UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM

ENGENHARIA MECNICA

Dissertao de Mestrado

ESTUDO DO EFEITO DO APORTE TRMICO NAS PROPRIEDADES

MECNICAS E MICROESTRUTURAIS DO AO INOXIDVEL DUPLEX

UNS S 31803 EM CHAPA GROSSA, SOLDADO PELO PROCESSO GMAW.

Autor: Antonio Marcos Borba Roldo

Orientador: Professor Alexandre Queiroz Bracarense, PhD.

Belo Horizonte

Maio / 2010

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Antnio Marcos Borba Roldo

ESTUDO DO EFEITO DO APORTE TRMICO NAS PROPRIEDADES

MECNICAS E MICROESTRUTURAIS DO AO INOXIDVEL DUPLEX

UNS S 31803 EM CHAPA GROSSA, SOLDADO PELO PROCESSO GMAW.

Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de Ps-Graduao em

Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Minas Gerais, como

requisito parcial a obteno de ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.

rea de concentrao: Processos de Fabricao/Soldagem.

Orientador: Prof. Dr. Alexandre Queiroz Bracarense.

Departamento de Engenharia Mecnica, UFMG.

Belo Horizonte

Escola de Engenharia da UFMG

2010

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Aos meus pais, Antonio Roldo da Silva e

Maria de Lourdes Borba Roldo

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AGRADECIMENTOS

A Deus.

A meus pais,

aos filhos Thais e Thalles.

Aos filhos Thais e Thalles pelo carinho e pacincia.

A esposa Lia Lacerda, pelo incentivo, pacincia e carinho.

Ao professor Alexandre Queiroz Bracarense pela orientao, toda ateno dedicada

e apoio durante todo desenvolvimento do Mestrado.

Ao Max A. Damazio pelo apoio, incentivo e compreenso para permitir iniciar o curso

em paralelo com jornada de trabalho.

Ao Ricardo A. Faria pela orientao, pacincia e apoio e toda a ateno dedicada.

Aos profissionais do PPD Centro de pesquisa da ArcelorMittal Inox Brasil apoio e

amizade oferecidos, em especial: Ricardo Jos, Alexandre e Tarcsio Oliveira.

Aos colegas de trabalho da Engenharia de Manuteno da ArcelorMittal Inox Brasil,

em especial ao Willian Carvalho, Valdir Quinto, Alberto H. Hibino, Dimas Olmpio e

Helio Antnio.

A empresa ArcelorMittal Inox Brasil pela doao do material, utilizao dos

laboratrios e pela liberao do tempo para desenvolvimento, incentivo e todo apoio

recebido, inclusive subsdio financeiro.

A empresa Sandvick pela doao do consumvel aplicado no trabalho e pela

ateno dedicada.

E a todos que direta ou indiretamente contriburam para a realizao deste trabalho

v

SUMRIO

AGRADECIMENTOS .......................................................................................................... iv SUMRIO............................................................................................................................. v NOMENCLATURA ............................................................................................................ vii LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................... viii LISTA DE TABELAS ........................................................................................................... x LISTA DE QUADROS ......................................................................................................... xi LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................................... xii RESUMO ............................................................................................................................ xv ABSTRACT ...................................................................................................................... xvii 1 INTRODUO ............................................................................................................. 1 2 REVISO BIBLIOGRFICA ....................................................................................... 3

2.1 AO INOXIDVEL .............................................................................................. 3 2.1.1 Sistema de classificao .................................................................................. 5 2.1.2 Composio qumica bsica ............................................................................ 6 2.1.3 Propriedades mecnicas representativas .......................................................... 7 2.1.4 Resumo das caractersticas de cada tipo de ao inoxidvel .............................. 7 2.1.5 Resumo do comportamento a soldagem dos aos inoxidveis ......................... 8

2.2 AOS INOXIDVEIS DUPLEX LAMINADOS ................................................ 9 2.2.1 Microestrutura .............................................................................................. 10 2.2.2 Propriedades Fsicas ..................................................................................... 11 2.2.3 Propriedades Mecnicas ................................................................................ 13 2.2.4 Resistncia Corroso .................................................................................. 18

2.2.4.1 Corroso por Pite ...................................................................................... 19 2.2.4.2 Corroso sob tenso .................................................................................. 21

2.2.5 Aplicaes dos aos inoxidveis duplex ........................................................ 22 2.2.5.1 Aplicaes em leo e gs .......................................................................... 23 2.2.5.2 Desenvolvimento de chapas grossas e suas aplicaes ............................... 24

2.3 PRECIPITAO NOS AOS INOXIDVEIS DUPLEX ................................... 26 2.3.1 Estabilidade estrutural dos aos duplex ......................................................... 28 2.3.2 Fase Sigma () .............................................................................................. 29 2.3.3 Nitretos de Cromo (Cr2N CrN) ................................................................... 33 2.3.4 Fase Laves ( ) ............................................................................................. 34 2.3.5 Fase Chi () .................................................................................................. 34 2.3.6 Fragilizao a 475 C (= alfa linha) ........................................................... 34 2.3.7 Carboneto de Cromo (M23C6) ........................................................................ 35

2.4 SOLDABILIDADE DOS AOS INOXIDVEIS DUPLEX ................................ 36 2.4.1 Tcnica de Soldagem .................................................................................... 37 2.4.2 Processo de Soldagem ................................................................................... 37

2.4.2.1 Variveis do processo ............................................................................... 39 2.4.2.2 Metal de Adio ........................................................................................ 39 2.4.2.3 Preaquecimento ......................................................................................... 39 2.4.2.4 Temperatura entre passes (Tep) ................................................................. 40 2.4.2.5 Aporte trmico de soldagem ...................................................................... 40 2.4.2.6 Outros parmetros importantes do processo de soldagem GMAW ............. 40

2.4.3 Metalurgia da soldagem dos aos inoxidveis duplex .................................... 42 2.4.3.1 Zona fundida (ZF) em funo da composio qumica .............................. 42 2.4.3.2 Zona termicamente afetada (ZTA) ............................................................ 45

vi

2.5 SOLDAGEM MULTIPASSES ............................................................................. 46 2.6 SOLDAGEM DE CHAPA FINA2 DE AO INOXIDVEL DUPLEX ................ 47

3 OBJETIVO .................................................................................................................. 51 4 METODOLOGIA EXPERIMENTAL .......................................................................... 52

4.1 MATERIAIS ........................................................................................................ 53 4.1.1 Materiais da 1 e 2 fases ............................................................................... 53

4.1.1.1 Definio do gs de proteo .................................................................... 54 4.2 METODOS .......................................................................................................... 54

4.2.1 Mtodo da 1 fase.......................................................................................... 54 4.2.2 Mtodo da 2 fase.......................................................................................... 56 4.2.3 Preparao para ensaios mecnicos ............................................................... 58

5 RESULTADOS ............................................................................................................ 62 5.1 RESULTADOS DA 1 FASE ............................................................................ 62

5.1.1 Produo de cordes sobre chapa .................................................................. 62 5.1.2 Soldagem da junta de topo com chanfro K .................................................... 65 5.1.3 Soldagem da junta de topo com o chanfro X ................................................. 71

5.2 RESULTADOS DA 2 FASE ............................................................................. 73 5.2.1 C1: Condio de baixa energia de soldagem (0,85 kJ/mm) e temperatura entre passes menor que 150 C. ............................................................................................. 73

5.2.1.1 Monitoramento do ciclo trmico da soldagem com baixa energia e temperatura entre passes menor que 150 C .............................................................. 74

5.2.2 Soldagem com alta energia (acima de 2 kJ/mm) ............................................ 75 5.2.3 C2: Condio de alta energia de soldagem (2,50 kJ/mm) e temperatura entre passes menor que 150 C. ............................................................................................. 76 5.2.4 C3: Condio de alta energia de soldagem (2,51 kJ/mm) e temperatura entre passes maior que 150 C. .............................................................................................. 77 5.2.5 Resultados dos ensaios .................................................................................. 80

5.2.5.1 Resultados da microscopia ptica .............................................................. 80 5.2.5.2 Medio de microdureza ........................................................................... 87 5.2.5.3 Medio das fraes de ferrita e austenita nas juntas soldadas. .................. 91 5.2.5.4 Ensaio de trao ........................................................................................ 94

6 CONCLUSES ........................................................................................................... 98 7 SUGESTES DE TRABALHOS FUTUROS ............................................................ 100 8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................ 101

vii

NOMENCLATURA

HRB Dureza (Rockwell B)

HV Dureza (Vickers)

LE Limite de Escoamento (MPa)

LR Limite de Resistncia (MPa)

# Granulometria da Lixa (mesh)

Fragilizao a 475C

2 Austenita secundria

Ferrita alfa

T Gradiente de temperatura

Fase sigma

Ferrita delta

Austenita

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Corroso de aos ao cromo expostos por 10 anos a uma atmosfera ......................... 4 Figura 2 - Microestrutura do ao inoxidvel duplex (UNS S31803) ...................................... 11 Figura 3 - Resistncia ao impacto dos aos inoxidveis duplex e 316L. ................................ 12 Figura 4 - Expanso trmica x 10 -6/ C dos aos inoxidveis duplex (SENATORE, 2007). . 13 Figura 5 - Tenso vs. deformao verdadeiras ao duplex . (FONTES, 2009). ...................... 15 Figura 6 - Limite de escoamento e dependncia com a temperatura. (FONTES, 2009). ........ 16 Figura 7 - Dependncia do limite de escoamento de aos inoxidveis................................... 16 Figura 8. Dependncia do limite de resistncia com a percentagem ...................................... 17 Figura 9 : Dependncia da energia de impacto de aos inoxidveis ...................................... 17 Figura 10 : Resistncia CST, soluo neutra contendo cloretos (SENATORE, 2007). ........ 21 Figura 11. Principais aplicaes dos aos inoxidveis duplex [SUTTO, 2003]. Corrigido..... 22 Figura 12. Principais produtos expedidos em 2004 ............................................................... 23 Figura 13. Modelo de nucleao e crescimento da fase durante a ...................................... 30 Figura 14. Diagrama TTP de formao de fase sigma para ao inoxidvel duplex ................ 31 Figura 15. Formao da frao volumtrica da fase sigma em ao inoxidvel ....................... 31 Figura 16. Precipitao isotrmica de fase sigma (tempo temperatura .................................. 32 Figura 17. Amostra envelhecida (ao UNS S32750), a 950 C por 4 horas, atacada.............. 33 Figura 18. Diagrama de SCHAEFFLER [AWS A 5.22-95] modificado. ....................................... 44 Figura 19. Representao esquemtica dos grupos de aos inoxidveis ................................ 44 Figura 20. Repartio trmica esquemtica numa junta soldada correlacionada .................... 46 Figura 21. Curvas de precipitao de fases para aos inoxidveis duplex.............................. 49 Figura 22. Fluxograma da metodologia experimental .......................................................... 52 Figura 23. Efeito do Ni sobre o diagrama pseudobinrio ..................................................... 54 Figura 24. Desenho da geometria da junta de topo e chanfro em K. ...................................... 55 Figura 25. Montagem junta de topo e chanfro em X. ............................................................ 56 Figura 26. Desenho esquemtico da posio de montagem dos termopares. ......................... 57 Figura 27. Instalao dos termopares antes da soldagem (a) e situao aps soldagem (b). ... 57 Figura 28. Desenho esquemtico do sentido de corte das amostras. ...................................... 58 Figura 29. Corpo de prova cilndrico conforme norma DIN 50125 ou DIN EN10002-1 ....... 58 Figura 30. Desenho esquemtico da medio frao das fases na ZTA junta 1 ..................... 60 Figura 31. Desenho esquemtico da medio frao das fases na ZTA junta 2 ..................... 60 Figura 32. Desenho esquemtico da medio frao das fases na ZTA junta 3 ..................... 60 Figura 33. Desenho esquemtico dos pontos de medio de microdureza. ............................ 61 Figura 34. Relao entre energia de soldagem e frao de ferrita. ......................................... 63 Figura 35. Cordes sobre chapa. .......................................................................................... 63 Figura 36. Relao entre energia soldagem, penetrao e reforo do cordo. ........................ 64 Figura 37. Equipamento soldagem MIG/MAG (a) e equipamento de alimentao arame (b). 64 Figura 38. Posicionamento da tocha no chanfro em K. ......................................................... 66 Figura 39. Posicionamento da tocha no chanfro em K. ......................................................... 66 Figura 40. Defeito de falta de fuso na face da raiz da junta soldada. ................................... 68 Figura 41. Cordes de solda (a) falta de fuso da raiz e face da raiz (b). ............................... 69 Figura 42. Desenho esquemtico da junta com a solda de raiz (a), a aplicao de extrao da raiz na raiz (b) e a junta preenchida ainda apresentando o defeito de falta de fuso (c). .... 70 Figura 43. Montagem junta de topo e chanfro em X. ............................................................ 71 Figura 44. Configurao da seqncia dos cordes ............................................................... 71 Figura 45. Variao da posio do arame para enchimento da raiz (a) e segundo passe(b). ... 72 Figura 46. Configurao do chanfro em (a), fuso da raiz (b) e cordo de acabamento (c). ... 73 Figura 47. Desenho esquemtico da seqncia de passes da junta soldada. ........................... 74

ix

Figura 48. Ciclo trmico da soldagem condio C1 .............................................................. 74 Figura 49. Fuso excessiva da raiz (a) e vazamento do metal fundido com posterior ........... 76 Figura 50. Desenho esquemtico da seqncia de soldagem ................................................. 77 Figura 51. Desenho esquemtico da seqncia de soldagem ................................................. 78 Figura 52. Ciclo trmico da soldagem. ................................................................................. 78 Figura 53. Curvas de precipitao de fases para aos inoxidveis duplex.............................. 79 Figura 54. Medio de corrente e tenso durante a soldagem junta 3 condio C3 ................ 80 Figura 55. Microestrutura do metal base (aumento 200x). .................................................... 80 Figura 56. Macrografia das regies da junta 1 (aumento 8x). ................................................ 81 Figura 57. Macrografia das regies da junta 2 (aumento 8x). ................................................ 81 Figura 58. Macrografia das regies da junta 3 (aumento 8x). ................................................ 82 Figura 59. Junta 1 na ZTA - passe enchimento (a), junta 2 na ZTA passe enchimento (b) e junta 3 na ZTA- passe enchimento (c). Todas as fotos com aumento 500x. ........................ 82 Figura 60. Junta 1 ZTA - passes enchimento (a) (aumento 50x), Junta 2 ZTA- passe enchimento (b) (aumento 50 x) e Junta 3 ZTA- passe de enchimento (c) (aumento 200 x). ... 83 Figura 61. Junta 1 na ZF entre 2 e 3 passes (a), junta 2 na ZTA do 2 passes (b) ............. 84 Figura 62. Junta 1 ZF - cordo 7 (enchimento). Aumento 200x. ........................................... 85 Figura 63. Junta 3 ZF - cordo 3 (enchimento). Aumento 200x. ........................................... 85 Figura 64. Regio da ZTA das juntas 1(a), 2(b), e 3(c) todas na regio do passe 2 (enchimento/acabamento). Aumento 200 x. ......................................................................... 86 Figura 65. Variao da microdureza na ferrita e austenita, MB, ZF e ZTA, junta 1. .............. 88 Figura 66. Variao da microdureza na ferrita e austenita, MB, ZF e ZTA, junta 2. ............ 89 Figura 67. Variao da microdureza na ferrita e austenita, MB, ZF e ZTA junta 3. ............... 90 Figura 68. Variao da microdureza na ferrita para as condies C2 e C3. ........................... 91 Figura 69. Frao de ferrita e austenita da junta 1 ................................................................. 91 Figura 70. Frao da fase ferrita e austenita da junta 2 ......................................................... 92 Figura 71. Frao de ferrita e austenita da junta 3 ................................................................. 93 Figura 72. Relao do aporte trmico com frao de ferrita e austenita. ................................ 94 Figura 73. Desenho esquemtico da junta soldada (a) e direo de fratura no CP (a) e.......... 94 Figura 74. Corpo de prova de trao, aps o ensaio. ............................................................. 94 Figura 75. Relao entre resistncia mecnica e aporte trmico. ........................................... 96 Figura 76. Relao entre alongamento e aporte trmico. ....................................................... 97

x

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Composio qumica bsica dos aos inoxidveis .................................................. 6 Tabela 2 - Propriedades mecnicas (mnimas) dos aos inoxidveis ....................................... 7 Tabela 3 - Composio qumica dos principais aos inoxidveis .......................................... 12 Tabela 4 - Propriedades fsicas dos aos inoxidveis ............................................................ 13 Tabela 5 - Comparao das propriedades mecnicas (valores mnimos) (NILSSON, 1997). . 14 Tabela 6 - Relao de percentual de cromo com resistncia a oxidao ................................ 18 Tabela 7 - PRE de alguns aos inoxidveis ........................................................................... 20 Tabela 8 - Principais fases secundrias dos aos inoxidveis duplex ..................................... 27 Tabela 9 Clculo da taxa de resfriamento (terica) ............................................................ 49 Tabela 10. Composio qumica mdia (% massa) do UNS S 31803 .................................... 53 Tabela 11. Composio qumica mdia (% massa) do AWS ER 2209 .................................. 53 Tabela 12. Dimenses padronizadas para corpo de prova de trao. ..................................... 59 Tabela 13. Parmetros de soldagem ..................................................................................... 62 Tabela 14. Resultados da soldagem dos cordes sobre chapa (UNS S31803)........................ 62 Tabela 15. Parmetros de soldagem nos laboratrios da UFMG e ArcelorMittal Inox. ......... 65 Tabela 16. Parmetros do primeiro cordo no chanfro em K. ............................................... 67 Tabela 17. Parmetros de soldagem para enchimento do chanfro em K, junta de topo. ......... 67 Tabela 18. Parmetros para obteno de maior energia de soldagem. ................................... 69 Tabela 19. Parmetros iniciais de soldagem para chanfro em X ............................................ 72 Tabela 20. Parmetros para soldagem da junta 1, condio C1. ............................................ 74 Tabela 21. Parmetros do teste para cordes iniciais com alta energia de soldagem. ............. 75 Tabela 22. Parmetros para soldagem da junta 2, condio C2. ............................................ 76 Tabela 23. Parmetros para soldagem da junta 3, condio C3. ............................................ 77 Tabela 24. Clculo da taxa de resfriamento (aplicando temperaturas coletadas).................... 79 Tabela 25. Valores de microdureza no metal base (MB) para ferrita e austenita.................... 87 Tabela 26. Valores de microdureza no Metal Base, ZF e ZTA. ............................................. 87 Tabela 27. Valores de microdureza no Metal Base, ZF e ZTA da amostra 2. ........................ 88 Tabela 28. Valores de microdureza no Metal Base, ZF e ZTA da junta 3.............................. 89 Tabela 29. Limites de escoamento (0,2 %) e resistncia trao .......................................... 95 Tabela 30. Comparao entre valores de alongamento.......................................................... 96

xi

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Elementos alfagneos e gamagneos .................................................................... 5 Quadro 2 . Caractersticas dos grupos de aos inoxidveis (FEDELE et al., 1999) ................. 8 Quadro 3 - Problemas na soldagem dos aos inoxidveis (BALSAMO, 2000) ....................... 8 Quadro 4 - Efeitos causados pelos elementos de liga nos aos inox duplex (WEBER, 2004). 28

xii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABM Associao Brasileria de Metalurgia e Materiais

ACESITA Aos Especiais Itabira

AISI American Iron and Steel Institute

Al Alumnio

AID Ao Inoxidvel Duplex

AOD Argon Oxygen Decarburization

ARCELORMITTAL Siderrgica ArcelorMittal

ASME American Society of Mechanical Engineers

Ar Argnio

ASM American Society of Metals

ASTM American Society for Testing and Materials

AWS American Welding Society

Bar Unidade de presso

BEHARA Reagente Behara

CHARPY Ensaio de impacto Charpy

C Carbono

CCC Cbica de Corpo Centrado

CFC Cbica de Face Centrada

Chi Fase intermetlica no ao inoxidvel duplex

CP Corpo de Prova

CO2 Gs Carbnico

Cr Cromo

Cr23C6 Carboneto de Cromo

Cr2N Nitreto de Cromo

CrO3 Oxido de Cromo

CST Corroso sob Tenso

Cu Cobre

do Dimetro do corpo de prova

d1 Dimetro do ombro do corpo de prova.

d2 Dimetro da cabea.

DBCP Distncia do bico de contato at a pea

xiii

D.L. Direo de laminao

D.S. Direo de soldagem

DUPLEX Ao inoxidvel duplex

Eab Energia absorvida pela chapa (J/mm)

FCAW Flux Cored Arc Welding

Fe Ferro

FN Nmero de ferrita

g Comprimento da cabea

GMAW Gas Metal Arc Welding

h Comprimento do ombro.

H+ ons de Hidrognio

He Hlio

K Condutividade trmica do metal (J/mm . s . oC)

kgf Kilograma fora

kJ KiloJoules

kJ/mm KiloJoules por minuto

Lt Comprimento Total

Lc Comprimento Paralelo

Lo Comprimento original

LF Linha de Fuso

L Low Carbon

LRSS Laboratrio de Robtica Soldagem e Simulao da UFMG

MAG Metal Active Gas

MEV Microscpio eletrnico de varredura

MB Metal Base

Mn Mangans

MIG Metal Inert Gas

Mo Molibdnio

MOTOMAN SK6 Rob Motoman modelo SK6

N Nitrognio

NaOH Reagente NaOH

Nb Nibio

O2 Oxignio

p.p.m. Partes por milho

xiv

PRE Pitting Resistance Equivalente

R Velocidade de resfriamento (oC /s)

Si Silcio

SAF Sandvik Austenitic Ferritic

STICK-OUT Extenso do eletrodo

Tr Temperatura que se deseja calcular a velocidade de resfriamento (oC)

Ti Titnio

To Temperatura inicial da chapa (oC)

TTDF Temperatura de Transio Dctil-Frgil

TEP Temperatura entre passes

UNS Unifield Numbering System

UFMG Universidade Federal de Minas Gerais

USP Universidade de So Paulo

VICKERS Dureza Vickers

X Chanfro em X ou duplo V

ZF Zona Fundida

ZTA Zona Termicamente Afetada

xv

RESUMO

Os Aos Inoxidveis, em especial os aos inoxidveis duplex, apresentam boas

propriedades mecnicas e de corroso, por isso so aplicados principalmente nos setores

qumicos, petroqumico e de papel e celulose. Considerando a fabricao de peas e

componentes e ainda atividades de reparo e recuperao, faz-se necessrio a realizao de

soldagens, onde imperativa a aplicao de critrios e procedimentos adequados, sob o risco

de perda das vantagens referentes s propriedades de resistncia mecnica e de corroso.

Este trabalho tem como motivao gerar informaes tcnicas sobre a soldabilidade dos aos

inoxidveis duplex, em especial a formao de fases indesejveis (sigma).

O objetivo principal analisar a influncia do aporte trmico (energia soldagem +

temperatura entre passes) no balano de fases, na microestrutura e limites de resistncia

mecnica em juntas soldadas dos aos inoxidveis duplex UNS S31803, em chapa grossa (16

mm), considerando o processo GMAW (com gs de proteo, argnio com 2% de oxignio)

e como consumvel o AWS ER 2209 de dimetro 1,20 mm. As publicaes disponveis

(MESSER; OPREA; WRIGHT, 2008) atualmente informam que, para manuteno da

condio de inoxidvel duplex e no formao de fases intermedirias, em especial a fase

sigma, devem ser aplicadas energias de soldagem entre 0,5 kJ/mm e 2,5 kJ/mm com

temperatura entre passes (TEP) de at 150 C. Importante ressaltar que todas as recomendaes

se aplicam a chapa com espessura menor que 10 mm, considerada chapa fina. Para conhecer

os efeitos das transformaes na microestrutura e consequentemente nas propriedades

mecnicas, a produo das juntas foi divida em trs condies:

C1 = 0,85 kJ/mm com temperatura entre passes (TEP) menor que 150 C

C2 = 2,5 kJ/mm com temperatura entre passes (TEP) menor que 150 C

C3 = 2,51 kJ/mm e temperatura entre passes (TEP) maior que 150 C

Como principal critrio para a obteno desses nveis de energia, priorizou-se a variao da

velocidade de soldagem (velocidade da tocha).

A ZF apresentou estrutura tpica de ao inoxidvel duplex, com equilbrio entre as fraes de

ferrita e austenita. Na morfologia o aumento do aporte trmico no proporcionou variaes

xvi

dignas de discusso. Observou-se a presena de ferrita e austenita nas formas alotrimrfica de

contorno de gro, austenita de Windmanstatten e austenita intragranular.

Na ZTA e ZF de todas as juntas, ocorreram pequenas alteraes nos valores de microdureza,

limite de resistncia trao e limite de escoamento, em funo do aumento do aporte trmico

nas juntas soldadas. Essas variaes no foram consideradas significativas quando

comparadas ao metal base.

Em relao microestrutura da ZTA, todas as juntas apresentaram estrutura mais grosseira

(gros maiores) nos passes de enchimento, principalmente nas condies C2 e C3. A pequena

dimenso da largura da ZTA foi o ponto que se destacou positivamente para essa regio, a

condio C3 que apresentou a maior largura, mediu em mdia 330 m, considerada pequena

em relao a outras famlias de aos inoxidveis. A grande influncia do maior aporte trmico

para o material e espessura analisada, foi o volume de frao de ferrita na ZTA. A junta C1

com menor aporte trmico e consequentemente maior velocidade de resfriamento, no

ocorreu a formao equilibrada de ferrita/austenita. O valor de 78 % de ferrita caracterizou a

ZTA dessa junta como ferrtica, possivelmente comprometendo as propriedades de corroso e

de tenacidade. Para a junta C2, o maior aporte trmico ainda no foi suficiente para garantir

maior volume de ferrita na ZTA (valor final de 73%). Para as juntas C1 e C2, dever ser

aplicado preaquecimento para reduzir a taxa de resfriamento. Apenas a junta da condio C3

apresentou propriedades aceitveis para ao inoxidvel duplex em relao ao volume de

frao de ferrita na ZTA (valor final de 71%).

Para todas as juntas no ocorreu a formao da fase sigma na ZTA ou na ZF.

Considerando todas as anlises realizadas, a junta da condio C3 indicada como a condio

mais favorvel para soldagem de chapa grossa de ao inoxidvel duplex UNS S31803.

Palavras-chave: Energia Soldagem, Duplex, Sigma.

xvii

ABSTRACT

The Stainless steel, especially the ones of duplex grade, present good mechanical and

corrosion properties, therefore they are applied mainly in the chemical, petrochemical and

paper and cellulose sectors. Keeping in mind the manufacturing of parts and components, and

in addition, repair and recovery activities, it is necessary to accomplish welding, where the

application of criteria and proper procedures are essential, under the risk of loss of the

advantages regarding the mechanical and corrosion resistance properties.

The motivation for this work is to generate technical information on the weldability of the

duplex stainless steels, in particular the formation of undesirable phases (sigma).

The main objective is to analyze the influence of the thermal contribution (energy welding +

temperature between passes) in the balance phases, in the microstructure and limits of

mechanical resistance in welded joints of stainless steels duplex UNS S31803, in thick plate

(16 mm), taking into consideration the GMAW process (with protection gas, argon with 2%

of oxygen) and as consumable AWS ER 2209 of 1.20 mm diameter . The available

publications (MESSER; OPREA; WRIGHT, 2008) currently report that, in order to maintain

the duplex stainless condition and the non formation of intermediate phases, especially the

sigma phase, welding energies between 0,5 kJ/mm and 2,5 kJ/mm should be applied with

temperature between passes (TEP) of up to 150 C. It is important to emphasize that all

recommendations apply to the plates with lower thickness (less than 10 mm), regarded as thin.

In order to know the effects of the transformations in the microstructure and consequently in

the mechanical properties, the production of the joints was divided into three conditions:

C1 = 0,85 kJ/mm with temperature between passes (TEP) lower than 150 C

C2 = 2,5 kJ/mm with temperature between passes (TEP) lower than 150 C

C3 = 2,51 kJ/mm and temperature between passes (TEP) greater than 150 C

As main criterion for obtaining those levels of energy, the variation of the welding speed was

given priority (torch speed).

ZF presented typical structure of duplex stainless steel, with balance between austenite and

ferrite phases. In the morphology the increase of the thermal contribution did not provide

variations worthy of discussion. It was observed the presence of ferrite and austenite in the

allotrimorphic form of grain boundary, Widmansttten-type austenite and intragranular-type

austenite.

xviii

In the heat affected zone (ZTA) and fusion zone (ZF) of all joints, some small alterations took

place in the microhardness values, resistance limit to traction and drainage limit, due to the

increase of the thermal contribution in the welded joints. Those variations were not regarded

as significant when compared to the metal base.

In relation to the ZTA microstructure, all joints presented rougher structure (larger grains) in

the stuffing passes, mainly in the C2 and C3 conditions. The small dimension of the ZTA

width was the positive point positively emphasized for that area, the C3 condition that

presented greater width, measured 330m on average, considered to be small in relation to

other stainless steel families. The great influence of the largest thermal contribution for the

analyzed material and thickness was the ferrite fraction volume in ZTA. As for the C1 joint

with smaller thermal contribution and consequently greater cooling speed, it did not promote

the balanced formation of ferrite/austenite. The value of 78% of ferrite characterized the ZTA

of that joint as ferrite, jeopardizing the resistance, corrosion and probably, tenacity properties.

For the C2 joint, the largest thermal contribution was still not enough to guarantee greater

ferrite volume in ZTA (final value of 73%). For the C1 and C2 joints, preheating should be

applied to reduce the cooling range. Only the joint of the C3 condition presented acceptable

properties for duplex stainless steel in relation to the volume of ferrite fraction in ZTA (final

value of 71%).

For all the joints there was no formation of the sigma phase in ZTA or in ZF.

Thus, considering all analyses carried out, the joint of the C3 condition is indicated as the

most favorable condition for welding of thick plate of duplex stainless steel UNS S31803.

Key words: Energy, Sigma, Ferrite.

1 INTRODUO

Os aos inoxidveis duplex apresentam uma estrutura composta por ferrita e austenita,

possuem excelente resistncia corroso intergranular, localizada, e corroso sob tenso

(POHL, 1995; DAVISON e REDMOND, 1990) e resistncia mecnica maior do que a dos

aos inoxidveis austenticos comuns. Este conjunto de propriedades tem permitido a sua

aplicao em ambientes altamente agressivos (GIRALDO, 2001).

Existem vrios tipos de aos inoxidveis duplex, nesse trabalho, foi utilizado o ao inoxidvel

duplex UNS S31803. No Brasil, a utilizao destes materiais cresceu a partir da dcada de 90.

Se a soldagem no for executada com os devidos cuidados, as vantagens dos aos inoxidveis

duplex sobre os aos inoxidveis tradicionais podem ser perdidas (GIRALDO, 2001).

Portanto, uma grande importncia tem sido dada a este tema, nos quais tm ocorrido estudos

relacionados s mudanas microestruturais acontecidas na zona afetada pelo calor (ZTA),

submetida temperatura elevada no metal de solda e seu efeito no desempenho da junta

soldada. Com isto, na soldagem dos aos inoxidveis duplex, deve-se obter um controle dos

parmetros de soldagem para a junta possuir a estrutura metalogrfica tpica do ao inoxidvel

duplex (SENATORE, 2007) e no formar fases intermediarias indesejveis, principalmente a

fase sigma. Com a formao de fases intermediarias seria necessrio o tratamento trmico

ps-soldagem (TTPS) aumentando os custos e a possibilidade de falhas em servio. O balano

estrutural essencial para performance dos aos inoxidveis duplex (MUTHUPANDI, 2003).

Nos aos inoxidveis duplex, a energia de soldagem ou aporte trmico e a taxa de

resfriamento, influenciam diretamente as transformaes microestruturais e o desempenho da

junta soldada (ECKENROD e PINNOW, 1984).

Considerando como metal base a liga UNS S31803 na condio laminada, recozida e soldada,

atravs do processo GMAW, trabalhou-se no sentido de avaliar as juntas (3) soldadas com 3

(trs) aportes trmicos classificados como alto (2,50 kJ/mm e 2,51 kJ/mm) e baixo (0,85

kJ/mm).

A melhor combinao de resistncia mecnica (trao) e resistncia a corroso, considera a

frao volumtrica de ferrita entre 30% e 60% para o MB, 35% a 65% para ZF e ate 70%

para a ZTA (MESSER; OPREA; WRIGHT. 2008). Logo, este trabalho tem como objetivo

2

verificar os efeitos na junta soldada, em relao ao balano de fases, microestrutura da ZTA e

ZF e resistncia mecnica (trao). Devido aplicao crtica qual este ao submetido, de

extrema importncia conhecer o processo de fabricao do mesmo e quais so os fatores que

podem interferir em suas propriedades de forma a se evitar que haja qualquer incidente durante a

sua utilizao. Por isso, o estudo do efeito do aporte trmico e da formao das fases

intermetlicas nos aos inoxidveis duplex, aprofunda-se cada vez mais, na busca por resultados

ainda mais exigentes.

3

2 REVISO BIBLIOGRFICA

A reviso bibliogrfica contempla alguns fundamentos relacionados aos aos inoxidveis

duplex e suas diversas modalidades de classificaes em funo de suas microestruturas,

corroso, processos de soldagem e tcnicas metalogrficas, os quais so temas que dizem

respeito ao escopo deste trabalho.

Sendo o ao inoxidvel duplex UNS S31803 o objeto desta pesquisa, apresentar-se- ainda

nesta reviso bibliogrfica aspectos relativos sua composio qumica, metalurgia de

soldagem, efeito do gs de proteo e do aporte trmico nos aspectos metalrgicos e nas

propriedades mecnicas das juntas soldadas.

2.1 AO INOXIDVEL Os aos inoxidveis so ligas ferrosas que contm pelo menos de 10 a 12% em peso de

cromo (MODENESI, 2001), conforme FIG. 1, podendo possuir outros elementos em sua

composio. A sua denominao de inoxidvel se deve resistncia corroso em meios

aquosos na presena de inmeros agentes orgnicos e minerais agressivos, sendo sua

resistncia corroso atmosfrica um caso particular, e a altas temperaturas (CASTRO E

CADENET, 1975).

A presena de um filme fino (1-3 nm) aderente e contnuo de xido hidratado na superfcie do

metal a responsvel pela resistncia corroso dos aos inoxidveis. Este filme passivador

tem como principal constituinte o Cr, por ser facilmente oxidado, mas pode possuir tambm

outros elementos em sua constituio, dependendo da composio qumica do ao inoxidvel

e do pH do meio no qual est exposto. Seu crescimento na superfcie do ao ocorre em

segundos ou minutos ao ar ou em meio oxidante (OLSSON e LANDOLT, 2003), entretanto,

alto teor de cromo pode afetar adversamente as propriedades mecnicas, soldabilidade e a

adequao para aplicaes envolvendo exposio trmica. (ASM Handbook, 1993).

4

Figura 1 - Corroso de aos ao cromo expostos por 10 anos a uma atmosfera

industrial (CHIAVERINI, 1977).

Sob certas condies severas de servio (meios agressivos, temperaturas elevadas, presena

de tenses trativas, etc.), esse filme protetor pode ser dissolvido ou rompido localizadamente,

podendo proporcionar, caso no seja resgatado, a corroso do ao. Genericamente, outras

propriedades e caractersticas so associadas a estes aos, como resistncia mecnica elevada,

manuteno de propriedades mecnicas a altas temperaturas e a baixas temperaturas, baixa

rugosidade superficial facilitando sua limpeza e acarretando uma aparncia higinica, forte

apelo esttico (MODENESI, 2001).

Assim, sua utilizao est baseada, geralmente, em aplicaes cuja exigncia principal a

elevada resistncia ao ataque qumico por diferentes meios. Entretanto, inmeras aplicaes

so possveis para esses aos a partir das outras propriedades e caractersticas descritas, sendo

ento encontrados principalmente na indstria qumica e alimentcia, bem como na fabricao

de bens durveis, peas de cutelaria, instrumentos de preciso, e outras.

Alm de seus componentes principais, ferro (Fe) e cromo (Cr), os aos inoxidveis contm

teores de carbono. Quanto maior for o teor de carbono mais cromo deve estar presente,

devido ao fato do carbono consumir cromo para a formao de carbonetos (ACESITA, 2009;

ASM HANDBOOK, 1992).

5

Os elementos de liga adicionados aos aos inoxidveis podem ser divididos em duas

categorias quanto ao seu poder de estabilizar as fases ferrita e austenita:

Elementos ferritizantes ou alfagnicos - so assim denominados por aumentarem o campo de

estabilidade da fase ferrita (CCC), ou .

Elementos austenitizantes ou gamagnicos - so responsveis pelo aumento do campo de

estabilidade da fase austenita (CFC), nos aos inoxidveis. O QUADRO 1 apresenta os

principais elementos e sua influncia.

Quadro 1 - Elementos alfagneos e gamagneos

Ferritizante Austenitizante

Cr Mo Ti Ni Cu

Si Al Nb C N

V W B Mn Co

2.1.1 Sistema de classificao

Os aos inoxidveis so normalmente designados pelos sistemas de numerao AISI

(American Iron and Steel Institute), UNS (Unified Numbering System) ou por identificao

prpria do fabricante da liga. Entre estes, o sistema AISI o mais utilizado e sua classificao

consiste de trs dgitos. A srie UNS, sistema conjunto da ASTM (American Society for

Testing and Materials) e SAE (Society of Automotive Engineers), apresenta um maior

nmero de ligas classificadas que a AISI, porque incorpora todos os da srie AISI e os de

desenvolvimento mais recente.

Neste sistema, os aos inoxidveis so representados pela letra S, seguida de cinco

algarismos. Os trs primeiros dgitos representam seu similar AISI, caso seja classificado. Os

dois ltimos dgitos sero 00 se for um ao comum da designao AISI, e se no, isso

significa que o ao tem alguma caracterstica especial reconhecida pela UNS.

Os aos inoxidveis so classificados segundo cinco categorias, de acordo com a

microestrutura, estrutura cristalina das fases presentes ou tratamento trmico utilizado, sendo

essas:

6

Ferrticos;

Martensticos;

Austenticos;

Duplex;

Endurecveis por precipitao.

Entre todos os sistemas, a AISI o mais utilizado (LULA, 1989). Nele, a maioria dos tipos de

aos inoxidveis possui uma classificao com trs dgitos. Os aos austenticos fazem parte

das sries 200 e 300, enquanto que a srie 400 designa os aos ferrticos e tambm os

martensticos.

2.1.2 Composio qumica bsica

Considerando a diviso dos aos inoxidveis conforme citado no item classificao, cada

famlia se identifica com a seguinte composio qumica (ASM Handbook Metallography

and Microstructures, 1992), conforme apresentado na TAB.1.

Tabela 1 - Composio qumica bsica dos aos inoxidveis

Tipo de ao C (%) Cr (%) Outros (%)

Ferriticos 0,12 10,5 a 30

Martensiticos 0,1 a 1 12 a 17

Austeniticos 17 a 25 8 a 20 Ni

Duplex (1) 18 a 28

4,5 a 8 Ni

2,5 a 4 Mo

0,16 a 0,18 N

Endurecveis por

precipitao

Podem ter uma matriz austentica ou martenstica, com adies de

Al, Cu, Ti, Mo, Nb e/ou N, C.

Outros elementos de liga esto presentes na composio dos aos inoxidveis. Eles so

adicionados para atender objetivos especficos de acordo com as exigncias de aplicao do

material.

__________________________ (1) Conforme Australian stainless steel development association, 2007.

7

2.1.3 Propriedades mecnicas representativas

Na TAB. 2 apresentam-se os principais tipos de ao inoxidveis e suas respectivas

propriedades mecnicas (lavores mnimos). Todos os valores da tabela tm referencia nos

produtos da empresa SANDVIK(SANDVIK STEEL, 1999).

Tabela 2 - Propriedades mecnicas (mnimas) dos aos inoxidveis

Tipo Ao Limite

resistncia (MPa)

Limite escoamento

(MPa) LE 0,2%

Alongamento 50 mm (%)

AISI 304 700 300 54

AISI 316 620 300 52

AISI 409 L 390 210 38

AISI 430 480 330 27

SAF 2507 800~1000 550 25

UNS S31803 680~880 450 25

SAF 2304 600~820 400 25

Fonte: SANDVIK STEEL 1999, duplex stainless steels 2.1.4 Resumo das caractersticas de cada tipo de ao inoxidvel

No QUADRO 2 so apresentados os diversos tipos de aos inoxidveis e suas principais

caractersticas fsicas, mecnicas e quanto resistncia a corroso.

8

Quadro 2 . Caractersticas dos grupos de aos inoxidveis (FEDELE et al., 1999)

2.1.5 Resumo do comportamento a soldagem dos aos inoxidveis

Resumo dos tipos de aos inoxidveis, com os respectivos comportamentos no processo de

soldagem e as solues recomendadas (BALSAMO, 2000), pode ser visto no QUADRO 3.

Quadro 3 - Problemas na soldagem dos aos inoxidveis (BALSAMO, 2000)

Tipo ao inoxidvel Problema Recomendao

Ferrtico

Sensitizao Material adequado (estabilizado ao titnio ou ao nibio); reduzir energia de soldagem.

Fragilizao por hidrognio

Procedimento que introduzam pouco hidrognio durante a soldagem.

Crescimento de gro Procedimento com energia de soldagem menor possvel.

Austentico

Sensitizao Material adequado (estabilizado ao titnio ou ao nibio); reduzir energia de soldagem.

Trincas a quente

Utilizar material com baixo teor de enxofre e fsforo; utilizar metais de adio que gerem um teor de ferrita em torno de 8% no cordo de solda; modificar a geometria da junta para reduzir tenses introduzidas durante a soldagem.

Martenstico Fragilizao por hidrognio

Procedimento que introduzam pouco hidrognio durante a soldagem; reduzir a velocidade de resfriamento da junta (pr-aquecimento, ps aquecimento)

9

2.2 AOS INOXIDVEIS DUPLEX LAMINADOS

Os aos inoxidveis duplex surgiram na dcada de 1930, quando se iniciou o

desenvolvimento desse tipo de material nos Estados Unidos e na Europa, porm foi apenas na

dcada de 1970 que se chegou a um material mais refinado, com um controle mais efetivo da

sua composio. Este material somente comeou a ser utilizado no Brasil na dcada de 1990

(MARTINS E CASTELETTI, 2007).

O principal objetivo foi o de substituir as ligas de cobre, altamente utilizadas para aplicaes

em ambientes marinhos, uma vez que renem elevada resistncia corroso. Porm, as

propriedades mecnicas das ligas de cobre so inferiores s dos aos, limitando assim suas

aplicaes (WEBER, 2004).

Os aos inoxidveis duplex so materiais com microestrutura bifsica, composio qumica

balanceada entre os elementos gamagnicos e alfagnicos, estabilizadores de austenita (CFC)

e ferrita (CCC), respectivamente, de tal forma que se obtm uma estrutura de austenita e

ferrita temperatura ambiente, ou seja, composta por uma matriz ferrtica e ilhas de austenita

(SENATORE, 2007), com fraes volumtricas aproximadamente iguais dessas duas fases.

Essa classe de materiais caracterizada por apresentar combinao de elevadas propriedades

mecnicas e tambm de resistncia corroso em meios agressivos devido sua habilidade

em se passivar e permanecer no estado passivo em diversos meios aos quais submetido

(SENATORE, 2007).

Devido ao efeito do refino de gro, obtido pela estrutura austentica-ferrtica e ao

endurecimento por soluo slida, estes aos apresentam resistncia mecnica superior aos

aos inoxidveis austenticos e ferrticos. Tm baixo coeficiente de expanso trmica, alta

condutividade trmica e so ferromagnticos devido presena de ferrita. Os aos inoxidveis

duplex so frequentemente, utilizados nas indstrias qumica e petroqumica (em unidades de

dessanillizao, dessulfurao e equipamentos para destilao), de papel e celulose (em

digestores, plantas de sulfito e sulfato e sistemas de branqueamento) siderrgica, alimentcia e

de gerao de energia. Podemos ressaltar ainda a aplicao em componentes de equipamentos

expostos gua do mar, trocadores de calor, bombas e tubos nas indstrias qumica,

petroqumica, de papel e celulose (CHAWLA, 1995).

10

Possuem em sua composio maiores teores de cromo (entre 18 e 28 %) e menores de nquel

(3,5 a 8 %) e apresentam adies de molibdnio e de nitrognio. O molibdnio, juntamente

com o cromo, forte estabilizador da ferrita e auxilia na melhoria da resistncia corroso

uniforme e localizada. O nitrognio favorece e acelera a formao da austenita e a endurece

fortemente.

Apresentam boa tenacidade e ductilidade quando a quantidade de ferrita e austenita

balanceada, aliado a maior resistncia corroso sob tenso quando comparados aos aos

inoxidveis austenticos (a austenita contribui com a tenacidade ao impacto e a ferrita, mais

dura, melhora as caractersticas mecnicas).

Teores maiores de ferrita () aumentam a resistncia mecnica; porm, favorecem a

precipitao de fase sigma durante o resfriamento de solidificao (BONAVINA, 2003).

2.2.1 Microestrutura

A microestrutura duplex obtida atravs do balanceamento dos elementos de liga e de

tratamento termomecnico durante a conformao mecnica a aproximadamente 1200 C

(BRANDI, 2008). Nessa faixa de temperatura, os aos inoxidveis apresentam um

comportamento muito prximo do equilbrio estvel e metaestvel, produzindo uma estrutura

lamelar com gros alongados na direo de laminao e composta por uma matriz ferrtica

com ilhas de austenita, sendo de aproximadamente 35-55 % de ferrita e 45-65 % de austenita.

(SOLOMON, 1982).

O balanceamento dos elementos de liga, nos aos inoxidveis tem a funo de controlar os

teores de elementos estabilizadores de austenita, ou gamagnicos (nquel, carbono, nitrognio)

e de elementos estabilizadores da ferrita, ou alfagnicos (cromo, molibdnio e silcio). Esses

elementos constituem a composio qumica dos aos inoxidveis duplex.

A microestrutura tpica e fraes de ferrita e austenita so mostradas nas FIG.2 referentes ao

mesmo metal de base usado no desenvolvimento desse trabalho. Podem-se observar os gros

alongados devido ao processo de laminao e alternados com duas fases, clara: austenita e

escura: ferrita.

11

Figura 2 - Microestrutura do ao inoxidvel duplex (UNS S31803) ferrita (cor escura) e austenita(cor clara). Fonte: ArcelorMittal Inox Brasil. 2009.

2.2.2 Propriedades Fsicas

Na TAB. 3 so apresentados os principais tipos de aos inoxidveis, com destaque para os

aos inoxidveis duplex UNS S32304, UNS S31803(ASTM A890 4-A) e UNS S32750

(ASTM A890 5-A), e suas respectivas composies qumicas, conforme normas UNS e AISI.

Os diferentes tipos de aos inoxidveis duplex so classificados em trs grupos, com relao

composio qumica:

a) Aos inoxidveis duplex de baixa liga ou Lean duplex: devido ao menor teor de elementos

de liga so materiais econmicos, no possuem molibdnio na composio qumica e podem

substituir aos inoxidveis austenticos como AISI 304L/316L (o ao inoxidvel duplex UNS

S 32304 o mais indicado).

b) Aos inoxidveis duplex de mdia liga: nessa famlia, enquadram-se os aos inoxidveis

duplex mais utilizados. O ao inoxidvel duplex UNS S31803 o mais indicado. Apresentam

resistncia corroso intermediria entre os austenticos comuns AISI 304L/316L e aos

inoxidveis super austenticos com 5 e 6% de molibdnio.

c) Aos inoxidveis duplex de alta liga: comumente designados por super duplex. O UNS

S32750 apresenta elevada resistncia corroso comparvel aos super austenticos que

possuem entre 5 e 6 % de molibdnio.

12

Tabela 3 - Composio qumica dos principais aos inoxidveis

Fonte: Normas AISI e UNS.

A FIG. 3 ilustra resultados obtidos no ensaio de impacto para a liga 316L e trs tipos de ao

inoxidvel duplex: UNS S 32304, UNS S31803 e UNS S32750. Observa-se que a temperatura

de transio dtil-frgil para os inoxidveis duplex aproximadamente -35C e a liga 316L

no apresenta esse fenmeno. A transio dtil-frgil dos aos inoxidveis duplex

caracterstica da fase ferrtica.

Figura 3 - Resistncia ao impacto dos aos inoxidveis duplex e 316L.

Para construir a tabela da FIG. 3, foi realizado o ensaio Charpy, com corpos de prova de

seo 10x10x50 mm e entalhe em V. Os ensaios foram realizados na direo transversal a

direo de laminao (SENATORE, 2007).

A TAB. 4 apresenta as principais caractersticas fsicas dos aos inoxidveis duplex,

estabelecendo um comparativo com as dos aos inoxidveis austenticos e ferrticos.

Observando os dados dessa tabela, nota-se que os aos inoxidveis duplex apresentam

13

comportamento intermedirio entre os aos inoxidveis austenticos e ferrticos.

A condutibilidade trmica dos aos inoxidveis duplex maior do que a dos aos inoxidveis

austenticos.

Tabela 4 - Propriedades fsicas dos aos inoxidveis

Microestrutura

Do material UNS

Calor especfico

J/kgC

Condutibilidade Trmica

W/mC ( 10C)

20C 200C 400C 20C 200C 400C

Ferrtico S43000 460 540 580 17 22 23

Austentico S30400 480 510 540 14 17 20

Duplex S32304 490 530 590 16 18 21

Duplex S31803 480 530 590 14 17 20

Duplex S32750 480 530 580 14 17 20

Fonte: (SENATORE, 2007)

Devido presena da fase ferrita, os aos inoxidveis duplex possuem menor coeficiente de

expanso trmica que os austenticos, fazendo com que estas ligas apresentem comportamento

prximo ao dos aos carbono. A FIG. 4 apresenta uma comparao entre os coeficientes de

expanso trmica do ao inoxidvel duplex com os das ligas austenticas AISI 316L e 304L e

um ao ao carbono. A faixa de temperatura foi de 30 a 100 C. (SENATORE, 2007).

Figura 4 - Expanso trmica x 10 -6/ C dos aos inoxidveis duplex (SENATORE, 2007).

2.2.3 Propriedades Mecnicas

As propriedades mecnicas de um ao inoxidvel duplex refletem as propriedades mecnicas

das fases individuais austenita e ferrita, particularmente a fase ferrita. A ferrita quando

14

adicionada austenita tem o papel de aumentar o limite de escoamento de um ao duplex,

especialmente em baixas temperaturas (SOLOMON e DEVINE, 1982).

Quanto s propriedades mecnicas, esse material ocupa um lugar de destaque, pois possui um

limite de resistncia mnimo trao superior a 600 MPa, limite de escoamento mnimo

superior a 450 MPa e alongamento em 50 mm de 25 %. A alta tenacidade o resultado do

pequeno tamanho de gro e da forte presena de austenita em sua estrutura (BORSATO,

2006).

A combinao entre os elevados valores de alongamento da austenita com o elevado limite de

escoamento da ferrita nos aos inoxidveis duplex, forma um conjunto de notveis

propriedades mecnicas. Os aos inoxidveis duplex apresentam elevado limite de

escoamento, na ordem de duas vezes o valor dos aos austenticos. Alm disso, apresentam

um alongamento mnimo em torno de 25 % (SENATORE, 2007). O comportamento

mecnico dos aos inoxidveis duplex est intimamente relacionado com a caracterstica de

cada fase, por isso o balanceamento entre as fraes volumtricas de austenita e ferrita deve

estar prximo de 50% para cada uma das fases, a fim de se maximizar as propriedades

mecnicas. A TAB. 5 apresenta as propriedades mecnicas dos aos inoxidveis de

microestrutura duplex com os aos inoxidveis austenticos.

Tabela 5 - Comparao das propriedades mecnicas (valores mnimos) (NILSSON, 1997).

Os aos inoxidveis duplex apresentam alta resistncia ao impacto na temperatura ambiente

(25 C). Sua tenacidade est limitada frao volumtrica e distribuio da ferrita. Com uma

frao volumtrica de austenita da ordem de 40%, obtm-se preveno efetiva do crescimento

de trincas. Dessa forma, a orientao e a morfologia da estrutura dos aos duplex so

importantes na avaliao da tenacidade. Vrios documentos apresentaram as ligaes entre

15

propriedades mecnicas e microestrutura, isso inclui o efeito de tratamento trmico,

precipitao de fases e as propriedades mecnicas do material (NILSSON, 1997 e

DAKHLAOUI, 2007).

Para os aos inoxidveis duplex UNS S31803 e UNS S32750, o percentual da fase sigma

em torno de 1 a 2 %, j reduz de forma drstica a tenacidade dos aos mesmo se as

propriedades de trao forem menos afetadas. A transformao mais comum a

decomposio espinoidal da ferrita em separao da ferrita em teores baixo e alto de

cromo em uma escala muito pequena. Esta transformao conhecida como a transformao

de 475 C (acontece principalmente entre 280 e 475 C). Observa-se tambm um

endurecimento subseqente e fragilizao da ferrita. Isto explica por que a maioria das

aplicaes restrita a temperaturas mais baixas que 250 C (CHARLES, 2008).

O efeito da ferrita nas propriedades mecnicas dos aos duplex ilustrado nas figuras 5 a 9.

A FIG. 5 apresenta o endurecimento devido presena de 50-60 % em volume de ferrita (a

estrutura do ao inoxidvel duplex), comparado com as curvas de material austentico e

ferrtico com aproximadamente a mesma composio qumica de ferrita e austenita

encontradas em ao inoxidvel duplex. O limite de escoamento est entre o da austenita e da

ferrita, porm mais prximo do limite de escoamento da ferrita do que prediz a regra das

misturas. Acredita-se que o endurecimento extra se deva ao refinado tamanho de gro da

estrutura duplex comparado com os grosseiros gros das fases separadas, ferrita e austenita

(SOLOMON e DEVINE, 1982).

Figura 5 - Tenso vs. deformao verdadeiras ao duplex . (FONTES, 2009).

A FIG. 6 indica que a dependncia da temperatura para o limite de escoamento do ao duplex

rico em ferrita equivalente ao limite de escoamento para a ferrita pura.

16

Figura 6 - Limite de escoamento e dependncia com a temperatura. (FONTES, 2009).

A FIG. 7 ilustra que o limite de escoamento aumenta com o aumento da porcentagem volumtrica de ferrita.

Figura 7 - Dependncia do limite de escoamento de aos inoxidveis

duplex com a porcentagem em volume de ferrita (FONTES, 2009).

17

A FIG. 8 mostra, porm, que o inverso vlido para o limite de resistncia, que diminui

com o aumento da porcentagem volumtrica de ferrita.

Figura 8. Dependncia do limite de resistncia com a percentagem em volume de ferrita (FONTES, 2009). A FIG. 9 mostra que o desenvolvimento de trincas de clivagem na fase ferrtica no apenas

reduz a ductilidade, como tambm reduz extremamente a tenacidade, pois aumenta a

temperatura da transio dctil-frgil. (SOLOMON e DEVINE, 1982).

Figura 9 : Dependncia da energia de impacto de aos inoxidveis

duplex com a porcentagem em volume de ferrita (FONTES, 2009).

18

2.2.4 Resistncia Corroso

A seleo do material (famlia de ao inoxidvel) deve ser efetuada considerando

principalmente a temperatura de trabalho, conforme TAB. 6 e o meio corrosivo. A adio de

determinados elementos de liga melhoram a resistncia a oxidao os aos, entre os quais

podem ser citados: Cr, Ni, Mo, Si e Al. A adio de cromo nos aos aumenta a resistncia a

oxidao de acordo com a TAB.6, porque tem a propriedade de oxida-se em contacto com o

oxignio do ar, formando uma pelcula, muito fina e estvel de xido de cromo (Cr2O3) que se

forma na superfcie exposta ao meio.

A resistncia corroso determinada pela capacidade de passivao dos aos

inoxidveis duplex e de permanecer nesse estado no ambiente a que estiver exposto. Essa

propriedade est relacionada, principalmente, aos elementos de liga presentes na composio

qumica do ao, embora outros fatores como tamanho de gro, distribuio e morfologia de

incluses, precipitao de fases e qualidade da superfcie tambm exeram influncia.

Tabela 6 - Relao de percentual de cromo com resistncia a oxidao

para os aos inoxidveis.

CROMO (%)

TEMPERATURA (C)

0,75 - 1,0 540

2 - 3 600

4 - 6 650

7 9 700

13 750

17 850

21 1.000

25 1.100

Fonte: (ACESITA, 2005)

O mecanismo de corroso mais comum a corroso por pite. Em geral, os aos inoxidveis

duplex apresentam elevada resistncia a esse mecanismo. Nos aos inoxidveis austenticos,

19

assim como nos ferrticos, os elementos de liga esto distribudos em uma nica fase, fazendo

com que a resistncia corroso desses aos seja relativamente homognea. Nos aos

inoxidveis duplex, no entanto, caso uma das fases apresente menor resistncia corroso,

esta determinar o comportamento do material. Embora a concentrao dos elementos de liga

seja diferente nas fases ferrita e austenita, os aos inoxidveis duplex modernos possuem

apurado balanceamento de elementos de liga em ambas as fases, conduzindo a propriedades

de corroso bastante equilibradas para as duas fases (SENATORE, 2007).

2.2.4.1 Corroso por Pite

O que caracteriza a corroso por pite a capacidade que o metal tem de se passivar, ou seja,

formar um filme contnuo e aderente de xidos capaz de impedir a penetrao de oxignio no

metal. A avaliao da resistncia corroso por pite de um metal pode ser feita de diversas

maneiras. No caso particular dos aos inoxidveis, algumas expresses matemticas

relacionam a influncia dos elementos de liga na resistncia corroso por pites. Os

elementos de liga que ditam o comportamento so Cr, Mo e N. O equivalente de resistncia a

pite ou PRE (pitting resistance equivalent) a frmula mais usada industrialmente. uma

equao simples que permite comparar, de forma genrica, a resistncia corroso de

diferentes aos inoxidveis (SENATORE, 2007).

O nmero de resistncia ao pite equivalente (PREN ou PRE) uma forma terica de comparar

a resistncia corroso por pite de vrios tipos de aos inoxidveis, com base em suas

composies qumica, porm, no pode ser usado isoladamente para prever se um material

ser apropriado para uma determinada aplicao, onde possvel a corroso por pite

(SEDRIKS, 1996).

Para os aos inoxidveis duples, aplica-se:

PRE = %Cr + 3,3x%Mo +16x%N (1) A equao (1) indicada para os aos inoxidveis austenticos e pode ser empregada na

comparao entre eles e os aos inoxidveis duplex. Apesar da boa correlao entre as

expresses do PRE e resultados de diversos ensaios de corroso, tais expresses devem ser

usadas qualitativamente, visando somente estabelecer um ranking aproximado entre diferentes

aos inoxidaveis. No caso dos aos inoxidveis duplex, necessrio considerar a resistncia

corroso por pite das duas fases, haja vista que h diferena dos elementos de liga presentes

na austenita e ferrita. Caso uma das fases apresente menor resistncia corroso, esta

determinar o comportamento do material.

20

PRE ou PREN so formulas "lineares", onde o molibdnio e nveis de nitrognio so

"ponderados" para avaliar sua forte influncia sobre a resistncia corroso por pite.

Geralmente assumem a forma: PREN = Cr + mMo + n N , onde m e n (n=30) para aos

inoxidveis austenticos) so os fatores de molibdnio e nitrognio. A verso mais utilizada da

frmula : PREN = Cr + 3.3Mo + 16N.

A TAB. 7 apresenta o PRE para alguns aos inoxidveis, para a construo dessa tabela, a

resistncia corroso localizada do super duplex UNS S32750 e AISI 316L foi verificada

pela aplicao do mtodo eletroqumico, incluindo medies de polarizao

potenciodinmica. Os ensaios foram executados em uma soluo neutra de 3% de NaCl e pH

= 7. Os dois aos inoxidveis, UNS S32750 e o AISI 316L, foram cedidos pela Sandvik

Materials Technology (SENATORE, 2007).

Tabela 7 - PRE de alguns aos inoxidveis

Fonte: (SENATORE, 2007) Quanto maior o valor do PREN maior a resistncia corroso por pite do material. Em ao

duplex solubilizado pode ocorrer pite tanto na austenita como na ferrita: se o ao contm

nitrognio, que se localiza na austenita, a resistncia formao de pites ser maior nesta

fase; j em aos sem nitrognio, a ferrita tem maior resistncia formao de pites por

apresentar teores mais altos de cromo e molibdnio (MAGNABOSCO, 2001).

21

2.2.4.2 Corroso sob tenso

A corroso sob tenso (C.S.T.) um processo resultante da ao simultnea de um meio

corrosivo especfico e tenses de trao residuais ou aplicadas. Nos aos inoxidveis, este o

mecanismo de corroso responsvel pelo maior nmero de falhas na indstria. Os principais

meios corrosivos onde a C.S.T. ocorre so: solues aquecidas neutras ou cidas contendo

cloreto, cido politinico, ambientes custicos e meios contendo H2S.

A FIG. 10 apresenta os resultados de ensaio para as ligas de aos inoxidveis duplex e aos

inoxidveis austenticos. O teste foi realizado com carga constante em uma autoclave

pressurizada com soluo neutra de cloretos. A presso total da autoclave foi de 100 bar, as

solues de cloreto continham aproximadamente 8 p.p.m. de oxignio e a tenso aplicada foi

equivalente tenso de escoamento na temperatura de teste. As amostras foram avaliadas

aps um perodo de 1.000 horas.

Abaixo das curvas para cada material no foram observadas trincas de CST. Medio de

resistncia C.S.T. em soluo neutra contendo cloretos (aproximadamente 8 p.p.m. de

oxignio). (SENATORE, 2007).

Figura 10 : Resistncia CST, soluo neutra contendo cloretos (SENATORE, 2007).

22

2.2.5 Aplicaes dos aos inoxidveis duplex

Os aos inoxidveis duplex apresentam uma combinao desejvel de propriedades tais como:

resistncia mecnica superior aos inoxidveis austenticos ou ferrticos tradicionais,

ductilidade e tenacidade superiores aos inoxidveis martensticos e endurecveis por

precipitao, alm de excelente resistncia corroso intergranular, corroso por pite e

corroso sob tenso. Devido a essa combinao de propriedades, aos dessa classe tm uma

ampla aplicao na engenharia (SUTTO, 2003), conforme apresentado na FIG. 11.

Setor Industrial

23Cr-4Ni-0,1Mo PRE = 25

22Cr-5Ni-3Mo PRE = 35

25Cr-duplex PRE = 43

25Cr superduplex

PRE > 40

Qumico Tubulaes,

instrumentao

Serpentinas para fuso de

enxofre, tanques,

trocadores de calor,

Separadores de uria,

trocadores de calor, vasos de

presso

Tubulaes para

evaporao de sal e

resfriamento de gua do mar

Petroqumico Reatores com carcaa de ao

carbono

Unidades de dessalinizao e dessulfurao

Equipamentos de

dessulfurao, carcaa de

bombas

Tubulaes para ambientes contendo Cl- e

HCl

Papel e celulose

Pr aquecedores

dos digestores

Digestores em plantas de

sulfato, sulfito, cilindros de

presso

Digestores e pr

aquecedores dos digestores

Equipamentos de

branqueamento

Energia nuclear

Aquecedores de gua de

alimentao, reaquecedores

Tubulaes de injeo em

fontes geotrmicas

-

Trocadores de calor, fontes geotrmicas,

salinas, marinhas

leo e gs

Resfriadores, tubulaes, sistemas de

tenso, instrumentao

Estrutura, cabos,

tubulaes de gs natural,

vasos de presso

Campanas de mergulho,

tubulaes de gs

Tubulaes contra

incndio, vasos de presso, vlvulas,

perfurao marinha,

Figura 11. Principais aplicaes dos aos inoxidveis duplex [SUTTO, 2003]. Corrigido.

23

2.2.5.1 Aplicaes em leo e gs

Aos inoxidveis duplex apresentam desafios tcnicos, propriedades importantes e excelente

relao custo/propriedades, em particular, para aplicaes crticas como indstrias qumicas e

petroqumicas. Aos inoxidveis duplex "padro" (UNS S 32304, UNS S 32205, UNS S

32507) foram confirmados como aos com desempenhos notveis por mais de 20 anos em

aplicaes de servio, em particular nas aplicaes de petrleo e gs. Novas sries incluem os

aos Lean duplex" ( que possui baixo teor de Molibdnio ou Cromo), dedicados a mercados

de grande volume e outros "nichos" especficos. Aos inoxidveis duplex comeam a ser

produtos bem estabelecidos com crescimento anual de dois dgitos graas produo de

novos tipos e produtos (bobinas e barras) visando substituio da serie AISI 300 e aos ao

carbono patinveis em aplicao estrutural.

As primeiras conferncias internacionais sobre ao inoxidvel duplex (St. Louis/EUA/82 e

Den Hague/NL/86) foram focadas, principalmente, em aspectos "cientficos" devido ao

carter metalrgico (precipitao de fases, resistncia corroso, propriedades mecnicas). A

Conferncia de BEAUNE 91/Frana foi a primeira conferncia a mesclar aplicaes

cientficas e de mercado (CHARLES, 2008; FARIA, 2008).

A produo mundial dos aos duplex representa em torno de 200 kt, ou seja, menos de 1% da

produo total de inox, embora sua produo tenha crescido mais de 100 % na ltima dcada.

Os principais tipos de produto e aplicaes de mercado so apresentados na FIG. 12.

Figura 12. Principais produtos expedidos em 2004 (CHARLES, 2008; FARIA, 2008).

24

Os aos inoxidveis super duplex, UNS S32750 (Cu, W) e os Lean Duplex (UNS S32304 e

UNS S32101) representam, cada um, em torno de 10 % da produo total de inoxidveis

duplex. Espera-se que o Lean Duplex substitua os aos 304/316 (CHARLES, 2008; FARIA,

2008).

O desenvolvimento da produo do duplex UNS S31803, incluindo produtos laminados a frio,

tem sido feito no grupo ArcelorMittal, incluindo algumas experincias no Brasil (Usina de

Timteo - MG). Uma primeira famlia est relacionada aos chamados lean duplex, tendo um

nvel mais baixo de molibdnio, adio de nquel e complementares de mangans, outro

estabilizante da austenita. Os novos aos tambm tiveram o teor de nitrognio aumentado

devido seu baixo custo e sua melhoria na estabilidade dos aos inoxidveis austenticos e

resistncia corroso. Os objetivos principais desses aos uma substituio parcial dos aos

AISI 316 e AISI 304 (CHARLES, 2008; FARIA, 2008).

Alguns desses aos ainda tm teores altos de molibdnio combinados a adio de nquel. Os

aos lean duplex podem ser restritos aqueles sem nenhum molibdnio e teor de nquel inferior

a 3%. Entre os lean duplex, a ArcelorMittal est desenvolvendo os aos UNS S32304 e mais

recentemente o ao UNS S32202. Hiper-duplex foram desenvolvidos recentemente com

resistncia corroso e estabilidade estrutural maior que o UNS S32507. As foras motrizes

so adies mais elevada de cromo e nitrognio e possvel substituio parcial de molibdnio

atravs da mistura molibdnio + tungstnio, o que pode contribuir para estabilizar o ao e

fornecer menor sensibilidade precipitao intergranular de fases quando aquecido.

2.2.5.2 Desenvolvimento de chapas grossas e suas aplicaes

As propriedades mecnicas peculiares do ao explicam sua ascenso ao posto de principal

material de engenharia usado nas grandes estruturas do mundo moderno. O aumento da

competitividade das chapas grossas de ao passa no somente pelo desenvolvimento de

produtos propriamente ditos, como tambm por melhorias em todo o seu ciclo de vida. A

reduo dos custos de fabricao, desenvolvimento de processos de manufatura e projetos de

aplicaes que explorem o mximo as caractersticas especficas do material, dentre as quais

est a total reciclabilidade, fator que tende a assumir importncia crescente no futuro

(GORNI, 2006).

25

Os custos do processamento no cliente tm de ser reduzidos ao mximo. Um aspecto de

capital importncia para as indstrias de base a soldabilidade das chapas, processo que pode

responder por 60% dos custos de fabricao de uma estrutura. A diminuio das variaes de

composio qumica e propriedades no produto entre um lote e outro tambm reduz a

freqncia de ajuste dos equipamentos de transformao, agilizando a operao do cliente.

Chapas com melhor qualidade superficial e dimensional, reduzem o nmero de etapas de

processamento no cliente e os custos a ele associados. Melhores nveis de planicidade evitam

a necessidade de desempeno, processo que pode custar at 60 dlares por tonelada. Os

requisitos atuais vo de 12 a 23 mm/m no caso de produtos normais e 2 a 12 mm/m no caso

de produtos especiais. Alm disso, eles permitem o uso de processos de corte que reduzem a

largura da zona termicamente afetada das bordas, como os que usam plasma ou laser,

aumentando o rendimento metlico. Note-se que o corte a laser s possvel de forma

consistente em chapas com flecha mxima de 3 a 5 mm/m. Alm disso, esses processos

minimizam a distoro aps corte ou soldagem, reduzindo a aplicao de processos de

desempeno que podem custar at 100 dlares por hora e representar de 25 a 30 % do custo

associado mo-de-obra na construo de um navio (GORNI, 2006; SILVEIRA 2006).

A melhor preciso dimensional das chapas grossas tambm contribui para tornar vivel a

aplicao de novas tecnologias de corte e soldagem, alm de permitir a reduo de peso das

estruturas construdas com elas. Isto tambm importante para as siderrgicas, pois cada vez

mais as condies de venda so estabelecidas em funo do nmero de peas, e no de seu

peso. A questo da reciclabilidade dos materiais est assumindo importncia cada vez maior,

especialmente na Europa e Japo. A legislao europia impe que 85 % dos bens de

consumo durveis sucatados sejam reciclados por seus fabricantes, percentuais que se elevar

para 95 % em 2015. Este um aspecto bastante favorvel para o ao, que um material

totalmente reciclvel.

A crise do petrleo ocorrida entre 1975 e 1985 promoveu a explorao de jazidas localizadas

em regies muito frias, na Sibria e Alasca. Isso elevou as exigncias em termos de

tenacidade e soldabilidade do material. O transporte de tubos at regies remotas tambm

exigiu a reduo de seu peso para que diminusse os investimentos necessrios para sua

construo, o que significa um aumento de sua resistncia mecnica. Essas necessidades

26

levaram ao surgimento de um novo conceito de liga, os aos de alta resistncia e baixa liga

(ARBL), micro ligados ao Nb, Ti e/ou V (GORNI, 2006).

A questo da soldabilidade tambm crtica para esta rea de aplicao das chapas grossas.

Mais uma vez, o uso de resfriamento acelerado aps a laminao de chapas grossas revela-se

um recurso extremamente eficaz para garantir alta resistncia mecnica em ligas com menores

teores de carbono e elementos de liga. Constatou-se nos ltimos anos um aumento da

severidade dos requisitos em termos da qualidade superficial das chapas grossas a serem

fornecidas para mquinas agrcolas e tratores.

A justificativa dos clientes para essa exigncia no est tanto na adequao ao uso do

material, mas sim no aspecto esttico do implemento, fator que ajudaria na promoo de sua

venda aos clientes. Esse item de qualidade est exigindo remoo de carepa mais intensa e

uniforme durante a laminao a quente para assegurar uma superfcie mais adequada. Alm

disso, as chapas no podem passar por operaes para remoo de defeitos superficiais, tais

como lixamento, esmerilhamento, reparo por solda, etc., alm de no poderem apresentar

riscos, como os causados por manipulao incorreta do material durante o transporte at o

cliente. Isso exige placas com alta qualidade superficial, elevado grau de limpeza

inclusionria do ao (GORNI, 2006).

2.3 PRECIPITAO NOS AOS INOXIDVEIS DUPLEX A formao da microestrutura dos aos inoxidveis ocorre a partir da solidificao ferrtica

do metal lquido na faixa de temperatura de 1440 a 1490 C, seguida pela precipitao de

austenita, no estado slido (1200 C), por nucleao e crescimento (SOLOMON, 1982).

Caso o resfriamento seja rpido, entre 1200 e 800C, a precipitao de austenita suprimida e

na ZTA pode precipitar nitretos de cromo na matriz ferrtica. Se o ao for aquecido abaixo de

aproximadamente 1000 C, sua microestrutura no estvel (LULA, 1989) e pode ocorrer a

precipitao de fase sigma ou nitreto de cromo, com pequena alterao da microestrutura. O

aparecimento destas fases pode prejudicar o desempenho dos aos inoxidveis duplex,

principalmente em termos de propriedades mecnicas, resistncia corroso e soldabilidade

(SOLOMON, 1982), a TAB. 8 apresenta as principais fases secundrias que podem precipitar

nos aos inoxidveis duplex.

27

Tabela 8 - Principais fases secundrias dos aos inoxidveis duplex

Fonte: (MENEZES, 2005)

A utilizao de elementos de liga tais como o Cr e Mo para auxiliar na resistncia a corroso

localizada do material em meios que contem cloreto, pode aumentar a taxa de formao de

fases intermetalicas, tais como sigma, chi e laves, que podem precipitar na matriz dos aos

inoxidveis, fragilizando o material na temperatura ambiente. (SEDRIKS, 1996).

Fases intermetalicas tais como sigma (), chi () e laves () podem se formar em altas

temperaturas (entre 595 C e 1000 C) e em materiais que possuam quantidade superior a

14 % Cr, alem de elementos como Nb e Mo. A presena destas fases pode comprometer as

propriedades do material, ou seja, responsvel por um aumento na dureza, com diminuio

na ductilidade, tenacidade e resistncia a corroso (MAGALHES, 2004).

A precipitao de fase sigma () ocorre principalmente atravs da decomposio eutetide da

ferrita () em fase sigma () e austenita (). A concentrao de Cr, Mo, W e Si em cada fase

decresce na ordem , , , enquanto que a concentrao de Ni e Mn decresce na ordem

inversa. Quanto maior a concentrao de Cr e Mo maior a taxa de precipitao de fase sigma,

enquanto que o aumento do teor de Ni reduz significativamente a quantidade de fase sigma na

microestrutura. As curvas de precipitao da fase sigma so do tipo C, com o cotovelo da

curva entre 850 C e 900 C. A essas temperaturas, a fase sigma aparece com 5 minutos de

exposio e a ferrita decompe-se completamente aps 30 minutos. O QUADRO 4 mostra os

efeitos dos diversos elementos de liga que constituem os aos inoxidveis duplex.

Fe Cr Ni Mo Outros54,5 27,9 8,4 2,9 0,05 N55,5 27 10 3,6 0,54 N35 60 2 3 C

55 29 5 114,6 85,5 4,8 5,1 N 12 72 3 10 3 Si

CFCOrtorrmbico

650 a 1000

(alto Cr) CCC 350-750550/1000

Tetragonal

Composicao quimica

Ferrita

Faixa de temperatura (C)

Estrutura cristalinaFase

550 a 1000950 a1100

CCC

Nitreto(Cr2N)

AustenitaCarboneto (M23C6)Carboneto (M7C3)Fase Sigma(FeCr)

Trigonal

CFC

28

Quadro 4 - Efeitos causados pelos elementos de liga nos aos inox duplex (WEBER, 2004).

Para a maioria dos aos duplex foi confirmado que a fase sigma obtida da decomposio

eutetide da austenita a fase frgil mais comum observada. A fase chi observada

freqentemente como precipitao intermediria antes de transformar na fase sigma

(CHARLES, 2008).

As fases sigma e chi tm um efeito de fragilizao forte enquanto que a fase 2 (austenita

secundria precipitada durante tratamento de reaquecimento) reduz as propriedades de

resistncia corroso do ao. Sabe-se que adies de tungstnio estabilizam a fase sigma a

altas temperaturas. (CHARLES, 2008).

2.3.1 Estabilidade estrutural dos aos duplex

As precipitaes de fases intermedirias esto relacionadas s adies de molibdnio, cromo e

tungstnio. Estes elementos tornam os aos mais suscetveis a transformar a ferrita em fases

intermetalicas (sigma, chi...), nitretos, carbonetos, ou mesmo em baixas temperaturas em

(decomposio espinoidal). O ao inoxidvel duplex 25 % Cr muito sensvel

transformao de fase, ou seja, de ferrita para sigma frgil. Eles precisam de energia de

soldagem controlada quando soldados e a maioria dos tratamentos trmicos so

acompanhados por resfriamento a gua. Entretanto, os Lean Duplex so muito estveis ao

29

levar em considerao a precipitao da fase sigma, sendo necessrias mais de 10 horas de

tratamento.

A maioria dos aos duplex solidifica no modo ferrita e sofre uma transformao parcial de

ferrita/austenita, cujas fraes esto claramente ligadas composio e temperatura. Como

resultado, as microestruturas e propriedades na temperatura ambiente esto bem relacionados

temperatura de recozimento, ou seja, temperatura mais elevada produz maior teor de ferrita

e propriedade inferior de tenacidade (CALLIARI, 2007).

2.3.2 Fase Sigma ()

A fase sigma foi observada pela primeira vez por BAIN e GRIFFITHS em 1927 em

seus estudos sobre o ternrio Fe-Cr-Ni. A frmula que melhor expressa sua composio

60Fe30Cr7Mo3Ni (UNS S31803) (SUTTO, 2003).

Esta fase tem a morfologia tetragonal composta pela associao de Cr, Mo, Ni e Fe

(FOLKHARD, 1984). Apresenta alta dureza e grande fragilidade, com aproximadamente 68

HRC, sua presena compromete a tenacidade ao impacto.

A fase sigma precipita com a fase 2 (austenita secundria precipitada durante tratamento de

reaquecimento), que uma fase austentica com valor de PRE (pitting resistance equivalent)

inferior a matriz, tipicamente 36 em vez de 42 para um ao super duplex. A fase sigma um

composto intermetlico com um tomo de ferro e um de cromo, apresenta alta dureza, na

temperatura ambiente no ferromagntico. Forma-se em tratamento trmico prolongado

entre 565 e 980 C e causa certo endurecimento por disperso, levando a um aumento da

dureza e reduo da tenacidade e ductilidade (FARIA, 2008).

a fase intermetalica mais investigada nos aos inoxidveis duplex e aos de alta liga,

principalmente porque compromete a resistncia corroso devido a retirada de Cromo e

Molibdnio da matriz metlica.

Sua presena pode ser detectada e medida atravs do ensaio de dureza do material, onde

quanto maior for a dureza, maior ser a quantidade de fase sigma. Sua formao apresenta-se

inicialmente ao longo das interfaces ferrita/austenita e ferrita/ferrita, seguida de decomposio

eutetide: ferrita produzindo sigma e austenita. Quando esta cooperao no se estabelece, a

fase sigma pode formar-se maciamente. A decomposio + ocorre, pois o Cromo e

o Molibdnio, em determinadas temperaturas so mais estveis na forma (Cr, Mo)x (Ni, Fe)y

30

do que em soluo slida substitucional. A formao da fase sigma deixa a matriz ferrtica

empobrecida dos seus principais estabilizadores, que so o Cr e o Mo e como h Ni

dissolvido, a fase austentica torna-se mais estvel ocorrendo uma transformao isotrpica da

matriz de ferro: . As partculas da fase sigma normalmente nucleiam na interface

ferrita-austenita e crescem nos gros adjacentes de ferrita (BONAVINA, 2003), conforme

apresentado esquematicamente na FIG. 13.

Figura 13. Modelo de nucleao e crescimento da fase durante a

transformao eutetide ( + ) em aos inoxidveis duplex

Fonte: (VASCONCELLOS, 2008)

De maneira geral, todos os elementos estabilizadores da fase ferrtica podem promover a

formao desta fase. A presena de 1 % de fase sigma na estrutura do material j suficiente

para reduzir os valores de energia absorvidos durante impacto em 50 %. A presena de 10 %

de sigma reduz essa energia absorvida a apenas 5 % do valor original do material

solubilizado, gerando fratura por clivagem (SUTTO, 2003).

A precipitao de fase sigma na ferrita, depende de fatores (tempo e temperatura) que so

apresentados na FIG. 14 (SEDRIKS, 1996). Sua precipitao diretamente na austenita em

geral muito lenta e exige centenas ou milhares de horas. As principais razes para isto so:

i) a fase sigma tem solubilidade muito baixa para carbono e nitrognio, consequentemente a

precipitao de carbonetos e nitretos devem preceder a precipitao de sigma;

ii) a difuso de elementos substitucionais muito lenta na austenita; (FEDELE, 2004).

31

Figura 14. Diagrama TTP de formao de fase sigma para ao inoxidvel duplex

UNS S31803. (SEDRIKS, 1996) adaptado. A formao da frao volumtrica da fase sigma (determinada por metalografia quantitativa)

em funo do tempo de envelhecimento (aos UNS S32750 e UNS S32507) apresentada na

FIG. 15.

Figura 15. Formao da frao volumtrica da fase sigma em ao inoxidvel

duplex envelhecido (PACCA, 2009).

Tempo de envelhecimento (h)

Fra

o v

olum

tri

ca d

e si

gma

(%)

Tempo de envelhecimento (h)

Fra

o v