Alterações microestruturais e de microdureza causadas por tratamento térmico e deformação plástica em aço para tubos API 5CT

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1 Alterações microestruturais e de microdureza causadas por tratamento térmico e deformação plástica em aço para tubos API 5CT Mayara de Oliveira Alves Graduando em Arquitetura e Urbanismo FATEA Marcelo Alves Homem de Mello FATEC Graduando em Física UNESP - FEG José Wilson de Jesus Silva Pós doutor em Engenharia de Materiais UNESP FEG Alexandre Sartori Mestre em Engenharia de Materiais EEL - USP FATEC Pindamonhangaba

2 RESUMO O desenvolvimento da indústria petroleira mostrou grandes avanços nos últimos anos, e com as possibilidades de exploração esgotando-se são necessárias construções de poços mais profundos. Esses são submetidos a grandes pressões, portanto o material para sua produção deve ser bastante resistente e, como para qualquer indústria, economicamente viável. Usando amostras de metal, advindas de uma mesma peça, utilizadas para produção de tubos conforme as normas API 5CT, esse estudo visa a compreender as mudanças dos componentes estruturais e microestruturais resultantes das alterações de temperatura, tempo e estrutura atômica do aço e, ainda, analisar as alterações causadas na resistência do material. Serão comparadas as diferenças resultantes de tratamento térmico e deformação plástica, tanto as diferenças estruturais, quanto as durezas. Os resultados mostrarão a viabilidade do processo de têmpera, pois as diferenças de dureza são discrepantes, e a aplicação exige um material mais resistente. PALAVRAS CHAVE Têmpera; Revenimento; Martensita; Deformação Plástica; Microdureza. ABSTRACT The development of the oil industry showed great evolution in the last years, and by depleting the exploration possibilities, it is necessary construction of deeper oil well, and those ones are subjected to huge pressures, therefore the material used for its production must be really resistant and, as for any industry, economically viable. Using metal samples, come from a unique piece, used for pipes production according to the API 5CT standards, this study aims to understand the changes of the structural and microstructural components resulting from alterations of temperature, time and atomic structure of steel, and even analyze alterations caused in the material resistance.it will be compared the differences of heat treatment and plastic deformation results, both the structural differences and hardness. The results will show the viability of quench process, for the differences of hardness are really big, and the use requires a more resistant material. KEY WORDS Quench; Tempering; Martensite; Plastic Deformation; Microhardness.

3 1. INTRODUÇÃO Hoje, com o crescimento da demanda de petróleo, e com o aumento das exigências das indústrias petroleiras, o ramo de produção de tubos para o transporte da matéria prima tem crescido e com ele suas normas e condições (SALANI e AMORIN, 2006). O tubo sem costura é uma excelente opção para trabalho em que haja pressão, pois não há chance de romper-se na área da solda. Os tubos que obedecem à norma API 5CT são produzidos encruados ou com tratamento térmico, o que define suas propriedades mecânicas. São aplicados em revestimento e produção de poços terrestres e marítimos (APOLO TUBULARS, 2013). Atualmente, os poços de petróleo chegam a atingir profundidades superiores a seis mil metros, e as condições, cada vez mais severas devido às altas pressões, exigem maior resistência mecânica do material (SALANI e AMORIN, 2006). Para atingir essas propriedades, estão sendo utilizados os processos de têmpera, que são de custo relativamente baixo e alcançam resistência suficiente mesmo sem adição de ligas de maior custo (TENARIS CONFAB, 2004). 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 DIAGRAMA FERRO-CEMENTITA O diagrama Ferro-Cementita é usado na produção do aço, já que suas transformações ocorrem em velocidade superior à necessária, para que os equilíbrios termodinâmicos possam ser alcançados (SILVA e MEI, 1988). Combinados, o ferro e a cementita formam diferentes fases em diversas temperaturas. Representados no diagrama Ferro-Cementita, construído em temperatura versus concentração de C, é de interesse apenas o trecho em que o elemento é considerado um aço (SILVA e MEI, 1988). A ferrita é uma solução solida de carbono em ferro, que em temperatura ambiente possui solubilidade de 0,008% na matriz, teor mínimo para que seja uma ferrita alfa; se com menos carbono o ferro é considerado puro (SILVA e MEI, 1988). Até a temperatura de aproximadamente 727 C o aço é formado basicamente por ferrita e cementita, sendo cementita carboneto de ferro (Fe3C) (SILVA e MEI, 1988). Inicia-se na linha A1, com o teor máximo de 0,77% de carbono, a formação de austenita, que é uma solução sólida de carbono em ferro, com maior teor de carbono se comparada à ferrita. E essa austenitização ocorre a aproximadamente 900 C (SILVA e MEI, 1988). Janus, Lorena, n.19, Jan.-Jun.,

4 Figura 3 Diagrama de Fases Ferro-Cementita Fonte: Costa e Mei, 1988 A linha A3 representa o resfriamento lento a partir do ponto de autenitização, e assim a estrutura volta a ser formada por ferrita e cementita. A linha Acm representa a adição de carbono combinada a elevação da temperatura, para que a austenita se transforme em cementita. A combinação delas formará perlita (ferrita e cementita) (SILVA e MEI, 1988). A linha A4 define o início da transformação de austenita em ferrita, mas dessa vez chamada de delta, em temperaturas elevadas (SILVA e MEI, 1988). A linha solidus mostra o ponto em que o aço começa a se liquefazer, o que ocorre até a linha liquidus (SILVA e MEI, 1988). 110 Janus, Lorena, n.19, Jan.-Jun., 2014.

5 2.2. DIAGRAMA ITT (ISOTHERMAL TIME TRANSFORMATION) Viu-se no diagrama de fases Fe-Cementita que, chegando à temperatura crítica, ou seja, a de austenização, com o resfriamento lento, volta-se a formar perlita, mas suas propriedades mecânicas são intermediárias às da ferrita e da cementita, portanto com dureza e ductilidade insuficientes para determinadas aplicações. Assim, para obter uma estrutura granular com maior dureza é necessária uma transformação isotérmica, que no caso apresentado será a têmpera (CHIAVERINI, 2007). A temperatura de austenitização é crucial para as transformações isotérmicas, pois tendo a austenita, pode-se formar perlita, bainita ou martensita, dependendo da velocidade de resfriamento (CHIAVERINI, 2007). A têmpera consiste no aquecimento do aço até sua temperatura crítica (temperatura de austenitização) seguido de resfriamento rápido o suficiente para formar estrutura martensítica. O resfriamento pode ser feito em salmoura, água, óleo ou ar, em ordem de velocidade (CHIAVERINI, 2007). Figura 4- Diagrama TTT Fonte: Chiaverini, 2007 Janus, Lorena, n.19, Jan.-Jun.,

6 O diagrama ITT representa as transformações da austenita. Observa-se a linha A1, a mesma do diagrama de fases, que representa a temperatura de austenitização, e acima dela está localizada a temperatura em que se inicia o resfriamento (CHIAVERINI, 2007). A curva A representa um resfriamento lento, portanto com formação de perlita com grãos grosseiros e baixa dureza. A curva B representa um resfriamento pouco mais rápido, então formará perlita mais fina com dureza mais elevada. A curva C aumenta a velocidade de resfriamento, formando perlita ainda mais fina com dureza ainda maior. A curva D, com resfriamento ainda mais rápido, não toca a linha de fim de transformação de Perlita, portanto a austenita não se torna totalmente perlita, apenas iniciando seu processo de formação, a austenita restante transforma-se em martensita, resultando em uma estrutura com ambas presentes. A curva E representa um resfriamento muitíssimo rápido, não tocando as curvas de transformação, a austenita não forma estrutura lamelar, logo é formada diretamente a martensita (CHIAVERINI, 2007). 2.3 TEMPERABILIDADE A temperabilidade do aço consiste na facilidade de formação de martensita, e é definida pela composição química. Os elementos capazes de melhorar a temperabilidade são: carbono, manganês, cromo, vanádio e molibdênio (CHIAVERINI, 2007). Resulta do processo de têmpera a formação de martensita, que é uma fase de ferro supersaturada de carbono devido ao resfriamento rápido, o que impede a difusão do carbono. Assim, ocorre aumento do limite de resistência à tração e dureza, reduzindo a ductilidade, propriedade que é parcialmente recuperada através do revenimento (CHIAVERINI, 2007). 2.4 REVENIMENTO O revenimento é um tratamento térmico, que geralmente segue a têmpera, e elimina parte das tensões causadas pelo processo anterior, além de corrigir o excesso de dureza e fragilidade, tornando o material mais dúctil e resistente ao choque, sem perdas significativas de resistência mecânica (CHIAVERINI, 2007). 2.5 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA A deformação plástica ocorre quando as tensões ultrapassam o limite de elasticidade e o deslocamento dos átomos é irreversível (CALLISTER, 2010). 112 Janus, Lorena, n.19, Jan.-Jun., 2014.

7 Há vários tipos de mecanismos que provocam a deformação plástica, mas o de interesse atual é a laminação a frio (CALLISTER, 2010). A laminação a frio consiste em forçar a passagem de um material entre dois cilindros girando em direções opostas, fazendo com que haja redução de sua espessura, portanto uma deformação plástica (CALLISTER, 2010). Esse tipo de deformação consiste em mover os átomos. O fator determinante é a mobilidade das discordâncias, que são átomos desalinhados com relação à rede cristalina, considerados defeitos desejáveis. A capacidade de um material de se deformar depende crucialmente da capacidade de suas discordâncias se moverem. Após o processo, quanto mais bem sucedida for a imobilização das discordâncias, maior será a dureza e força do material (CALLISTER, 2010). O resultado da deformação plástica é o encruamento dos grãos, ou seja, passam a ser alongados e direcionados longitudinalmente, gerando tensões residuais, o que leva a um aumento significativo na resistência mecânica e a diminuição da ductilidade (CALLISTER, 2010). 2.6 MICRODUREZA VICKERS O teste de Microdureza Vickers consiste em um diamante muito pequeno de forma piramidal forçado com uma carga de 1kgf sobre a superfície do material, imprimindo sobre ele uma cavidade. Os equipamentos utilizados atualmente possuem um software de análise automática dessa cavidade, e indica diretamente os valores em HV (hardness Vickers). O teste deve ser realizado mais de uma vez na superfície da mesma amostra, e assim ter uma média dos valores para ter maior precisão. (CALLISTER, 2010). 3. METODOLOGIA 3.1 COMPOSIÇÃO QUÍMICA As amostras analisadas foram obtidas de material empregado na produção de tubos sem costura, segundo a norma API 5CT, utilizados para revestimento e produção de poços Janus, Lorena, n.19, Jan.-Jun.,

8 marítimos e terrestres. A composição química do aço em porcentagem de massa é de 0,2700% de Carbono; 0,0030% de Enxofre; 0,0072% de Nitrogênio; 0,0440% de Alumínio; 0,2200% de Silício; 0,0160% de Fósforo; 0,0320% de Titânio; 0,0030 de Vanádio; 0,0200% de Cromo; 1,1900% de Manganês; 0,01600% de Níquel; 0,0100% de Cobre; 0,0010% de Nióbio; 0,0020% de Molibdênio; 0,0016% de Boro. 3.2 TRATAMENTO DAS AMOSTRAS A primeira amostra passou pelo tratamento térmico de Têmpera, realizado elevando a temperatura do metal a 900ºC, por tempo suficiente, para que ocorresse a austenitização do material. O resfriamento brusco foi feito em água e foi o fator mais influente nas propriedades do metal tratado, o qual passou a ter maior resistência mecânica, porém passou a ter também maior fragilidade. Após a têmpera foi realizado o revenimento, em temperatura de 650ºC, seguido de resfriamento em temperatura ambiente, necessário para recuperar parte da ductilidade. A segunda amostra passou por um processo de laminação a frio, ocorrendo assim uma alteração em sua microestrutura, aumentando ligeiramente sua resistência mecânica. 3.3 MEDIÇÃO MICRODUREZA VICKERS Ambas as amostras tiveram suas microestruturas analisadas por micrografia óptica e microdureza Vickers. A micrografia óptica consiste em observar a microestrutura do material e a microdureza Vickers consiste em medir a resistência à penetração do material, no caso utilizando a carga de 1kgF. 3.4 ANÁLISE POR MICROGRAFIA ÓPTICA A análise micrográfica óptica tem como objetivo observar e registrar a estrutura granular da amostra, podendo determinar os tipos de elementos estruturais presentes. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 ANÁLISE QUÍMICA Calcula-se o Carbono equivalente para obter a importância da atuação dos demais elementos na solução. 114 Janus, Lorena, n.19, Jan.-Jun., 2014.

9 Resultando em um Carbono equivalente de 0,475%, portanto um aço hipoeutetóide. 4.2 ANÁLISE ESTRUTURAL DOS GRÃOS A micrografia óptica mostrou a diferença clara entre a microestrutura das amostras. A primeira amostra apresentou uma microestrutura martensítica bem definida, advinda da têmpera. Figura 6 Estrutura Martensítica Vista por Micrografia Óptica (Aumento de 200x) Fonte: Acervo Pessoal Na segunda amostra foi possível observar uma matriz ferrítica com a presença de perlita, e grãos alongados devido à deformação plástica. Janus, Lorena, n.19, Jan.-Jun.,

10 Figura 7 Estrutura Encruada de Ferrita e Perlita Vista por Macrografia Óptica (200x) Fonte: Acervo Pessoal 4.3. MICRODUREZA VICKERS A análise de microdureza forneceu os seguintes valores: Quadro 1 Resultado dos Testes de Microdureza Vickers em HV Medição Microdureza Vickers 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª Média Laminado Temperado Observa-se que os valores de dureza do aço temperado foram significativamente maiores que os valores do aço encruado, o que se observa com mais clareza, no gráfico Laminado Têmperado Gráfico 1 Relação dos Resultados dos Testes de Microdureza 116 Janus, Lorena, n.19, Jan.-Jun., 2014.

11 Os resultados mostram que as tensões internas causadas pelo resfriamento rápido superam as tensões causadas pelo deslocamento dos átomos, portanto a resistência alcançada pelo encruamento não se equipara à resistência obtida através da têmpera. 5. CONCLUSÃO Os resultados mostraram diferenças muito grandes entre a amostra do material, após o encruamento e a amostra do material, após a têmpera. Essa dureza excessiva do material temperado é devida à formação de uma estrutura martensítica, a qual confere ao aço uma resistência muito grande com relação às estruturas formadas em outros processos. A estrutura do aço encruada possui dureza suficiente para certas aplicações, mas, para o caso estudado, o uso mais adequado seria do material temperado, pois é um processo economicamente viável e rápido. REFERÊNCIAS APOLO TUBULARS. Catálogo de produtos Apolo Tubulars. Lorena, 2013, 37 p. CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D.G. Mechanical properties of metals. In:, Materials Science and Engineering: an introduction. 8 ed. New Jersey: John Wiley and Sons, Inc, 2010, p CHIAVERINI, V. Efeito da velocidade de esfriamento sobre a transformação da austenita. Diagrama transformação-tempo-temperatura. In:, Aços e ferros fundidos. 4 ed. São Paulo: ABM, p CHIAVERINI, V. Tratamento térmico dos aços. Recozimento, normalização, têmpera e revenido; coalescimento. In:, Aços e ferros fundidos.4 ed. São Paulo: ABM, p, SALANI, M.; AMORIN, A. Desenvolvimento do tratamento térmico de tubos sem costura API 5 CT grau N80, uma visão industrial. In:, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 24 a 27 de Julho. SILVA, A. L. C.; MEI, P. R.O sistema ferro-carbono, In:, Aços e Ligas Especiais. 2 ed. Sumaré, Eletrometal S.A. Metais Especiais, p, SILVA, A. L. C.; MEI, P. R. Decomposição da austenita e curvas TTT, In:, Aços e Ligas Especiais. 2 ed. Sumaré: Eletrometal S.A. Metais Especiais, p TENARIS CONFAB. Uma publicação para nossos clientes. Numero 29, Pindamonhangaba, 2004, 8 p. Janus, Lorena, n.19, Jan.-Jun.,