Fracture toughness assessment of a friction stirred welded plates of API-5L-X80 steel

Orientadores: Paulo Roberto Mei, Antonio Jose Ramirez LondonoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Novas aplicações dos processos de soldagem têm sido estudadas ao redor do mundo para reduzir custos e aumentar a produtividade. O processo de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC) é um candidato promissor para uso na construção de dutos de transporte de óleo e gás. Portanto, é de grande importância determinar a tenacidade em baixas temperaturas de juntas soldadas por este processo para se estabelecer os limites desta tecnologia. Por esta razão, o foco deste trabalho foi o de correlacionar a tenacidade com a microestrutura de juntas soldadas por SAPNC em um aço usado na construção de dutos (API-5L-X80). No presente estudo, parâmetros otimizados (HERMENEGILDO, 2012) de soldagem SAPNC foram usados para produzir juntas em chapas de 9,5 e 15 mm de espessura, usando uma ferramenta de PCBN-WRe com velocidade de rotação de 300 rev min-1 e deslocamento de 100 mm min-1. As juntas obtidas foram de boa qualidade e não apresentaram defeitos superficiais. A microestrutura anteriormente à soldagem (MB = Metal Base) constituída por uma matriz homogênea de ferrita em formato de panqueca, evoluiu para pacotes de bainita com placas retas e irregulares, bainita granular e ferrita acicular na Zona Misturada (ZM) e na Zona de Alta Dureza (ZAD) e para ferrita quase poligonal na Zona Termicamente Afetada (ZTA). Ensaios de deslocamento da abertura da ponta da trinca (CTOD) realizados em distintos pontos da região soldada (MB, ZTA, ZM e ZAD) forneceram valores superiores a 0,1 mm para temperaturas de até -20 ºC, indicando que este processo é adequado para a soldagem de tubos de aços API-5L-X80 usados no transporte de óleo e gás no Brasil, visto que as menores temperaturas em que ocorre a extração de petróleo ficam em torno de 3 ºC em águas com profundidade de 2.000 metros. A Temperatura de Transição Dúctil-Frágil (TTDF) obtida no ensaio Charpy com corpos de prova tipo KLST ficou em torno de -100 ºC no MB e na ZTA e de -60 ºC na ZM e na ZAD, corroborando os dados obtidos no CTODAbstract: Alternative steel welding processes with improved productivity while still producing sound joints have been studied around the world in recent decades. Among these processes, friction stir welding (FSW) is a promising candidate for use in pipeline construction. However, it is of paramount importance to determine the toughness at low temperatures in order to establish the limits of this technology. Therefore, this study focuses on the relationship between experimental toughness estimation, welding parameters, and microstructure in FSW weldments in a pipeline steel (API-5L-X80). In the present study, optimized welding parameters (HERMENEGILDO, 2012) were used to produce two-pass FSW joints in 9.5 mm and 15 thick plates, using PCBN-WRe tools rotating at 300 rev min-1 and translating at 100 mm min-1. Sound and high quality welded joints were produced. The base material (BM) microstructure was composed by a ferrite matrix with package shape grains. After welding, the microstructure changed into bainite packets with irregular and straight ferrite plates, granular bainite and acicular ferrite in the stirred (SZ) and hard zone (HZ); while the heat affected zone (HAZ) presented quasi-polygonal ferrite. Crack tip opening displacement (CTOD) tests of several regions within the welded joint (BM, HAZ, SZ and HZ) provided results above 0.1 mm at -20 ºC. The results indicate that FSW provides satisfactory welded joints in the API-5L-X80 steel used for oil and gas transportation in Brazil, where the lowest temperatures for oil extraction in 2000 m below sea level is 3 ºC (SILVA, 2006). The ductile-to-brittle transition temperature (DBTT) found at the Charpy testing in KLST samples for the base material and heat affected zone were below -100 °C; conversely, for the stirred and hard zone it was located around -60 °C, which corroborated with CTOD resultsDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia Mecânic