mmat-22 niquel ramrez

8/18/2019 MMAT-22 Niquel Ramrez

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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

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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


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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

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Problemas de Soldabilidade

• Trinca de solidificação e liquação• Porosidade• Trincamento durante o tratamento pós-

soldagem• Eficiência da junta (resistência)• Propriedades da solda


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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

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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


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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

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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


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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

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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


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Resistência vs. TemperaturaIntrodução

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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


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Efeito do Mo naResistência à Corrosão

Introdução

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Resistência à Oxidação

Ligas de Ni tem boa resistência à corrosão e carbonetação

Introdução


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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

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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


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Liga 718 – Curva em C(19Cr, 18.5Fe, 3Mo, 5Nb, 0.9Ti, 0.5Al)

Metalurgia Física

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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


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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

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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


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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

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Efeito da Composição

• Solidificação Austenítica• segregação• Difusão sólida limitada• Molhamento de filme líquido

• Maioria dos elementos de liga segrega para o líquido (k


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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

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Forma ao longo doscontornos de grão desolidificaçãoPresença de filmeslíquidosMolhamento dasinterfases austenita-austenitaElevada restrição

Liga 718

25 µm



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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)


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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


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Mecanismo de Penetração

Ancoramento

Penetração


Linha de fusão

Contorno de grão em movimento

Partícula liquefeita

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Trinca de Liquação na ZAC da Liga 718

• Liquaçãoconstitucional deNbC

• Contornos degrão emmovimento

• Penetração dolíquido ao longodos contornosde grãoausteníticos

Liga 718



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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


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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


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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

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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


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Ductilidade vs. TemperaturaTrinca por Queda de Ductilidade

Ductilidade

TemperaturaTLiquidus TSolidus 0.5Tm

Queda de Ductilidade

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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



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Ancoramento dos Contornos de Grão

Contornos retos FM-52

Contornos Tortuosos FM-82

Ancoramento


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Concentração de Deformações nos Contornos

Micro-deformações

medidas no MEV

TQD no FM-82



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Superfície de FraturaTrinca por Queda de Ductilidade

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TQD em Solda Multipasse

100 µm



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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


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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

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