Download - MMAT-22 Niquel Ramrez
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
1/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Ligas não Ferrosas
• Seleção de Ligas não ferrosas é baseada nanas vantagens de performance sobre o aço
• Resistência/peso ou resistência especifica• Resistencia à corrosão• Condutividade
• Valor por Kg mais elevado• Maiores dificuldades de fabricação• Problemas de soldabilidade específicos a casa
sistema e/ou liga
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Tipos de Ligas não Ferrosas
•Ligas de Alumínio•Ligas de Cobalto•Ligas de Cobre•Ligas de Chumbo•Ligas de Magnésio•Ligas de Molibdênio
•Ligas de Níquel•Ligas de Silício•Ligas de Estanho•Ligas de Titânio•Ligas de Tungstênio•Ligas de Zinco•Metais Preciosos
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
2/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Seleção das Ligas
•Ligas de Alumínio• Baixa densidade• Resistência moderada•
Resistência à corrosão• Condutividade
•Ligas de Titânio• Resistência específica• Resistência à corrosão• Tolerância ao dano
•Ligas de Níquel• Resistência à corrosão• Resistência de moderada a
alta• Boas propriedades em
temperatura elevada
•Ligas de Cobre• Condutividade elétrica e
térmica• Resistência à corrosão
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Problemas de Soldabilidade
• Trinca de solidificação e liquação• Porosidade• Trincamento durante o tratamento pós-
soldagem• Eficiência da junta (resistência)• Propriedades da solda
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
3/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Características
• Excelente resistência à corrosão• Resistência media a elevada
• Endurecidas por solução sólida e por precipitação• Boa resistência em temperaturas acima de 650 oC
• Microestrutura austenítica• Pode ser difícil de fabricar • Custo elevado
Introdução
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Ligas de Ni
• Ni comercialmente puro – Baixa liga• 200 (99Ni) Industria química
• Ligas Ni-Cu química - marinas –parafusos
• 400 (Ni-30Cu-2.5Fe)• K500 (Ni-30Cu-2Fe-1.5Mn-2.5Al-0.5Ti)
• Ni-Cr, Ni-Cr-Fe• 600, 718, C22 (superligas)
• Fe-Ni-Cr dutos – Trocadores de calor –nuclear – produção de hidrocarbonetos
• 800 (Fe-33Ni-20Cr)• 925 (Fe-21Ni-28Cr-3Mo-2Ti-0.3Al)
• Expansão controlada turbinas –equipamentos de precisão
• 902 (Cu-42Ni-5Cr)• Ni-Fe (Baixa expensão) Eletrônica
• Invar ou liga 36 (Fe-36Ni)
Introdução
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
4/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Tipos de Ligas de Níquel
• Ligas Endurecidas por Solução Sólida (Cr, Mo,Fe, W)• Liga 600 (15.5Cr, 8Fe)• Liga 625 (21.5Cr, 2.5Fe, 9Mo, 3.5Nb)• Hastelloy X (22Cr, 18.5Fe, 9Mo, 2Al, 0.6W)• Haynes 230 (22Cr, 2Fe, 2Mo, 14W)
• Ligas Endurecidas por Precipitação(“Superligas”)• Liga 718 (19Cr, 18.5Fe, 3Mo, 5Nb, 0.9Ti, 0.5Al)• Inconel 713C (12.5Cr, 4.2Mo, 2Nb, 0.8Ti, 6Al)• Waspaloy (19.5Cr, 2Fe, 4Mo, 13.5Co, 3Ti, 1.4Al)• Inconel 939 (23Cr, 19Co, 4Ti, 2Al, 1.5Ta, 1Nb, 0.15C)
Introdução
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Constituição das Superligas
0-20-6Re
0-90-12Ta
0-40-5Nb
0-22. . .Ni
. . .0-20Co
0-40-6Ti
0-4.50-6 Al
0-110-12Mo, W
19-305-25Cr
CoFe-Ni e NiFaixa, %peso
Elemento
Introdução
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
5/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Usos Comerciais
• Equipamentos para tratamento térmico• Elementos de aquecimento
• Turbinas• Plantas químicas e petroquímicas• Industria de polpa e papel• Incineradores de dejetos• Recobrimento de aço para resistência à
corrosão
Introdução
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Critérios para Seleção das Ligas
• Resistência• Ligas endurecidas por precipitação apresentam
resistência razoavel até temperaturas de 980 oC• Resistência na temperatura ambiente pode
exceder 200 ksi
• Ductilidade• Geralmente boa numa ampla faixa de
temperaturas• Algumas ligas podem apresentar queda severa
de ductilidade em temperaturas elevadas
• Tenacidade à Fratura• Não apresentam transição dúctil / frágil• Excelente em temperaturas criogênicas
• Resistência à Corrosão• Custo
Introdução
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
6/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Resistência vs. TemperaturaIntrodução
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Resistência à Corrosão
20 anos de exposição a ambientemarinho
Água de mar parada
Máxima prof. piteLigamm mils
625 nil nil825 0.025 0.98
K-500 0.864 34
400 1.067 42 AISI type 316 1.575 62
Teste de 3 anos
Introdução
Taxa de corrosãmédiaLiga
Perdade massa,mg/dm2 mm/yr mils/yr
Liga 200 468.6
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
7/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Efeito do Mo naResistência à Corrosão
Introdução
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Resistência à Oxidação
Ligas de Ni tem boa resistência à corrosão e carbonetação
Introdução
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
8/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Possíveis Problemas de Soldagem
• Trinca de Solidificação• Trinca de Liquação da ZF e ZAC
• Trinca de Deformação-Envelhecimento• Trinca por Queda de Ductilidade• Eficiência da Junta• Segregação na ZF (alto Mo) – Efeito na
corrosão• Sensitização (pode acontecer mas não é sério)• Porosidade (pode acontecer mas não é sério)
Introdução
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Microestrutura e Constituição• Monofásico, Estrutura CFC (FCC)• Elevados níveis de Cr pela resistência à corrosão• Endurecidos por
• Solução sólida (Cr, Mo, Fe, W)
• Precipitação (Ti, Al, Nb) - Ni 3(TiAl) ou Ni 3Nb• Formadores de Carbonetos (Ti, Nb, Cr, Mo)• Fases fragilizantes
• Laves - (Ni, Fe, Co) 2 (Nb, Ti, Mo)• Sigma ( σ ) - FeCr, FeCrMo• Mu ( µ) – Co 7W6, (FeCo) 7(MoW) 6
• Sistemas complexos
Metalurgia Física
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
9/22
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
10/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Liga 718 – Curva em C(19Cr, 18.5Fe, 3Mo, 5Nb, 0.9Ti, 0.5Al)
Metalurgia Física
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Precipitados ’ - Superligas
Baixa fração de γ’ esferoidalnos estágios iniciais de
precipitação em Waspaloy
Alta fração de γ’cúbica noestado avançado de
precipitação em U 700
Metalurgia Física
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
11/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Efeito do Tamanho de Partícula no Endurecimento -Superligas
650 oC
700 oC 750 oC
800 oC
Endurecimentodepende de:
• Tipo de precipitado• Morfologia dos
precipitados• Tamanho do
precipitado• Fração volumétrica• Distribuição dos
precipitados
Metalurgia Física / Prop. Mecânicas
Efeito da Temperatura
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Desempenho em Fluência - Superligas
Policristalino
Fundição convencional
Policristalino
Solidificação Direcional
Monocristal
Solidificação Direcional
Efeito da Fraçãovolumétrica de Precipitados
Efeito dos contornos de grão
Metalurgia Física / Prop. Mecânicas
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
12/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Intermetálicos
• Carbonetos• Baixo conteúdo de carbono• Alguns potentes formadores de carbonetos (Ti, Nb,
Cr)• MC, TiC and NbC• M7C3, Cr 7C3• M23 C 6, (Cr,Fe,Mo,W) 23 C6
• Fase Laves - (Ni,Fe,Co) 2(Nb,Ti,Mo)• Fase Sigma ( σ ) - FeCr, FeCrMo• Fase Mu ( µ) – Co 7W6, (FeCo) 7(MoW) 6
Metalurgia Física
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Efeito da Composição
• Solidificação Austenítica• segregação• Difusão sólida limitada• Molhamento de filme líquido
• Maioria dos elementos de liga segrega para o líquido (k
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
13/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Caminho de Solidificação
J.R. DuPont et al, Welding Journal 1998
Caminho de Solidificação
2
3
1
100
3020
C (graphite)
NbC
Ni2Nb(Laves)
Liquid Composition, wt% Nb
L i q u i
d C o m p o s i
t i o n , w
t % C
Trinca de Solidificação
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Trinca de Solidificação
Forma ao longo doscontornos de grão desolidificaçãoPresença de filmeslíquidosMolhamento dasinterfases austenita-austenitaElevada restrição
Liga 718
25 µm
Trinca de Solidificação
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
14/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Evitando Trinca de Solidificação
A mioria das ligas são altamente susceptíveisMinimizar restrição mecânica
– Projeto da junta – Metal de base na condição solubilizado e recozido – Aumentar o número de passes (soldagem multipasse)
Uso de metais de adição resistentes ao trincamento – E/ER NiCrMo-3 (Liga 625) – E/ER NiCrMo-4 (Hastelloy C-276) – E/ER Ni-1 (Nickel 141)
Trinca de Solidificação
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Características
Mecanismo de segregação – Segregação de impurezas e elementos de liga para os contornos
de grão – Molhamento dos contornos de grão austeníticos
Mecanismo de Penetração em ligas contendo Nb – Nb é adicionado para formar precipitados endurecedores g” – NbC sofre liquação constitucional – Penetração (molhamento) de líquido ao longo dos contornos de
grão em movimento
Ao lado da linha de fusão na ZAC – Depende do ciclo térmico de soldagem – Faixa determinada de temperatura de liquação
Trinca de Liquação na ZAC
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
15/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Mecanismo de Penetração
Ancoramento
Penetração
Trinca de Liquação na ZAC
Linha de fusão
Contorno de grão em movimento
Partícula liquefeita
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Trinca de Liquação na ZAC da Liga 718
• Liquaçãoconstitucional deNbC
• Contornos degrão emmovimento
• Penetração dolíquido ao longodos contornosde grãoausteníticos
Liga 718
Trinca de Liquação na ZAC
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
16/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Controle do Trincamento por Liquação na ZAC
• Reduzir o tamanho de grão na ZAC• Utilizar metal de base com grão refinado• Minimizar o aporte de calor durante a soldagem
• Reduzir os níveis das impurezas (S, P, and B)• Minimizar a restrição
• Soldar o material na condição recozido desolubilização (solution-annealed)
• Ajustar o processo e procedimento de soldagem
• Amanteigamento do substrato• Eliminar a microestrutura susceptível• Custo elevado
Trinca de Liquação na ZAC
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Trincamento por Deformação-EnvelhecimentoCaracterísticas
•Trincas são formadas noestado sólido ao longodos contornos de grão daZAC•Normalmente durante otratamento térmico pós-soldagem•Ligas que endurecemrapidamente durante otratamento deenvelhecimento são maissusceptíveis
ASM Handbook, Vol. 6
Trinca por Deformação-Envelhecimento
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
17/22
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
18/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Controle do Trincamento
•Selecionar materiaisresistentes (baixo Ti + Al)• Aquecer rapidamentedurante o tratamento térmicopós-soldagem para evitar acurva em C• Aquecer e manter abaixo dacurva em C para aliviar astensões residuais•Projeto adequado
ASM Handbook, Vol. 6
Trinca por Deformação-Envelhecimento
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Trinca por Queda de DuctilidadeCaracterísticas
• Acontece no estado sólido na faixa de T s > T >0,5T s
• Fenômeno acontece nos contornos de grão• Metal de solda e ZAC• Materiais totalmente austeníticos
• Aços Inoxidáveis• Ligas de Ni• Ligas de Cu
• Ligas de alta pureza (Baixo S + P)
Trinca por Queda de Ductilidade
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
19/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Ductilidade vs. TemperaturaTrinca por Queda de Ductilidade
Ductilidade
TemperaturaTLiquidus TSolidus 0.5Tm
Queda de Ductilidade
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Mecanismo• Rápido crescimento de grão
• Material monofásico austenítico• Sem ancoramento de contornos de grão
• Concentração das deformações ao longodos contornos de grão
• Trincamento intergranular com ductilidadelimitada
• Aparência da superfície de fratura• Intergranular suave em temperatura elevada• Intergranular dúctil em temperaturas baixas
Trinca por Queda de Ductilidade
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
20/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Ancoramento dos Contornos de Grão
Contornos retos FM-52
Contornos Tortuosos FM-82
Ancoramento
Trinca por Queda de Ductilidade
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Concentração de Deformações nos Contornos
Micro-deformações
medidas no MEV
TQD no FM-82
Trinca por Queda de Ductilidade
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
21/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Superfície de FraturaTrinca por Queda de Ductilidade
M A
T E R I A I S
N I Q U E L E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
TQD em Solda Multipasse
100 µm
Trinca por Queda de Ductilidade
-
8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez
22/22
M A T E R I A I S
N I Q U E L
E L I G A S
A J Ramirez - LNLSJ C Lippold - OSU
Controle de TQD
• Selecionar materiais resistentes• Tamanho de grão fino• Inibidores de crescimento de grão• Microestrutura bifásica (metal de solda com eutético)
• Minimizar a restrição• Soldagem multipasse (perigo de incentivar segregação
de impurezas)• Projeto da junta
Mecanismo não é completamente entendido
Trinca por Queda de Ductilidade
T E R I A I S
U E L E L I G A S
Controlando a Eficiência da Junta
• Metal de solda e ZAC sofrem recozimento desolubilização (solution-annealed) durante asoldagem
• Amolecimento considerável em ligas endurecidaspor precipitação
• Recuperação da resistência• Tratamento de solubilização e envelhecimento• Tratamento de envelhecimento
• Utilização de processos de alta densidade deenergia• Minimiza o alcance do amolecimento na ZAC• Otimiza a resposta ao tratamento de envelhecimento
Eficiência da Junta