ADEQUAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM TUBO ASTM A106 GRAU B EM UM TUBO ASTM A333 GRAU 6 POR TRATAMENTO TÉRMICO G. D. Rodrigues 1 ; R. R. Maia 2 ; P. H. Ogata 3 1 TEAMLAB; 2 Universidade de Mogi das Cruzes 3 Faculdade de Tecnologia de Itaquera guilherme.rodrigues16@fatec.sp.gov.br RESUMO Este trabalho teve como objetivo adequar as propriedades mecânicas do tubo ASTM A106 grau B em um tubo ASTM A333 grau 6 via tratamento térmico. Para tal, foram realizados tratamentos térmicos de têmpera e revenimento. O tubo termicamente tratado foi o A106 grau B (frágil a baixas temperaturas) e em seguida comparado com o tubo A333 grau 6 (tubo especifico para baixas temperaturas). Os corpos de prova (CP) de impacto Charpy foram retirados na seção longitudinal do tubo e resfriados em diferentes temperaturas. As propriedades mecânicas dos corpos de prova foram avaliadas por ensaios de dureza Brinell e ensaios de tração. A microestrutura dos corpos de prova foi analisada e comparada usando microscopia óptica. Palavras chaves: ASTM A106 grau B, ASTM A333 grau 6, tratamento térmico, curva de transição dúctil-frágil, microestrutura. 1. INTRODUÇÃO: Os tubos usados no transporte de gás e óleo podem ser instalados em lugares inóspitos, como por exemplo, regiões com temperaturas abaixo de zero, e nestes lugares é necessário escolher materiais que não fragilizam nestas condições. A curva de transição dúctil/frágil é utilizada para analisar se o material poderá ou não ser utilizado. O tubo ASTM A333 grau 6 é um aço criogênico (não fragiliza em temperaturas abaixo de zero) e tem várias aplicações no mercado. O aço ASTM A106 grau B possui composições químicas e resistências mecânicas similares ao A333 grau 6, por este motivo cogitou-se a possibilidade em transformar o aço A106 grau B em um A333 grau 6 por tratamentos térmicos. Além disso, o aço A106 grau B é mais barato, fabricado em mais 5907
dimensões e também é mais fácil de achar no mercado comparado ao A333 grau 6 (1, 2). Este artigo buscou classificar um aço do tubo ASTM A106 grau B para ASTM A333 grau 6 por tratamentos térmicos. A curva de transição dúctil/frágil do A333 grau 6 foi comparada com a do A106 grau B em condição normal e tratado para verificar a eficácia da modificação. Todos os ensaios foram feitos no laboratório TEAMLAB. 2. OBJETIVO Tratar termicamente o tubo A106 grau B e classificá-lo segundo a norma para tubo do aço A333 grau 6. Os testes comparativos para verificação das propriedades mecânicas e análise microestrutural foram: Construção da curva de transição dúctil-frágil em diferentes temperaturas (ensaio de impacto) entre as amostras na condição como recebida e após tratamento térmico; Comparação microestrutural das amostras sem tratamento e da amostra tratada termicamente. Comparação das durezas entre os materiais como recebidos e tratados termicamente. Ensaio de tração nas diferentes amostras. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Os tubos avaliados no artigo foram os aços A106 grau B e A333 grau 6, com as dimensões Ø 4 x 6,3 x 300 mm. O aço A106 grau B foi tratado termicamente no forno elétrico, a 920 C para a têmpera e o revenimento a 670 ºC. O material foi cortado e usinado, e assim, foram realizados os ensaios para avaliação da resistência mecânica: impacto Charpy, dureza e tração; análise microestrutural e composição química. 3.1. Impacto Charpy O ensaio de impacto charpy foi utilizado para aferir a energia absorvida e a ductilidade do material. 5908
Preparação do CP: O CP foi usinado no sentido longitudinal do tubo com as dimensões: 5x10x55 mm. Em seguida, foi feito um entalhe de 45º e profundidade do entalhe de 2 mm e verificado no projetor de perfil. (3) Método de ensaio: Os CP s foram resfriados em uma mistura de álcool e nitrogênio líquido em diferentes concentrações para ajustar a temperatura dos ensaios. O nitrogênio em estado líquido tem a temperatura de -196ºC (3). 3.2. Tração: Preparação do CP: O CP foi usinado no sentido longitudinal do tubo na forma de espécime retangular. Para determinar a área da seção transversal do CP, as dimensões foram medidas na largura e espessura no centro do corpo de prova, o comprimento útil também foi medido para determinar o alongamento do material. Método de ensaio: O material foi submetido a uma carga de tração que ocasiona sua ruptura. As propriedades resultantes adquiridas após o término do ensaio foram: limite de resistência, limite de escoamento e alongamento. (3) 3.3. Dureza Brinell: Preparação do CP: O CP pode ser retirado de qualquer sentido do tubo, entretanto, as superfícies analisadas devem estar paralelas. Método de ensaio: O penetrador esférico de tungstênio é colocado na peça de teste em uma direção perpendicular a espessura da amostra, e aplicada uma força de 187,5 kgf/15 segundos e depois removido. O penetrador forma uma deformação no material analisado, e então essa deformação é medida com auxilio de uma lupa e convertida na escala Brinell. (4) 3.4. Análise química: Preparação do CP: Os CPs podem ser retirados de qualquer sentido do tubo. Método de ensaio: O CP deve ter no mínimo 25 mm², ser lixado e assim fazer a leitura da composição química por meio da espectrometria, que são feixes de elétrons e a partir desses elétrons que efetuamos a leitura. O espectrômetro utilizado foi o SOLARIS CCD Plus. (5) 5909
3.5. Metalografia: Preparação do CP: O CP deve ser retirado na seção longitudinal. (6) Método de ensaio: Após a preparação inicia-se o ensaio para análise da microestrutura o CP foi preparado no sentido longitudinal no eixo de laminação da peça é necessário um ataque químico com Nital 3%, o ataque provocou uma corrosão na superfície da amostra podendo identificar os constituintes das amostras analisados pelo microscópio ótico (7). 3.6. Tratamento térmico: Método de tratamento: Com o intuito de transformar o tubo A106 gr. B (modificado) no A333 gr. 6, para ter uma maior ductilidade foi executado o tratamento térmico de têmpera e revenimento. Analisando o diagrama de ferro carbono a temperatura obtida para a austenitização do material levando em consideração que o teor máximo de carbono é 0,30% foi de 920ºC. Para o tempo de encharque do material, a regra é de 1 hora para 25,4 mm de espessura, o tempo obtido para o encharque foi de 20 minutos de permanência a temperatura de 920ºC. Após a etapa de austenitização o material foi resfriado em água, transformando a austenita em martensita. Depois de realizada a têmpera o material foi submetido ao tratamento térmico de revenimento, a temperatura para o revenimento fica entre 150 ºC e 680 ºC. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES: 4.1. Comparação da composição química Comparando as três análises químicas concluiu-se que todas as amostras foram aprovadas em suas respectivas normas, além disso, o aço A106 gr. B (como recebido) e o A106 gr. B (modificado: submetido a tratamento térmico) foi aprovado no critério de composição química da norma ASTM A333-2016 grau 6, validando assim os tubos para requalificação dos mesmos, como mostra a Tabela 1. Como pode ser observado, o tratamento de têmpera e revenimento não altera a composição química da amostra modificada. 5910
Tabela 1 Comparação da composição química dos aços. Fonte: Próprio Autor Composição química (%) A333 gr. 6 (como recebido) A106 gr. B (como recebido) A106 gr. B (modificado) Resulta do Resulta do Elementos Resultado C: 0,30 0,110 C: 0,30 0,180 C: 0,181 Si: Mín. 0,10 0,275 Si: Mín. 0,10 0,184 Si: 0,200 Mn: 0,29-1,06 1,039 Mn: 0,29-1,06 0,424 Mn: 0,445 P: 0,025 0,012 S: 0,025 0,004 P: S: 0,035 0,009 P: 0,011 0,035 0,002 S: 0,002 Cr: 0,30 0,048 Cr: 0,40 0,025 Cr: 0,028 Mo: 0,12 0,021 Mo: 0,15 0,000 Mo: 0,000 Ni: 0,40 0,008 Ni: 0,40 0,006 Ni: 0,005 Cu: 0,40 0,025 Cu: 0,40 0,019 Cu: 0,017 V: 0,08 0,003 V: 0,08 0,000 V: 0,001 - - - Cr+Cu +Mo+ Ni+V: 1,00 0,050 Cr+Cu+Mo+ Ni+V 0,001 4.1.1. Avaliação das propriedades mecânicas: O aço A106 gr. B (modificado) teve um aumento na resistência mecânica, mas seu aumento foi menor do o A106 gr. B como recebido. As amostras foram todas aprovadas pelas suas respectivas normas, podendo o aço A106 gr. B (modificado) ser reclassificado segundo a norma ASTM A333-2016 grau 6 (Tabela 2). 5911
O resultado de dureza não é qualitativo para a norma, os testes foram feitos com o objetivo para quantificar para o projeto, mostrando a eficiência do tratamento térmico, resultados dos ensaios para comparação estão relacionados na Tabela 3. Tabela 2 Comparação do resultado de tração dos aços. Tração A333 gr. 6 (como recebido) A106 gr. B (como recebido) A106 gr. B (modificado) (MPa) (MPa) (MPa) L.E: Mín. 240 MPa 398 L.E: Mín. 240 MPa 377 L.E: 368 L.R: Mín. 415 MPa 521 L.R: Mín. 415 MPa 481 L.R: 503 A: Mín. 26,5 % 28,0 A: Mín. 20,4 % 27,0 A: 27,0 Tabela 3 Comparação do resultado de dureza dos aços. Dureza Dureza Brinell A333 gr. 6 (como recebido) A106 gr. B (como recebido) A106 gr. B (modificado) Impressões (HBW) 1 2 3 Média 148 145 148 147 135 138 133 135 145 145 145 145 4.1.2. Comparação dos resultados de micrografia Na amostra como recebida A106 grau B (figura 2a) pode-se observar que a microestrutura de ferrita/perlita possuía grãos maiores e assim, deixando o material mais frágil em baixas temperaturas (8). 5912
Já, na amostra A333 grau 6 (figura 2b) a microestrutura de como recebida pela usina, pode-se observar a microestrutura de ferrita/perlita com grãos menores, assim beneficiando na ductilidade em baixas temperatura (8). A partir dos resultados obtidos após o tratamento térmico do A106 grau B (figura 2c) sua microestrutura consiste em martesita revenida aumentando sua ductilidade em baixas temperaturas. Figura 1a) Microestrutura A106 grau B como recebido; b) Microestrutura A333 grau 6 como recebido; c) Microestrutura A106 grau B modificada. Aumento de 500X 4.1.3. Comparação dos resultados de impacto charpy: O teste do impacto charpy era o problema para o aço A106 gr. B, pois o aço em baixas temperaturas se tornava frágil, com isso reprovando o material na norma ASTM A333-2016. O critério de impacto charpy de energia absorvida é relativamente baixo, o valor obtido do aço A106 gr. B foi reprovado pelo o critério individual do CP e pela média dos valores, como mostrado na Tabela 3 (1). 5913
Autor Tabela 4 Comparação do resultado de impacto charpy dos aços. Fonte: Próprio Impacto charpy (-45ºC) (5 x 10 x 55 mm) A333 gr. 6 A106 gr. B (como recebido) A106 gr. B (modificado) (J) (J) (J) Média Mín.: 9J Individual Mín.: 7J 122 7 114 Média Mín.: 9J Média Mín.: 9J 123 3 114 Individual Mín.: 7J Individual Mín.: 7J 120 4 115 Média 120 Média 5 Média 114 O aço modificado teve um desempenho muito bom a - 45ºC, tornando possível a requalificação do aço. A curva de transição dúctil/frágil dos aços pode ser observada na Figura 2. A partir dos resultados apresentados, percebe-se uma aproximação entre as curvas de transição dúctil-frágil do A333 gr. 6 e o A106 gr. B modificado. Essa aproximação pode estar relacionada com a modificação microestrutural do material modificado (martensita revenida). Houve uma melhora nas propriedades mecânicas como foi observado, demonstrando a eficiência no tratamento térmico efetuado na amostra. Vale lembrar que após o tratamento térmico o aço A106 gr. B poderá ser utilizado sob as mesmas condições do A333 gr. 6. 5914
Figura 2 Comparação do resultado de impacto charpy dos aços. Fonte: Próprio Autor 5. CONCLUSÃO: A transformação da microestrutura inicialmente como ferrita e perlita, passou a se transformar em martensita revenida, exercendo forte influência sobre a ductilidade em baixas temperaturas. A temperatura escolhida do tratamento térmico de revenimento fez que os resultados de tração e dureza, fossem próximos comparando os três tubos. Assim sendo, não deixando um material muito mais duro que o outro, provando a eficiência do tratamento térmico na ductilidade. O tamanho do grão do aço tratado termicamente teve um aumento, auxiliando a uma maior ductilidade do material em baixas temperaturas. A curva de transição dúctil-frágil do aço ASTM A106 gr. B tratado termicamente foi muito próximo com o aço ASTM A333 gr. 6, evidenciando a eficácia do tratamento térmico na amostra, com o aumento da energia absorvida pelo aço. Os percentuais dúcteis da fratura dos materiais foram próximos. Os testes realizados neste trabalho (todos os ensaios seguiram as normas de aceitação de tubos sob condições criogênicas) pode-se afirmar que 5915
o material modificado (ASTM A106 gr. B) está apto para fazer os mesmos trabalhos em condições sub zero e classificado como o tubo ASTM A333 gr. 6. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: (1) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM A 333. Standard Specification for Seamless and Welded Steel Pipe for Low- Temperature. West Conshohocken, 2016. (2) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM A 106. Standard Specification for Seamless Carbon Steel Pipe for High Temperature. West Conshohocken, 2015. (3) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM A 370. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. West Conshohocken, 2016. (4) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E 10. Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. West Conshohocken, 2015a. (5) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E 415. Standard Test Method for Analysis of Carbon and Low-Alloy Steel by Spark Atomic Emission Spectrometry. West Conshohocken, 2014. (6) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E 3. Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens. West Conshohocken, 2011. (7) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E 7. Standard Terminology Relating to Metallography. West Conshohocken, 2015. (8) EMYGDIO, P.Z.G. Relação microestrutura x tenacidade ao impacto de flanges forjados de aço C-Mn para trabalho em baixas temperaturas e efeitos de tratamentos térmicos. 2012. 66 p. Monografia (Trabalho de Conclusão de Curso) Engenharia Metalúrgica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2012. ABSTRACT This work aimed to adapt the mechanical properties of the ASTM A106 grade B tube in an ASTM A333 grade 6 tube via heat treatment. For this, thermal treatments of quenching and tempering were performed. The thermally treated tube was A106 grade B (brittle at low temperatures) and then compared to A333 gr. 6 tube (specific low temperature tube). The Charpy impact test 5916
specimens were drawn in the longitudinal section of the tube and cooled at different temperatures. The mechanical properties of the specimens were evaluated by Brinell hardness tests and tensile tests. The microstructure of the specimens was analyzed and compared using light microscopy. Keywords: ASTM A106 Gr. B, ASTM A333 6, Heat Treatment, ductile-tobrittle transition curve, microstructure. 5917