Aços Inox Martensiticos

AÇOS INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS

- Lippold & Kotecki

- E. Folkhard

- S. Henke

► Generalidades / Tipos Principais / Metalurgia Física

► Metalurgia da Soldagem

ZF e ZAC

Transformações de Fase

Recomendações para Tp, Ti e TTPS

► Soldabilidade

Trincas de Solidificação

Trincas de Reaquecimento

Trincas a Frio

► Supermartensíticos

INOX MARTENS ÍTICOS

Tal como aços comuns baixa-liga austenitizam entre 900 -1100oC

e temperam ao ar.

11.5 a 18% Cr 0 a 6% Ni 0.02 a 1.0% C

( Mo, V, W, Nb conferem resistência a alta T formando carbetos estáveis)

Limite de escoamento: 275 MPa (estado recozido) a

1900 MPa (alto C, temperados-e-revenidos).

Resistência à corrosão < aços inox austeníticos ou ferríticos (mais alto Cr)

Usados a T < 650ºC devido à degradação das propriedades mecânicas e

resistência à corrosão .

Soldabilidade → a pior entre os inox pois formam martensita não revenida na

soldagem

→ exigem cuidados especiais sobretudo quando C > 0,1 %

Generalidades

• pás de turbinas de vapor ou gás / turbinas hidráulicas

• tubulações e válvulas

• revestimento de cilindros para lingotamento continuo.

• instrumentos cirúrgicos, cutelaria, engrenagens e eixos.

tipos alto Cr + alto C → combinam dureza e resistência a corrosão

→ resistência ao desgaste)

• supermartensiticos (extra baixo C) destacada demanda em tubulações

submarinas em todo mundo e pela PETROBRÁS.


Aplicações Típicas

Ligas disponíveis

Conformados ou fundidos são divididos em 3 grupos, conforme a susceptibilidade a trincas a frio:

• C 0,06% → dureza máxima 35 RC. Cuidados na soldagem

similares aos dos aços ARBL.

• C = 0,06 -0,30% → dureza „como-soldado‟ 35-55 RC.

maior risco de trincas a frio

→ pré-aquecimento chega até 315ºC.

• C > 0,30% → Dureza „como-soldado‟ 55-65 RC.

Cuidados especiais para evitar TF.


Ligas Típicas Comerciais

Consumíveis

Prefere-se soldar com MA similar, que permite resistência mecânica e resposta ao TT similares às do MB.

Prefere-se usar MA inox austenitico ou ligas de Ni :

• quando há risco de TF (austenita é macia e retém o H).

• quando MB está recozido e a solda será usada „as welded‟

(sem TTPS)

• Ligas de Ni darão solda austenítica pura (se a diluição for baixa).

São úteis em juntas de transição entre aços inox martensíticos e

austeniticos, pois o coeficiente de dilatação é intermediário.

Desvantagens

menor resistência e maior custo.

precaução no TTPS de MS contendo ferrita, para evitar a fragilização pela formação de fase sigma durante o revenido.

Consumíveis

Metalurgia física

AIM contêm elementos como o C que expandem o campo gama

=> pseudo-binários adequados para descrever o equilibrio entre as fases

Com C = 0,1 a 0,25 %C solidificam como F, mas se forma A ou misturaF+A no final da solidificação.

Para T<800ºC estão em equilíbrio F + carbonetos (Cr23C6).

Diagrama pseudo-binário

Fe-Cr-C para 13%Cr.

No resfriamento de uma solda, a austenita transforma em martensita (fora

do equilíbrio).

Pode haver F residual na matriz martensítica, em função do balanço de

elementos ferritizantes e austenitizantes.


Fe-Cr-C para 13%Cr.

Metalurgia física

O “nariz” da curva de formação da ferrita ocorre para

tempos >100 s => na maioria das soldagens, forma-se martensita.

Diagrama de transformação

isotérmica para o aço 410.

Metalurgia física

• Soldagem com eletrodos revestidos:

• Linha 1 cordão sobre chapa de 20 mm / aporte 5 kJ/cm

• Linha 2 cordão sobre chapa de 10 mm / aporte 30 kJ/cm

• Linha 3 como caso 2 + To = 350 oC

Diagrama TRC-S

Aço tipo 410

12 Cr / 0,13C / 0,28 Si

0,38 Mn / 0,1 Mo / 0,4 Ni

Austenita resfriada abaixo de 700ºC em t < 200 s, permanece estável aT>Ms por mais de 1 semana.

Prática de revestimento de rolos de lingotamento continuo:

To e Ti > Ms evita TF e permite difusão do H.

No final da soldagem multipasses reduz-se T

Com aumento de volume na transformação A M

cladding fica sob tensões compressivas.

Diagrama de transformação

isotérmica para o aço 410.

Metalurgia física

O revenido promove a formação de carbetos ricos em Cr ou outroselementos de liga e a transição da estrutura TCC da martensita para aestrutura CCC da ferrita.

Microestrutura do aço 410

no estado

temperado-e-revenido

Metalurgia física

Previsão de Ms

Quase todos os elementos de liga (exceto Co) diminuem Ms.

Grandes diferenças nas previsões, donde:

Se a preocupação é definir To para evitar M, usar maior valor Ms previsto.

Se desejável a transformação

A M prévia ao TTPS, escolher o menor valor Ms e descontar 100ºC (para obter Mf).

Previsão de Ms

Equação de Payson

para o aço 410

Ms= 92ºC<< experimental (330ºC).

Todas equações

(exceto a de Self)

valores absurdamente

baixos para aços alto C.

Previsão de Ms

Na maioria dos AIM, com C= 0,1- 0,25%C, Ms é alta (200-400ºC).

Como MfMs-100ºC, a Tambiente a transformação é completa.

Em aços altamente ligados, particularmente com Ni (p.ex. Ni 4%),

Mf <Tambiente.

Nos aços CA-6NM austenita retida é benéfica para a tenacidade.

Previsão de Ms

USINA DE ITAIPU

Manutenção - 12 ª Unidade

950 kg de eletrodos

Peso do rotor = 296 t

Cavitação rotor - Turbina Francis

Hélio 2007

• Md30 é a temperatura na qual 50% da austenita transforma-se em martensita com

redução de 30% de área em tração e indica a estabilidade do aço austenítico.

• M d30 (oC) = 497 – 462(C+N) - 9,2Si - 8,1Mn - 13,7Cr - 20Ni - 18,5Mo-3Co

Previsão de Md

Em sua pesquisa Procopiak estimou que as ligas comerciais

(Hidroloy® 913 e Conargem E 725) apresentaram temperaturas

diferentes de início de transformação martensítica, sendo

Md30 (HQ913) = -43°C e

Md 30(E725) = - 3°C

ou seja, a liga HQ913 é mais estável que a E725 o que significou que

possui uma maior dificuldade em transformar-se de fase

e conseqüentemente resultou numa maior resistência a erosão por

cavitação.

Hélio 2007

Fase austenítica

Baixa EFE

Deslizamento planar

Refinamento microestrutural

Encruamento quando

submetidos a cavitação

Requisitos para ligas resistente à erosão por cavitação

σ erosão por cavitação = período de incubação + taxa de erosão

Transformação de fase (lenta)Remover partículas pequenas

(Refinamento microestrutural)

Martensita ’ (ccc) e ε (hc)

Maclas finas de deformação

Justificativa para a escolha dos elementos

Manganês (10 a 25%)

Austenitizante

Regula a presença da martensita ε e ’

Com o N contribuí para estabilizar a austenita,

ampliar o campo γ e diminuir a EFE

Incrementa a solubilidade do N

Substituto parcial do Ni.

Avaliação das fases presentes nos revestimentos antes e após a cavitação

(transformação de fase)

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0(%)

γ ε α' γ ε α' γ ε α'

Antes da cavitação (%) Após a cavitação (%)

L01 L05L03*

Mn18,2%336HVMn11,8% - 325HVMn10,9% - 440HV

Avaliação do Nieq, Creq e temperatura Md

0

20

40

60

80

100

30,00 31,00 32,00 33,00 34,00 35,00 36,00 37,00

Creq+Nieq

Po

rpo

rção

de f

ases(5

)

autenita martensita epsulon martensita alfa

α`

γ

ε

Simoneau

ε

γ

α`

Liga Simoneau Procopiak Rao Angel

Creq + Nieq Md Md Md

L01 30,3 96 96 12

L05 36,3 -1 -1 -85

L03* 34,7 19 19 -65

Cavitec 44,80 -56 -29 -113

Solidificação e transformações na Zona Fundida

A ZF dos AIM com 11-14%Cr e 0,1-0,25%C tem solidificação primáriaferrítica.

A segregação de C e elementos de liga na solidificação pode resultarna formação de A, ou numa mistura de F+A, no final dasolidificação.

Enquanto a ZF esfria no estado sólido, a austenita consumirá a ferrita,resultando em estrutura totalmente austenitica a T<1100ºC.

No resfriamento subseqüente a austenita transformará em martensita.

Seqüência de transformação 1:

L L + Fp Fp Fp + A A M

METALURGIA DA SOLDAGEM

Aço 410 totalmente

martensítico

No resfriamento de uma solda, a austenita transforma em martensita (fora

do equilíbrio).

Pode haver F residual na matriz martensítica, em função do balanço de

elementos ferritizantes e austenitizantes.


Fe-Cr-C para 13%Cr.

Se alguma F se formar no final da solidificação, pode-se enriquecer em elementosferritizantes (Cr, Mo,...), de modo que ficará estável (não transformará em A aT<solidus). Essa F forma-se nos contornos de grão e sub-grão.

A estrutura final consistirá de uma mistura de martensita e de ferrita eutética.


Seqüência de transformação 2

L L + Fp Fp + (A +Fe)

Fp + A + Fe A + Fe M + Fe

Fe= ferrita eutética

Aço 12Cr-1Mo (tipo HT9):

M + F nos contornos de sub-grão

(fase escura)


Também pode ocorrer que parte da Fp não transforme em A a elevadas T epermaneça até a Tambiente.

Seqüência de transformação 3:

L L + Fp Fp A + Fp M + Fp

Fp= ferrita primária


Aço 410: M com F retida (fase clara)


Zona Afetada pelo Calor- ZAC

Macrografia de uma soldaautógena em aço 12Cr-1Mocom baixo C (0,15%)

Perfil de dureza no estado

como-soldado



Região 1, ZAC alta T:

Martensita não-revenida e Ferrita(presente nos CG da austenita

prévia). Baixa dureza.

Macrografia de uma soldaautógena em aço 12Cr-1Mocom baixo C (0,15%)




Fe-Cr-C para 13%Cr



Solda autógena em aço12Cr-1Mo

Região 2 da ZAC:

a elevadas T será Ahomogênea (dissoluçãode carbonetos) e comcrescimento de grão. Aoresfriar produz M de altoC (maior dureza).




Região 3 da ZAC:

Austenitiza no aquecimento, com dissolução incompleta dos carbetos e pouco crescimento de grão (pinning dos carbetos). Austenita com menor %C gera M menos dura.




Região 4 da ZAC:

Transformação austeníticaparcial ou inexistente. Nestafaixa de T (800 a 950ºC)podem coalescer oscarbonetos, resultando emdureza < MB.


Transformações de fase

Se houver F, deve-se considerar as diferenças nas propriedades mecânicas entre a F e M:

• Na laminação a quente, não há problema, pois as regiões de F e M ficam paralelas à direção de laminação, de modo que as deformações serão distribuídas uniformemente.

• Num MS as regiões de F tendem a ficar perpendiculares à superfície, portanto um esforço paralelo à superfície causa deformação concentrada na F e a fratura com baixa carga e ductilidade.

Ferrita num MS martensítico.


• Prevê o teor de F no MS no estado como-soldado (sem TTPS ou passes subseqüentes).

• Os aços 410 e 420 podem apresentar F no MS.

Diagrama de Balmforth, para prever teor de F em AIM.

Transformações de faseMETALURGIA DA SOLDAGEM

Tratamento térmico pós-soldagem (TTPS)

• É quase sempre requerido nos AIM, pois mesmo com C baixos (0,1%) a dureza pode ser 30-35 Rc.

• TTPS é usado principalmente para revenir a martensita, mas também produz alivio de tensões.

• Normalmente é realizado em T= 480 a 750ºC, pois não há amolecimento abaixo dessas T.

• Entretanto, pode ser feito a T de até 200ºC, para melhorar a tenacidade e a estabilidade dimensional.

• Tempo de tratamento depende da espessura. Normalmente 30 min- 2h são suficientes.

• Para ocorrer o revenido deve-se permitir a transformação martensítica. Portanto, não deve ser feito diretamente após a manutenção de uma solda a Ti> Ms.


Se o tempo de manutenção da solda a Ti>Ms for longo demais (p.ex. 16 h a 565ºC ), a austenita transformará em F+ carbonetos. A dureza resultante será muito baixa (p.ex. 90 Brinell, bom para usinagem), mas a resistência mecânica e vida útil do componente serão baixas.

Diagrama de transformação isotérmica para o aço 410.



• O revenido promove a transformação da M em F+ carbonetos, o que reduz a resistência, mas aumenta a ductilidade e tenacidade.

• Se houver elementos de liga que formem carbonetos à T revenido, pode haver endurecimento secundário.

• Deve ser tomado cuidado para não revenir aços com alto Cr durante longos tempos, pois pode ocorrer precipitação de fase sigma, que fragilizará o aço.

Revenido de MS de AIM:

420: 0,2C; 1,2Mn; 0,5Si; 12Cr;

423L: 0,15Mn; 0,15C; 1,2Mn; 0,4Si;

11,5Cr; 2,0Ni; 1,0Mo; 0,15V


METALURGIA DA SOLDAGEMMETALURGIA DA SOLDAGEM

• Revenido na faixa de 480-750ºC.

• A dureza diminui com o tempo e, principalmente, com a temperatura (parâmetro de Larson-Miller).

• O revenido a baixas T (p.ex. < 600ºC) é ineficaz

Curvas de revenido do MS eZAC de aço 2Cr-1Mo-0,5W-0,3V-0,2C.



• Para otimizar as propriedades e obter uma microestrutura homogêneana solda, o ideal seria solubilizar a solda inteira (para dissolver oscarbonetos e obter uma austenita homogênea) e depois fazer atêmpera e revenido.

• Entretanto, a solubilização a alta T não é prática, pois implicarestrições de tamanho e logística. Também pode resultar emdistorções significativas de componentes grande e/ou complexos.



Diretrizes para o pré-aquecimento e TTPS

Os AIM com C<0,06% (p.ex. 410NiMo e CA-6NM) não requerem To para e< 12 mm. Para espessuras maiores To mínima = 120ºC.

AIM com C= 0,06-0,3% exigem pré-aquecimento:

• Em seções finas, são usadas geralmente To e Ti < Ms, para permitir completa transformação da martensita e a difusão do H.

• Em seções espessas, se usam To e Ti > Ms para evitar trincas durante a soldagem. Depois a solda é resfriada lentamente até Tambiente, para permitir difusão do H.


AIM com C>0,3%, deve ser usada To e Ti> Ms. Há duas opções:

• resfriamento lento após a soldagem até Tambiente, seguido de revenimento.

• após a soldagem, manter a solda a T>Ms, para promover a transformação isotérmica da A em F+carbonetos. O MB é fortemente revenido. Isso deixa a solda mole, própria para a usinagem. Depois é realizado TT de austenitização, seguido de têmpera e revenido.

.



• 5. Na termoelétrica Jorge Lacerda tubulações

em aço inox martensítico de grande diâmetro

foram soldadas com eletrodo de composição

similar, sob um préaquecimento de 300C,

segundo a sequência de ciclos térmicos da

figura A (soldagem austenítica).

• Entretanto, mesmo para materiais temperáveis

também pode ser considerado o procedimento

com “contrôle da temperatura” da sequência B

(soldagem martensítica!).

• Na soldagem de reparo de materiais muito

temperáveis é também muito comum o

emprêgo de eletrodos austeníticos ( aço inox ou

ligas de níquel). Nesse caso qual dos ciclos

térmicos acima você usaria? Ou nenhum dos

dois?? Que vantagens e desvantagens você

pode enumerar para uso do metal de adição

austenítico ?


Trincas induzidas por hidrogênio

• Presença de martensita não revenida torna AIM susceptíveis ao trincamento a frio induzido por H.

• Em geral é recomendado o uso de pré-aquecimento e TTPS.

• Processos e práticas de baixo H são essenciais.

SOLDABILIDADE

Trincas induzidas por hidrogênioSOLDABILIDADE

Trincas de solidificação e de liquação

• A maioria dos aços inox martensíticos solidifica como ferrita => tem baixa susceptibilidade às trincas de solidificação.

• Alguns fatores promovem as TS: presença de Nb (que tende a segregar) e baixos níveis de Mn.

• Aços inox martensíticos com alto teor de C podem solidificar como austenita e => são mais susceptíveis às TS.

• As trincas de liquação são raras nos AIM .

SOLDABILIDADE

Aços inox supermartensíticos

• Foram introduzidos nos anos 90, como alternativas de baixo custo dos aços inox austeníticos e duplex, para uso em tubulações submarinas. Hoje em dia são utilizados em tubulações coletoras de óleo e gás em que o fluido contem altos teores de CO2 e H2S antes de ser separado e tratado.

• A sua soldabilidade é maior que a dos AIM, graças à redução do C<0,02%. A martensita formada terá baixa dureza (<30 Rc) e será menos susceptível às TF.

• Também exigem o TTPS de revenido para aumentar a tenacidade, mas, em alguns casos podem ser utilizados no estado como-soldado.

Nos AISM são utilizados elementos como:

• Ni, para compensar o efeito austenitizante perdido ao diminuir o teor de C.

• Mo, para melhorar a resistência à corrosão.

• Ti, para estabilizar o C (através da formação de TiC) e para refinar o grão.


• Quando o revenido é feito a 600ºC, pode ficar até 30% de austenitaretida

Teor de austenita a T elevada e

Tambiente, num AISM com

13%Cr-6Ni.


Revisão Bibliográfica

• Aços Inox. Supermartensíticos

• Liga Fe-Cr-Ni-(Mo) C < 0,02%p.

• Uso na condição temperada e revenida.

• Crescente emprego no setor petrolífero e de gás (substituição do

aço inox. Duplex).

• Alta resistência mecânica, boa resistência à corrosão e boa

soldabilidade.

• Material alternativo para o uso em componentes de bombas

hidráulicas e mecânicas, e turbinas hidráulicas.

S. Henke 2010


• Fases principais

• Martensita revenida – fase desejável• Resistência mecânica

• Austenita retida - fase desejável• Melhora a tenacidade

• Absorve Hidrogênio, reduz corrosão sob-tensão.

• Ferrita delta - fase indesejável• Aumenta a TTDF

• Baixa resistência à propagação de trincas por fadiga

• Torna o aço susceptível à corrosão sob-tensão

• Reduz a resistência à cavitação

Aços Inox. Supermartensíticos

S. Henke 2010


Soldagem dos aços Inox. Martensíticos de baixo C(Folkhard, 1988)

Melhor soldabilidade comparada ao outros inoxidáveis martensíticos (menor

risco de trincas a frio).

Sem pré-aquecimento e T. interpasse entre Ms e Mf.

Soldagem com eletrodo similar, resultando num máximo de 5% de ferrita

delta na região da solda.

Efeito do teor de carbono em relação à dureza para um aço 13Cr4Ni

(Gooch -1977 ).


Diagrama esquemático ilustrando mudanças estruturais que ocorrem na ZTA

do aço inoxidável Supermartensítico (adaptado de ENERHAUG et al, 2001).

Esquema revelando a evolução da microestrutura na ZTA de granulação

grosseira (ZTA-GG) durante a soldagem ( CARROUGE 2002).

d ferrita delta, AgAustenita alotriomórfica, IgAustenita intragranular, Wg

Austenita de Widmanstätten.


Região de Granulação Grosseira da ZTA de um aço inoxidável Supermartensítico

revelando a presença de diferentes morfologias de austenita ( CARROUGE 2002)


Esquema revelando a evolução da microestrutura na ZTA de dupla fase (ZTA-DF)

durante a soldagem (CARROUGE, 2002).

d ferrita delta, gAustenita.


Soldagem Pulsada – Efeitos Metalúrgicos

• Possibilidade de obter refino da granulação da solda com

consequente benefício das propriedades mecânicas;

• Redução na largura da ZTA;

• Menor tensão residual;

• Reduzida possibilidade de defeitos (ex. trincas de solidificação e

porosidades).

• Promove superesfriamento e reaquecimento da região soldada.



Morfologia da granulação obtida na zona fundida de um aço inoxidável AISI

316 F sem e com aplicação de pulsação de corrente. (LUCAS, 1982;

STREET, 1990)



Granulação equiaxial obtida em solda pulsada de uma liga de Al 6061

(KOU, 2002).


RESULTADOS

Macro e micrografias obtidas sobre a superfície do Cordão Convencional, não pulsado, destacando a

distribuição homogênea da ferrita delta ao longo do mesmo.

Análise metalográfica - Ferrita delta

RESULTADOS

Macro e micrografias obtidas sobre a superfície do cordão Pulsado B (1 Hz) destacando a distribuição

da ferrita delta na forma de bandas ao longo do mesmo.


RESULTADOS

Resultados de composição (%p) obtidos via EDS sobre banda de ferrita delta e fora desta.


AB

Região Cr Ni Mo SiA 11,1 ± 0,1 5,5 ± 0,3 1,6 ± 0,1 0,6 ± 0,1

B 11,1 ± 0,1 5,7 ± 0,1 1,6 ± 0,1 0,6 ± 0,1

RESULTADOS

Cordão Convencional revelando a

distribuição de ferrita delta (áreas escuras)

na ZF e na ZTA-DF.

500 mm

Cordão Pulsado A (5Hz) revelando a

distribuição de ferrita delta na forma de

bandas junto à parte superior do mesmo e

na ZTA-DF.

Cordão Pulsado B (1Hz) revelando a

distribuição de ferrita delta na forma de

bandas ao longo de todo metal fundido e

na ZTA-DF.

Análise metalográfica

RESULTADOS

Microestruturas obtidas sobre a ZTA-AT do Cordão Convencional destacando a presença de

ferrita delta (áreas escuras entre as linhas tracejadas).

50 mm

200 mm

20 mm

Análise metalográfica - Ferrita delta - ZTA

RESULTADOS

Largura da ZTA-GG e % de ferrita delta na ZTA-DF em função do processo utilizado.

Análise metalográfica

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

% d

e F

err

ita

De

lta

ZTA

-D

F

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Convencional Pulsado A Pulsado B Pulsado C Pulsado D

Larg

ura

da

ZTA

-GG

µm

CONCLUSÕES

• O processo de soldagem plasma utilizando corrente

pulsada não resultou em um completo refino da

granulação na região da solda quando comparado ao

modo convencional.

• O uso da corrente pulsada promoveu na zona fundida

a formação de bandas alternadas de ferrita delta e

martensita.

• Na ZTA-AT do aço estudado foi constatada uma

redução significativa nos percentuais de ferrita delta

de 18 para 7% bem como na largura da ZTA-GG

(aprox. 50%) quando do uso da corrente pulsada

frente à convencional.

• Quanto à formação de austenita retida por meio da

ciclagem térmica imposta pela pulsação de corrente,

a mesma não foi obtida.

Aços Inox Martensiticos

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