EFEITO DA TEMPERATURA DE REVENIDO NA FORMAÇÃO DA FERRITA DELTA NUM AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO COM BAIXO TEOR DE CARBONO

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1 EFEITO DA TEMPERATURA DE REVENIDO NA FORMAÇÃO DA FERRITA DELTA NUM AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO COM BAIXO TEOR DE CARBONO S. Nakamatsu*; D. M. M. Dias, A. C. F. de Paiva, L. A. B. de Oliveira, O. do L. Oliveira, P. M. Vieira, N. A. Mariano Universidade Federal de Alfenas Campus Avançado de Poços de Caldas, Rod. José Aurélio Vilela, BR 267 km 533, Cidade Universitária, Poços de Caldas, MG, Brazil CEP *sanmitinaka@gmail.com Universidade Federal de Alfenas - campus Poços de Caldas RESUMO A formação da ferrita delta é um importante quesito na estrutura do aço, pois esse é conhecido por fragilizar, endurecer e diminuir a tenacidade do metal. Neste trabalho, a relação entre o aparecimento da ferrita delta e as modificações na morfologia da matriz martensítica, no aço inoxidável martensítico 13Cr4Ni0,02C, e o tratamento térmico de revenido ao qual o aço é submetido, foi estudada utilizando-se temperaturas que variaram de 620 ºC a 770 ºC. As imagens de microscopia ótica indicam que a ferrita delta se mantém na microestrutura independente da temperatura de revenido. Por outro lado, a morfologia da matriz martensítica muda, a partir de uma estrutura com ripas alongadas para a forma agulhada, sendo possível observar uma direção de orientação, dentro dos grãos. Os valores médios de microdureza da ferrita delta se mantiveram sem grande variação, ao contrário da martensita, comprovando a forte ligação com sua morfologia. Palavras-chaves: aço inoxidável martensítico, microestrutura, ferrita delta. INTRODUÇÃO Aços inoxidáveis martensíticos com baixo teor de carbono, tais como o 13Cr- NiMo são largamente utilizados em setores como produção de energia e indústria petroquímica, por aliar relativa resistência à corrosão com razoáveis propriedades mecânicas. A transformação da fase ferrita delta para a fase austenita, ocorre por volta de 1400 ºC e termina, em condições de equilíbrio, por volta de 1370 ºC. Esses aços são normalmente austenitizados entre 950 ºC a 1050 ºC, temperatura onde ocorre a homogeneização dos elementos segregados, a dissolução de carbonetos e a decomposição da ferrita delta oriunda do material bruto de fundição. Entretanto, pequenas quantidades de ferrita delta permanecem na microestrutura do aço, resultado da má transformação ferrita delta em austenita. Sua formação é atribuída a 4843

2 algum balanço inadequado na composição química ou a uma consequência da alta temperatura de austenitização. Similarmente, com a diminuição da temperatura, da transformação da austenita em martensita, pequenas quantidades de austenita retida surgem na microestrutura martensítica, após o resfriamento, até a temperatura ambiente. Nesta condição, o aço não apresenta boas propriedades mecânicas, então o tratamento térmico de revenido é aplicado com o intuito de diminuir a fragilidade, aumentando a tenacidade, além disso, quaisquer tensões remanescentes gerados pela têmpera podem ser atenuadas com o revenido (1). Ao final, a microestrutura típica desses aços, à temperatura ambiente, pode apresentarse com martensita revenida, austenita retida e ferrita delta (2,3). Muitos trabalhos investigam o efeito da austenita retida na microestrutura desses aços e em aços supermartensíticos (2,4,5), mas pouco se sabe sobre os efeitos da ferrita delta nas propriedades dos aços. Estudos indicam que uma vez que a ferrita delta se forme, é difícil promover a sua dissolução por tratamentos térmicos convencionais, por esse ser um processo muito lento em temperaturas usuais (6). Muitos autores acreditam que a presença dessa fase nos aços martensíticos é prejudicial às propriedades de resistência à corrosão sob tensão, mas outros afirmam que sua presença melhora algumas propriedades mecânicas, como a ductilidade e a dureza (3,7). A presença da ferrita delta na microestrutura dos aços ainda não está muito clara e seu estudo é dificultado por não se conseguir verificar a sua influência separadamente em relação aos carbonetos, pois esses precipitam próximos aos grãos de ferrita delta, devido ao teor de cromo ser maior na ferrita delta que na matriz martensítica (6). O presente trabalho estudou a influência da variação da temperatura de revenido no teor da ferrita delta e na morfologia da matriz martensítica do aço 13Cr4Ni0,02C. MATERIAIS E MÉTODOS A liga utilizada foi baseada no aço ASTM CA6NM, um 13%Cr 4%Ni com baixo teor de carbono, fundido num forno convencional a arco elétrico, com refino num forno AOD (descarbonetação argônio - oxigênio). A Tab.1 apresenta a composição química, do aço estudado e as temperaturas de transição da fase austenita e martensita (8). 4844

3 As amostras passaram por tratamento térmico de têmpera, a 1000 ºC por 2 h com resfriamento ao ar e, por revenido, em temperaturas de 620 ºC, 650 ºC, 680 ºC, 710 ºC, 740 ºC e 770 ºC, também resfriadas ao ar. Tabela 1. Composição química do aço inoxidável martensítico e suas temperaturas de transição da fase austenítica e martensítica. Temperatura de transição Composição Química (% em peso) Amostra de Fase ( C) C Si Mn Cr Ni Mo A s A f M s M f CA6NM 0,02 1,00 0,70 13,00 4,12 0, As microestruturas foram reveladas por ataque químico de imersão à temperatura ambiente, em reagente Behara, modificado com metabissulfeto de potássio (K 2 S 2 O 3 ), após procedimento de lixamento e polimento. As micrografias foram observadas por Microscópio Óptico e a fração de ferrita delta foi calculada através do programa de análise de imagens Quantikov, em imagens com aumento de 400 x. Microdurezas da matriz martensítica foram medidas por um microdurômetro da marca Insize ISH TDV 1000 e confirmadas com o equipamento EQ Digimess. As cargas utilizadas foram de 0,098 N e 0,98 N com um tempo de impressão de 15 s. RESULTADOS E DISCUSSÃO As micrografias indicaram a presença da ferrita delta independentemente da temperatura de revenido aos quais as amostras foram submetidas, mas as análises das imagens apontaram variação em sua quantidade. A Tab.2 indica a condição de tratamento térmico e a porcentagem de ferrita delta obtida pelo software Quantikov. Tabela 2. Descrição do tratamento térmico aplicado às amostras e a porcentagem de ferrita obtida pela análise das imagens. Amostra Tratamento Térmico % de ferrita delta C, 2 h C, 2 h 1,40 0, C, 2 h C, 2 h 2,54 0, C, 2 h C, 2 h 2,63 0, C, 2 h C, 2 h 2,24 0, C, 2 h C, 2 h 1,88 0, C, 2 h C, 2 h 1,53 0,60 Se comparada o valor da menor quantidade de ferrita delta encontrada com o de maior valor, levando-se em conta o erro dessas medidas, a diferença é por volta de 0,10%. Isto é, essa variação não é significativa e não é possível afirmar que a 4845

4 quantidade de ferrita delta está relacionada com a variação da temperatura de revenido. Pois, além dessas temperaturas serem baixas para ocorrer a difusão da ferrita, o tempo do tratamento térmico também é baixo, estudos indicam que é possível haver a dissolução da ferrita delta em temperaturas de solubilização por volta de 1100 ºC, com tempos acima de 10 h (9). A Fig.1 apresenta as micrografias das amostras 620 e 770, obtidas por microscopia ótica. A morfologia da matriz martensítica da amostra 620, mostrada na Fig.1a, é composta por ripas martensíticas largas, sem nenhuma ordem orientacional ou posicional, com a presença da ferrita delta, regiões claras indicadas nas figuras, que também não apresentam localização, nem forma preferencial. Mas na Fig.1b, micrografia da amostra 770, a martensita adquire forma agulhada, com ordem orientacional dentro dos grãos e, a ferrita delta, se localiza preferivelmente nos contornos de grãos. Figura 1. Micrografia obtida por microscopia ótica. a) amostra 620, b) amostra 770. Ataque com Behara modificado. A Fig.2 apresenta as micrografias das amostras 680 e 710 e é possível observar que na amostra 680, Fig.2a, a martensita aparece em ripas um pouco mais refinadas que na amostra 620, Fig.1a, indicando que existe algum mecanismo que leva as ripas da martensita se afinarem, até que se apresentem em forma de agulhas, como na amostra 710, Fig.2b, e 770, Fig.1b. 4846

5 Figura 2. Micrografia obtida por microscopia ótica. a) amostra 680, b) amostra 710. Ataque com Behara modificado. Através da micrografia da amostra 770, Fig.3, foi possível notar diferenças no tamanho das ripas agulhadas da matriz martensítica. Quanto mais alongadas as agulhas, mais organizada é a matriz e a orientação de direção das agulhas é mais pronunciada, como pode ser observada na região I, destacada na Fig.3, em comparação com a região II. Figura 3. Micrografia obtida por microscopia ótica, da amostra 770. Ainda na Fig.3, no contorno da ferrita delta há uma fina camada mais escura, indicando que nesta região ocorreu a formação de precipitados no contorno da ferrita delta ou na matriz martensítica. A Tab.3 indica os valores encontrados de microdureza da matriz martensítica. Uma vez que as amostras 620, 650 e 680 apresentam a matriz em forma de ripas mais largas, sua microdureza é menor que das amostras 710, 740 e 770, onde a 4847

6 martensita se apresenta em forma de agulhas, que faz com essas amostras tenham uma área superficial maior. Tabela 3. Medidas de microdureza na matriz martensítica. Amostra Microdureza na matriz (HV) ,4 19, ,8 16, ,9 32, ,6 19, ,5 15, ,9 36,5 Nas medidas de microdureza da ferrita delta, o valor médio encontrado foi de 275 HV e não houve variação significativa nas diversas amostras. Como esperado, esta fase possui microdureza menor que a matriz martensítica (7). CONCLUSÕES A ferrita delta contida nas amostras do aço inoxidável martensítico 13Cr4Ni0,02C, não sofreu difusão com a variação da temperatura de revenido, ainda que a matriz martensítica tenha sofrido grandes mudanças. As ripas martensíticas, que inicialmente tinham forma alongada, mas com alguma espessura, se apresentaram, para temperaturas mais altas de revenido, em formas de agulhas, organizadas, com uma orientação definida dentro de cada grão e, com ferrita delta localizada preferencialmente nos contornos de grãos. Porém, na martensita com forma ripada, a ferrita delta se apresentou espalhada, sem um local preferencial. As medidas de microdureza na matriz martensítica, mostraram que a morfologia em ripas mais largas possui microdureza menor que a martensita em forma de agulhas e o valor médio da microdureza da ferrita delta não foi afetada com a variação da temperatura de revenido. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à: CAPES, CNPq, FAPEMIG e FAPESP, pelo suporte financeiro, à Universidade Federal de Itajubá UNIFEI e ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo pelo uso dos equipamentos e, à Universidade Federal de São Carlos pelas valiosas discussões e dicas fornecidas. REFERÊNCIAS 4848

7 1. CALLISTER, W. D. JR. Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução. LTC, Brazil, Rio de Janeiro, BILMES, P. D.; SOLARI, M.; LLORENTE, C. L. Characteristics and effects of austenite resulting from tempering of 13Cr-NiMo martensitic steel weld metals. Materials Characterization, v.46, p , QIN, B.; WANG, Z. Y.; SUN, Q. S. Effect of tempering temperature on properties of 00Cr16Ni5Mo stainless steel. Materials Characterization, v.59, p , BOJACK, A.; ZHAO, L.; MORRIS, P. F.; SIETSMA, J. In-situ determination of austenite and martensite formation in 13Cr6Ni2Mo supermartensitic stainless steel. Materials Characterization, v.71, p , MA, X. P.; WANG, L. J.; LIU, C. M.;SUBRAMANIAN, S. V. Microstructure and properties of 13Cr5Ni1Mo0,025Nb0,09V0,06N super martensitic stainless steel. Materials Science and Engineering A, v.539, p , CARROUGE, D.;BHADESHIA, H. K. D. H.; WOOLLIN, P. Effect of d-ferrite on impact properties of supermartensitic stainless steel heat affected zones. Science and Technology of Welding and Joining, p , WANG, P.; LU, S. P.;XIAO, N. M.;LI, D. Z.; LI, Y. Y. Effect of delta ferrite on impact properties of low carbon 13Cr-4Ni martensitic stainless steel. Materials Science and Engineering A, v.527, p , MARIANO, N. A.; PEREIRA, V. F.; RODRIGUES, C. A. D.; LORENZO, P. L. di; ROLLO, J. M. D. A. Caracterização da temperabilidade e das curvas de transformação de fases de aços inoxidáveis martensíticos do tipo FeCrNi. Revista da Escola de Minas, v.60, p , jan. mar

8 9. LI, S.; ELINIYAZ, Z.; ZHANG, L.; SUN, F.; SHEN, Y.; SHAN, A. Microstructural evolution do delta ferrite in SAVE12 steel under heat treatment and short-term creep. Materials Characterization, v.73, p , EFFECT OF TEMPERING TEMPERATURE ON DELTA FERRITE EVOLUTION IN LOW CARBON MARTENSITIC STAINLESS STEEL ABSTRACT The formation of delta ferrite is an important item in the structure of steel, since it is known for deteriorates the mechanical properties of the metal. In this work, the relationship between the appearance of delta ferrite and changes in the morphology of the martensitic matrix, in 13Cr4Ni0,02C martensitic stainless steel and tempering heat treatment to which the steel is subjected was studied using temperatures ranging from 620 C to 770 C. The optical microscopy images indicate that the delta ferrite microstructure remains independent of tempering temperature. On the other hand, the morphology of the martensitic matrix changes from a structure elongated strips to needled form, it being possible to observe the direction of orientation of that needled within the grains. The average microhardness values of delta ferrite remained constant, but this didn t happen with a martensitic matriz, proving the strong connection to their morphology. 4850