AVALIAÇÃO DA TENACIDADE DE CHAPAS GROSSAS DE AÇOS INOXIDÁVEIS DUPLEX TOUGHNESS EVALUATION OF DUPLEX STAINLESS STEELS HEAVY PLATES Resumo Márcio Nascimento Cunha (1) Ricardo Augusto Faria (2) Tarcísio Reis de Oliveira (3) Ricardo José Gonçalves Costa (4) 1- Metalurgista de processo do produto inox Aperam South America 2- Metalurgista de processo do produto inox Aperam South America 3 - Pesquisador do produto inox Aperam South America 4 - Técnico de pesquisa Aperam South America Fases intermetálicas de natureza frágeis formam-se em aços inoxidáveis duplex quando expostos a certas faixas de temperaturas, comprometendo o processamento e aplicações destes aços. O objetivo é avaliar o efeito da quantidade de fase sigma na tenacidade ao impacto de chapas grossas do aço UNS S32205 assim como avaliar a tenacidade do aço UNS S32304. Amostras do aço 2205 inicialmente foram submetidas à precipitação de fase sigma, posteriormente tratadas termicamente a 1000ºC em diferentes tempos e em seguida foi avaliado a tenacidade ao impacto para diferentes quantidades de fase sigma. Amostras do aço 2304 com diferentes espessuras foram avaliadas na condição acabada. O ensaio Charpy-V foi realizado na temperatura de -40ºC e os aspectos das superfícies de fratura do aço 2205 foram analisados via MEV. O aço inoxidável 2205 com 0,4% de fase sigma apresentou alta fragilidade e considerável tenacidade para quantidades inferiores a 0,15%. O aço inoxidável 2304 apresentou excelente tenacidade na condição acabada. O trabalho mostrou que as chapas grossas dos aços duplex com processos adequados e controlados para evitar a precipitação de fase sigma, atendem as exigências de tenacidade exigidas pela norma ASTM A923 e pelo código ASME (Seção VIII Divisão 1) para vasos de pressão. Palavras-chave: Aço inoxidável duplex - Tenacidade - Fase Sigma - Ensaio Charpy Abstract Intermetallic brittle phases occur easily in duplex stainless steels when submitted to some temperatures intervals. The main objective is to evaluate the effect of the sigma phase on the toughness in Charpy-V tests for UNS S32205 grade as well for UNS S32304 heavy plates. Samples of the 2205 grade were expos to sigma phase precipitation, heat treated at 1000ºC in different times and then the toughness evaluated for different amount of sigma phase. The 2304 samples with different thickness were evaluated in the finished conditions. The Charpy-V test was carried out at - 40ºC and the microstructure of the fracture surface for 2205 grade were analyzed by SEM. The duplex stainless steel 2205 grade with 0,4% of sigma phase presented high brittleness and a good toughness for 0,15% and lower. The 2304 grade presented excellent toughness in the finished conditions. The work showed that heavy plates of duplex stainless steel with right and controlled process to avoid sigma phase precipitation attend the toughness requirements of the ASTM A923 and the ASME code (Section VIII Division 1) for pressure vessels. Key-words: Duplex stainless steels Toughness Sigma phase Charpy test
1. INTRODUÇÃO Aços inoxidáveis duplex embora exibam excelente combinação de resistência mecânica, tenacidade e resistência à corrosão, são susceptíveis a formação de compostos intermetálicos quando expostos na faixa de temperatura de 320 a 955ºC (ASTM A923, 2008). A fase sigma é um composto intermetálico a base de FeCr que pode formar em poucos minutos em certas temperaturas comprometendo as propriedades mecânicas e reduzindo a resistência à corrosão devido a retirada de cromo da matriz. Desta forma, seja no tratamento térmico requerido para o processamento, na fabricação de equipamentos e componentes, bem como no ciclo de serviço, as reações cinéticas de formação desta fase devem ocorrer de forma a obter resistência à corrosão e propriedades mecânicas desejadas (IMOA, 2001). Elementos como Cr, Mo, W e Si aceleram a cinética de precipitação e ampliam a faixa de precipitação ao longo da temperatura (PARDAL et al., 2008). Desta forma, aços inoxidáveis duplex que são mais altamente ligados com cromo, molibdênio e níquel terão cinética mais rápida para formação de fase sigma. Por isso a precipitação ocorre mais rapidamente no aço 2205 do que no aço 2304 (IMOA, 2001). A precipitação da fase sigma pode reduzir drasticamente as propriedades de tenacidade. Em trabalho realizado para verificar o efeito da precipitação de fases intermetálicas no aço duplex 2205, verificou-se que a precipitação de 1 % de fase sigma é suficiente para degradar a tenacidade dos aços inoxidáveis duplex (CALLIARI et al., 2008). Modelos para prever a precipitação de fase sigma no aço duplex 2205 durante tratamento isotérmico e resfriamento contínuo em alta temperatura indicam que a temperatura mais crítica para precipitação da fase sigma é em torno de 850ºC e que o tempo de envelhecimento na temperatura de 865ºC não deverá exceder 134s onde observa-se a precipitação de 1% da fase sigma ( SIEURIN, SANDSTROM, 2007). Isto demanda um rigoroso controle durante o processamento à quente em que se devem impor taxas de resfriamento altas nas etapas de resfriamento de forma minimizar ao máximo a exposição do material na temperatura crítica. Sendo a formação da fase sigma uma das transformações microestruturais mais indesejáveis durante a fabricação de equipamentos e componentes mecânicos, várias aplicações de chapas grossas dos aços inoxidáveis duplex especificam critérios de tenacidade que o aço deve atender como garantia da qualidade estrutural das mesmas e da integridade mecânica dos equipamentos. Estes critérios são definidos em termos de energia mínima absorvida no ensaio de impacto em uma determinada temperatura e/ou em termos de expansão lateral do corpo-de-prova após ser fraturado. Por exemplo, no método B da norma ASTM A923, exige-se que caso seja observado alguma quantidade de fase sigma na microestrutura, o material deve obrigatoriamente ser submetido ao ensaio Charpy na temperatura de -40ºC e deverá absorver no mínimo 54J de energia para ser aprovado. Outra exigência comum para chapas grossas é a necessidade de atender os requisitos do código ASME para vasos de pressão. O código ASME é usado nos USA e em outras partes do mundo e contém os requisitos básicos para o projeto, seleção do material, fabricação, inspeção e testes para vasos de pressão. O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito da precipitação de fase sigma na tenacidade ao impacto do aço UNS S32205 assim como a tenacidade do aço UNS S32304 na temperatura de - 40 C visando atender requisitos de normas.
2. MATERIAIS E MÉTODOS Amostra do aço UNS S2205 foi retirada de chapa grossa com 10 mm de espessura e em seguida simulado a precipitação de fase sigma mediante a exposição da amostra na temperatura de 850ºC. Corpos-de-prova com fase sigma foram confeccionados e tratados termicamente na temperatura de 1000 C por 180, 600 e 1800 segundos para dissolução da fase frágil. Desta forma, além da condição inicial com fase sigma, mais três condições diferentes foram avaliadas totalizando quatro condições conforme a tabela abaixo. Tabela 1: Condições de testes do aço 2205. Condição A Com precipitação de fase sigma B Tratado a 1000 C por 180s. C Tratado a 1000 C por 600s. D Tratado a 1000 C por 1800s. Foi realizado análise microestrutural para quantificação da fase sigma em cada condição utilizando microscópio óptico com analisador de imagem. A fase sigma foi revelada após ataque eletrolítico com KOH. Amostras do aço UNS S2304 foram retiradas de chapas grossas acabadas nas espessuras de 10, 11, 12, 13, 14 e 15 mm e confeccionados corpos-de-prova para cada espessura. O ensaio Charpy-V foi realizado conforme norma ASTM A370 em corpos-de-prova com dimensões de 10mm x 10mm x 55mm com entalhe posicionado no sentido de laminação. O ensaio foi realizado na temperatura de -40ºC. A energia absorvida pelo corpo-de-prova foi registrada diretamente na máquina em Joules. Para o aço 2205, foi ensaiado um conjunto de três corpos-de-prova para cada condição e para o aço 2304 um conjunto de três corpos-de-prova para cada espessura. O aço 2205 teve os aspectos das superfícies de fratura analisadas macroscopicamente através de fotografias das superfícies e microscopiamente através de um microscópio eletrônico de varredura. Foram analisadas as superfícies de fratura dos corpos-de-prova ensaiados na condição com fase sigma (sem tratamento térmico) e tratado a 1800s. As superfícies de fraturas dos corpos-de-prova do aço 2304 não foram analisadas, porém foi realizada a medição da expansão lateral. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO O aço 2205 em todas as condições apresentou microestruturas como aquelas típicas dos aços inoxidáveis duplex onde se verifica quantidade de austenita e ferrita em proporções praticamente idênticas. Observa-se a fase ferrita (fase escura) formando uma matriz contínua com ilhas de austenita conforme descrito por Wilson e Gore (1999). Na condição A com precipitação, foi encontrada uma quantidade de 0,4% de fase sigma distribuída ao longo da largura do corpo-de-prova. Após tratamento térmico a quantidade de fase sigma foi dissolvida rapidamente de forma que na condição B com tempo de solubilização 180s, apenas 0,15% de fase sigma foi observado. Na condição C com 600s, a fase sigma foi dissolvida em quase sua totalidade sendo quantificado somente 0,05% desta fase. Na condição D após 1800s de solubilização não foi verificado fase sigma. A Tabela 2 abaixo resume as quantidades de fase sigma medidas em cada condição.
Tabela 2: Quantidade de fase sigma no aço 2205 após tratamento térmico. Condição Quantidades de fase sigma A Com precipitação de fase sigma 0,40% B Tratado a 1000 C por 180s. 0,15% C Tratado a 1000 C por 600s. 0,05% D Tratado a 1000 C por 1800s. 0,00% As Figuras 1ª e 1b mostram respectivamente as microestruturas do aço 2205 na condição A com 0,4% de fase sigma e na condição D isenta de fase sigma. a b Figura 1: Microestruturas do aço duplex. (a) 0,4% de fase sigma 500 vezes. (b) sem fase sigma 500 vezes. A Figura 2 mostra os valores de energia absorvida em função da quantidade de fase sigma em ensaio Charpy o aço duplex 2205 na temperatura de -40ºC. Energia Ensaio Charpy - 40 ºC - aço duplex 2205 absorvida (J) 160 140 132 120 100 80 109 101 60 40 54 20 7 0 0 0.05 0.15 0.4 Fase sigma (% ) Figura 2: Resultados do ensaio Charpy para o aço 2205 na temperatura de -40ºC. Como pode ser observado, corpos-de-prova do aço 2205 com 0,4% de fase sigma absorveram pouca energia no ensaio e os corpos-de-prova com menor quantidade de fase sigma absorveram mais energia. No trabalho realizado por Calliari et al (2008), foi verificado que a partir de 0,5% de fase sigma no aço começa a ocorrer perda de tenacidade e que 1,0% de fase sigma é suficiente para degradar a tenacidade dos aços duplex. Os resultados obtidos no ensaio Charpy para o aço 2205 demonstram que 0,4% de fase sigma conferiram alto grau de fragilidade ao aço 2205, que absorveu pouca energia no ensaio indicando que 0,4% são suficientes para degradar a tenacidade das chapas grossas do aço 2205. Com o tratamento térmico, a fase sigma foi dissolvida e a tenacidade do material foi recuperada. Apenas 180s de solubilização foram suficientes para que a quantidade de fase sigma reduzisse para 0,15% e o material absorvesse uma quantidade consideravelmente maior de energia no ensaio de impacto. O corpo-de-prova com tempo de 600s de solubilização teve sua tenacidade praticamente recuperada em 100% embora apresentasse uma quantidade de 0,05% de fase sigma. Corpo-de-prova
completamente sem fase sigma após 1800s de solubilização absorveu 132J de energia e esta coerente com a literatura (ATI ALLEGHENY, 2001). Considerando o critério de aprovação da norma ASTM A923 (que estipula no mínimo 54J a - 40ºC), a condição com 0,4% de fase sigma reprova o aço quanto à presença de fase sigma na microestrutura e que quantidades menores que 0,15% não comprometem a aprovação das chapas em função da energia absorvida no ensaio Charpy-V. A Figura 3 apresenta fotografias das superfícies de fratura dos corpos-de-prova com 0,4% de fase sigma e sem a presença de fase sigma ensaiados a -40 ºC. a b Figura 3: Superfícies de fratura dos corpos-de-prova do aço 2205 ensaiados a -40ºC. (a) com 0,4% de fase sigma. (b) sem fase sigma. Observa-se na figura que o material com 0,4% de fase sigma caracterizado como frágil e classificado como reprovado, apresentou um aspecto de fratura frágil bem diferente do que o conhecido para os aços inoxidáveis ferríticos, que apresentam um aspecto brilhante conforme observado no trabalho realizado por Cunha et al (2007). É possível ver que várias trincas propagaram-se de forma instável ao longo de toda largura do corpo-de-prova a partir do entalhe. Além disto, o corpo-de-prova não sofreu estricção, isto indica que o mesmo não absorveu energia durante a propagação das trincas. A macrografia do corpo-de-prova sem fase sigma indica aspecto de fratura dúctil com superfície opaca e grande estricção após absorção de energia no impacto. Porém no centro da superfície surgiram pequenas aberturas com características de delaminações. De acordo com Straffelini et al (1999) as delaminações se formam devido ao trincamento frágil da ferrita em baixas temperaturas. Os aspectos microscópicos nos mesmos corpos-de-prova são observados na Figura 4 e permitem compreender melhor os aspectos da fratura. Verifica-se que para o material com 0,4% de fase sigma, com um aumento de 500 vezes no MEV é possível observar trincas na superfície provavelmente na fase ferrita. Straffelini et al (1999) observou que as trincas propagam e produzem trincas secundárias. A superfície do corpo-de-prova sem fase sigma, com aumento de 500 vezes no MEV apresenta formação de dimples ou alvéolos característicos de fratura dúctil. Embora tenham sido observadas delaminações mesmo nesta condição, segundo Straffelini et al (1999) as delaminações têm o efeito de desviar a propagação das trincas devido ao o trincamento frágil das lamelas de ferrita o que justifica a alta quantidade de energia absorvida nesta condição. A presença de austenita que é uma fase dúctil também contribuiu para a alta absorção de energia. Regiões com características de fratura dúctil e áreas com característica de fratura frágil devido às delaminações indicam que embora o material tenha sido aprovado, na temperatura de -40ºC, o material está próximo da transição dúctil-frágil conforme relatado na literatura.
a b Figura 4: Aspectos microscópicos das superfícies de fratura de corpos-de-prova do aço 2205 ensaiados a -40 C.(a) com 0,4% de fase sigma. (b) sem fase sigma. A Figura 5 mostra os resultados de energia absorvida em função da espessura para o aço duplex 2304. Os resultados mostram, que independente da espessura, este aço é capaz de absorver considerável quantidade de energia na temperatura de -40 C. Observa-se um comportamento bem próximo do aço 2205 sem fase sigma. Figura 5: Resultados do ensaio Charpy para o aço 2304 na temperatura de -40ºC. Os valores de expansão lateral também confirmam alto grau de ductilidade com valores bem acima do mínimo especificado de 0,38 mm. A tabela abaixo apresenta os valores se expansão lateral medidos nos corpos-de-prova ensaiados. Tabela 3: Valores de expansão lateral dos corpos-de-prova do aço 2304 fraturados na temperatura de -40ºC. Espessura (mm) Expansão lateral (mm) 10 1,49 11 1,34 12 1,55 13 1,29 14 1,29 15 1,29 Os resultados de energia absorvida e expansão lateral além de aprovar as chapas grossas do aço 2304 nos critérios da norma ASTM A923 que exigem energia mínima de 54J na temperatura de -40ºC, atendem também as exigências de tenacidade descritas pelo código ASME (Seção VIII, Divisão 1) para vasos de pressão com MMDT (Minimum Design Metal Temperature MMDT) de - 40ºC que exigem energia mínima de 54J e expansão lateral mínima de 0,38 mm.
4. CONCLUSÕES As principais conclusões deste trabalho foram: Fase sigma no aço 2205 foi dissolvida rapidamente de 0,4% até 0,05% com 600s na temperatura de 1000 C; Valores menores que 0,15% de fase sigma na microestrutura do aço 2205 não comprometem a aprovação do material, porém valores acima podem comprometer a aplicação das chapas grossas do aço duplex não sendo recomendado; 0,4% de fase sigma foram suficientes para baixar a tenacidade do aço 2205; Aço 2205 sem fase sigma absorveu energia de 132J coerente com a literatura; Chapas grossas do aço 2304 apresentam excelente tenacidade na temperatura de -40º independente da espessura testada, verificado pela quantidade de energia absorvida e pelos valores de expansão lateral apresentado; Os aços 2205 e 2304 apresentaram comportamentos bem próximos no ensaio de impacto quando avaliados nas mesmas condições (sem fase sigma); Para fins de especificação, podem-se considerar os valores típicos de energia absorvida para chapas grossas dos aços duplex como sendo 132 J para o aço 2205 e 115 J para o aço 2304 na temperatura de -40ºC quando devidamente processados sem precipitação de fase sigma; As chapas grossas do aço duplex avaliadas atendem os requerimentos das normas ASTM A923 e do Código ASME VIII Divisão 1, para vasos de pressão; Análises fratográficas confirmaram modos de fratura frágil para o corpo-de-prova com 0,4% de fase sigma e fratura dúctil para o corpo-de-prova sem fase sigma. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). ASTM A923. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products, West Conshohocken, 2008. 10p. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). ASTMA370. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products, West Conshohocken, 2008. 47p. AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS (ASME). ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Sec. VIII, Div.1, New York, 2007. ATI ALLEGHENY LUDLUM. Duplex stainless steel AL 2205 TM S32205), 2008. 6p. alloy (UNS S31803 and CALLIARI, I.; RAMOUS, E.; REBUFFI, G.; STRAFFELINI, G. Investigation of secondary phases effect on 2205 DSS fracture toughness. La Metallurgia Italiana, July-august, p. 5-8, 2008. CUNHA, M.N.; MARINQUES, E. C. S.; SATURNINO, R.A.; FARIA, R. A. Avaliação da tenacidade à fratura do aço inoxidável ferrítico 430 estabilizado ao nióbio. In: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 62, Vitória. Anais. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais (ABM), 2007.p. 2900 2908. INTERNATIONAL MOLYBDENUM ASSOCIATION (IMOA). Practical Guidelines for the fabrication of duplex stainless steels, 2001. 48p.
PARDAL, J.M.; TAVARES, S. S. M; FARIA, R. A. Aços inoxidáveis duplex (austeno-ferríticos): Microestrutura e propriedades. Metalurgia & Materiais, v.64, n. 595, p. 624-626, 2008 SIEURIN, H.; SANDSTROM, R. Sigma phase precipitation in duplex stainless steel 2205. Materials Science and Engineering, A 444, p. 271-276, 2007. WILSON, C.; GORE. J., Optimization of mechanical, corrosion and magnetic properties of duplex stainless steels. In: INTERNATIONAL CONGRESS OF STAINLESS STEEL, 3, Chia Laguna Sardinia, Italia. Anais. Milão: Associazione Italiana di Metallurgia (AIM), 1999. p.481-486. Corresponding author: Márcio Nascimento Cunha (marcio.cunha@aperam.com)