antes do ensaio.
As micrografias 4.15A e 4.15B revelam uma quantidade maior de partículas finas de austenita com estrutura do tipo Widmanstätten (partículas relativamente mais coerentes) crescendo dos contornos para o interior do grão ferrítico. Além das diferenças morfológicas, outro fator que merece destaque diz respeito à transformação de fase. Os valores da Tabela 4.6 revelam que até tempo de encharque de 300 segundos ainda há variação na fração volumétrica de austenita presente. Isto é, para tempos inferiores a 300 segundos existe constante formação de novas partículas de austenita, as quais se formam sempre com o formato acicular característico da estrutura do tipo