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Eloy Strobel Filho et al.

ResumoO controle dos ciclos trmicos, nos tratamentos tr-

micos de tmpera e revenido, nos aos inoxidveis mar-tenstico do tipo 13Cr5Ni0,02C, essencial para se obterboa resistncia mecnica associada resistncia corro-so, principalmente em equipamentos para a extrao depetrleo. Corpos-de-prova foram austenizados por trshoras a 1025C, com posterior tmpera ao ar e gua erevenido a 680C por 10 horas e resfriados ao ar. Um se-gundo grupo de corpos-de-prova foi tratado, termicamen-te, nas mesmas condies, porm foi realizado alvio detenso a 150C por 1 hora e resfriado ao ar. O revenimentoaumenta, substancialmente, a tenacidade e a ductilidadee, em alguns casos, sem reduo substancial da resistn-cia mecnica. A elevada dureza e resistncia da martensi-ta revenida est relacionada alta relao de rea entreos contornos de cementita e da matriz, pois estas agemcomo barreiras movimentao das discordncias, du-rante a deformao plstica. Dessa maneira, a matriz que dctil, reforada pela cementita.

Palavras-chave: Tratamento trmico, ao inoxidvelmartenstico; propriedades mecnicas.

AbstractThe thermal cycle control of heat treatments for

the quenching and tempering of martensitic stainlesssteels, type 13Cr5Ni0,02C, is essential for obtainingthe good mechanical resistance which is associated tocorrosion resistance, mainly in equipment used inpetroleum extraction. Samples were austenized duringthree hours at 1025C, with posterior air and waterquenching and tempering at 680C during 10 hoursand then, air-cooled. A second sample group was heattreated under the same conditions, but a stress reliefwas done at 150C for 1 hour and then, air-cooled. Thetempering increases substantially its hardness andductility and in some cases, without substantialreduction of the mechanical resistance. The greathardness and resistance of the tempered martensite isrelated to the large area relation between the cementiteand matrix contours, because these act as barriers tothe dislocation motion during the plastic deformation.In this way, the matrix which is ductile is reinforced bythe cementite.

Keywords: Heat treatment, martensitic stainless steels,mechanical properties.

Efeito do tratamento trmico nacaracterizao microestrutural e daspropriedades mecnicas de um ao

inoxidvel martenstico do tipo13Cr5Ni0,02C

Eloy Strobel FilhoMestre pela Universidade So Francisco/PPG-EC

E-mail: strobel_strobel@uol.com.br

Alex Pereira de LimaGraduando da Universidade So Francisco/Engenharia Mecnica

E-mail: alexdelima@gmail.com

Neide Aparecida MarianoProfessora Associada da Universidade So Francisco/PPG-ECM

E-mail: neide.mariano@saofrancisco.edu.br

Metalurgia Fsica

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Efeito do tratamento trmico na caracterizao microestrutural e das propriedades mecnicas...

1. IntroduoNo incio da dcada de 60, foram

desenvolvidos os aos inoxidveis mar-tensticos macios (AIMM), com o obje-tivo de melhorar a resistncia mecnicae de corroso desses materiais, princi-palmente em relao necessidade dediminuir os defeitos de solidificao, queocorriam com freqncia nos aos ino-xidveis martensticos tradicionais.

Os aos inoxidveis martensticosso empregados em ambientes onde hexigncia de resistncia mecnica aliada resistncia corroso e dureza. O aoinoxidvel martenstico do tipo13Cr5Ni0,02C, encontrou rpida aceita-o na fabricao de componentes degrandes sees, como rotores de turbi-nas hidrulicas e componentes na inds-tria qumica e de petrleo, devido s ex-celentes combinaes das propriedadesmecnicas, resistncia corroso e ero-so, acompanhadas de alta temperabili-dade.

Nessa classe de ao, o teor de car-bono menor, em relao aos aos ino-xidveis martensticos convencionais,necessitando da adio de elementos deliga que promovam a estabilizao dafase austentica, como o Ni. A reduodo carbono pode-se evitar a precipita-o de carbonetos do tipo Cr23C6, tra-zendo efeitos benficos resistncia corroso desses aos (Newman, 2001).

Dessa forma, as otimizaes daspropriedades mecnicas e de corrosose tornaram dependentes da composi-o qumica e das temperaturas de reve-nimento do material.

Entretanto essas propriedades po-dem ser, seriamente, prejudicadas, emfuno da precipitao de fases, em ge-ral, ricas em cromo, na temperatura deservio ou durante o processamento eos tratamentos trmicos de tmpera e re-venimento. Assim, os ciclos trmicos aosquais esses aos so submetidos devemser realizados sob um controle absoluto.

O tratamento trmico desses aosconsiste de uma tmpera seguida de umrevenido simples, cujas condies sootimizadas para proporcionar ao ao a

resistncia mecnica, dureza e tenacida-de necessrias.

O tratamento trmico de tmperaconsiste no aquecimento do materialdentro do campo austentico, seguido deresfriamento at uma temperatura abaixoda temperatura Mi, rpido o suficientepara obteno de martensita (Balan etal., 1998; Leslie, 1981; Leem et al., 2001;Rodrigues et al., 2000). A martensita uma fase metaestvel, resultante datransformao da austenita. A martensi-ta uma soluo slida supersaturadade carbono, de estrutura tetragonal decorpo centrado (TCC), que uma formadistorcida do ferro (ferrita). No entan-to, em aos com teores de carbono me-nores que 0,2%C em peso, que o casodo ao em estudo (< 0,06%C em peso),no obedece relao de que, quantomaior o teor de carbono, maior a tetra-gonalidade da martensita, assim esse aotem estrutura cristalina CCC (Krauss,1999).

Os aos 13Cr5Ni0,02%C so auste-nitizados entre 950-1050C, temperaturasna qual ocorrem a dissoluo de carbo-netos e a decomposio da ferrita deltaoriunda do material bruta fuso. A tem-peratura de austenitizao no deve sermuito baixa, pois pode levar a baixosvalores de tenacidade, devido no dis-soluo dos carbonetos e no deve sermuito alta para evitar o crescimento acen-tuado dos gros austenticos. Objetiva-se, portanto, uma martensita homogneaque resulte em melhores propriedadesmecnicas e de resistncia corroso.

O tratamento trmico de revenidotem por objetivo uma otimizao das pro-priedades mecnicas e tenacidade doao. E os principais fenmenos relacio-nados com o revenido so: precipitaode carbonetos; recuperao e recristali-zao da estrutura martenstica e forma-o de austenita, que permanece retida,aps resfriamento temperatura ambi-ente.

Durante o revenido, pode ocorrer aformao de uma seqncia de precipi-tao, em funo do aumento da tempe-ratura de revenido, como: M3C a 300C,na faixa 300-400C, observa-se a presen-

a de austenita retida, entre 450 e 500C,h uma precipitao fina de M7C3 e in-cio da formao de M2C, com o aumentoda temperatura acima de 500C, obser-vam-se uma diminuio da quantidadede austenita retida e uma crescente for-mao de M23C6 (Cr23C6), entre as ripasda martensita revenida (Nalbone,2000; Iwabuchi; Sawada, 2000).

Assim, o objetivo desse trabalhofoi avaliar o efeito dos tratamentos tr-micos na microestrutura e propriedadesmecnicas do ao inoxidvel martensti-co do tipo 13Cr5Ni0,02%C, de forma queos resultados contribuam para a viabili-dade tcnico-econmica da utilizao domesmo.

2. Materiais e MtodosA Tabela 1 apresenta a composio

qumica do ao inoxidvel martensticofundido do tipo 13Cr5Ni0,02C. O ao foiobtido de acordo com a norma ASTMA743-743M-98, a partir do material fun-dido e vazado em moldes de areia aglo-merada com resina fenlica-uretnica, emforma de blocos tipo quilha. A liga foirecebida na condio de bruta de fuso,na forma de corpos de prova cilndricosde dimetro de, aproximadamente, 50mme comprimento de 250mm.

Os corpos-de-prova foram tratadostermicamente nas condies: austeniti-zao a 1025C por 3 horas, com posteri-or tmpera ao ar, seguidos de revenimen-to a 680C por 10 horas e, em seguida,algumas amostras foram resfriadas ao are outras em gua. Tambm foi realizadoalvio de tenso a 150C por uma horacom resfriamento ao ar, em algumasamostras. A Tabela 2 apresenta as con-dies dos tratamentos trmicos empre-gados.

As amostras foram caracterizadaspor microscopia tica aps os tratamen-tos trmicos, para avaliar a morfologiada microestrutura. Para revelar a micro-estrutura, foi utilizado um ataque qumi-co por imerso temperatura ambiente eo reagente qumico empregado foi o Vil-lela (50ml de HCl e 10g de cido pcricoem 1000ml de lcool etlico ).

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Os parmetros mecnicos como li-mite de resistncia trao (R), limite deescoamento para 0,2% de deformao(E), deformao total no alongamento(t) e reduo de rea (RA), do ao trata-do termicamente nas condies A e Cforam obtidos atravs do ensaio de tra-o. As medidas de dureza foram realiza-das em Rockweell C com um mnimo decinco impresses sobre a superfcie dasamostras, nas condies tratadas termi-camente.

3. Resultados ediscusses

As micrografias apresentadas nasFiguras 1a (condio A) e 1b (condioB) so formadas por matriz martenstica,disposta em agulhas muito finas de dis-tribuio homognea. Nas referidas fi-guras, tambm se observa semelhananas microestruturas obtidas nos trata-mentos trmicos de revenido ao ar e emgua.

As fotomicrografias apresentadasnas Figuras 2a (condio C) e 2b (condi-o D) apresentaram microestrutura maisdispersa em relao s amostras que nosofreram tratamento trmico de alvio detenso. Na condio com alvio de ten-so, a martensita est disposta na forma

de ripas paralelas com a mesma orienta-o cristalogrfica, formando blocos.

Pelas caractersticas morfolgicasapresentadas, foi possvel verificar quea forma do resfriamento (ar e gua) noinfluenciou na microestrutura final domaterial. E, para essas condies, tam-bm no ocorreu variao da microes-trutura nas sees transversal e longitu-dinal das amostras.

A Tabela 3 apresenta os resultadosde dureza e pode ser observado que nohouve variao significativa nos valo-res obtidos nas sees transversal e lon-gitudinal e a disperso das medidas foipequena, demonstrando homogeneida-de do tratamento trmico da liga.

Os resultados mostraram que o res-friamento forado em gua, quando com-parado com o resfriamento ao ar, no tra-tamento trmico sem alvio de tenso,no influenciou a dureza do ao de for-ma significativa. Entretanto, no tratamen-to trmico com posterior alvio de ten-so, o valor da dureza do material foimenor, quando comparado aos sem al-vio de tenso. Esse resultado decor-rente da microestrutura da matriz marten-stica, que se encontra disposta na for-ma de ripas paralelas, enquanto que omaterial sem alvio de tenso apresentauma matriz martenstica, disposta em agu-

lhas muito finas, promovendo uma dure-za maior.

A Tabela 4 mostra os resultados dosensaios de trao realizados nos aostratados termicamente sob as condiesA, C, no ao recebido com tratado trmi-co industrial (austenitizao por trs ho-ras a 1020C-1050C, com posterior tm-pera ao ar forado, revenimento por 10horas entre 670C-690C e resfriado sobar forado) e tambm mostra os valoresrecomendados pela norma ASTM A487/A487M-98. Os valores apresentados re-presentam uma mdia de trs corpos-de-prova para cada condio de tratamentotrmico.

Os ensaios de trao foram realiza-dos apenas nas condies A e C dostratamentos trmicos propostos, por noter sido observada variao significati-va, tanto nas microestruturas, como nadureza das amostras revenidas e resfria-das ao ar e em gua. Observou-se queos valores obtidos, para a condio comalvio de tenso, esto mais prximos dosvalores recomendados por norma do quea condio sem alvio de tenso.

O revenimento da martensita, apsa tmpera, aumentou, sensivelmente, atenacidade e ductilidade e, em alguns ca-sos, sem reduo substancial da resis-tncia mecnica. A elevada dureza e re-

Tabela 1 - Composio qumica do ao inoxidvel martenstico em (% peso).

Tabela 2 - Condies dos tratamentos trmicos empregados.

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Efeito do tratamento trmico na caracterizao microestrutural e das propriedades mecnicas...

Figura 1 - Micrografias obtidas por microscopia tica. (a) na condio de revenido, resfriado ao ar e sem alvio de tenso; (b) Nacondio de revenido, resfriado em gua e sem alivio de tenso. Ataque qumico Vilella.

Figura 2 - Micrografias obtidas por microscopia tica. (a) na condio de revenido, resfriado ao ar e com posterior alvio de tenso;(b) Na condio de revenido, resfriado em gua e com posterior alvio de tenso. Ataque qumico Vilella.

Tabela 3 - Resultados de dureza do ao inoxidvel, em Rockwell C.

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sistncia da martensita revenida est re-lacionada com a alta relao de rea en-tre os contornos de cementita e da ma-triz, pois estas agem como barreiras movimentao das discordncias, duran-te a deformao plstica. Dessa maneira,a matriz, que dctil, reforada pelacementita.

4. ConclusesAs condies utilizadas nos trata-

mentos trmicos foram adequadas para-se obterem a microestrutura, a dureza eas propriedaes mecnicas desejadas. Oresfriamento do revenimento, seja ao arou em gua, no alterou a morfologia dasmicroestruturas, nas condies estuda-das, porm afetou a dureza do material.A microestrutura do ao 13Cr5Ni0,02Crevenido e resfriado ao ar ou gua, semalvio de tenso, foi constituda por umamatriz martenstica, disposta em agulhasmuito finas de distribuio homognea,enquanto que no revenido com posteri-or alvio de tenso, a martensita est dis-posta na forma de ripas paralelas com amesma orientao cristalogrfica, for-mando blocos.

5. AgradecimentosOs autores agradecem a FAPESP pelo suporte financeiro ao Projeto de

Auxlio Pesquisa - Processo N 02/04827-2.

6. Referncias bibliogrficasAMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard specification for

steel casting suitable for pressure service.-Designation A487/A487M-98. In: AnnualBook of ASTM Standards. Philadelphia, 1998.

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Artigo recebido em 30/07/2006 e aprovado em 05/10/2006.

Tabela 4 - Parmetros obtidos pelos ensaios de trao.

Rem - Revista Escola de Minas71 anos divulgando CINCIA.71

2007 - Revista Escola de

Min

as -

1936 -