CENTRO UNIVERSITÁRIO DO LESTE DE MINAS GERAIS – UnilesteMG
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial
ANDERSON LERIS
ANÁLISE DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE PERFIL METÁLICO TUBULAR
EM ACO ESTRUTURAL ASTM A572 GRAU 50 APÓS CURVAMENTO PELO
PROCESSO DE INDUÇÃO ELETROMAGNETICA
Coronel Fabriciano
2010
ANDERSON LERIS
ANÁLISE DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE PERFIL METÁLICO TUBULAR
EM ACO ESTRUTURAL ASTM A572 GRAU 50 APÓS CURVAMENTO PELO
PROCESSO DE INDUÇÃO ELETROMAGNETICA
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia Industrial do Centro
Universitário do Leste de Minas Gerais, como
requisito parcial para obtenção do título de Mestre
em Engenharia Industrial
Orientadora: Professora Dra. Cláudia Nazaré dos
Santos
Coronel Fabriciano
2010
ANDERSON LERIS
ANÁLISE DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE PERFIL METÁLICO TUBULAR
EM AÇO ESTRUTURAL ASTM A572 GRAU 50 APÓS CURVAMENTO PELO
PROCESSO DE INDUÇÃO ELETROMAGNETICA
Dissertação de Mestrado submetida à banca examinadora designada pelo conselho de
Curso do Programa de Pós-Graduação em engenharia, Mestrado em Engenharia
Industrial, do Centro Universitário do Leste de Minas Gerais, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Industrial
Aprovada em 29 de março de 2011
Por:
__________________________________
Cláudia Nazaré Santos, Dra.
Prof. PPGE/Unileste-MG.
______________________________________
Fabrício Moura Dias, Dr.
Prof. PPGE/Unileste-MG.
__________________________________
Tulio Magno Fuzessy de Melo, Dr.
Pesquisador Especialista Sênior/USIMINAS
À minha família e a todos os meus
amigos, colegas e professores, que se
fizeram presentes durante esta fase
de minha vida.
AGRADECIMENTOS
À minha esposa Eloide, pela compreensão e incentivo.
Aos meus filhos Bianca e Bernardo por entenderem minha ausência durante os
momentos de estudo e sempre me receberem com sorrisos, abraços e beijos.
Aos meus pais, José Paulo e Ana Rosalina pelos ensinamentos, pelo incentivo e por
sempre acreditarem em meu potencial.
Aos meus irmãos Elerson e Ana Paula pela força e incentivo.
À professora Doutora Cláudia Nazaré Santos pelo tempo disponibilizado, pelo bom
humor, pelas contribuições acadêmicas, pela paciência e pela amizade.
Ao Ricardo Mota e Antonio Cezar Amaral por terem me dado a oportunidade de
conhecer o processo estudado neste trabalho e pelo incentivo.
A Turma do “GGP”, ao pessoal da “ENGENHARIA” e aos demais colegas de trabalho
pelo incentivo e colaboração.
Aos colegas Flávio Romualdo, Carlos Reis e José Eduardo Salles por me ajudarem
incentivando e compartilhando conhecimentos.
Ao pesquisador, Professor Doutor Tulio Magno Fuzessy de Melo por sempre estar
disponível para me auxiliar quando necessitei.
Aos colegas de mestrado com os quais compartilhei os mesmos objetivos e
inquietações.
Aos professores do mestrado pelos ensinamentos, pelo incentivo e colaboração.
Aos demais familiares e amigos que torceram por mim.
Ao Doutor Fabio Domingos Pannoni pelas contribuições técnicas.
Ao centro de pesquisa da USIMINAS por realizar e os ensaios de dureza e as imagens
das microestruturas e das fraturas deste trabalho.
À USIMINAS MECÂNICA S/A por ter cedido os materiais para as amostras e pela
realização dos ensaios mecânicos deste trabalho.
À PROTUBO por se disponibilizar a fornecer informações técnicas referentes ao
processo de curvamento por indução eletromagnética.
RESUMO
O aço é largamente utilizado na fabricação de estruturas metálicas bem como em
outras utilizações. Para atender estas aplicações, inúmeros são os processos para
transformá-lo. Dentre os processos utilizados, podemos citar o processo de curvamento
por indução eletromagnética, responsável pelo curvamento por aquecimento localizado,
seguido de conformação mecânica a quente e resfriamento rápido. Esse processo é
capaz de alterar as propriedades do material e dependendo da composição química,
estrutura cristalina, formato e tamanho de grãos. Tais alterações podem não ser
favoráveis para determinadas aplicações. Neste trabalho foram estudados tubos em
aço estrutural da norma ASTM A 572 Gr 50 curvados pelo processo de indução e
comparados com os mesmos tubos não processados. Foram realizados ensaios
mecânicos de tração, Charpy e dobramento conforme norma ASTM A 370 para ambos
os casos. Observou-se que houve uma mudança na microestrutura do material, de
forma heterogênea da face externa para a face interna devido à diferente taxa de
resfriamento que ocorreu nas regiões. O limite de escoamento não apresentou
aumento significativo, ao contrário do limite de resistência. Pôde-se observar também
um aumento da dureza superficial do tubo curvado de maneira que o processo de
curvamento
por
indução
eletromagnética não
comprometeu
as propriedades
mecânicas, apresentando-se como uma aplicação favorável em estruturas metálicas.
Palavras-chave: Aço. Curvamento por indução eletromagnética. Propriedades.
Construção em Aço.
ABSTRACT
The steel is widely used in the manufacture of steel structures and other uses to meet
these applications, there are a lot of processes to transform it. Among the procedures
used, we can mention the electromagnetic induction bending process, responsible for
bending by localized heating, followed by the hot forming and rapid cooling. This
process can change the properties of the material, depending on its chemical
composition, structure , shape and size of grains such changes may not be favorable for
certain applications. The structural pipes made with steel following the standard
ASTM A 572 Gr 50, bent by the process of induction and compared with the same tubes
unprocessed in this study. Mechanical tests of tensile test, Charpy V-notch test, and
bending test were performed following ASTM A 370 standard for both cases. It was
observed that there was a change in the microstructure of the material heterogeneities
of the outside to the inside face due to different rate of cooling that occurred in the
regions, the elastic limit is not increased significantly, contrary to the ultimate strength.
One can also observe an increase in surface hardness of the bended tube, the bending
process by electromagnetic induction did not compromise the mechanical properties
presenting itself as a favorable application in steel structures.
KEY WORDS: Steel, Induction Bending, Properties, Steel Construction.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Reatividade geral de importantes elementos no aço...................................... 18
Figura 2: Efeito de diferentes mecanismos de endurecimento na temperatura de
transição. ....................................................................................................................... 20
Figura 3: Efeito do teor de carbono nas curvas de temperatura de transição dos aços
perlíticos ferrítícos ......................................................................................................... 21
Figura 4: Aumento incremental na dureza após a têmpera para silício e outros quatro
elementos de liga .......................................................................................................... 22
Figura 5: a) Laminador Mannesmann b) Rolo laminador-mandrilador .......................... 24
Figura 6: Processo de Extrusão de Tubos. a) Mandrilamento b) Extrusão ................... 24
Figura 7: Processo de fabricação U-O-E de tubos. ....................................................... 26
Figura 8: Processo de fabricação de tubos com SAW helicoidal .................................. 27
Figura 9: Processo de fabricação de tubos com ERW longitudinal ............................... 28
Figura 10: De a) para c) seqüência de calandragem de chapas para a fabricação de
tubos – calandra de 3 rolos. .......................................................................................... 29
Figura 11: De a) para c) seqüência de calandragem de chapas para a fabricação de
tubos – calandra de 4 rolos ........................................................................................... 29
Figura 12: Desenho esquemático de curvamento de tubos por prensagem ................. 31
Figura 13: Desenho esquemático de curvamento de tubos a frio com 3 rolos .............. 31
Figura 14: Desenho esquemático de curvamento de tubos a frio com 4 rolos. ............. 32
Figura 15: Curvamento de tubos por cortes em V a) Tubo reto b) Corte em V c)
Emenda da região cortada d) Tubo curvado ................................................................. 32
Figura 16: Arco de grande diâmetro fabricado pelo processo de curvamento por cortes
em V. ............................................................................................................................. 33
Figura 17: Esquema do curvamento por indução eletromagnética ............................... 34
Figura 18: Processo de curvamento – Vista Geral ........................................................ 35
Figura 19: Curvamento por indução – a) garra do equipamento b) bobina de
aquecimento c) resfriamento com água após o aquecimento d) anel aquecido no tubo
...................................................................................................................................... 35
Figura 20: Estação Cidade Nova no Rio de Janeiro onde foram utilizados tubos
curvados por indução eletromagnética.......................................................................... 36
Figura 21: Distribuição esquemática de temperatura ao longo da espessura da parede
do tubo. ......................................................................................................................... 37
Figura 22: Redução da espessura no extradorso da curva com a variação da relação
RM / D (raio médio/diâmetro). ....................................................................................... 38
Figura 23: Aumento da espessura no intradorso da curva com a variação da relação
RM / D (raio médio/diâmetro). ....................................................................................... 38
Figura 24: Distribuição de deformação de tração e compressão em uma curva de raio
de 5 vezes o diâmetro (48" x 24 mm - Aço API Grau X65)............................................ 39
Figura 25: Efeito da taxa de aquecimento na temperatura de transformação (A3) – H.F =
faixa de temperatura que compreende ao aquecimento por indução............................ 40
Figura 26: Efeito da taxa e da temperatura de curvamento no tamanho de grão
austenítico. .................................................................................................................... 41
Figura 27: Diâmetro médio do grão (alternativamente, número de grão ASTM) em
função da temperatura de austenitização para o aço 1060 austenitizado por 6 minutos e
2 horas. ......................................................................................................................... 42
Figura 28: Diagrama de transformação com resfriamento contínuo para aços de alta
resistência ..................................................................................................................... 43
Figura 29: Estação de metrô Cidade Nova – RJ - Fase de Montagem ......................... 44
Figura 30: Aeroporto Santos Dumont - RJ .................................................................... 45
Figura 31: Corrimãos curvados ..................................................................................... 45
Figura 32: Passarela estação cidade nova – RJ - Fase de Montagem. ........................ 46
Figura 33: Dimensão das amostras curvas ................................................................... 47
Figura 34: Dimensão da amostra não curvada.............................................................. 48
Figura 35: Corpo de Prova de ensaio de Charpy .......................................................... 49
Figura 36: Corpo de prova de Tração tubo curvo .......................................................... 49
Figura 37: Corpo de prova de Tração tubo reto ............................................................ 49
Figura 38: Regiões de retirada dos CPS: 1 Linha neutra oposta à solda; 2 Intradorso e
3 extradorso; ................................................................................................................. 51
Figura 39: Posição das imagens metalográficas ........................................................... 51
Figura 40: Posições de medição de dureza a) Tubo curvado b) Tubo reto. .................. 52
Figura 41: Microestrutura Tubo reto - Identificação das fases - BA: Bainita - FE: Ferrita PE: Perlita ..................................................................................................................... 53
Figura 42: Microestrutura Tubo reto - Resoluções de 500X e 1000X - 1) Próximo a face
externa 2) No centro da espessura 3) Próximo à face interna; ..................................... 54
Figura 43: Microestrutura típica do Tubo curvado - Identificação das fases - BA: Bainita
- FE: Ferrita - BA: bainita - MA: Martensita.................................................................... 55
Figura 44: Microestrutura Intradorso - Resoluções de 500X e 1000X - 1) Próximo a face
externa 2) No centro da espessura 3) Próximo à face interna; ..................................... 56
Figura 45: Microestrutura Extradorso - Resoluções de 500X e 1000X - 1) Próximo a
face externa 2) No centro da espessura 3) Próximo à face interna;.............................. 58
Figura 46: Microestrutura Linha Neutra - Resoluções de 500X e 1000X - 1) Próximo a
face externa 2) No centro da espessura 3) Próximo à face interna;.............................. 59
Figura 47: Microestrutura comparativo - Resoluções de 500X e 1000X - 1) À 2mm da
Face externa 2) No centro da espessura 3) À 2mm da face interna; ............................ 61
Figura 48: Resultados dos ensaios de dureza ao longo da espessura para o extradorso,
intradorso, linha neutra e tubo reto................................................................................ 63
Figura 49: Resultado dos ensaios de tração ................................................................. 65
Figura 50: Resultado dos ensaios de tração longitudinal das soldas ............................ 66
Figura 51 - Relação LR/LE ............................................................................................ 66
Figura 52: Alongamento no ensaio de tração ................................................................ 67
Figura 53 - Resultado dos ensaios de Charpy, Tubo reto, Linha Neutra, Extradorso e
Intradorso. ..................................................................................................................... 68
Figura 54: Imagem da fratura do ensaio de Charpy - MEV 1000X - Tubo reto ............. 69
Figura 55: Imagem da fratura do ensaio de Charpy - MEV 1000X - Tubo Curvado –
Intradorso ...................................................................................................................... 70
Figura 56: Imagem da fratura do ensaio de Charpy - MEV 1000X - Tubo Curvado –
Extradorso ..................................................................................................................... 71
Figura 57: Imagem da fratura do ensaio de Charpy - MEV 1000X - Tubo Curvado –
Linha Neutra .................................................................................................................. 71
Figura 58: Corpo de prova de dobramento - Região da solda - Tubo curvado.............. 72
Figura 59: Corpo de prova de dobramento - Região da solda – Tubo reto ................... 72
Figura 60: Variação dimensional como medido após o curvamento ............................. 73
LISTA DE QUADROS
Quadro 1: Equivalência entre aços estruturais das normas NBR e ASTM .................... 16
Quadro 2: Composição química dos aços estruturais (% em massa) ........................... 17
Quadro 3: Propriedades mecânicas dos aços estruturais ............................................. 17
Quadro 4: Fórmulas para a determinação de carbono equivalente............................... 20
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A1
Temperatura da reação eutetóide do diagrama de equilíbrio
Fe-C;
A3
Temperatura de transformação alotrópica de fases em aços no
aquecimento, da ferrita para austenita;
ABCEM
Associação Brasileira de Construção Metálica
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
Acm
Temperatura de transformação Fe3C;
AL
Alongamento no ensaio de tração (%)
AR
Alta resistência na norma NBR7007
ASTM
American Society for Testing and Materials
BA
Bainita;
C°
Graus Celsius
CBCA
Centro Brasileiro de Construção em Aço;
CCT
Transformação com esfriamento contínuo;
CE
Carbono equivalente;
CLR
Comprimento de trinca;
COR
Resistência à corrosão na norma NBR7007;
CP
Corpo de prova;
CSR
Sensibilidade ao trincamento;
D
Diâmetro;
DIMPLES
Microcavidades
DRY WALL
Sistema construtivo a seco que utiliza chapas de gesso
acartonado fixadas sobre estruturas metálicas
FE
Ferrita
Fe
Estrutura cúbica de corpo centrado abaixo da temperatura de
912°C no diagrama ferro carbono também chamado de Ferrita.
Fe
Estrutura cúbica de face centrada. Localizada entre 1390ºC e
912ºC também chamada de Austenita.
HF
Faixa de taxa de aquecimento correspondente ao aquecimento
por indução eletromagnética durante o curvamento de tubos;
HV
Dureza Vickers
HV5
Dureza Vickers com 5Kg
LE
Limite de escoamento;
LR
Limite de resistência;
MA
Martensita
MR
Média resistência na norma NBR7007
NBR
Associação Brasileira de Normas Técnicas;
PCM
Parâmetro de trinca;
PE
Perlita
RM
Raio Médio;
SAW
Soldagem a arco submerso;
STEEL FRAMING
Painéis formados por guias e montantes estruturais;
U-O-E
Etapas do processo de fabricação de tubos com costura
(conformação em “U”, fechamento em “O” e expansão “E”);
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 13
2. REVISÃO DE LITERATURA .................................................................................... 15
2.1
Aços estruturais ............................................................................................ 15
2.2
Fabricação de Tubos .................................................................................... 22
2.2.1
Tubos sem costura ........................................................................................ 23
2.2.1.1 Tubos laminados ............................................................................................. 23
2.1.1.2 Tubos Extrudados ........................................................................................... 24
2.1.2
Tubos com costura ........................................................................................ 25
2.1.2.1 Tubos fabricados pelo processo U-O-E ........................................................ 25
2.1.2.2 Tubos fabricados pelo processo SAW helicoidal......................................... 26
2.1.2.3 Tubos fabricados pelo processo ERW .......................................................... 27
2.1.2.4 Tubos fabricados pelo processo de calandragem ....................................... 28
2.2
Curvamento de perfis metálicos tubulares ................................................. 30
2.2.1
Curvamento de tubos a frio .......................................................................... 30
2.2.2
Curvamento de tubos a quente .................................................................... 33
2.2.2.1 Curvamento por indução eletromagnética .................................................... 34
2.2.2.1.1 Variáveis do processo de curvamento por indução eletromagnética.............. 36
2.2.2.1.1.1 Espessura da parede................................................................. 37
2.2.2.1.1.2 Temperatura de curvamento ..................................................... 39
2.2.2.1.1.3 Velocidade de resfriamento ....................................................... 42
2.3
Aplicação de tubos em estruturas metálicas ............................................. 44
3. MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS............................................. 47
3.1
Materiais ........................................................................................................ 47
3.2
Procedimentos Experimentais ..................................................................... 48
3.3
Propriedades Mecânicas e Metalografia ..................................................... 50
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................ 52
4.1
Microestruturas ............................................................................................. 52
4.1.1
Tubo Reto ....................................................................................................... 52
4.2
Tubo Curvado ................................................................................................ 55
4.2.1
Tubo Curvado – Intradorso ........................................................................... 56
4.2.2
Tubo Curvado – Extradorso .......................................................................... 58
4.2.3
Tubo Curvado - Linha Neutra........................................................................ 59
4.2.4
Comparação entre as microestruturas e as propriedades ......................... 60
4.3
Ensaio de Dureza .......................................................................................... 62
4.4
Ensaio de Tração .......................................................................................... 64
4.5
Ensaio de Charpy .......................................................................................... 67
4.6
Imagens das fraturas do ensaio de Charpy ................................................ 69
4.7
Ensaio de dobramento longitudinal na solda ............................................. 72
5. CONCLUSÃO ........................................................................................................... 74
6. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................................... 75
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 76
13
1.INTRODUÇÃO
Até a década de 80, o uso de estruturas metálicas nas áreas da
construção industrial e comercial era pouco conhecido no Brasil. Na área da
construção residencial, o assunto nem era cogitado por arquitetos e engenheiros, e
muito menos pelos proprietários ou investidores. Fatores histórico-culturais
decorrentes da falta de produtos siderúrgicos adequados colaboraram com essa
realidade. Entretanto, este cenário mudou positivamente nos últimos anos, tanto
com relação a materiais e tecnologias disponíveis quanto à demanda por sistemas
sustentáveis e de baixo desperdício.
O aço tem sido utilizado em diversas aplicações estruturais. Segundo o
Centro Brasileiro de Construção em Aço - CBCA, em 2008, o consumo aparente de
produtos siderúrgicos cresceu 9%, atingindo a marca recorde de 24 milhões de
toneladas. Dentre os setores consumidores finais, o destaque foi o setor da
construção civil, cujo consumo foi 21,3% superior ao observado em 2007. Este setor
ampliou sua participação no consumo aparente de 30,0% em 2007 para 33,4%, em
2008 além de contribuir com o resultado recorde do segmento imobiliário, contribuiu
também como a boa performance da construção em aço.
Ainda de acordo com o CBCA a demanda na construção em aço
apresentou expressivo crescimento de 18% em 2007 em relação ao ano de 2008,
dessa forma, a demanda cresceu 6,8% ao ano no período 2002-2008, enquanto o
consumo total da construção civil cresceu 6,6% ao ano no mesmo período. Os
dados apontam que, de uma demanda total superior a 2,8 milhões de toneladas para
construção em aço, os principais destaques foram os aços planos revestidos,
destinados a telhas, perfis steel framing e perfis drywall, que passou de 502 mil
toneladas em 2007, para 729 mil toneladas (+ 45,1%) em 2008. A demanda dos
perfis e tubos para estruturas cresceu de 284 mil toneladas para 411 mil toneladas
(+ 44,7%) no mesmo período.
De acordo com NUIC et. al. (2003), os perfis tubulares apresentam algumas
características que propiciam vantagens para a aplicação estrutural, tais como: a
forma da seção favorável aos esforços de compressão e torção; os perfis redondos
possuem uma área de pintura reduzida, quando comparada com outros tipos de
perfis; maior vida útil na proteção contra a corrosão; reduzido coeficiente de arrasto;
14
facilidade para a composição de estruturas mistas e para a proteção contra incêndio.
Sob o ponto de vista das instalações, os perfis tubulares também podem ser
utilizados para serviços, como por exemplo, passagens de tubulações elétrica e
hidráulica em seu interior. Além de todas estas características, este tipo de estrutura
pode ser bastante explorado sob o ponto de vista estético.
A utilização de estruturas tubulares em aço requer vários processos de
fabricação visando à adequação às especificações da engenharia e da arquitetura.
Alguns processos, como o curvamento por indução eletromagnética, não possuem
normas específicas para a fabricação de estruturas sendo necessária a confirmação
da manutenção das propriedades mínimas requeridas no projeto.
Neste estudo busca-se analisar as propriedades mecânicas de um tubo
fabricado a partir de chapas de aço estrutural da norma ASTM A 572 Gr 50 utilizado
na fabricação de um edifício após o processo de curvamento por indução
eletromagnética, comparando-as com os requisitos dos documentos normativos
pertinentes. Neste trabalho foram utilizados tubos com 18” de diâmetro e 14 e 19
mm de espessura. Foram realizados ensaios mecânicos de tração, Charpy e
dobramento conforme norma ASTM A 370 (2009) e ensaio de dureza conforme
norma NBR NM6507-1 (2008) em regiões curvadas do tubo e obtidas micrografias,
visando comparar as propriedades mecânicas antes e depois do curvamento por
indução eletromagnética.
15
2.REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Aços estruturais
O aço é a liga metálica mais utilizada na atualidade devido ao custo de
produção, aplicabilidade e versatilidade.
Segundo PANNONI (2005) o grande uso do aço pode ser atribuído às
notáveis propriedades desta liga, à abundância das matérias-primas necessárias à
sua produção e o seu preço competitivo. O aço pode ser produzido em uma enorme
variedade de características controladas de modo a atender um uso específico. O
produto final pode ser algo como um bisturi cirúrgico, um arranha-céu, uma ponte
gigantesca ou um petroleiro, um reator nuclear ou um fogão.
PANNONI (2005) destaca que existem mais de 3500 tipos diferentes de
aços, aproximadamente 75% deles desenvolvidos nos últimos 20 anos. Isso mostra
a grande evolução que o setor tem experimentado.
O aço pode ser definido como baixo carbono, médio carbono e alto
carbono conforme o percentual de carbono presente na sua estrutura. Os aços de
baixo carbono possuem um máximo de 0,3% deste elemento e apresentam grande
ductilidade, são bons para o trabalho mecânico e soldagem, sendo pouco
temperáveis, utilizados na construção de edifícios, pontes, navios, automóveis,
dentre outros. Os aços de médio carbono possuem de 0,3% a 0,6% de carbono e
são utilizados em engrenagens, bielas e outros componentes mecânicos; São aços
que, temperados e revenidos, atingem boa tenacidade e resistência. Aços de alto
carbono possuem mais do que 0,6% de carbono e apresentam elevada dureza e
resistência
após
têmpera.
São
comumente
utilizados
em
trilhos,
molas,
engrenagens, componentes agrícolas sujeitos ao desgaste, pequenas ferramentas
etc. (BARREIRO, 1974).
Na construção civil, o interesse maior está nos chamados aços estruturais
de média e alta resistência mecânica. Fazem parte desse grupo, todos os aços que,
devido à sua resistência, ductilidade e outras propriedades, são adequados para a
utilização em elementos da construção sujeitos a carregamento. Os principais
requisitos para os aços destinados à aplicação estrutural são: elevado limite de
escoamento,
elevada
tenacidade,
boa
soldabilidade,
homogeneidade
16
microestrutural, susceptibilidade de corte por chama sem endurecimento e boa
trabalhabilidade em operações tais como corte, furação e dobramento, sem que se
originem fissuras ou outros defeitos (CBCA, 2010).
Os aços estruturais podem ser classificados de acordo com o limite de
escoamento mínimo especificado: aço carbono de média resistência (limites de
escoamento mínimo – LE, 195 a 259 MPa), aço de alta resistência e baixa liga (LE,
290 a 395 MPa) e aços tratados termicamente (LE, 630 a 700 MPa) (CBCA, 2010).
Os aços de alta resistência e baixa liga são utilizados toda vez que se
deseja aumentar a resistência mecânica permitindo um acréscimo da carga unitária
da estrutura ou proporcionar uma diminuição de seção, melhorar a resistência à
corrosão atmosférica, resistência ao choque e o limite de fadiga e elevar a relação
do limite de escoamento para o limite de resistência à tração, sem perda apreciável
da ductilidade (CBCA, 2010).
A tendência moderna no sentido de se utilizar estruturas cada vez
maiores tem levado os engenheiros, projetistas e construtores a utilizar aços de
maior resistência, os chamados aços de alta resistência e baixa liga, de modo a
evitar estruturas cada vez mais pesadas (CBCA, 2010).
A NBR 8800 (2008) classifica os aços em estruturais, como aqueles que
possuem resistência ao escoamento máximo de 450 MPa e relação entre limite de
resistência (LR) e limite escoamento (LE) não inferior a 1,18, desde que o aço seja
classificado como estrutural por norma brasileira ou estrangeira.
Já a NBR 7007 (2002), possui outras quatro classificações: MR 250,
AR 350, AR 415 e AR 350 COR, em que MR é média resistência, AR alta resistência
e COR maior resistência à corrosão atmosférica. Existe uma equivalência entre as
normas NBR e a ASTM, para os aços estruturais como apresentado no Quadro 1.
Quadro 1: Equivalência entre aços estruturais das normas NBR e ASTM
Fonte: O Autor, 2010
17
Estas normas apresentam valores para as composições químicas e as
resistências mecânicas, que podem ser vistas no
Quadro 2 e no Quadro 3 respectivamente, sendo que as cores iguais
indicam a equivalência dos aços estruturais entre as duas normas.
Quadro 2: Composição química dos aços estruturais (% em massa)
Fonte: O Autor, 2010
Quadro 3: Propriedades mecânicas dos aços estruturais
Fonte: O Autor, 2010
18
O ensaio de Charpy é classificado como opcional conforme determinação
de projeto e especificação e deve ser especificado na compra do aço, conforme
determinam as normas NBR7007 (2002), NBR8800 (2008) e ASTM A 0006 (2009).
Muitas propriedades e algumas características dos diferentes tipos de
aços são afetadas pela composição química dos mesmos. Os elementos de liga
desempenham uma importante função na determinação da microestrutura e nas
propriedades dos aços em geral. Sua influência é obtida através de seus efeitos em
solução
sólida
e,
principalmente,
de
seus
efeitos
como
precipitados
(BATISTA, 2005).
A Figura 1 apresenta a porção da tabela periódica ao redor do ferro e
inclui vários elementos que são adicionados nos aços juntamente com outros
elementos de liga como manganês, cromo, molibdênio e níquel. Alguns elementos
tendem ser mais reativos do que outros. Tais elementos irão combinar com
elementos como carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre para formar carbonetos,
nitretos, óxidos e sulfetos. Estes compostos químicos que se fundem a temperaturas
muito altas tendem a ser muito duros e frágeis (VERHOEVEN, 2007).
Figura 1: Reatividade geral de importantes elementos no aço
Fonte: VERHOEVEN, 2007
19
Segundo VERHOEVEN (2007), quando manganês e outros elementos
são adicionados nas ligas ferro carbono, três importantes linhas no diagrama de
fases A3 (Temperatura de transformação alotrópica de fases em aços no
aquecimento, da ferrita para austenita), A1 (Temperatura da reação eutetóide do
diagrama de equilíbrio Fe-C) e Acm (Temperatura de transformação Fe3C),
moverão um pouco. Os elementos como manganês e níquel movem a linha A1 para
baixo e o cromo e o molibdênio a movem para cima.
ATKINS et. al. (1980) mostram as equações que confirmam a variação
das linhas A1 e A3. Esta variação os autores chamam de “A faixa crítica que
aquecimento entre A1 e A3”, sendo que o símbolo do elemento químico corresponde
à % em peso do elemento de liga.
A1 (ºC) = 723 - 20,7 Mn-16,9 Ni + 29,1 Si +16,9 Cr + 290 As + 6,38 W
A3 (ºC) = 910 – 203
– 15,2 Ni + 44,7 Si + 104 V + 31,5 Mo + 13,1 W
O aço ASTM A 572 Gr 50 além do ferro, é composto pelos elementos
químicos carbono, manganês, silício e enxofre, como apresentado no
Quadro 2.
Historicamente o carbono é considerado o elemento que oferece a menor
relação custo/beneficio para aumentar a resistência mecânica nos aços estruturais
(BATISTA, 2005).
A influência da composição química na soldabilidade é usualmente
descrita quantitativamente em termos de carbono equivalente e o
Quadro
4
mostra
algumas
fórmulas
elaboradas
por
diferentes
pesquisadores. Todas as fórmulas revelam que a redução na quantidade de carbono
resulta em melhoria na soldabilidade (HULKA, 1993).
20
Quadro 4: Fórmulas para a determinação de carbono equivalente
Fonte: HULKA, 1993
Comparado com outros mecanismos de endurecimento como refino de
grão, endurecimento por precipitação e encruamento, o aumento percentual do
carbono é considerado o menos desejável (BATISTA, 2005). Conforme mostrado na
Figura 2, o aumento do percentual de carbono promove o aumento da resistência do
material, causando entretanto, a elevação da temperatura de transição no ensaio de
impacto Charpy.
Figura 2: Efeito de diferentes mecanismos de endurecimento na temperatura
de transição.
Fonte: HULKA, 1993
21
O fato do C não ser preferencialmente utilizado como mecanismo de
endurecimento pode ser observado pelo seu efeito na tenacidade (BATISTA, 2005).
Com base na Figura 3, observa-se que o aumento do teor de carbono promove a
elevação da temperatura de transição no ensaio de Charpy.
Figura 3: Efeito do teor de carbono nas curvas de temperatura de transição
dos aços perlíticos ferrítícos
Fonte: HULKA, 1993
Uma alta relação manganês/carbono (Mn/C) acarreta em melhor
tenacidade para um mesmo nível de resistência. Por outro lado, se for necessária
resistência a trincas induzidas por hidrogênio, é prudente limitar o teor de Mn em
1,2%, entretanto, se o teor de C for reduzido para 0,02% um teor bem maior de Mn
pode ser tolerado (BATISTA, 2005).
HULKA (1993) o manganês é usualmente utilizado em substituição ao
carbono nos aços soldáveis, induzindo uma melhor resistência. O manganês é o
elemento mais comumente utilizado para melhorar a resistência em aços de alta
resistência e baixa liga.
O Mn também possui um efeito marcante na temperabilidade do aço.
Quando aumenta de 1,4 para 1,6 e deste para 1,80% a microestrutura transforma-se
de ferrita-perlita para ferrita-perlita-bainita e para ferrita-bainita respectivamente
(BATISTA, 2005).
22
VERHOEVEN (2007) descreve que além da temperatura os elementos de
liga têm grande influência no aumento da dureza da liga. A Figura 4 mostra aumento
de dureza com o incremento dos quatro principais elementos de liga utilizados nos
aços ligados.
Figura 4: Aumento incremental na dureza após a têmpera para silício e outros
quatro elementos de liga
Fonte: VERHOEVEN, 2007
Conforme mostrado por BATISTA (2005), o processo de fabricação de
aços de alta resistência e baixa liga produz aços com baixos teores de enxofre,
aproximadamente 0,005 a 0,010%. É usual utilizar estes valores para garantir o
alongamento requerido e alta energia de Charpy. Adicionalmente, o controle do
formato de inclusões de enxofre através da adição de cálcio (Ca) (globulização das
inclusões) ajuda a prevenir a formação de sulfeto de manganês (MnS) de forma
alongada.
23
2.2 Fabricação de Tubos
Segundo DOYLE et. al. (1978), os perfis tubulares possuem, na maioria
das vezes, seções circulares, quadradas e retangulares. Sua fabricação pode ser
laminada a quente, dobrada a frio ou extrudada e podem ser classificados em dois
tipos, sem costura e com costura (solda). Os tubos sem costura são produzidos por
processo de laminação a quente, a partir de bloco maciço de seção redonda de aço,
o qual será laminado e perfurado por mandril, obtendo-se dessa maneira, suas
dimensões finais. São resfriados em leito de resfriamento, até temperatura ambiente,
e, por possuírem uniforme distribuição de massa em torno de seu centro, mantém
temperatura praticamente constante ao longo de todo o seu comprimento e em
qualquer ponto de sua seção transversal Os tubos com costura são aqueles a partir
de chapas de aço calandrada e costurados (soldados) no encontro das mesmas.
A utilização dos tubos dos respectivos processos depende das
características do material a ser aplicado, o diâmetro nominal, espessura da parede
dentre outros.
2.2.1 Tubos sem costura
Os tubos sem costura podem ser produzidos por laminação ou extrusão.
No Brasil são produzidos com diâmetros externos padronizados que
variam de 26,9 a 355,6 mm e espessura de parede de 2,3 a 8 mm, com
comprimento máximo até 15.000 mm (V&M DO BRASIL, 2010).
2.2.1.1 Tubos laminados
De acordo com DOYLE et. al. (1978) e HELMAN (2005) os tubos
laminados são produzidos a partir de barra circular maciça de aço que, após ser
aquecida até a temperatura de laminação, é empurrada por dois cilindros oblíquos
que rotacionam e transladam contra um mandril fixo, sendo este último responsável
pelo furo interno do tubo, conforme a Figura 5. Desta forma se consegue um tubo
bruto, que sofrerá conformação de acabamento através de laminadores perfiladores.
24
Figura 5: a) Laminador Mannesmann b) Rolo laminador-mandrilador
Fonte: DIETER, 1983
2.1.1.2 Tubos Extrudados
O processo de fabricação de tubos por extrusão é o processo onde a
barra de aço é “empurrada” contra a matriz conformadora, com redução da sua
seção transversal. A parte ainda não extrudada fica contida num recipiente ou
cilindro.( DOYLE, et. al., 1978). O processo de extrusão pode ser visto na Figura 6
Figura 6: Processo de Extrusão de Tubos. a) Mandrilamento b) Extrusão
Fonte: DIETER, 1983
A extrusão pode ser feita a frio ou a quente dependendo da ductilidade do
material. Cada tarugo é extrudado individualmente, o que caracteriza a extrusão
25
como um processo semi-contínuo. A extrusão pode ser combinada com operações
de forjamento, nesse caso denomina-se extrusão fria.
2.1.2 Tubos com costura
Os tubos com costura são fabricados a partir de chapas de aço laminadas
que são conformadas e soldadas para se garantir a continuidade do tubo. Estes
tubos podem ser fabricados por processos automáticos (U-O-E, ERW e SAW
helicoidal) ou calandrados. Em se tratando de tubos fabricados por processos
automáticos os mesmos podem possuir dimensões padronizadas com diâmetros
externos de 114,3 a 2540 mm, espessuras que variam de 4,4 a 31,8 mm e
comprimentos até 13.000 mm, dependendo do processo.
2.1.2.1 Tubos fabricados pelo processo U-O-E
Conforme BATISTA (2005) e MEIRELES (2009) no processo U-O-E as
chapas são primeiramente prensadas adquirindo a configuração em “U”, em seguida
sofrem nova prensagem visando obter o formado “O”. Depois o tubo formado é
soldado pelo processo SAW (soldagem a arco submerso), primeiramente no lado
interno e posteriormente no lado externo do tubo. As próximas etapas são os
ensaios não destrutivos como ultra-som, expansão (E), gamagrafia, teste
hidrostático e outros, que visam à verificação da continuidade da solda e a ausência
de defeitos. Todo o processo está esquematizado na Figura 7.
26
Figura 7: Processo de fabricação U-O-E de tubos.
Fonte: TENARIS CONFAB, 2010
A expansão, que visa a corrigir eventuais deformações provenientes da
soldagem e conferir ao tubo o diâmetro correto dentro das tolerâncias normativas, é
então realizada. Um segundo teste de ultra-som é realizado, seguido pelo teste de
raio X, bizelamento e pesagem.
2.1.2.2 Tubos fabricados pelo processo SAW helicoidal
A Figura 8 apresenta um esquema deste processo, em um diagrama
simplificado apresentado por TENARIS CONFAB (2010).
27
Figura 8: Processo de fabricação de tubos com SAW helicoidal
Fonte: TENARIS CONFAB, 2010
A primeira etapa do processo é a formação dos tubos pelo processo
contínuo helicoidal com a soldagem simultânea por arco submerso. Os testes
hidrostáticos são então realizados, seguidos por ensaios não destrutivos,
dimensionais e de laboratório.
2.1.2.3 Tubos fabricados pelo processo ERW
O processo de fabricação ERW pode ser visto através do diagrama
simplificado apresentado na Figura 9.
28
Figura 9: Processo de fabricação de tubos com ERW longitudinal
Fonte: TENARIS CONFAB, 2010
Este processo consiste na fabricação de tubos a partir de bobinas de aço
que após o desbobinamento do aço, ocorre à formação do tubo que é realizada
através de rolos. A próxima etapa é a soldagem por resistência elétrica em alta
freqüência. Em seguida são feitas a calibragem, corte, testes hidrostáticos e de
laboratórios seguidos de ensaios não destrutivos.
2.1.2.4 Tubos fabricados pelo processo de calandragem
Uma forma muito comum de fabricação de tubos é a fabricação por
calandragem de chapas seguida de soldagem. O processo consiste em curvar uma
chapa passando-a entre rolos em um equipamento chamado calandra, obtendo-se o
tubo no diâmetro desejado.
29
Segundo FRANCO (1977), a operação é realizada por meio de grupos
cilíndricos que podem ser dispostos de vários modos, conforme apresentados nas
Figuras 10 e 11. A Figura 10 apresenta a seqüência de calandragem com 3 rolos e
a Figura 11 com 4 rolos.
Figura 10: De a) para c) seqüência de calandragem de chapas para a fabricação
de tubos – calandra de 3 rolos.
Fonte: FRANCO, 1977
Figura 11: De a) para c) seqüência de calandragem de chapas para a fabricação
de tubos – calandra de 4 rolos
Fonte: FRANCO, 1977
Os tubos calandrados podem ser fabricados com dimensões não
padronizadas, com tolerâncias que atendem às diversas normas de fabricação e
soldagem.
30
2.2 Curvamento de perfis metálicos tubulares
A escolha do processo de curvamento depende de uma série de fatores
como raio da curva, espessura da parede e diâmetro do tubo, comprimento do tubo,
variações dimensionais permitidas, dentre outros. O curvamento pode ser realizado
pelos
processos
de
conformação
a
frio
ou
a
quente
como
descreve
DUTTA. et. al. (1998), havendo diferentes procedimentos que podem ser aplicados
para estes fins. Dentre os vários processos disponíveis o curvamento dos tubos
pode ser feito pelo processo de calandragem dos perfis (conformação a frio), ou
através do processo de indução de alta freqüência (conformação a quente).
2.2.1 Curvamento de tubos a frio
O processo de curvamento a frio possui custo menor que o curvamento a
quente, sendo normalmente utilizado. Pode ser utilizado para conformar uma gama
enorme de diâmetros e espessuras, mas possui limitações como deformações nos
tubos e raio de curvatura (COLLIE, 2008).
O curvamento por prensagem consiste em apoiar o tubo entre dois rolos
fixos e prensar o centro do tubo, como apresentado na Figura 12. É um processo
que pode ser realizado mantendo a parte central fixa e movendo as extremidades
conforme
descrevem DUTTA et. al. (1998).
Este
processo é
utilizado
para
curvamento de arcos de 180° com um grande faixa de dimensões, entretanto a
prensagem localizada promove pouca precisão e aparência ruim em comparação
com outros processos mecânicos.
31
Figura 12: Desenho esquemático de curvamento de tubos por prensagem
Fonte: Adaptado de DUTTA. et. al. (1999)
Outro processo descrito por DUTTA. et. al. (1998), é o curvamento por
calandragem, que pode ser obtido com a passagem da peça de trabalho (tubo)
através de rolos. O processo mais utilizado é a calandra com 3 rolos, que tracionam
o tubo. O rolo central é responsável pela determinação do raio, como pode ser visto
na Figura 13.
Figura 13: Desenho esquemático de curvamento de tubos a frio com 3 rolos
Fonte: DUTTA. et. al., (1998)
A calandra com 4 rolos também pode ser utilizada, sendo que somente
dois rolos são de tração e os outros dois são movidos, um deles, o indicado como
“D” se movimento que determina o raio de curvamento do tubo conforme Figura 14.
32
Figura 14: Desenho esquemático de curvamento de tubos a frio com 4 rolos.
Fonte: DUTTA. et. al., (1998)
Para curvamentos onde se faz necessário grandes raios, curvas
aproximadas podem ser obtidas unindo-se partes de tubos cortados em ângulos
apropriados, conforme DUTTA et. al. (1998).
O processo de curvamento por cortes em V permite a execução de curvas
aproximadas por emenda de seguimentos retos cortados com as extremidades em V
e emendados. A Figura 15 mostra esquematicamente o curvamento com cortes em
V. Seguindo a seqüência, a
Figura 15 a), mostra o curvo reto, em b) pode-se
visualizar o tubo com os cortes em V. Em c) vê-se a emenda de uma das
extremidades gerando um semicírculo aproximado e em d) pode ser vista a emenda
das duas extremidades formando uma curva aproximada.
Figura 15: Curvamento de tubos por cortes em V a) Tubo reto b) Corte em V c)
Emenda da região cortada d) Tubo curvado
Fonte: O Autor, 2010
33
A Figura 16 mostra um arco, que compõe a estrutura de uma passarela,
fabricado com tubos curvados pelo processo de curvamento por cortes em V.
Figura 16: Arco de grande diâmetro fabricado pelo processo de curvamento
por cortes em V.
Fonte: Revista Arquitetura e Aço, 2010.
Este processo é utilizado para tubos com grandes diâmetros e grande raio
de curvatura onde outros processos não podem ser utilizados.
2.2.2 Curvamento de tubos a quente
Existem alguns processos comumente utilizados para o curvamento a
quente de tubos.
COLLIE et. al. (2008) e DUTTA et. al. (1998) citam o processo de
curvamento por forjamento a quente, utilizado para a fabricação de curvas de raios
pequenos para tubos de médio e grande diâmetro.
34
O curvamento por indução eletromagnética é citado por diversos autores
(BATISTA (2005), MEIRELES (2009) DUTTA et. al. (1998) e COLLIE et. al. (2008))
como o processo que permite o maior faixa de raios e diâmetros.
O processo de curvamento por indução eletromagnética será abordado
em detalhes por ter sido utilizado no processo de curvamento dos tubos deste
trabalho.
2.2.2.1 Curvamento por indução eletromagnética
BATISTA (2005) descreve que, no processo de curvamento a quente por
indução eletromagnética, uma das extremidades do tubo é empurrada por um
impulsor e a outra é fixada por um braço giratório que guia o tubo até a completa
conformação da curva, como pode ser visualizado na Figura 17.
Figura 17: Esquema do curvamento por indução eletromagnética
Fonte: ISHIKAWA et. al. (2002)
De acordo com BATISTA (2005), MEIRELES (2009) e DUTTA (1998) é
através do ajuste do braço giratório que se determina o raio a ser obtido forçando o
tubo a mudar de direção continuamente durante a movimentação do impulsor. Logo
após o impulsor, o tubo passa pela bobina de indução eletromagnética que cria um
campo magnético altamente concentrado que induz um potencial elétrico no tubo
criando um fluxo de corrente.
35
A Figura 18 mostra uma visão Geral do equipamento para curvamento
por indução eletromagnética em operação.
Figura 18: Processo de curvamento – Vista Geral
Fonte: Protubo, (2010)
Na Figura 19 pode-se visualizar a garra, (a) que é parte do equipamento e
que determina o raio de curvamento, a bobina responsável pelo aquecimento (b), o
anel aquecido no tubo (d) e o local onde ocorre o resfriamento com água (c) logo
após o aquecimento.
Figura 19: Curvamento por indução – a) garra do equipamento b) bobina de
aquecimento c) resfriamento com água após o aquecimento d) anel aquecido
no tubo
Fonte: Protubo, (2010)
36
A resistência do tubo a este fluxo provoca um aquecimento rápido e
localizado. Imediatamente após passar pela bobina, o tubo é resfriado com jato de
água.
O curvamento por indução eletromagnética pode ser utilizado para
diversos fins, incluindo a fabricação de estruturas metálicas. A Figura 20 mostra uma
estação de metrô fabricada com tubos curvados por este processo.
Figura 20: Estação Cidade Nova no Rio de Janeiro onde foram utilizados tubos
curvados por indução eletromagnética
Fonte: Arquitetura e Aço, 2010
O processo de curvamento por indução eletromagnética é influenciado
pelo controle de algumas variáveis que serão detalhadas a seguir.
2.2.2.1.1 Variáveis do processo de curvamento por indução eletromagnética
MEIRELES (2009)
apresenta
as
seguintes
variáveis
que
podem
influenciar as propriedades do tubo curvado: diâmetro, espessura, raio, velocidade
37
de curvamento, temperatura de curvamento, velocidade de resfriamento e
composição química.
A espessura da parede do tubo, o diâmetro e o raio da curva dependem
do projeto da curva em questão. MEIRELES (2009) destaca ainda que as condições
de curvamento podem ser influenciadas pela dimensão do tubo reto, pelo raio de
curvamento e pela composição química do aço.
2.2.2.1.1.1 Espessura da parede
A obtenção de uniformidade de propriedades em processo de curvamento
a quente por indução é uma tarefa bastante complexa e requer tanto um elevado
grau de conhecimento metalúrgico quanto uma seleção adequada da composição
química e do metal da solda. Porém, mesmo quando estas condições são
favoráveis, o controle de processo pode ser difícil. As curvas fabricadas a partir de
um tubo com um aço específico podem não resultar em propriedades iguais aos do
tubo original. Entretanto, as curvas podem exibir propriedades compatíveis com as
exigências das condições de serviço (BATISTA, 2005).
Durante o processo de curvamento, o tubo é aquecido localmente em
uma faixa de cerca de 100 mm dependendo da largura da bobina utilizada, como
descrito
por
MEIRELES (2009).
HU et. al. (1999)
apresentam a
distribuição
esquemática de temperatura causada pelo aquecimento dinâmico de indução, com o
tubo sendo empurrado na direção Z a uma velocidade de 1 a 2 mm/s durante o
processo de curvamento, conforme a Figura 21.
Figura 21: Distribuição esquemática de temperatura ao longo da espessura da
parede do tubo.
Fonte: HU et. al., 1999
38
Durante o processo o material sofre grande deformação plástica, sendo
que o extradorso (região tracionada da curva) sofre redução de espessura, enquanto
o intradorso (região comprimida) sofre aumento de espessura, como destaca
MUTHMANN et. al. (2006), e pode ser observado com os gráficos das Figuras 22 e
23. HU et. al., (1999) também destaca que o tubo poderá apresentar ovalização
após o processo de curvamento.
Figura 22: Redução da espessura no extradorso da curva com a variação da
relação RM / D (raio médio/diâmetro).
Fonte: MUTHMANN E. et. al. (2006)
Figura 23: Aumento da espessura no intradorso da curva com a variação da
relação RM / D (raio médio/diâmetro).
Fonte: MUTHMANN E. et. al. (2006)
39
A Figura 24 mostra a distribuição de deformação de tração e compressão
em uma curva de raio equivalente a 5 vezes o diâmetro (48" x 24 mm - Aço API
Grau X65) durante o curvamento. Observa-se que região do intradorso sofreu
compressão e a região do extradorso tração, o que confirma o aumento e redução
de espessura.
A região mais clara refere-se mostra a tração e a região mais escura a
compressão.
Figura 24: Distribuição de deformação de tração e compressão em uma curva
de raio de 5 vezes o diâmetro (48" x 24 mm - Aço API Grau X65)
Fonte: MUTHMANN E. et. al., (2006)
2.2.2.1.1.2 Temperatura de curvamento
Segundo MEIRELES (2009) a temperatura de curvamento deve ser
suficientemente alta para elevar a plasticidade do aço e garantir qualidade
dimensional da peça (reduzindo a ovalização da região curvada). Porém, isso pode
promover o crescimento do grão austenítico.
Nos aços em que o percentual de carbono excede os 0,02% em peso, o
carbono é redistribuído entre a austenita e a ferrita durante a formação da ferrita. O
teor de 0,02% em peso é a máxima solubilidade de carbono no Fe, e, portanto, a
austenita na interface Fe /Fe é enriquecida em carbono. Este processo tem um
efeito distinto na cinética de transformação. Devido à difusão no volume da
40
austenita, o carbono contido próximo à interface diminui, o qual gera força motriz
para mais transformação, como descreve QIU et. al. (1999).
As temperaturas de transformação variam conforme o percentual de
carbono e, quando ultrapassadas, todo o material terá se convertido em austenita.
Com o tempo e/ou o aumento da temperatura, os grãos de austenita crescem devido
aos grãos vizinhos menos estáveis. A velocidade de transformação é diretamente
proporcional ao aumento de temperatura (COLPAERT, 1983).
HASHIMOTO et. al. (1986) destaca que quando a temperatura de
curvamento e a taxa de resfriamento são altas, a resistência do tubo curvado tende
a ser alta devido à transformação austenítica seguida de resfriamento rápido,
garantindo uma microestrutura refinada e acicular.
Segundo MEIRELES (2009), as principais características do processo de
curvamento por indução são as altas taxas de aquecimento e o curto tempo na
temperatura de curvamento.
A relação
da
temperatura
de
transformação
ferrita-austenita
no
aquecimento (A3) com a taxa de aquecimento empregada é mostrada no trabalho de
HASHIMOTO et. al. (1986). Nesta relação os autores mostraram que a temperatura
A3 aumentou consideravelmente com as taxas superiores a 20°C/s, entretanto não
houve grandes mudanças observadas no aquecimento correspondente à taxa da
indução a alta freqüência (taxas entre 10 a 20°C/s). Também foi encontrada uma
microestrutura fina no tubo curvado.
Figura 25: Efeito da taxa de aquecimento na temperatura de transformação (A3)
– H.F = faixa de temperatura que compreende ao aquecimento por indução.
Fonte: HASHIMOTO et. al. (1986).
41
HASHIMOTO et. al. (1986) mostraram também que diferentes taxas de
aquecimento do processo de curvamento não afetam significativamente o tamanho
de grão austenítico para temperaturas de curvamento inferiores a 1000°C para um
aço da norma API X70 (Figura 26).
Figura 26: Efeito da taxa e da temperatura de curvamento no tamanho de grão
austenítico.
Fonte: HASHIMOTO et. al. (1986).
Conforme VERHOEVEN (2007) o crescimento de grão da austenita é
muito sensível à temperatura de austenitização, e por isto é importante não
austenitizar a uma temperatura muito mais alta que a necessária para homogeneizar
a austenita. A Figura 27 mostra o tamanho do grão da austenita de um aço
SAE 1060 mantido por 6 minutos e 2 horas com o crescente aumento de
temperatura de austenitização. Pode se observar que se mantendo por 6 minutos a
uma temperatura crescente de 760°C para 930°C, triplica-se o tamanho do grão de
33 para 94 mm. O crescimento de grão é muito mais sensível à temperatura do que
ao tempo. Por exemplo, mantendo a temperatura a 930°C de 6 para 120 minutos,
(um fator de 20 vezes), o tamanho de grão aumenta de 94 para 174 mm um fator de
apenas 1,85 vezes.
42
Figura 27: Diâmetro médio do grão (alternativamente, número de grão ASTM)
em função da temperatura de austenitização para o aço 1060 austenitizado por
6 minutos e 2 horas.
Fonte: VERHOEVEN, 2007
Segundo KRAUSS et. al (1995), as microestruturas das chapas de aços
baixo carbono comerciais consistem tipicamente de estrutura formada de grãos de
ferrita equiaxiais. A cementita pode também estar presente em colônias de perlita
em aços laminados a quente, ou como partículas esferoidais dispersas em aços
laminados a frio.
2.2.2.1.1.3 Velocidade de resfriamento
MEIRELES (2009) destaca que a taxa de resfriamento é um dos
parâmetros mais importantes do processo, pois influencia fortemente na resistência
do aço. A microestrutura e as propriedades mecânicas de um tubo curvado por
indução eletromagnética mudam diferentemente em cada região curvada do tubo. O
intradorso, região interna da curva, onde ocorrem deformações de compressão,
sofre menor taxa de resfriamento por possuir espessura mais elevada. O contrário
ocorre no extradorso, região externa da curva (onde ocorrem deformações de
tração), sofre maior taxa de resfriamento por possuir espessura reduzida em relação
às demais regiões. E as linhas neutras, regiões da curva que não sofrem
43
deformações normais, sofrem taxas de resfriamento intermediárias entre intradorso e
extradorso.
Se um aço é resfriado rapidamente a partir da região de austenitização,
os tipos de fases, e suas quantidades relativas, ou sua composição não podem ser
mais estimados por diagramas de fases. Velocidades de resfriamento mais baixas
irão resultar misturas de perlita + ferrita para aços baixo carbono e perlita +
cementita para aços alto carbono, mas o volume de perlita irá depender da taxa de
resfriamento. Com o aumento das taxas de resfriamento, serão formadas também
bainita ou martensita. (VERHOEVEN, 2007).
A variação destas fases, seus percentuais e a dureza (uma boa estimativa
de resistência) pode ser vista na curva de transformação com resfriamento contínuo
(CCT) de um aço de alta resistência com composição química similar ao aço
ASTM A 572 Gr 50 (Figura 28). Pode-se observar que, com o aumento da taxa de
resfriamento, aumentam os percentuais de bainita e martensita, com conseqüente
redução de perlita e aumento de dureza.
Figura 28: Diagrama de transformação com resfriamento contínuo para aços
de alta resistência
Fonte: AMERICAN SOCIETY OF METALS, (1977)
44
2.3 Aplicação de tubos em estruturas metálicas
A utilização de perfis tubulares permite não só a construção de estruturas
metálicas convencionais como também a utilização como elemento de decoração. A
Figura 29 apresenta uma moderna estrutura de uma estação de metrô, fabricada em
arcos compostos com tubos curvados pelo processo de indução eletromagnética.
A estação de metrô Cidade Nova no Rio de Janeiro, por exemplo, utilizou
tubos curvados pelo processo de curvamento por indução eletromagnética. A Figura
29 mostra a estação ainda na fase de montagem.
Figura 29: Estação de metrô Cidade Nova – RJ - Fase de Montagem
Fonte: Leris, 2010
De acordo com NUIĆ et. al. (2010) existem inúmeras vantagens na
utilização dos perfis tubulares como seção transversal favorável aos esforços, área
de pintura reduzida, maior vida útil na proteção anticorrosão, além de serem
utilizados para a passagem de tubulações elétricas, hidráulica em seu interior. Outro
45
aspecto abordado pela autora é que este tipo de estrutura pode ser bastante
explorada do ponto de vista estético.
A Figura 30 mostra a aplicação de estruturas tubulares no edifício do
aeroporto Santos Dumont no Rio de Janeiro.
Figura 30: Aeroporto Santos Dumont - RJ
Fonte: Metálica, 2010
Estruturas tubulares podem ainda ser utilizadas para a fabricação de
componentes simples, porém com grande apelo estético como pode ser visto na
Figura 31, ou em estruturas mais complexas como a passarela da Figura 32.
Figura 31: Corrimãos curvados
Fonte: Metálica, 2010.
46
Figura 32: Passarela estação cidade nova – RJ - Fase de Montagem.
Fonte: Leris, 2010.
FREITAS et. al. (2009) destacam, porém, que em aplicações estruturais a
utilização de materiais inadequados pode causar oscilações na estabilidade da
estrutura da obra, exigindo reparos posteriores, podendo chegar até, na queda da
construção, causando risco às pessoas que circulam pelo local. Os autores citam
ainda que a preocupação com a parte arquitetônica e espacial faz com que, em
alguns casos, os elementos estruturais, fundamentais para o sucesso da obra,
fiquem em segundo plano.
47
3. MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
3.1Materiais
Foram utilizadas amostras de tubos fabricados em aço estrutural
ASTM A 572 Gr 50, fabricado na CONFAB pelo processo U-O-E a partir de chapas
produzidas pela USIMINAS. Foram retiradas amostras de tubos curvados pelo
processo de indução eletromagnética pela PROTUBO e tubos não curvados.
Para garantir a aplicabilidade dos resultados, nos processos para a
fabricação de estruturas metálicas, optou-se por não executar curvas específicas
para este estudo, sendo utilizadas partes de curvas que utilizaram os mesmos
parâmetros. Foram retiradas 5 amostras de tubos curvos e 1 amostra de tubo reto.
Todos os corpos de prova (CPS) foram confeccionados no sentido do comprimento
dos tubos. As dimensões das amostras de onde foram retirados os corpos de prova
são mostradas nas Figuras 33 e 34.
Figura 33: Dimensão das amostras curvas
Fonte: O Autor, 2010
48
Figura 34: Dimensão da amostra não curvada
Fonte: O Autor, 2010
3.2 Procedimentos Experimentais
Para o curvamento foram utilizados os parâmetros apresentados na
Tabela 1, conforme informação recebida da PROTUBO.
Tabela 1: Parâmetros de curvamento
Fonte: Protubo, (2009)
Para a avaliação das propriedades mecânicas foram realizados seguintes
ensaios:
1. Ensaio de Charpy no sentido longitudinal nas 3 posições da curva
(Figura 38) e no tubo reto, sendo 5 CPs para cada posição, nas
temperaturas de 0°C e 20°C conforme a norma ASTM A 370 (2009);
49
Figura 35: Corpo de Prova de ensaio de Charpy
Fonte: Adaptado de ASTM A370, 2009
2. Ensaio de tração longitudinal em 8 corpos de prova para cada posição
no tubo reto e no tubo curvado conforme ASTM A 370 (2009) em uma
máquina modelo Klato 50, da marca Klato.
Figura 36: Corpo de prova de Tração tubo curvo
Fonte: Adaptado de ASTM A370 (2009)
Figura 37: Corpo de prova de Tração tubo reto
Fonte: Adaptado de ASTM A370 (2009)
3. Ensaios de tração longitudinal na solda tanto para o tubo reto quanto
para o tubo curvado, seguindo os critérios contidos na norma
50
ASTM A 370 (2009) em uma máquina modelo Klato 50, da marca
Klato.
4. Ensaios de dureza HV 5Kgf conforme norma NBR NM6507-1 (2008);
5. Ensaio de dobramento longitudinal na solda conforme normas
ASTM A 370 (2009) em uma máquina modelo Klato 50, da marca
Klato.
Foram obtidas micrografias óticas, além de análises da fratura do ensaio
de Charpy à 20º C, em microscópio eletrônico de varredura (MEV) com ampliação
de 1000X.
Os corpos de prova (CPS) foram retirados por oxicorte, sendo as regiões
termicamente afetadas retiradas durante a fase de usinagem.
As peças curvadas tiveram o raio de curvatura de 7632 mm, tornando a
corda máxima de 1 mm não sendo necessário o desempeno dos CPS antes da
usinagem, tanto para o ensaio de Charpy quanto para o de tração.
3.3 Propriedades Mecânicas e Metalografia
As análises consistiram em caracterizações microestrutural e mecânica do
tubo reto na condição recebida e do tubo curvado. O tubo curvado foi caracterizado
mecanicamente em suas três principais regiões: intradorso, extradorso e linha neutra
oposta à solda (Figura 38). Foram realizados também ensaios de tração e
dobramento da região da solda longitudinalmente.
51
Figura 38: Regiões de retirada dos CPS: 1 Linha neutra oposta à solda; 2
Intradorso e 3 extradorso;
Fonte: O Autor, 2010
Foram retiradas três micrografias ao longo da espessura do tubo
conforme a Figura 39.
Figura 39: Posição das imagens metalográficas
Fonte: O Autor, 2010.
Para a realização das análises por microscopia ótica, as amostras foram
inicialmente lixadas em politriz de disco manual utilizando lixas de 100 a 1200 mesh,
posteriormente polidas com pasta de diamante de 4 e 1 µm em politriz de disco
manual e logo após atacadas com nital 4% para revelar a microestrutura
As micrografias foram obtidas por microscopia ótica, em um microscópio
ótico modelo Axio A1M da marca Zeiss, do Laboratório de Metalurgia Física do
Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da USIMINAS.
52
Os ensaios de dureza foram realizados ao longo da espessura em 25
pontos nas 3 posições de interesse (intradorso, extradorso e linha neutra) e em 16
posições para o tubo não curvado, conforme indicado na Figura 40, utilizando-se um
Durômetro FV ARS 9000 marca Future Tech corporation.
Figura 40: Posições de medição de dureza a) Tubo curvado b) Tubo reto.
Fonte: O Autor, 2010
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1
Microestruturas
As imagens das microestruturas nas várias posições são apresentadas a
seguir, nas resoluções de 500X e 1000X (Figura 42 a Figura 47). As imagens foram
tiradas próximo à face externa (1), no centro da espessura (2) e próximo à face
interna (3) de acordo com o esquema apresentado na Figura 39. Também são
apresentadas as durezas na região de cada uma das imagens.
4.1.1
Tubo Reto
O tubo reto apresentou uma microestrutura com tamanhos de grãos
heterogêneos e parcialmente alongados devido ao trabalho a frio sendo composta
basicamente por fases ferrita + Perlita + bainita, como pode ser visto na Figura 41.
53
Figura 41: Microestrutura Tubo reto - Identificação das fases - BA: Bainita - FE:
Ferrita - PE: Perlita
Fonte: O Autor (2010);
Existe uma predominância de ferrita, seguida de perlita e bainita em todas
as posições, sendo as imagens bem similares em todas as posições (Figura 42).
54
Figura 42: Microestrutura Tubo reto - Resoluções de 500X e 1000X - 1) Próximo
a face externa 2) No centro da espessura 3) Próximo à face interna;
Fonte: O Autor (2010);
A ferrita é a solução sólida de carbono no ferro alfa e origina-se na zona
crítica, durante o resfriamento, por transformação alotrópica do ferro gama. É a
forma estável à temperatura ambiente. Pode manter em solução sólida pequenas
quantidades de impurezas (Si, P, Mn e etc.) e no máximo 0,025% de carbono a
723°C. É apresentada na cor branca com contornos pretos ao microscópio após
ataque químico. É pouco dura e resistente (COLPAERT, 1983).
Perlita é o constituinte micrográfico formado por finas lamelas justapostas
de ferrita e cementita e apresenta dureza intermediária entre a ferrita e cementita
(COLPAERT, 1983).
55
Segundo MEIRELES (2009) a bainita possui microestrutura de ripas
paralelas de ferrita com uma numerosa precipitação de cementita na forma de
grânulos ou bastonetes no interior ou entre as ripas.
O alinhamento microestrutural (bandeamento) presente nas micrografias
de todas as imagens do tubo reto se deve à segregação de elementos de liga,
principalmente Mn, que tem um teor significativo nesse aço em se comparando com
os demais aços estruturais (
Quadro 2). Isto está de acordo com COLPAERT (1983) que diz ser
comum encontrar os constituintes dispostos em linhas paralelas para aços
laminados. Essa segregação, normal em aços microligados com elementos como o
Mn, acontece no lingotamento e se mantém no produto.
A região reta do tubo apresentou dureza média de 184 HV (5Kg), sendo
quase uniforme ao longo da espessura.
4.2 Tubo Curvado
Os tubos curvados apresentaram uma microestrutura formada por ferrita,
bainita e martensita como mostrado na Figura 43.
Figura 43: Microestrutura típica do Tubo curvado - Identificação das fases BA: Bainita - FE: Ferrita - BA: bainita - MA: Martensita
Fonte: O Autor (2010)
56
A martensita é uma solução sólida supersaturada de carbono, que possui
grande dureza, resultante do resfriamento brusco da austenita. É formada de finas
estrias, difíceis de serem focadas ao microscópio (COLPAERT, 1983).
4.2.1
Tubo Curvado – Intradorso
O intradorso apresentou uma microestrutura similar às outras regiões do
tubo curvado, formada por ferrita, bainita e martensita. A região próxima à face
externa apresentou mais martensita e menos bainita, enquanto a região interna
menos martensita e mais bainita.
Figura 44: Microestrutura Intradorso - Resoluções de 500X e 1000X - 1)
Próximo a face externa 2) No centro da espessura 3) Próximo à face interna;
Fonte: O Autor, 2010
57
A microestrutura apresentada é refinada e observa-se um aumento de
martensita com conseqüente redução de bainita na região mais próxima da face
externa (Figura 44), o que é justificado pelo gradiente de resfriamento conforme
discutido por MEIRELES (2009) e apresentado por HU et. al. (1999) (Figura 21).
Observa-se também que o tamanho de grão aumenta de forma discreta da face
externa para a face interna do tubo, devido ao gradiente da temperatura de
resfriamento.
58
4.2.2
Tubo Curvado – Extradorso
O extradorso seguiu o mesmo perfil encontrado no intradorso com
variações microestruturais ao longo da espessura, além de uma microestrutura
formada por ferrita, bainita e martensita. Houve um aumento de martensita com
conseqüente redução de bainita na região mais próxima da face externa (Figura 45).
Figura 45: Microestrutura Extradorso - Resoluções de 500X e 1000X - 1)
Próximo a face externa 2) No centro da espessura 3) Próximo à face interna;
Fonte: O Autor, 2010
MEIRELES (2009) encontrou valores significativamente menores para
dureza na região do extradorso em comparação com o intradorso, devido à redução
da espessura. Porém no caso dos tubos em estudo no presente trabalho as
59
reduções de dureza não foram tão significativas devido à pequena variação de
espessura em virtude do grande raio de curvamento.
4.2.3
Tubo Curvado - Linha Neutra
A linha neutra apresentou microestruturas semelhantes às encontradas
no extradorso e intradorso, com a mesma variação ao longo da espessura (Figura
46).
Figura 46: Microestrutura Linha Neutra - Resoluções de 500X e 1000X - 1)
Próximo a face externa 2) No centro da espessura 3) Próximo à face interna;
Fonte: O Autor, 2010
A linha neutra apresentou valores maiores de dureza em comparação ao
intradorso e extradorso o que é compatível com as imagens obtidas e que também
60
foi observado por MEIRELES (2009). Tanto as imagens quanto os valores de dureza
podem ser justificados pelo maior volume de água presente na linha neutra em
relação a outras regiões de curvamento (Figura 19)
4.2.4
Comparação entre as microestruturas e as propriedades
Na Figura 47 tem-se o comparativo entre as microestruturas para o tubo reto
e para cada uma das partes do tubo curvo. Não houve variação significativa da
microestrutura do tubo reto ao longo da espessura. É possível notar uma grande
diferença entre a microestrutura apresentada para o tubo reto em comparação às
microestruturas do tubo curvo devido ao gradiente térmico do curvamento por
indução eletromagnética e a rápida austenitização seguida do resfriamento
acentuado.
61
Figura 47: Microestrutura comparativo - Resoluções de 500X e 1000X - 1) À
2mm da Face externa 2) No centro da espessura 3) À 2mm da face interna;
Fonte: O Autor, 2010
Observa-se nas micrografias da Figura 47 uma microestrutura mais
refinada e um aumento de dureza. STEIN et. al. (2005) mostram que a rápida
austenitização seguida de resfriamento rápido, como o ocorrido no curvamento por
indução, propicia uma microestrutura mais refinada com conseqüente aumento de
dureza no aço estudado por eles.
O tamanho de grãos em um metal influencia nas suas propriedades
mecânicas, sendo que um material de granulação fina é mais duro e mais resistente
do que o mesmo material com uma granulação grosseira. Isso porque o primeiro
possui uma maior área total de contornos de grãos para dificultar o movimento das
62
discordâncias. A redução no tamanho do grão não melhora apenas a resistência,
mas também a tenacidade de muitas ligas. As propriedades mecânicas à
temperatura ambiente de um metal com granulação fina em geral são superiores
(apresentam maior resistência e tenacidade) àquelas exibidas pelos metais com
grãos mais grosseiros (ROBERT, 1982).
Apesar de haver uma pequena variação microestrutural ao longo da
espessura para cada uma das partes (intradorso, extradorso e linha neutra) dos
tubos curvados, as imagens são similares entre cada uma das posições (externa,
centro e interna) comparando-as entre si.
No Intradorso os valores de dureza foram intermediários ao extradorso e
linha neutra, sendo maiores na face externa, 392 HV5, 219 HV5 no centro e
202 HV5 na face interna. Esta variação é esperada devido ao efeito do gradiente de
temperatura durante o processo de curvamento e foi observado também no
extradorso e na linha neutra. No extradorso os valores obtidos foram 348HV5 na
região 1, 216 HV5 na região 2 e 212 HV5 na região 3. A linha neutra apresentou as
durezas 409 HV5, 221 HV5 e 216 HV5 para as regiões 1, 2 e 3 respectivamente. Os
valores de dureza foram maiores do que nas outras regiões, o que foi observado em
outros trabalhos como o elaborado por MEIRELES (2009).
O aumento de LR foi visível em todos os tubos curvados e estão
compatíveis com as microestruturas obtidas, as durezas e os ensaios de Charpy.
4.3 Ensaio de Dureza
A Figura 48 apresenta os resultados do ensaio de dureza. Os resultados
mostram que houve um aumento na dureza ao longo da espessura em todas as
posições do tubo. Comparando o tubo curvado com o tubo não curvado, o fato
também pode ser explicado pela mudança microestrutural do material.
O diagrama da Figura 28 mostra que a composição da microestrutura em
seus percentuais de ferrita, perlia, bainita e martensita é alterada em função da
velocidade de resfriamento do material. Observa-se que o aumento de dureza é
proporcional à mudança microestrutural.
MEIRELES (2009) observa que a mudança microestrutural ocorre devido à
variação da velocidade de resfriamento ao longo da espessura uma vez que os jato
63
de água são aplicados do lado externo do tubo, o que confirma as maiores durezas
próximo à superfície externa para todas as 3 posições.
Figura 48: Resultados dos ensaios de dureza ao longo da espessura para o
extradorso, intradorso, linha neutra e tubo reto.
Fonte: O Autor, 2010
Comparando as regiões analisadas, observa-se que a face externa da parede
do tubo apresentou maior dureza em relação à face interna. O valor da dureza
reduziu gradativamente ao longo da espessura, resultado compatível com o
gradiente de taxa de resfriamento seguindo o resfriamento brusco na superfície
externa, como apresentado por HU et. al. (1999) e MEIRELES (2009).
A linha neutra apresentou maior dureza seguida pelo intradorso e extradorso
e tubo reto. Estes resultados eram esperados uma vez que o aquecimento foi acima
da temperatura de austenitização seguido de resfriamento rápido. O aumento de
dureza é compatível com a taxa de resfriamento utilizada como parâmetro de
curvamento do tubo e consequentemente com a microestrutura obtida, tendo como
base a curva CCT da Figura 28.
64
4.4 Ensaio de Tração
O ensaio de tração apresentou resultados superiores aos valores minimos
exigidos pela norma do aço ASTM A 572 Gr 50 (2007) podem ser vistos Tabela 2
para o LE e para o LR.
Tabela 2: Resultados obtidos no ensaio de tração e valores das normas
Fonte: O Autor, 2010
Com base no gráfico da Figura 49, pode-se observar um aumento significativo
no LR dos tubos curvados, porém não houve o mesmo aumento para o LE. GORNI
et. al. (2002) sugerem que esse aumento no LR pode ser explicado pelo aumento
da fração volumétrica de perlita que eleva o limite de resistência do material sem
afetar seu limite de escoamento.
O intradorso apresentou maior LR seguida pela linha neutra e extradorso e
tubo reto, seguindo o perfil diferente dos resultados do ensaio de dureza.
65
Figura 49: Resultado dos ensaios de tração
Fonte: O Autor, 2010
ISHIKAWA et. al. (2002) destacam que a resistência do solda de emenda do
tubo é também importante para a integridade dos tubos curvados. A avaliação das
emendas soldadas permite a verificação da continuidade das propriedades
mecânicas em todo o corpo do tubo.
Os resultados do ensaio de tração longitudinal da solda para o tubo reto
apresentou resultado acima do LR mínimo (450 MPa) exigido pela norma para o LR
como pode ser visto na Figura 50.
66
Figura 50: Resultado dos ensaios de tração longitudinal das soldas
Fonte: O Autor, 2010
Para a relação de LR/LE os valores apresentados (Figura 51) foram todos
acima do valor mínimo especificado pela norma, inclusive para o tubo reto.
Observou-se um aumento considerável desta relação para os tubos curvados. Este
aumento apresentado pode ser considerado como consequência do aumento do
limite de ruptutura conforme destacado por ISHIKAWA et. al. (2002).
Figura 51 - Relação LR/LE
Fonte: O Autor, 2010
67
Os resultados do alongamento (AL), que é determinado como 18% mínimo
pela norma NBR 8008 (2008), estão apresentados na Figura 52. Os valores foram
todos acima do mínimo requerido.
Observa-se que as posições do tubo curvado apresentaram valores menores
do que do tubo reto. Esta diminuição já era esperada, refletindo o comportamento
mecânico do material, ou seja, aumento do LR, diminuição do AL como destaca
JUNIOR (2007).
Figura 52: Alongamento no ensaio de tração
Fonte: O Autor, 2010
4.5 Ensaio de Charpy
A norma ASTM A 572 Gr 50 (2007) não especifica um valor de referência
para o Charpy, este deve ser especificado pelo comprador. No trabalho em questão
foram escolhidos os valores de 0ºC e 20ºC por estarem mais próximos das
temperaturas de trabalho da estrutura em que os tubos foram utilizados.
Com base nos resultados obtidos pelo ensaio de Charpy (Figura 53),
observou-se um aumento significativo na absorção de energia para o tubo após o
curvamento nas 3 posições (intradorso, extradorso e linha neutra) o que é
68
compatível com a microestrutura obtida após o curvamento, como será mostrado à
frente.
Figura 53 - Resultado dos ensaios de Charpy, Tubo reto, Linha Neutra,
Extradorso e Intradorso.
Fonte: O Autor
O aumento da energia absorvida no ensaio de Charpy observado sugere
que ocorreu a formação uma microestrutura com grãos de tamanhos heterogêneos
para uma microestrutura refinada proveniente da velocidade de resfriamento como
também observado por MEIRELES (2009).
Um menor tamanho de grão austenítico proporciona a formação de uma
microestrutura mais fina após o resfriamento e conseqüentemente, uma melhor
tenacidade como observado por BATISTA (2005).
Outro fator a ser considerado para o pequeno valor de energia absorvida
no ensaio de Charpy do tubo não curvado é introdução de encruamento devido ao
trabalho a frio na conformação da chapa para a fabricação do tubo pelo processo UO-E. BOTT et. al (2003) mostram a menor energia absorvida no ensaio de impacto
devido ao referido processo de fabricação de tubos, antes do curvamento.
69
4.6 Imagens das fraturas do ensaio de Charpy
Metais que possuem estrutura cúbica de corpo centrado, como aços
ferríticos, possuem transição dúctil-frágil. Esta transição pode ocorrer devido ao
aumento de tensão do material, composição química, variação de temperatura tanto
em trabalho quanto em tratamento térmico (Becker et. al., 1999).
A Figura 54 mostra a fratura de um dos CPs de ensaio de Charpy do tubo
não curvado. Observa-se que há uma predominância de fraturas frágeis com facetas
de clivagem e algumas microcavidades esféricas (dimples) que indicam alguns
pontos de fratura dúctil, conforme Becker et. al. (1999).
Figura 54: Imagem da fratura do ensaio de Charpy - MEV 1000X - Tubo reto
Fonte: Usiminas, 2010
A Figura 55 mostra a imagem da fratura do intradorso. Observa-se que há
uma predominância de facetas de clivagem, com algumas microcavidades, porém
em menor quantidade que o apresentado para a fratura do tubo reto, sugerindo que
a fratura também tem aspecto predominantemente frágil.
70
Figura 55: Imagem da fratura do ensaio de Charpy - MEV 1000X - Tubo Curvado
– Intradorso
Fonte: USIMINAS, 2010
As Figuras 56 e 57 seguem o mesmo padrão da Figura 55. É importante
observar que há uma compatibilidade entre os resultados de dureza obtidos, os
resultados dos ensaios de Charpy, resultados dos ensaios de tração e as imagens
de fratura apresentadas, reforçando a relação entre aspectos microestruturais e as
propriedades estudadas.
71
Figura 56: Imagem da fratura do ensaio de Charpy - MEV 1000X - Tubo Curvado
– Extradorso
Fonte: USIMINAS (2010)
Figura 57: Imagem da fratura do ensaio de Charpy - MEV 1000X - Tubo Curvado
– Linha Neutra
Fonte: USIMINAS, 2010
72
4.7 Ensaio de dobramento longitudinal na solda
O dobramento longitudinal, que neste caso é um ensaio qualitativo, foi
realizado na solda e aprovado tanto para o tubo reto quanto para o tubo curvo, uma
vez que os corpos de prova não apresentaram nenhuma fissura ou trinca após o
dobramento. Os corpos de prova foram polidos e atacados com nital 4% para se
revelar a região da solda, estas imagens dos corpos de prova dobrados podem ser
vistos nas Figuras 58 e 59.
Figura 58: Corpo de prova de dobramento - Região da solda - Tubo curvado
Fonte: O Autor (2010)
Figura 59: Corpo de prova de dobramento - Região da solda – Tubo reto
Fonte: O Autor (2010)
73
A partir do relatório dimensional fornecido pela empresa PROTUBO foram
computados os dados que constam na Figura 60. A variação de espessura refere-se
somente ao extradorso, que sofre redução de espessura. A ovalização foi medida no
diâmetro externo do tubo.
Figura 60: Variação dimensional como medido após o curvamento
Fonte: O Autor, 2010
Os valores apresentados dentro dos parâmetros estabelecidos pela
norma ASTM A 0006 (2009) utilizados como referência para espessura de chapa
que está em torno de 5%. Os resultados apresentados mostram valores máximos
próximos de 1,8% bem abaixo dos 5% da norma. O que demonstra que a redução
da espessura foi pequena e dentro de parâmetros da norma. Esta redução pequena
da espessura pode estar ligada ao raio de curvatura que foi muito grande (7632 mm)
gerando uma relação de 16,7 RM/D.
74
5.CONCLUSÃO
Observou-se uma mudança na microestrutura do material, de forma
heterogênea da face externa para a face interna, devido às diferentes taxas de
resfriamento que ocorreram nessas regiões. Quanto ao limite de escoamento não
houve aumento significativo para todas as partes do tubo curvado diferente do limite
de resistência que sofreu aumento para todas as partes do tubo curvado,
corroborando para o aumento da relação LR/LE dentro dos limites estabelecidos
pela norma. A energia de impacto mostrou-se comparativamente maior em todas as
posições do tubo curvado em relação ao tubo reto foi possível observar um aumento
da dureza superficial do tubo curvado.
Em conseqüência dos diferentes gradientes de temperatura houve, nos
tubos curvados, uma heterogeneidade microestrutural entre as posições (linha
neutra, intradorso e extradorso) e também ao longo da espessura, também devido
aos diferentes gradientes de temperatura durante o resfriamento.
Para o aço estudado o processo de curvamento por indução
eletromagnética não comprometeu as propriedades mecânicas, havendo inclusive
melhorias significativas nestas propriedades, sendo assim considera-se favorável a
sua aplicação desse método em estruturas metálicas apesar de apresentar
heterogeneidades ao longo da espessura da parede do tubo curvado.
75
6.SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS
Uma vez que existe uma gama de aços estruturais, sugere-se a avaliação
e estudo de aços estruturais diferentes do que dói utilizado nesse trabalho, como o
ASTM A 588 Gr C. Além disto, avaliar e comparar as variações nas propriedades
mecânicas e microestruturais da região da solda dos tubos após o curvamento.
76
7.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Standard specification for general requirements for rolled structural
steel bars, plates, shapes, and sheet. piling. USA, 2009.
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7. _______. NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de
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8. Arquitetura e Aço, Revista n° 24 Dezembro de 2010. CBCA – Centro
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