Escola Politécnica de Pernambuco

AÇO INOXIDÁVEL DUPLEX

Professor: Antônio Fernando Carvalho Mota

Alunos: Giselly Basílio

Gilberto Pereira

Introdução

Atualmente, em sistemas de refrigeração de usinas nucleares, bem como na indústria química em vasos de pressão, reatores e em tubulações de trocadores de calor, são largamente utilizados os aços inoxidáveis duplex. Na maioria dos casos, os aços inoxidáveis duplex são escolhidos por causa da combinação de alta resistência mecânica e resistência a corrosão.

Esquematização do processo de fabricação dos aços inoxidáveis.

Aços inoxidáveis duplex

A classe de aços inoxidáveis duplex contém uma mistura de grãos de ferrita e austenita.

Uma microestrutura completamente ferrítica é formada durante a solidificação. A transformação parcial para austenita ocorre durante o resfriamento, com a precipitação de austenita na matriz ferrítica. Durante a laminação a quente e recozimento, a microestrutura conserva-se dentro do campo bifásico do diagrama de fases Fe-Cr-Ni, constituindo-se de lamelas alternadas de ferrita e austenita.

Microestrutura de um aço inoxidável duplex:

a ferrita é a fase escura e a austenita é a fase clara.

Principais características

Excelente resistência a corrosão, conferida pela adição de Mo e N e pela elevação do teor de Cr. Esse elementos aumentam a resistência a corrosão por pites. Além disso, por conter cerca de 50% de ferrita, possuem melhor resistência a corrosão sob tensão do que os aços inoxidáveis austeniticos;

Resistência mecânica superior a dos aços inoxidáveis austeniticos e ferríticos, devido ao efeito de grão obtido pela estrutura bifásica e ao endurecimento por solução sólida;

Melhor ductilidade e tenacidade do que os aços inoxidáveis ferríticos;

Melhor soldabilidade do que os ferríticos;

Aço inoxidável

Propriedades mecânicas típicas em tração

Limite de escoamento

Limite de resistência

Alongamento (%)

Austenítico ≈250 ≈550 >50

Ferrítico ≈350 ≈550 25-30

Duplex 500-550 700-800 ≈40

Apesar de boas propriedades mecânicas no estado solubilizado, os aços inoxidáveis duplex podem ser fragilizados quando aquecidos em determinadas faixas de temperatura.

No estágio atual de desenvolvimento, pode-se dizer que sua temperatura de serviço não deve ultrapassar os 300º C. Os principais fenômenos de fragilização que podem ocorrer nos inox duplex são os seguintes:

Fragilização por fase sigma; Precipitação de carbonetos de cromo; Fragilização por fase alfa;

Fragilização por fase sigma

O corre quando o duplex experimenta temperaturas na faixa de 600 a 1000º C, sendo a mais crítica a faixa de 700 a 900º C. A fase sigma se forma preferencialmente na ferrita, que possui mais cromo. Quando a fase sigma se forma, as regiões ferríticas adjacentes ficam empobrecida de cromo e, por isso, se convertem em austenita, com essa formação o aço endurece e se fragiliza rapidamente.

Precipitação de carbonetos de cromo A precipitação de carbonetos de cromo ocorre na faixa de 600 a

950º C, pode provocar a perda da resistência a corrosão e a fragilização.

Fragilização por fase alfa

A formação da fase alfa (fase rica em cromo) ocorre quando esses aços são expostos a temperaturas na faixa de 300 a 500º C. Onde a ferrita se decompõe em ferrita rica e em ferrita pobre em cromo. A precipitação é mais rápida a 450º C, mas pode ocorrer em temperaturas tão baixas quanto 300º C, para longos períodos de exposição.

Ex: aço inoxidável duplex UNS S31803Composição (%peso):

Amostras desse aço foram submetidas as temperaturas de 450, 600 e 850º C para os tempos de exposição em forno de 10, 24 e 100h e com resfriamento no próprio forno, para melhor detalhar a cinética de transformação das novas fases nos duplex. Logo após, foram submetidas a caracterização microestrutural através de um microscópio eletrônico de varredura.

O ensaio de dureza Brinnel foi utilizado para mostrar a relação entre as transformações de fase e dureza;

Resistência a corrosão.

C Cr Mn Ni Mo Si Co Cu N Nb Sn S P Fe

0,018 22,22 1,48 5,59 3,08 0,45 0,13 0,28 0,18 0,021 0,012 0,001 0,019 66,50

A tabela mostra a variação da dureza com os tratamentos térmicos de envelhecimento.

Temperatura/tempo de envelhecimento

Dureza Brinnel/HB [(HBméd / HBo) -1]* 100

Estado inicial 244 0%

450º C / 10h 321 31,5%

450º C / 24h 337 38,1%

450º C / 100h 329 34,8%

600º C / 10h 345 41,4%

600º C / 24h 266 9,0%

600º C / 100h 321 31,5%

850º C / 10h 306 25,4%

850º C / 24h 337 38,1%

850º C / 100h 337 38,1%

Pode-se notar que a precipitação da fase alfa (450º C) promove um aumento na dureza do material. Esse aumento pode ser notado já nas primeiras 10h de envelhecimento.

Já a diminuição da resistência a corrosão não pode ser observada para os tempos de exposição na temperatura de 450º C pela técnica usada.

Pode-se observar também que o aço chega a ter um aumento na sua dureza superior a 25% em quase todos os tratamentos térmicos de envelhecimento.

IMPORTANTE: A precipitação de nitreto de cromo, carbonetos de cromo e a fase

sigma, presentes na microestrutura dependendo da temperatura e tempo de envelhecimento, faz com que o material se torne mais frágil.

450º C/10h 450º C/100h

600º C/100h 850º C/24h

MEV do aço inoxidável dúplexUNS S31803, moído e submetido a TT a 1200 °C

30 minutos.

60 minutos.

Austenita

Austenita

Ferrita

180 minutos.

240 minutos.

FerritaAustenita

Observando-se as microestruturas obtidas pelos diferentes tempos foi possível detectar a presença de grãos menores dentro de grãos maiores.

Além disso, não foram obtidas estruturas lamelares de ferrita (CCC) e austenita (CFC).

A fase alfa tem uma maior dureza do que a fase gama.

Escola Politécnica de Pernambuco

AÇOSMARAGING

Professor: Antônio Fernando Carvalho Mota

Alunos: Giselly Basílio

Gilberto Pereira

Histórico do desenvolvimento do aço maraging Durante a guerra fria, na década de 50, os EUA procuraram

desenvolver um bombardeiro supersônico que pudesse atingir velocidades supersônicas. Evidentemente, velocidades desta ordem em uma aeronave, provocariam um aquecimento superficial devido ao atrito com o ar e a superfície desta aeronave atingiria temperaturas entre 250 e 300ºC. Desta forma, ligas convencionais de alumínio não poderiam ser empregadas.

Os aços maraging com cobalto tiveram início em 1960, através do desenvolvimento feito por Bieber na Internacional Nickel Company, onde o emprego simultâneo de Cobalto e Molibdênio propiciou um aumento significativo na resistência do material.

Efeito do cobalto no aço maraging

O efeito na resistência mecânica do Co-Mo, quando empregados simultaneamente nos aços maraging, é maior do que a soma do efeito de cada um destes elementos quando empregados isoladamente.

Microestrutura dos aços maraging O nome “maraging” originou da combinação de duas palavras,

MARtensite e AGING , termos em inglês que significam respectivamente martensita e envelhecimento, ou seja, martensita envelhecida. Sugerindo o tratamento térmico empregado e a microestrutura esperada.

FASE ESTEQUIOMETRIA ESTRUTURA OCORRÊNCIA

μ A7B6 romboédricaAlto Cr e Mo, baixo

Ni

ω A2B hexagonal

S A8B hexagonal

X A3B hexagonal

Fe2Mo A2B hexagonal Grau 400

Ni3(Ti,Mo) A3B hexagonal Grau 350

Ni3Mo A3B ortorrômbica

Ni3V A3B HC 7%V

Ni3W A3B ortorrômbica 7%W

FeMo AB tetragonal Baixo Ni, alto Mo

Os aços maraging possuem um elevado teor de Ni, entre 10 e 30 %, sendo comum o emprego de teores de 13%Ni na série 400 ou de 18% Ni nas séries 200, 250, 300 e 350. Este teor de Ni permite, portanto uma estrutura totalmente austenítica em temperaturas superiores à 750ºC, inibindo a transformação para ferrita durante o resfriamento.

Nestes tipos de aço, o teor de carbono é muito baixo (menor que 0,03%) e durante o resfriamento ocorre a transformação austenita-martensita, sendo que este martensita, chamada de martensita de Ni, é uma martensita dúctil de elevada densidade de discordância com estrutura cúbica de corpo centrado.

Esta martensita possui elevada densidade de discordâncias e alto teor de elementos de liga em solução sólida. Isto propicia um endurecimento significativo do material.

De forma geral, podemos dizer que nas ligas comerciais, os precipitados desejáveis são o Ni3Ti(hexagonal) e Ni3Mo (ortorrômbico), sendo o Ni parcialmente substituído pelo Fe e pelo Co, e o Ti substituído parcialmente pelo Mo. O Fe2Mo é um precipitado associado ao efeito de “overaging”, ou seja, superenvelhecimento.

O tratamento térmico aplicado depende da liga empregada, mas geralmente envolve uma austenitização seguido de um envelhecimento.

Efeito dos elementos de liga nos aços maraging

Titânio É um dos elementos mais ativos nos aços maraging. Ao final do envelhecimento quase todo Ti encontra se nos precipitados. Está presente desde as primeiras etapas do envelhecimento.

Alumínio Devido à alta afinidade do Al pelo Ni, este elemento está presente na fase Ni3Ti. Em alguns aços a adição do Al é realizada para substituir o Ti e baratear o preço, porém ocorre queda da resistência mecânica.

Molibdênio A precipitação de fases compostas por Mo é muito influenciada pela presença de outros elementos de liga (Co e Ti). Co aumenta a atividade do Mo na matriz. Em aços sem cobalto ocorre o atraso da cinética de precipitação e o principal precipitado é o Ni3Ti, o que provoca a necessidade de maior quantidade de Ti. Em aços livres de Ti, o Mo precipita como fase ω.

Silício É considerado usualmente como impureza. Em aços com Cr (corrosão) precipita a fase G (Ti6Si7Ni16) importante endurecedor, porém fragilizante.

Níquel O Níquel possui importante efeito a transformação martensítica de baixo carbono, porém em excesso tende a estabilizar a austenita revertida. Na austenita revertida existe uma maior concentração de Ni que a martensita. Os primeiros precipitados a se formarem no envelhecimento são ricos em Ni e a formação de austenita revertida é mais influenciada pela concentração de Ni na matriz após o envelhecimento do que a concentração na liga.

Cobalto A principal função do Co é baixar a solubilidade do Mo na martensita e seu emprego é justificado em conjunto com o Mo.

Microestrutura da liga(aço maraging sem cobalto resistente a corrosão) após a austenização а 1050oC por 1h e envelhecimento а 600oC por 10 horas.

Vantagens & Desvantagens

As principais vantagens dos aços maraging são:

Altíssima tensão de escoamento e de resistência até

3500 MPa; Alta tenacidade à fratura (superior à maioria

dos aços); Suporta temperaturas de trabalho de até

400ºC; Boa conformabilidade; Usinável antes do tratamento de

precipitação; Endurecimento realizado a baixo custo com

pouca Modificação dimensional; Não trinca devido a tensões de têmpera; Não ocorre descaburação; Pode ser nitrocarburado; É soldável

A principal desvantagem:

custo do material

Aplicação

Os aços maraging são aplicados na indústria aeronáutica, aeroespacial, militar, como matriz e ferramentas e na área nuclear.