INFLUÊNCIA DO TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO NA RESISTÊNCIA A TRAÇÃO DE UM AÇO INOXIDÁVEL DUPLEX. 1 UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

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1 INFLUÊNCIA DO TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO NA RESISTÊNCIA A TRAÇÃO DE UM AÇO INOXIDÁVEL DUPLEX G. S. Machado 1, M. L. N. M. Melo 1, C. A. Rodrigues 1. 1 UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá RESUMO O objetivo deste trabalho foi estudar a influência de diferentes tempos de solubilização na precipitação da fase σ do aço duplex UNS S31803 (SAF 2205). Para isso, todos os corpos de prova foram solubilizados a 1050ºC por 1 hora e resfriado ao ar. Após esta etapa as amostras foram envelhecidas a 850ºC nos tempos de 10, 60 e 600 minutos e resfriada em água. Os tratamentos térmicos (TT) de envelhecimento foram realizados com o objetivo de precipitar a fase sigma. Amostras também foram submetidas a ensaios de microdureza e tração visando avaliar a influência das alterações microestruturais nas propriedades mecânicas do aço. Com os dados de microdureza e ensaio de tração foi possível verificar uma alteração significativa nas propriedades mecânicas do aço UNS S Palavras- chave: Aços inoxidável duplex, fase sigma, tratamento térmico de envelhecimento 91

2 1- INTRODUÇÃO Os aços inoxidáveis dúplex são ligas Fe-Cr-Ni-Mo, com microestrutura composta por uma matriz ferrítica e a fase austenítica precipitada na forma de ilhas. Eles combinam boa resistência à corrosão com propriedades mecânicas elevadas, além de boa usinabilidade, boa soldabilidade, elevada resistência mecânica, boa tenacidade, boa resistência à corrosão em diversos meios e excelente resistência à corrosão sob tensão [SILVA e MEI, 2006]. Durante o processamento (tratamento térmico, soldagem, conformação a quente) ou, em uso (envelhecimento isotérmico) pode ocorrer precipitação de fases intermetálicas indesejáveis como as fases qui ( ), alfa-linha (α ), sigma (σ) além de carbetos e nitretos, como conseqüência da instabilidade microestrutural desses aços. A precipitação da fase σ é de grande interesse para os aços inoxidáveis austeníticos,ferríticos e dúplex, pois a ela associam-se efeitos que causam tanto redução das propriedades mecânicas quanto diminuição da resistência à corrosão do aço [ESCRIBA et al., 2006]. O contínuo desenvolvimento de aços inoxidáveis dúplex resultou na composição de aços complexos contendo quantidades consideráveis de elementos de liga. Estes elementos são, é claro, introduzido no aço por uma ou mais reações com o objetivo final de obter melhores propriedades mecânicas e/ou maior resistência à corrosão. Como de costume, os benefícios de tais adições invariavelmente vêm ligados a inevitáveis desvantagens, sendo a mais importante a potencial instabilidade microestrutural do material [PADILHA e PLAUT, 2009]. É de grande importância entender as condições que levam a formação destas fases indesejáveis para evitá-las durante o processamento ou uso, com isso conservar as propriedades do aço e otimizar sua utilização. E, além disso, verificar a influencia que a formação destas fases pode acarretar nas propriedades mecânicas, em especial da resistência à tração. 92

3 2- MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização deste trabalho, foi utilizado o aço inoxidável duplex UNS S A composição química deste aço encontra-se na Tabela 1. Tabela 1. Composição química do aço UNS S UNS S31803 Cr Mo Ni Cu Mn Si C 22,38 3,04 5,35 0,2 1,8 0,31 0,02 3 O aço foi solubilizado a 1050 C por 60 minutos, seguido de resfriamento rápido em água. Após os tratamentos térmicos (TT) de solubilização, amostras foram envelhecidas a 850ºC por 10, 60 e 600 minutos. O objetivo do TT de envelhecimento é a precipitação de fase sigma. Após os tratamentos térmicos, as amostras foram lixadas e em seguida foram polidas utilizando-se sílica coloidal. A revelação da microestrutura foi feita utilizando-se o reativo de Beraha modificado, onde a amostra foi imersa por 15 segundos. Após cuidadosa preparação metalográfica, as amostras foram caracterizadas em microscópio óptico e eletrônico de varredura (MEV) da marca LEO modelo 1450-VP no modo elétrons retroespalhados. Para identificação das fases, foi feita uma microanálise química por dispersão de energia (EDS). As amostras também foram submetidas a ensaios de dureza com o intuito de avaliar a influência das alterações microestruturais nas propriedades das ligas em estudo. Os resultados apresentados são a média de 10 medidas individuais feitas por amostra analisada. 3- RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1- Ensaios de Tração Pode-se observar na figura 1 que o aumento no tempo de envelhecimento altera as propriedades mecânicas das amostras, onde ocorre um aumento do limite de resistência a tração e limite de escoamento e diminuição na capacidade de deformação. Isso ocorre devido à precipitação da fase sigma (σ) ocasionada pelo tratamento térmico de envelhecimento, pois 93

4 esta fase é frágil. Além disto, sabe-se que a precipitação da fase sigma provoca uma redução na resistência à corrosão deste tipo de aço inoxidável. Figura 1 - resultados de tensão versus deformação para as amostras envelhecidas a 850ºC por 10, 60 e 600 minutos Levantamento das Propriedades Mecânicas A tabela 2 apresenta os valores de % alongamento, tensão máxima e microdureza após cada TT. Conforme tabela pode-se observar que para a amostra envelhecida a 600 minutos houve uma queda acentuada no alongamento desta amostra, passando a ter uma ductilidade baixa quando comparada com a amostra envelhecida a 850ºC/10min. Com relação aos Valores de microdureza e tensão máxima, quanto maior o tempo de TT maiores serão estes valores. A explicação para estas alterações nas 94

5 propriedades mecânicas deste aço se deve a fragilidade da fase sigma que precipita após cada sequência de TT, e que quanto maior o tempo de maior será a fração volumétrica precipitada. Tabela 2. Propriedades Mecânicas após sequências de TT Solubilizado Envelhecida Envelhecida Envelhecida 1050ºC/30min 850ºC/10min 850ºC/60min 850ºC/600min % Alongamento 30,00 33,33 ± 2,52 20,67 ± 0,58 7,67 ± 2,52 Tensão Max. (MPa) 681,00 664,00 ± 13,08 704,67 ± 6,43 742,00 ± 1,73 Microdureza Hv 257,61±9,3 260,85±7,04 297,1 ± 14,1 372,89±10, Caracterização Microestrutural em Óptico A Figura 2 compara as microestruturas da amostra do aço duplex UNS S31803 submetido a diferentes TT: a) como recebida, b) solubilizada, c) envelhecida por 10min, d) envelhecida por 60min, e) envelhecida por 600min, respectivamente. Conforme mostra a Fig. 1a, os grãos de austenita, região mais clara, são mais alongados e finos quando comparados com a amostra solubilizada a 1050ºC por 30min (Fig. 1b). Para amostra envelhecida por 10min (Fig. 1c), começa a precipitação da fase sigma (regiões mais claras), porém a fração precipitada é muito pequena, o que pode ser comprovado pelo baixo valor de dureza encontrado para esta amostra. Na Fig. 1d, podemos verificar que a quantidade de fase sigma precipitada aumentou significativamente quando comparada com a amostra envelhecida por 10min, para este TT houve um aumento de 12% na dureza final. Para a amostra envelhecida por 600min (Fig. 1e), a quantidade de fase sigma quase que dobrou em relação à envelhecida por 60 min. A dureza final desta amostra foi de 372Hv, ou seja, um aumento de mais de 20% em relação a anterior. Disto podemos concluir que as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão das amostras solubilizadas e envelhecidas por 60 e 600min diminuirão drasticamente, pois a fase sigma além de ser frágil é rica em cromo e molibdênio. 95

6 (a) (b) (c) (d) (e) Figura 2. Microestruturas das amostras do aço UNS S31803 após TT: (a) como recebida. (b) Solubilizada. (c) Envelhecida por 10 min. (d) Envelhecida por 60min. (e) Envelhecida por 600min. Ataque Beraha 15s. 96

7 3.4 Caracterização em MEV A figura 2, apresenta a microestrutura das amostras TT a 60 e 600min. Analisando-se as figuras 2a e b podemos ver regiões mais escuras que são da fase ferrita que foi fortemente corroida pela solução de ataque, os grãos de austenita (cinza) e a fase sigma (mais clara) que se forma a partir da ferrita. Fica claro que quanto maior o tempo de TT maior será a quantidade de fase formada. Na figura 2b a ferrita foi quase que totalmente transformada em após 600 minutos. (a) (b) Figura 3. Microestruturas das amostras do aço UNS S31803 após TT: (a) Envelhecida por 60min. (b) Envelhecida por 600min. Ataque Beraha 15s. 4- CONCLUSÃO Com os resultados obtidos pode-se concluir que a precipitação da fase sigma alterou de maneira significativa as propriedades mecânicas do aço em estudo, visto que houve uma redução na ductilidade e um aumento da dureza e tensão máxima. Conforme observado na figura 3b, quanto maior o tempo de envelhecimento maior será a fração volumétrica de fase precipitada. Espera-se também uma diminuição da resistência à corrosão para este aço, pois a fase sigma é rica em Cr e Mo. AGRADECIMENTOS À CAPES pelo apoio financeiro para o desenvolvimento deste trabalho. 97

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ESCRIBA, D. M.; MATERNA-MORRIS, E.; PLAUT, R. L.; PADILHA, A. F. Efeito do molibdênio na composição química da fase sigma em três tipos de aços inoxidáveis. In: 17º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 2006, Foz do Iguaçu, PR. Anais do 17º CBECIMAT, 2006, p HONEYCOMBE, R. W. K.; BHADESHIA, H. K. D. H. Steels: Microstructure and Properties. 3. ed. Elsevier, Pág MARTINS, M.; CASTELETTI, L. C. Caracterização Microestrutural do Aço Inoxidável Super Duplex ASTM A890 Grau 6A. In: 12º Congresso Nacional de Fundição (CONAF), 2005, São Paulo. Anais do 12º CONAF, PADILHA, A. F.; PLAUT, R. L. Chapter 3: Phase transformation and microstructure. In: Iris Alvarez-Armas; Suzanne Degallaix-Moreuil. (Org.). Duplex Stainless Steels. London: ISTE Ltd and John Wiley & Sons, p , POHL M.; STORZ O.; GLOGOWSKI, T. Effect of intermetallic precipitation on the properties of duplex stainless steel. Materials Characterization, v.58, p , ROMANA, R. Cinética de formação de fase sigma em aço inoxidável dúplex UNS S Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo. SILVA, A. L. V. C.; MEI, P. R. Aços e Ligas Especiais. 2. ed. São Paulo, Edgard Blücher, Pág. 408, 425, 433. BITENCOURT, C.; TSURUTA, K. M.; RADE, R. S. L. Avaliação de falhas em ensaio de fadiga em corpos de prova metálicos através do método da impedância. In: Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - CREEM, 2008, Curitiba - PUC. CD,

9 INFLUENCE OF TIME SOLUTION HEAT TREATMENT ON THE TENSILE STRENGTH OF A DUPLEX STAINLESS STEEL ABSTRACT The objective of this work was to study the influence of different times of solubilization in the precipitation of σ phase duplex steel UNS S31803 (SAF 2205). For this, all specimens were solution annealed at 1050 C for 1 hour and air-cooled. After this step the samples were aged at 850 C for times of 10, 60 and 600 minutes and cooled in water. The heat treatments (TT) aging were performed in order to precipitate the sigma phase. Samples were also subjected to tensile and microhardness tests to evaluate the influence of microstructural changes in the mechanical properties of steel. With data from microhardness and tensile testing was possible to observe a significant change in mechanical properties of steel UNS S Keywords: Duplex stainless steels, sigma phase, aging heat treatment. 99

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