Influência das condições de tratamento isotérmico sobre a precipitação de fases secundárias em aço inox superduplex

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1 Departamento de Tecnologia Mecânica E Materiais Coordenação de Área de Materiais Projeto de Pesquisa Influência das condições de tratamento isotérmico sobre a precipitação de fases secundárias em aço inox superduplex Equipe executora: Coordenação: Profª. Dra. Maria Dorotéia Costa Sobral Profª Dra. Cláudia Tereza Farias Dr. Eng. Sérgio R. Barra Aluno: Marco Vinicius Cunha Pereira Salvador 2008 Rua Emídio dos Santos, s/n, Barbalho Salvador / BA, Cep Telefax: (71) Site: / noticias@ifba.edu.br

2 I Resumo Os aços inoxidáveis superduplex ferrítico-austeníticos possuem microestrutura composta por uma matriz ferrítica e colônias de austenita, com frações volumétricas aproximadamente iguais. Esses são materiais importantes por causa da combinação de elevadas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão e, por isso são freqüentemente utilizados em ambientes corrosivos agressivos como em plataformas off-shore. Por possuírem microestrutura complexa e precipitação de fases secundárias que podem comprometer as boas propriedades, principalmente de resistência à corrosão, a identificação das condições em que esta precipitação ocorre é de grande importância para o processamento do material e para a sua posterior aplicação. Serão testadas condições de tratamento térmico e verificada a precipitação das fases secundárias, principalmente da fase sigma, e será caracterizada sua microestrutura por microscopia óptica e correlacionada com valores medidos por ensaio de dureza e por ensaio ultra-sônicos. Os resultados serão apresentados em revistas indexadas e/ou em Seminários e Congressos. II Revisão bibliográfica Os aços inoxidáveis duplex são ligas do sistema Fe-Cr-Ni, surgidos no início do século passado, e desenvolvidos na sua forma moderna a partir da década de 80. Estes aços possuem, aproximadamente, a mesma proporção das fases ferrita e austenita e são caracterizados, além de suas excelentes propriedades mecânicas e de resistência à corrosão, pelo seu baixo teor de carbono (<0,03%) e por adições de molibdênio, nitrogênio, tungstênio e cobre. Os teores típicos de cromo e níquel variam entre 20 e 30% e 2,5 e 8%, respectivamente. Sua estrutura típica pode ser definida como composta em média por 40 a 45% de ferrita e 55 a 60% de austenita, obtidas após solubilização entre 1000ºC e 1200ºC e resfriamento brusco (NILSSON, 1992). Já os aços super duplex, além de possuírem boas propriedades mecânicas também se destacam por apresentarem o PREN (resistência equivalente a corrosão por pite) em valores acima de 40, o que significa maior resistência a ataques químicos, principalmente a íon cloreto, presentes na água do mar (MARTINS, 2006). Embora sejam empregados por sua boa resistência à corrosão em geral, à corrosão sob tensão e corrosão sob fadiga, o fato de apresentarem fases secundárias além de ferrita e austenita, tais como sigma, chi, Cr 2 N e M 23 C 6, que precipitam principalmente em contornos de grãos, pode levar justamente à falhas por corrosão onde estiverem empregados (LINTON at all, 2004). O

3 surgimento das fases secundárias diz respeito principalmente às condições de aquecimento e resfriamento a que estão submetidos os materiais nos processos de fabricação (fundição, laminação, soldagem, etc.) (LEBRÃO, 2004) e mesmo nas condições de operação. Das fases possíveis de precipitarem, a mais importante é a fase sigma ( ), que pode estar presente em altas frações volumétricas e prejudicar as propriedades de tenacidade e resistência à corrosão. A precipitação ocorre entre 600 e 1000ºC e frequentemente se inicia na junção tríplice de grãos ou nos contornos de grãos e cresce para dentro da ferrita. A precipitação pode ser identificada por meio de preparação de amostra para ataque com reagente químico e observação por microscopia óptica [VANDER VOORT, 1984]. Uma propriedade influenciada diretamente pela precipitação da fase sigma é a dureza, que pode ser avaliada de forma rápida por meio de ensaio de dureza e correlacionada com a precipitação (MARTINS e JULIANO, 2004). Ensaios não-destrutivos ultra-sônicos têm sido utilizados de forma crescente em pesquisas voltadas à caracterização de materiais. Propriedades metalúrgicas importantes como tamanho de grão, presença de inclusões, módulo de elasticidade, dureza, resistência à fratura, resistência ao escoamento, resistência à tração, etc. podem ser correlacionadas com parâmetros ultra-sônicos tais como: velocidade e atenuação sônicas, espectro de freqüência, microscopia acústica, ângulo critico de incidência do feixe acústico e amplitude do sinal retro-espalhado. Estes parâmetros são afetados significativamente por mudanças nas propriedades microestruturais ou mecânicas (PALANICHAMY, 1995). Com o avanço na eletrônica e do processamento digital de sinais, estes parâmetros podem ser medidos com exatidão e relacionados a certas propriedades dos materiais com um nível razoável de confiabilidade.

4 III Objetivos Geral Verificar a influência das condições de tratamento isotérmico sobre a precipitação de fases secundárias em aço inoxidável super duplex e caracterizar sua microestrutura por microscopia óptica, por ensaio de dureza e por ensaio ultra-sônico. Específicos - Realizar tratamentos isotérmicos em corpos de prova de aço inoxidável super duplex em temperaturas e tempos diferentes na faixa de precipitação das fases secundárias. - Caracterizar por microscopia óptica a microestrutura do material tratado em função da quantidade das fases primárias ferrítica e austenítica e de seus tamanhos de grão conforme ASTM E Para cada condição de tratamento verificar quantitativamente a presença das fases secundárias principais precipitadas, sigma, chi, Cr 2 N e M 23 C 6 por meio de microscopia óptica. - Processamento digital das imagens para melhor identificar e quantificar os precipitados. - Realizar ensaio de dureza e levantar a curva de dureza em função das temperaturas e tempos adotados e relacionar com a quantidade de precipitados identificados por microscopia óptica. - Obter as constantes elásticas de engenharia do material sem tratamento e após exposição a cada etapa de tratamento térmico utilizando técnicas ultra-sônicas associadas ao tratamento digital dos sinais - Comparar os resultados obtidos por microscopia óptica, ensaio de dureza e ultra-som. IV Metodologia Matéria Prima Será usada a matéria prima ofertada pela Sandvick para o Cefet-Ba.

5 Tratamento Térmico Será utilizado o forno de tratamento térmico do Laboratório de Metalografia para a realização dos tratamentos. Caracterização Por meio de microscopia óptica com recursos do Laboratório de Metalografia. Medição de tamanho de grão e contagem de fração volumétrica de precipitados conforme ASTM.. Por meio de ensaio de dureza que será realizado no Senai-Cimatec. Por meio de ensaio ultra-sônico. V Atividades propostas para os estudantes Além da revisão bibliográfica inicial como base para definição das temperaturas e condições de tratamentos térmicos o aluno trabalhará na execução dos tratamentos, no controle da temperatura e tempo de tratamento térmico aplicado ao material. Também preparará as amostras para metalografia, registro fotográfico, medição do tamanho de grão e fração volumétrica da fase sigma, medição da dureza e realização dos experimentos com ultra som, com o apoio do Grupo de Pesquisa em Ensaios Não Destrutivos. V Cronograma Atividade/bimestre Revisão bibliográfica X X Trabalho de laboratório X X X X Tratamento térmico X X Caracterização por microscopia óptica X X X Caracterização ensaio de dureza X X X Caracterização por ensaio ultra-sônico X X X Análise dos resultados X X Redação de relatório final X X VI Viabilidade financeira Matéria prima fornecida sem custo para a escola e outro apoio financeiro através de Editais do MCT/CNPq e Fapesb, para onde serão submetidos projetos de pesquisa.

6 VII Resultados esperados - Capacitação tecnológica em caracterização de aço duplex por microscopia óptica, por ensaio de dureza e ensaio ultra-sônico, especificamente em caracterização por microscopia óptica das fases secundárias precipitadas em função de tratamento isotérmico, correlacionada com os valores de dureza e das constantes elásticas obtidas por ensaio ultra-sônico. - Publicação dos resultados em Anais de Congresso e/ou Revista indexada da área de materiais. - Orientação de alunos de Iniciação Científica. VIII Referências Bibliográficas ASTM E Standard Test Methods for Determining Average Grain Size. LEBRÃO, S. M. G.; ZUCATO, I.; MOREIRA, M. C.; MACHADO, I. F. Microstrutural Characterization and the Effect of Phase Transformation on Thoughness of the UNS S31803 Duplex Stainless Steel Aged at 850º C. Materials Research, v. 5, 2002 LINTON, V. M.; LAYCOCK, N. J.; THOMSEN, S. J. e KLUMPERS, A. Failure of a super duplex stainless steel reaction vessel. Engineering Failure Analysis. v. 11, p , MARTINS, M. e JULIANO, R. C. Influência da temperatura de tratamento térmico na microestrutura do aço inoxidável super duplex ASTM A890/A890M Grau 5ª. Revista Fundição & Matérias Primas, Maio/Junho, p , MARTINS, M. Caracterização microestrutural-mecânica e resistência à corrosão do aço inoxidável super duplex ASTM A 890/A 890M Grau 6A. Doutorado. Tese. São Carlos. 242p., NILSSON, J. O. Super duplex stainless steels. Materials science and technology. v. 8 p , Ago PALANICHAMY, P., Ultrasonic velocity measuremente for estimation of grain size in austenitic stainless steel. NDT & Int. 28 pp

7 VANDER VOORT, G. F. Metallography Principles and Practice. McGraw-Hill, 752 p., 1984.