Tensile Behaviour of Stell Welds at High Temperatures

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA análise do comportamento mecânico de estruturas metálicas a temperaturas elevadas adquiriu especial relevo, a nível mundial, após o colapso de imponentes e notáveis edificações, sendo exemplo disso, o atentado às Torres Gémeas, nos EUA, que levou à perda de milhares de vidas humanas. Apesar da importância da informação e dos estudos realizados, no sentido de caracterizar os materiais de construção a temperaturas elevadas e após fogo, se terem multiplicado na última década, existe ainda uma grande lacuna na informação sobre o comportamento dos aços e respetivas soldaduras nestas condições. O trabalho desenvolvido nesta dissertação pretende, neste seguimento, estudar o comportamento mecânico de soldaduras MAG em aço S355 J2 e de soldaduras por elétrodo revestido em aço S460, à temperatura ambiente e em situação após fogo.A avaliação dos materiais base e das respetivas soldaduras assentou na realização de testes de caracterização mecânica e numa caracterização microestrutural. Para a caracterização mecânica, realizaram-se ensaios de tração e de medição de dureza. A caracterização microestrutural, assentou na realização de observações metalográficas recorrendo a técnicas de microscopia ótica. Na avaliação das propriedades dos metais base e das soldaduras após fogo, realizaram-se dois tipos de ensaios de exposição a temperaturas elevadas: ensaios de reduzida taxa de aquecimento, numa gama de temperaturas variada (300 ºC, 600 ºC e 900 ºC) e com arrefecimento lento, dentro do forno, e ensaios com taxa de aquecimento elevada, num forno de hidrocarbonetos, com arrefecimento ao ar. Estes últimos ensaios foram realizados apenas para o material base S355 J2 e respetivas soldaduras.Apesar de o teor em carbono e de o modo de fabrico dos aços S355 J2 e S460 serem semelhantes, a análise dos metais base, à temperatura ambiente, revelou diferenças significativas quer na microestrutura, quer no comportamento mecânico, dos dois materiais base. A análise das propriedades dos metais base após fogo revelou também que ambos os aços sofreram uma redução acentuada, quer de resistência mecânica, quer de ductilidade, após exposição a temperaturas elevadas, em situações de aquecimento e arrefecimento lento. Já os ensaios realizados com taxa de aquecimento elevada no aço S355 J2 revelaram que, apesar da redução da resistência mecânica, para este material base ocorreu um aumento da ductilidade após fogo. Nos tratamentos térmicos realizados com taxas de aquecimento e arrefecimento reduzidas, e exposição a 900 ºC, tanto os metais base como as soldaduras, apresentaram uma redução generalizada da resistência mecânica em tração, da ductilidade e da dureza. Esta redução de resistência foi acompanhada por alterações microestruturais significativas. Com efeito, para esta temperatura, ambas a soldaduras tenderam a recuperar a microestrutura do material base nas zonas termicamente afetadas, apresentando deposições de ferrite em bandas, intercaladas com bandas de fases ricas em carbonetos. Comparando todos os resultados pode concluir-se que as soldaduras MAG em aço S355 J2, foram aquelas que apresentaram a maior diminuição percentual de resistência mecânica. Os tratamentos térmicos com elevada taxa de aquecimento revelaram ainda que maiores tempos de exposição, traduzem-se num maior decréscimo da dureza, quer no metal base, quer nas soldaduras.No final deste trabalho, é ainda apresentado um conjunto de medidas de proteção de pessoas e bens, a ser desenvolvidos no futuro.The analysis of the mechanical behaviour of metal structures at elevated temperatures acquired special relevance, worldwide, after the collapse of imposing and notable buildings, such as the attack on the World Trade Center in the USA, which led to the loss of thousands of human lives. Despite the importance of the information and studies carried out, in order to characterize construction materials at high temperatures and after fire, having multiplied in the last decade, there is still a lack of information on the behaviour of steels and the respective welds under these conditions. The work developed in this dissertation intends, in this segment, to study the mechanical behaviour of MAG welding in S355 J2 steel and by stick welding in S460 steel, at room temperature and after fire.The evaluation of the base materials and the respective welds was based on the performance of mechanical characterization tests and on a microstructural characterization. For mechanical characterization, tensile and hardness measurement tests were performed. The microstructural characterization was based on metallographic observations using optical microscopy techniques. In the evaluation of the properties of the base metals and the welds after fire, two types of tests of exposure to high temperatures were carried out: tests of low heating rate, in a varied temperature range (300 ºC, 600 ºC and 900 ºC) with slow cooling, inside the oven, and tests with high heating rate, in a hydrocarbon oven, with air cooling. These last tests were performed only for the base material S355 J2 and the respective welds.Although the carbon content and the way of manufacturing S355 J2 and S460 steels are similar, the analysis of both base metals at room temperature revealed significant differences in the microstructure and in the mechanical behaviour of the two base materials. The analysis of the properties of base metals after fire also revealed that both steels underwent a marked reduction, both in mechanical strength and ductility, after exposure to high temperatures, in situations of heating and slow cooling. The tests carried out with high heating rate on S355 J2 steel revealed that, despite the reduction in mechanical strength, for this base material there was an increase in ductility after fire. In the heat treatments carried out with reduced heating and cooling rates, and exposure to 900 ºC, both base metals and welds, showed a generalized reduction in mechanical tensile strength, ductility and hardness. This reduction in strength was accompanied by significant microstructural changes. In fact, for this temperature, both welds tended to recover the microstructure of the base material in the thermal affected zones, showing depositions of ferrite in bands, interspersed with bands of phases rich in carbides. Comparing all the results it can be concluded that the MAG welds in steel S355 J2, were the ones that presented the biggest percentage decrease of mechanical resistance. Heat treatments with a high heating rate revealed that longer exposure times lead to a decrease in hardness, in the base metal and in the welds.At the end of this work, a set of measures for the protection of people and goods, to be developed in the future, is also presented