Made available in DSpace on 2018-08-02T00:03:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_9255_EDUARDO SARCINELLI FARIA.pdf: 2805720 bytes, checksum: a977ea8ab4f6bc7f9b8ae13fbc804ba2 (MD5) Previous issue date: 2015-09-18 / Na presente dissertação foram avaliadas diferentes técnicas eletroquímicas visando detectar a suscetibilidade à corrosão do aço inoxidável dúplex UNS S31803. Este aço foi estudado na condição como recebido (CR) e após tratamento térmico nas temperaturas de 645°C e 820°C, por tempos que variam de 4 horas, 8 horas e 12 horas. Estes tratamentos levam à precipitação, principalmente, da fase sigma, e também, de carbonetos e nitretos de cromo. Foi preparada um solução de 2M H2SO4 + 0,5M NaCl + 0,01M KSCN para então ser conduzido ao ensaio de polarização de reativação potenciocinética de ciclo duplo (DL-EPR) e a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) após o potencial de corrosão (OCP) e logo após a formação de filme que acontece no final da ativação do ensaio de ciclo duplo. Nos ensaios de DL-EPR foi constatado a presença de picos de reativação nas amostras de 645°C e 820°C devido à sensitização dos materiais. Nos ensaios de impedância, valores inconsistentes para a resistência de transporte de carga (Rct), além de um alto valor para elementos de fase constante (CPE) para amostra tratada a 645°C que indicaria que há mais transporte de íons nessas amostras do que na amostra tratada a 820°C, e também valores de indutância (L) e de resistência de adsorção (Rads) maiores para as amostras tratadas do que para amostra CR leva a uma falsa impressão que a amostra tratada a 820°C possui uma resistência à corrosão melhor do que a amostra CR. Diante desse fato, uma correção foi proposta na área sujeita à corrosão para que os valores estejam mais plausíveis com o contexto real. Palavras chave: Aço Inoxidável Duplex UNS S31803. Corrosão. Sensitização. Impedância.

O aumento na demanda do petróleo tem transformado reservas antes não consideradas exploráveis em fontes economicamente viáveis de óleo e gás. Entretanto, essas reservas exigem soluções específicas para realização da exploração devido suas características particulares, caso das reservas do pré-sal. Elas estão localizadas em águas profundas e em ambientes contendo diferentes níveis de H2S e CO2, que tornam o meio corrosivo, exigindo a aplicação de ligas resistentes à corrosão. Um dos materiais que vem sendo estudado como solução para níveis moderados desses compostos são os aços inoxidáveis supermartensíticos, que contêm de 13 a 16% de cromo e até 5% de molibdênio em sua composição. Além de cromo e molibdênio, alguns projetos de liga podem conter também a adição de elementos estabilizadores de carbono e nitrogênio tais como o nióbio, não só para evitar a precipitação de carbonetos de cromo, que ocasionam queda no desempenho do aço quanto à corrosão, como também para aumentar as propriedades mecânicas através do endurecimento secundário, obtido com tratamentos térmicos posteriores. O presente trabalho visa caracterizar e comparar as propriedades mecânicas e de resistência à corrosão por pite de dois aços inoxidáveis supermartensíticos, com ênfase nos efeitos da adição de Nb. Para tanto foram estudados dois aços supermartensíticos contendo 13%Cr, 5%Ni e 2%Mo, sendo que em um deles foi adicionado nióbio (0,1% Nb). Como esses aços são utilizados na condição revenida, escolheu-se a temperatura de 600oC para o tratamento térmico. Para obter maior detalhe sobre o efeito do revenimento na precipitação de fases e como estas afetam as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão desses aços, o revenimento foi realizado em diferentes tempos: 1h, 2h, 4h, e 8h, e, além disso, a condição apenas temperada também foi submetida a ensaios e exames. Após o revenimento foram realizados testes de tração nas amostras submetidas a 600oC por 2 horas, já que este é o tempo de revenimento normalmente utilizado pela indústria. Foram feitas também medidas de dureza, cálculo de equilíbrio termodinâmico e medidas de porcentagem de fase não magnética para o ii entendimento das transformações de fase que ocorrem durante o tratamento térmico desses aços. O aço ao nióbio apresenta valores médios de limite de escoamento e limite de resistência superiores aos valores obtidos para o aço de referência na condição revenida por 2 horas a 600oC. A maior resistência mecânica é atribuída à precipitação de carbonetos de nióbio e fase Chi, e ocorre sem grande prejuízo ao alongamento, indicando um bom compromisso entre a maior resistência mecânica e condições de processamento. A corrosão por pite e o grau de sensitização estão diretamente relacionados com as transformações da microestrutura durante o revenimento. A adição de Nb ao aço melhora o desempenho quanto ao grau de sensitização em todos os intervalos de tempo estudados, essa melhora de desempenho é devida à diminuição da quantidade de regiões pobres em cromo. Pode-se afirmar que, para a corrosão por pite, no tempo de 2 horas, que é o tempo de revenimento mais utilizado industrialmente, os aços apresentam comportamento equivalente. Para tempos inferiores a este, o aço ao nióbio apresenta menores valores de resistência à corrosão por pite, devido ao atraso no alívio de tensões da martensita. Para tempos superiores a 2 horas, o aço ao nióbio apresenta desempenho similar ou superior em relação ao aço de referência, já que para maiores tempos o processo de homogeneização da composição química tem condições de ocorrer. / The constant increase in oil and gas demand has made reserves, previously not considered economically feasible, to become viable sources. However, such reserves demand specific project solutions since each one of them present unique features. This is the case of the pre-salt reserves in Brazil, they are located in deep waters and can contain different levels of H2S and CO2, which result in a more corrosive environment, and require the use of corrosion resistant alloys. One of the materials under study, as a solution to moderate H2S and CO2 contents, is the supermartensitic stainless steel family, which contains 13 to 16%Cr and up to 5%Mo. Besides chromium and molybdenum, some alloy designs can also contain the addition of carbon and nitrogen stabilizing elements, such as niobium. This is not only to avoid chromium carbide precipitation, which causes a lower corrosion performance of the material, but also to increase mechanical properties through secondary hardening, obtained with the quenching and tempering of the steel. The present work aims to characterize and compare the corrosion and mechanical properties of two supermartenistic stainless steels, focusing on the effect of niobium addition. In order to do that, two supermartensitic steels containing 13%Cr, 5%Ni and 2%Mo, one of them with niobium addition (0.1%), have been studied. Supermartenistic stainless steels are normally used in the 600oC tempered condition, , in order to observe in better detail the tempering effect in the phase precipitation and how this affects the mechanical and corrosion resistance properties, tempering has been done at different times: 1h, 2h, 4h, 8h and the as quenched condition has also been analyzed. After tempering, tensile tests have been performed in the samples treated during 2h at 600oC, as this is the tempering time normally used in industrial practice. Besides tensile tests, hardness measurements, thermodynamic equilibrium calculations and determination of nonmagnetic phases fraction have also been performed in order to understand the phase transformation that occur during heat treatment of such steels. iv The steel containing niobium has average yield and tensile strength values superior to the ones obtained in the reference steel at 600oC for 2h. The higher mechanical properties are attributed to niobium carbide and Chi phase precipitation, and occurs without greatly compromising the elongation, indicating a good relationship between higher strength with processing conditions. Pitting corrosion resistance and the sensitization degree of the steels are directly related with the microstructure transformation that happens during tempering. Niobium addition improves the sensitization performance of the steel as the steel containing niobium showed lower sensitization values in all the conditions studied, this improve in performance is explained by the lower quantity of impoverished chromium regions. For the pitting corrosion resistance, at 2h tempering, which is the time normally used by the industry, the steels presented equivalent behavior. At times lower than 2 h, the niobium bearing steel has lower pitting corrosion resistance, mainly due to the delay in the martensite stress relieving process. At times superior to 2 hours, the niobium bearing steel presented equivalent or superior pitting resistance in relation to the reference steel, since there is time enough for the chemical composition homogenization process to begin.

O desenvolvimento dos aços inoxidáveis Super-Martensíticos (SM) nasce da necessidade de implementar novas tecnologias, mais econômicas e amigáveis ao meio ambiente. Os aços inoxidáveis SM são uma derivação dos aços inoxidáveis martensíticos convencionais, diferenciando-se basicamente no menor teor de carbono, na adição de Ni e Mo. Foram desenvolvidos como uma alternativa para aços inoxidáveis duplex no uso de dutos para a extração de petróleo offshore em meados dos anos 90. Para que esses aços apresentem as propriedades mecânicas de resistência à tração e tenacidade é necessário que sejam realizados tratamentos de austenitização, seguido de têmpera, e de revenimento, onde, particularmente para este último, há várias opções de tempos e temperaturas. Como os tratamentos térmicos geram as propriedades mecânicas através de transformações de fase (precipitação) podem ocorrer alterações da resistência à corrosão. São conhecidos os efeitos benéficos da adição de Nb em aços inoxidáveis tradicionais. Por isso, o objetivo desta pesquisa foi estudar aços inoxidáveis SM contendo Nb. Foi pesquisada a influência da temperatura de revenimento sobre a resistência à corrosão de três aços inoxidáveis SM, os quais contêm 13% Cr, 5% Ni, 1% a 2% Mo, com e sem adições de Nb. No presente trabalho, foram denominados de SM2MoNb, SM2Mo e SM1MoNb, que representam aços com 2% Mo, 1% Mo e 0,11% Nb. Dado que os principais tipos de corrosão para aços inoxidáveis são a corrosão por pite (por cloreto) e a corrosão intergranular (sensitização), optou-se por determinar os Potenciais de Pite (Ep) e os Graus de Sensitização (GS) em função da temperatura de revenimento. Os aços passaram por recozimento a 1050°C por 48 horas, para eliminação de fase ferrita delta. Em seguida foram tratados a 1050 °C por 30 minutos, com resfriamento ao ar, para uniformização do tamanho de grão. A estrutura martensítica obtida recebeu tratamentos de revenimento em temperaturas de: 550 °C, 575 °C, 600 °C, 625 °C, 650 °C e 700 °C, por 2 horas. O GS foi medido através da técnica de reativação eletroquímica potenciodinâmica na versão ciclo duplo (DL-EPR), utilizando-se eletrólito de 1M H2SO4 + 0,01M KSCN. Para determinar o Ep foram realizados ensaios de polarização potenciodinâmica em 0,6M NaCl. Os resultados obtidos foram discutidos através das variações microestruturais encontradas. Foram empregadas técnicas de microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), simulação termodinâmica de fases através do programa Thermo-Calc e determinação de austenita revertida mediante difração de raios X (DRX) e ferritoscópio. A quantificação da austenita por DRX identificou que a partir de 600 °C há formação desta fase, apresentando máximo em 650 °C, e novamente diminuindo para zero a 700 °C. Por sua vez, o método do ferritoscópio detectou austenita nas condições em que a analise de DRX indicou valor nulo, sendo as mais críticas a do material temperado (sem revenimento) e do aço revenido a 700 °C. Propõe-se que tais diferenças entre os dois métodos se deve à morfologia fina da austenia retida, a qual deve estar localizada entre as agulhas de martensita. Os resultados foram discutidos em termos da precipitação de Cr23C6, Mo6C, NbC, fase Chi, austenita e ferrita, bem como das consequências do empobrecimento em Cr e Mo, gerados por tais microconstituintes. São propostos três mecanismos para explicar a sensitização: o primeiro é devido a precipitação de Cr23C6, o segundo a precipitação de fase Chi (rica em Cr e Mo) e o terceiro é devido a formação de ferrita durante o revenimento. O melhor desempenho quanto ao GS foi obtido para os revenimentos a 575 °C e 600°C, por 2 horas. Os resultados de Ep indicaram que o aço SM2MoNb, revenido a 575°C, tem o melhor desempenho quanto à resistência à corrosão por cloreto. Isso associado ao baixo GS coloca este aço, com este tratamento térmico, numa posição de destaque para aplicações onde a resistência à corrosão é um critério de seleção de material, uma vez que, segundo a literatura a temperatura de 575 °C está no intervalo de temperaturas de revenimento onde são obtidas as melhores propriedades mecânicas. / Supermartensitic (SM) stainless steels were developed in response to the need of new technologies that are more economical and environmentally friendly. SM steels are different from classic martensitic stainless steels due to their lower carbon content and the addition of Mo and Ni. SM steels were developed as an alternative for duplex stainless steels in oil extraction pipelines offshore in the mid-1990s. To acquire the desired mechanical properties quenching and tempering treatments can be conducted, with tempering which can be performed in different temperatures and times. Since the previous heat treatments change the mechanical properties by phase transformations (precipitation), changes in the corrosion resistance properties can be expected. The beneficial effects of Nb additions in traditional stainless steels are well known. Therefore, the aim of this investigation was to study the influence of tempering temperature on the corrosion resistance of three SM stainless steels, containing 13% Cr, 5% Ni, 1-2% Mo, with and without Nb. The steels used in this investigation were denominated SM2MoNb, SM2Mo and SM1MoNb, according to their Mo (2% or 1%) and Nb (0.11%) content. Considering that the usual types of corrosion observed in stainless steels are pitting and intergranular corrosion, the pitting potential (Ep) and the degree of sensitization (DOS) were determined in function of tempering temperature. The steels were annealed at 1050° C during 48 hours to eliminate delta ferrite phase. Afterwards, the samples were normalized for 30 minutes at 1050 ºC (air cooling) to standardize the grain size. Finally, the samples were tempered at 550 °C, 575 °C, 600 °C, 625 °C, 650 °C or 700 °C, for two hours. The DOS was measured through double loop electrochemical potentiodynamic reactivation technique (DL-EPR), using as electrolyte a solution containing 1 M H2SO4 + 0.01 M KSCN. To determine the Ep, potentiodynamic polarization tests were carried out in a 0.6 M NaCl solution. The results were discussed based on the observed microstructural changes. Optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), phase diagram simulation using Thermo-Calc software and quantification of reversed/retained austenite were done using the following two methods: X-ray diffraction (XRD) and magnetic measurements with a ferritscope. The quantification analysis by XRD showed the formation of austenite above a temperature of 600 °C, reaching the maximum volume at 650 °C and decreasing again to zero at 700 °C. However, the ferritscope measurements detected the presence of austenite in the whole temperature range. The largest difference between the two methods used was observed for the specimens only quenched and quenched/tempered at 700 °C. It is proposed that the observed differences between XRD and ferritscope methods correspond to the presence of nanometric retained austenite, which is localized among the martensite laths. The results were discussed based on the precipitation of Cr23C6, Mo6C, NbC, Chi-phase, austenite and ferrite, and by the resulting Cr and Mo depletion caused by the precipitation of these microconstituents. Three mechanisms were proposed to explain the degree of sensitization: i) Cr23C6 precipitation, ii) Chi-phase (Cr and Mo enrichment) precipitation and, iii) ferrite formation during the tempering treatment. The best performance in terms of DOS was obtained for the tempering conditions of 575 ºC and 600 ºC. In addition, the Ep results showed that the steel SM2MoNb tempered at 575 °C offers the best pitting corrosion resistance in chloride environment. Therefore, the previous results can be used as criteria for best material and tempering temperature selection. Moreover, according to published literature, 575 °C is within the temperature range that offers the best mechanical properties.

Os aços inoxidáveis ferríticos são susceptíveis à corrosão intergranular após resfriamento rápido a partir de 950°C. A teoria de empobrecimento no teor de cromo nas vizinhanças do carboneto e/ou nitreto, precipitados nos contornos de grão, é o mecanismo mais aceito para descrever este fenômeno. O presente trabalho avalia o efeito dos tratamentos isotérmicos na resistência à corrosão intergranular do aço inoxidável ferrítico UNS S43000, utilizando o método de reativação eletroquímica potenciodinâmica na versão ciclo duplo (DL-EPR). As amostras foram solubilizadas a 1200°C e posteriormente tratadas isotermicamente a temperaturas entre 500°C e 700°C, por tempos de 5 minutos a 16 horas. O ensaio DL-EPR foi realizado em solução 0,5M H2SO4 com velocidade de varredura de 1,67 mV/s. As amostras foram examinadas em microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura após ensaio DL-EPR, Práticas W e X da norma ASTM A763 e ataque metalográfico com reagente Vilella. Foram obtidos diferentes valores de grau de sensitização em função do tempo de tratamento isotérmico. Análises por difração de raios X, sobre resíduos extraídos quimicamente identificaram precipitação de nitretos e de carbonetos de cromo, Cr2N e Cr23C6, respectivamente. As temperaturas de 550°C e 600°C mostraram dois máximos de grau de sensitização em função do tempo, por isso este processo de sensitização foi denominado de dupla sensitização. A partir dos resultados obtidos: grau de sensitização DL-EPR, exame microestrutura e difração de raios X, o presente trabalho propõe o seguinte mecanismo para explicar a dupla sensitização: (Etapa 1) no resfriamento da temperatura de solubilização são precipitados nos contornos de grão fases ricas em cromo; (Etapa 2) os tratamentos isotérmicos geram uma fina precipitação de Cr2N nos contornos de grão sobre os precipitados formados na Etapa 1; (Etapa 3) esses precipitados são posteriormente dissolvidos o que permite (Etapa 4) uma nova precipitação de Cr2N e Cr23C6 nos contornos de grão e (Etapa 5) finalmente temse o processo de crescimento, coalescimento e recuperação final. A recuperação total da resistência à corrosão intergranular foi obtida após tratamentos isotérmicos realizados a 650°C por tempos maiores que 20 minutos e a 700°C a partir de 5 minutos. O trabalho confirma que tanto os fenômenos de precipitação, sensitização e recuperação são controlados 5 pela difusão do cromo na ferrita. Tal confirmação foi possível a partir de análises da solução da segunda lei de Fick e gráficos de Arrhenius, construídos a partir do ensaio DL-EPR e dos exames microestruturais, os quais indicaram uma energia de ativação de precipitação com valor de 255 kJ/mol (219 kJ/mol é o valor da energia de ativação para difusão do cromo na ferrita encontrado em literatura (ARAI; TAKEDA; ARATA, 1987; WOLFE; PAXTON, 1964)). / Ferritic stainless steels are prone to intergranular corrosion following quick cooling from 950°C. The explanation based on chromium impoverishment near the carbides and/or nitrides precipitated in the grain boundaries is the most accepted to describe the observations. This work study the effects of heat treatments on the resistance to intergranular corrosion of the UNS S43000 ferritic stainless steel, using the Double Loop Electrochemical Potentiodynamic Reactivation test (DL-EPR). Specimens have been solution annealed at 1200oC followed by isothermical holding at temperatures between 500°C and 700°C, for times of 5min up to 16h. The DL-EPR test was made in a 0,5M H2SO4 solution using scan rate of 1,67 mV/s. The specimens were observed by optical microscope and scanning electron microscope after DLEPR test, Practices W and X (ASTM A763) and metallographic etch with Vilella reagent. Different degrees of sensitization were obtained for different isothermal holding time. X rays diffraction of extracted precipitates identified chromium nitrides and chromium carbides, Cr2N and Cr23C6. The temperatures of 550°C and 600°C produced two maxima in the curves of degree of sensitization as function of time; the process was named double sensitization. From the results of degree of sensitization DL-EPR, microstructural examination and X rays diffraction, this work proposes the following mechanism to explain double sensitization: (1st stage) during cooling from the solution annealing temperature there is grain boundary precipitation of chromium rich phases; (2nd stage) the isothermal treatments produce a fine grain boundary precipitation of Cr2N on the precipitates formed in the 1st stage; (3rd stage) increasing the time, these precipitates are dissolved, allowing for a (4th stage) new grain boundary precipitation of Cr2N e Cr23C6; finally (5th stage) there is growth, coalescence and recovery. Total recovery of intergranular corrosion resistance was achieved, isothermically at 650°C for times longer than 20min and at 700°C for times longer then 5min. Precipitation, sensitization and recovery are controlled by diffusion of chromium in ferrite. This conclusion was based on analysis of solution of Fick’s second law and Arrhenius plots constructed with DL-EPR data and microstructural observations. The calculus of the experimental energy of activation for precipitation produced a value of 255kJ/mol (energy of activation for chromium 7 diffusion in the ferrite reported by Arai, Takeda and Arata (1987) and Wolfe and Paxton (1964) is 219kJ/mol).

O aumento na demanda do petróleo tem transformado reservas antes não consideradas exploráveis em fontes economicamente viáveis de óleo e gás. Entretanto, essas reservas exigem soluções específicas para realização da exploração devido suas características particulares, caso das reservas do pré-sal. Elas estão localizadas em águas profundas e em ambientes contendo diferentes níveis de H2S e CO2, que tornam o meio corrosivo, exigindo a aplicação de ligas resistentes à corrosão. Um dos materiais que vem sendo estudado como solução para níveis moderados desses compostos são os aços inoxidáveis supermartensíticos, que contêm de 13 a 16% de cromo e até 5% de molibdênio em sua composição. Além de cromo e molibdênio, alguns projetos de liga podem conter também a adição de elementos estabilizadores de carbono e nitrogênio tais como o nióbio, não só para evitar a precipitação de carbonetos de cromo, que ocasionam queda no desempenho do aço quanto à corrosão, como também para aumentar as propriedades mecânicas através do endurecimento secundário, obtido com tratamentos térmicos posteriores. O presente trabalho visa caracterizar e comparar as propriedades mecânicas e de resistência à corrosão por pite de dois aços inoxidáveis supermartensíticos, com ênfase nos efeitos da adição de Nb. Para tanto foram estudados dois aços supermartensíticos contendo 13%Cr, 5%Ni e 2%Mo, sendo que em um deles foi adicionado nióbio (0,1% Nb). Como esses aços são utilizados na condição revenida, escolheu-se a temperatura de 600oC para o tratamento térmico. Para obter maior detalhe sobre o efeito do revenimento na precipitação de fases e como estas afetam as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão desses aços, o revenimento foi realizado em diferentes tempos: 1h, 2h, 4h, e 8h, e, além disso, a condição apenas temperada também foi submetida a ensaios e exames. Após o revenimento foram realizados testes de tração nas amostras submetidas a 600oC por 2 horas, já que este é o tempo de revenimento normalmente utilizado pela indústria. Foram feitas também medidas de dureza, cálculo de equilíbrio termodinâmico e medidas de porcentagem de fase não magnética para o ii entendimento das transformações de fase que ocorrem durante o tratamento térmico desses aços. O aço ao nióbio apresenta valores médios de limite de escoamento e limite de resistência superiores aos valores obtidos para o aço de referência na condição revenida por 2 horas a 600oC. A maior resistência mecânica é atribuída à precipitação de carbonetos de nióbio e fase Chi, e ocorre sem grande prejuízo ao alongamento, indicando um bom compromisso entre a maior resistência mecânica e condições de processamento. A corrosão por pite e o grau de sensitização estão diretamente relacionados com as transformações da microestrutura durante o revenimento. A adição de Nb ao aço melhora o desempenho quanto ao grau de sensitização em todos os intervalos de tempo estudados, essa melhora de desempenho é devida à diminuição da quantidade de regiões pobres em cromo. Pode-se afirmar que, para a corrosão por pite, no tempo de 2 horas, que é o tempo de revenimento mais utilizado industrialmente, os aços apresentam comportamento equivalente. Para tempos inferiores a este, o aço ao nióbio apresenta menores valores de resistência à corrosão por pite, devido ao atraso no alívio de tensões da martensita. Para tempos superiores a 2 horas, o aço ao nióbio apresenta desempenho similar ou superior em relação ao aço de referência, já que para maiores tempos o processo de homogeneização da composição química tem condições de ocorrer. / The constant increase in oil and gas demand has made reserves, previously not considered economically feasible, to become viable sources. However, such reserves demand specific project solutions since each one of them present unique features. This is the case of the pre-salt reserves in Brazil, they are located in deep waters and can contain different levels of H2S and CO2, which result in a more corrosive environment, and require the use of corrosion resistant alloys. One of the materials under study, as a solution to moderate H2S and CO2 contents, is the supermartensitic stainless steel family, which contains 13 to 16%Cr and up to 5%Mo. Besides chromium and molybdenum, some alloy designs can also contain the addition of carbon and nitrogen stabilizing elements, such as niobium. This is not only to avoid chromium carbide precipitation, which causes a lower corrosion performance of the material, but also to increase mechanical properties through secondary hardening, obtained with the quenching and tempering of the steel. The present work aims to characterize and compare the corrosion and mechanical properties of two supermartenistic stainless steels, focusing on the effect of niobium addition. In order to do that, two supermartensitic steels containing 13%Cr, 5%Ni and 2%Mo, one of them with niobium addition (0.1%), have been studied. Supermartenistic stainless steels are normally used in the 600oC tempered condition, , in order to observe in better detail the tempering effect in the phase precipitation and how this affects the mechanical and corrosion resistance properties, tempering has been done at different times: 1h, 2h, 4h, 8h and the as quenched condition has also been analyzed. After tempering, tensile tests have been performed in the samples treated during 2h at 600oC, as this is the tempering time normally used in industrial practice. Besides tensile tests, hardness measurements, thermodynamic equilibrium calculations and determination of nonmagnetic phases fraction have also been performed in order to understand the phase transformation that occur during heat treatment of such steels. iv The steel containing niobium has average yield and tensile strength values superior to the ones obtained in the reference steel at 600oC for 2h. The higher mechanical properties are attributed to niobium carbide and Chi phase precipitation, and occurs without greatly compromising the elongation, indicating a good relationship between higher strength with processing conditions. Pitting corrosion resistance and the sensitization degree of the steels are directly related with the microstructure transformation that happens during tempering. Niobium addition improves the sensitization performance of the steel as the steel containing niobium showed lower sensitization values in all the conditions studied, this improve in performance is explained by the lower quantity of impoverished chromium regions. For the pitting corrosion resistance, at 2h tempering, which is the time normally used by the industry, the steels presented equivalent behavior. At times lower than 2 h, the niobium bearing steel has lower pitting corrosion resistance, mainly due to the delay in the martensite stress relieving process. At times superior to 2 hours, the niobium bearing steel presented equivalent or superior pitting resistance in relation to the reference steel, since there is time enough for the chemical composition homogenization process to begin.

O desenvolvimento dos aços inoxidáveis Super-Martensíticos (SM) nasce da necessidade de implementar novas tecnologias, mais econômicas e amigáveis ao meio ambiente. Os aços inoxidáveis SM são uma derivação dos aços inoxidáveis martensíticos convencionais, diferenciando-se basicamente no menor teor de carbono, na adição de Ni e Mo. Foram desenvolvidos como uma alternativa para aços inoxidáveis duplex no uso de dutos para a extração de petróleo offshore em meados dos anos 90. Para que esses aços apresentem as propriedades mecânicas de resistência à tração e tenacidade é necessário que sejam realizados tratamentos de austenitização, seguido de têmpera, e de revenimento, onde, particularmente para este último, há várias opções de tempos e temperaturas. Como os tratamentos térmicos geram as propriedades mecânicas através de transformações de fase (precipitação) podem ocorrer alterações da resistência à corrosão. São conhecidos os efeitos benéficos da adição de Nb em aços inoxidáveis tradicionais. Por isso, o objetivo desta pesquisa foi estudar aços inoxidáveis SM contendo Nb. Foi pesquisada a influência da temperatura de revenimento sobre a resistência à corrosão de três aços inoxidáveis SM, os quais contêm 13% Cr, 5% Ni, 1% a 2% Mo, com e sem adições de Nb. No presente trabalho, foram denominados de SM2MoNb, SM2Mo e SM1MoNb, que representam aços com 2% Mo, 1% Mo e 0,11% Nb. Dado que os principais tipos de corrosão para aços inoxidáveis são a corrosão por pite (por cloreto) e a corrosão intergranular (sensitização), optou-se por determinar os Potenciais de Pite (Ep) e os Graus de Sensitização (GS) em função da temperatura de revenimento. Os aços passaram por recozimento a 1050°C por 48 horas, para eliminação de fase ferrita delta. Em seguida foram tratados a 1050 °C por 30 minutos, com resfriamento ao ar, para uniformização do tamanho de grão. A estrutura martensítica obtida recebeu tratamentos de revenimento em temperaturas de: 550 °C, 575 °C, 600 °C, 625 °C, 650 °C e 700 °C, por 2 horas. O GS foi medido através da técnica de reativação eletroquímica potenciodinâmica na versão ciclo duplo (DL-EPR), utilizando-se eletrólito de 1M H2SO4 + 0,01M KSCN. Para determinar o Ep foram realizados ensaios de polarização potenciodinâmica em 0,6M NaCl. Os resultados obtidos foram discutidos através das variações microestruturais encontradas. Foram empregadas técnicas de microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), simulação termodinâmica de fases através do programa Thermo-Calc e determinação de austenita revertida mediante difração de raios X (DRX) e ferritoscópio. A quantificação da austenita por DRX identificou que a partir de 600 °C há formação desta fase, apresentando máximo em 650 °C, e novamente diminuindo para zero a 700 °C. Por sua vez, o método do ferritoscópio detectou austenita nas condições em que a analise de DRX indicou valor nulo, sendo as mais críticas a do material temperado (sem revenimento) e do aço revenido a 700 °C. Propõe-se que tais diferenças entre os dois métodos se deve à morfologia fina da austenia retida, a qual deve estar localizada entre as agulhas de martensita. Os resultados foram discutidos em termos da precipitação de Cr23C6, Mo6C, NbC, fase Chi, austenita e ferrita, bem como das consequências do empobrecimento em Cr e Mo, gerados por tais microconstituintes. São propostos três mecanismos para explicar a sensitização: o primeiro é devido a precipitação de Cr23C6, o segundo a precipitação de fase Chi (rica em Cr e Mo) e o terceiro é devido a formação de ferrita durante o revenimento. O melhor desempenho quanto ao GS foi obtido para os revenimentos a 575 °C e 600°C, por 2 horas. Os resultados de Ep indicaram que o aço SM2MoNb, revenido a 575°C, tem o melhor desempenho quanto à resistência à corrosão por cloreto. Isso associado ao baixo GS coloca este aço, com este tratamento térmico, numa posição de destaque para aplicações onde a resistência à corrosão é um critério de seleção de material, uma vez que, segundo a literatura a temperatura de 575 °C está no intervalo de temperaturas de revenimento onde são obtidas as melhores propriedades mecânicas. / Supermartensitic (SM) stainless steels were developed in response to the need of new technologies that are more economical and environmentally friendly. SM steels are different from classic martensitic stainless steels due to their lower carbon content and the addition of Mo and Ni. SM steels were developed as an alternative for duplex stainless steels in oil extraction pipelines offshore in the mid-1990s. To acquire the desired mechanical properties quenching and tempering treatments can be conducted, with tempering which can be performed in different temperatures and times. Since the previous heat treatments change the mechanical properties by phase transformations (precipitation), changes in the corrosion resistance properties can be expected. The beneficial effects of Nb additions in traditional stainless steels are well known. Therefore, the aim of this investigation was to study the influence of tempering temperature on the corrosion resistance of three SM stainless steels, containing 13% Cr, 5% Ni, 1-2% Mo, with and without Nb. The steels used in this investigation were denominated SM2MoNb, SM2Mo and SM1MoNb, according to their Mo (2% or 1%) and Nb (0.11%) content. Considering that the usual types of corrosion observed in stainless steels are pitting and intergranular corrosion, the pitting potential (Ep) and the degree of sensitization (DOS) were determined in function of tempering temperature. The steels were annealed at 1050° C during 48 hours to eliminate delta ferrite phase. Afterwards, the samples were normalized for 30 minutes at 1050 ºC (air cooling) to standardize the grain size. Finally, the samples were tempered at 550 °C, 575 °C, 600 °C, 625 °C, 650 °C or 700 °C, for two hours. The DOS was measured through double loop electrochemical potentiodynamic reactivation technique (DL-EPR), using as electrolyte a solution containing 1 M H2SO4 + 0.01 M KSCN. To determine the Ep, potentiodynamic polarization tests were carried out in a 0.6 M NaCl solution. The results were discussed based on the observed microstructural changes. Optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), phase diagram simulation using Thermo-Calc software and quantification of reversed/retained austenite were done using the following two methods: X-ray diffraction (XRD) and magnetic measurements with a ferritscope. The quantification analysis by XRD showed the formation of austenite above a temperature of 600 °C, reaching the maximum volume at 650 °C and decreasing again to zero at 700 °C. However, the ferritscope measurements detected the presence of austenite in the whole temperature range. The largest difference between the two methods used was observed for the specimens only quenched and quenched/tempered at 700 °C. It is proposed that the observed differences between XRD and ferritscope methods correspond to the presence of nanometric retained austenite, which is localized among the martensite laths. The results were discussed based on the precipitation of Cr23C6, Mo6C, NbC, Chi-phase, austenite and ferrite, and by the resulting Cr and Mo depletion caused by the precipitation of these microconstituents. Three mechanisms were proposed to explain the degree of sensitization: i) Cr23C6 precipitation, ii) Chi-phase (Cr and Mo enrichment) precipitation and, iii) ferrite formation during the tempering treatment. The best performance in terms of DOS was obtained for the tempering conditions of 575 ºC and 600 ºC. In addition, the Ep results showed that the steel SM2MoNb tempered at 575 °C offers the best pitting corrosion resistance in chloride environment. Therefore, the previous results can be used as criteria for best material and tempering temperature selection. Moreover, according to published literature, 575 °C is within the temperature range that offers the best mechanical properties.

Os aços inoxidáveis ferríticos são susceptíveis à corrosão intergranular após resfriamento rápido a partir de 950°C. A teoria de empobrecimento no teor de cromo nas vizinhanças do carboneto e/ou nitreto, precipitados nos contornos de grão, é o mecanismo mais aceito para descrever este fenômeno. O presente trabalho avalia o efeito dos tratamentos isotérmicos na resistência à corrosão intergranular do aço inoxidável ferrítico UNS S43000, utilizando o método de reativação eletroquímica potenciodinâmica na versão ciclo duplo (DL-EPR). As amostras foram solubilizadas a 1200°C e posteriormente tratadas isotermicamente a temperaturas entre 500°C e 700°C, por tempos de 5 minutos a 16 horas. O ensaio DL-EPR foi realizado em solução 0,5M H2SO4 com velocidade de varredura de 1,67 mV/s. As amostras foram examinadas em microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura após ensaio DL-EPR, Práticas W e X da norma ASTM A763 e ataque metalográfico com reagente Vilella. Foram obtidos diferentes valores de grau de sensitização em função do tempo de tratamento isotérmico. Análises por difração de raios X, sobre resíduos extraídos quimicamente identificaram precipitação de nitretos e de carbonetos de cromo, Cr2N e Cr23C6, respectivamente. As temperaturas de 550°C e 600°C mostraram dois máximos de grau de sensitização em função do tempo, por isso este processo de sensitização foi denominado de dupla sensitização. A partir dos resultados obtidos: grau de sensitização DL-EPR, exame microestrutura e difração de raios X, o presente trabalho propõe o seguinte mecanismo para explicar a dupla sensitização: (Etapa 1) no resfriamento da temperatura de solubilização são precipitados nos contornos de grão fases ricas em cromo; (Etapa 2) os tratamentos isotérmicos geram uma fina precipitação de Cr2N nos contornos de grão sobre os precipitados formados na Etapa 1; (Etapa 3) esses precipitados são posteriormente dissolvidos o que permite (Etapa 4) uma nova precipitação de Cr2N e Cr23C6 nos contornos de grão e (Etapa 5) finalmente temse o processo de crescimento, coalescimento e recuperação final. A recuperação total da resistência à corrosão intergranular foi obtida após tratamentos isotérmicos realizados a 650°C por tempos maiores que 20 minutos e a 700°C a partir de 5 minutos. O trabalho confirma que tanto os fenômenos de precipitação, sensitização e recuperação são controlados 5 pela difusão do cromo na ferrita. Tal confirmação foi possível a partir de análises da solução da segunda lei de Fick e gráficos de Arrhenius, construídos a partir do ensaio DL-EPR e dos exames microestruturais, os quais indicaram uma energia de ativação de precipitação com valor de 255 kJ/mol (219 kJ/mol é o valor da energia de ativação para difusão do cromo na ferrita encontrado em literatura (ARAI; TAKEDA; ARATA, 1987; WOLFE; PAXTON, 1964)). / Ferritic stainless steels are prone to intergranular corrosion following quick cooling from 950°C. The explanation based on chromium impoverishment near the carbides and/or nitrides precipitated in the grain boundaries is the most accepted to describe the observations. This work study the effects of heat treatments on the resistance to intergranular corrosion of the UNS S43000 ferritic stainless steel, using the Double Loop Electrochemical Potentiodynamic Reactivation test (DL-EPR). Specimens have been solution annealed at 1200oC followed by isothermical holding at temperatures between 500°C and 700°C, for times of 5min up to 16h. The DL-EPR test was made in a 0,5M H2SO4 solution using scan rate of 1,67 mV/s. The specimens were observed by optical microscope and scanning electron microscope after DLEPR test, Practices W and X (ASTM A763) and metallographic etch with Vilella reagent. Different degrees of sensitization were obtained for different isothermal holding time. X rays diffraction of extracted precipitates identified chromium nitrides and chromium carbides, Cr2N and Cr23C6. The temperatures of 550°C and 600°C produced two maxima in the curves of degree of sensitization as function of time; the process was named double sensitization. From the results of degree of sensitization DL-EPR, microstructural examination and X rays diffraction, this work proposes the following mechanism to explain double sensitization: (1st stage) during cooling from the solution annealing temperature there is grain boundary precipitation of chromium rich phases; (2nd stage) the isothermal treatments produce a fine grain boundary precipitation of Cr2N on the precipitates formed in the 1st stage; (3rd stage) increasing the time, these precipitates are dissolved, allowing for a (4th stage) new grain boundary precipitation of Cr2N e Cr23C6; finally (5th stage) there is growth, coalescence and recovery. Total recovery of intergranular corrosion resistance was achieved, isothermically at 650°C for times longer than 20min and at 700°C for times longer then 5min. Precipitation, sensitization and recovery are controlled by diffusion of chromium in ferrite. This conclusion was based on analysis of solution of Fick’s second law and Arrhenius plots constructed with DL-EPR data and microstructural observations. The calculus of the experimental energy of activation for precipitation produced a value of 255kJ/mol (energy of activation for chromium 7 diffusion in the ferrite reported by Arai, Takeda and Arata (1987) and Wolfe and Paxton (1964) is 219kJ/mol).

Made available in DSpace on 2016-08-18T18:19:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eden Santos Silva.pdf: 8647632 bytes, checksum: 49c35fcae19f13234278dca9aa0bc215 (MD5) Previous issue date: 2007-07-16 / Austenitic stainless steels present high resistance to corrosion under some aggressive medium, being for this widely used in the industrial sector. These steels, when submitted to determined temperature intervals can be sensitized due to the precipitation of chromium carbides in the grain boundaries, becoming subject to intergranular corrosion. When alloy elements are added to the steel base, turning it stabilized, they can prevent sensitization, however modifying completely the behavior of the grain growth of these steels. This work investigates the behavior of the austenitic grain growth and the degree of sensitization of stainless steel austenitic AISI 321 and AISI 347, when submitted to annealing thermal treatments, between 800 and 1200° C, and to sensitization treatments at 600° C, for different times of exposition, respectively. The sensitization degree was determined qualitatively through electrochemical attack and quantitatively by the double cycle potentio-kinetics reactivation test (DLEPR). The grain growth behavior in function of the temperature disclosed that, for temperatures below the grain growth critical temperature, Tcg, due to the pinning of the grain boundaries by precipitated particles, the grain growth is completely annulled. For temperatures above Tcg, due to the dissolution and to the coarsening of particles, occurs abnormal grains growth. At high temperatures, the grains become coarse and the grain growth resembles the growth of normal grains. The Tcg varies with the austenitização time, due to the increased coarsening of precipitated particles, with the increase of time. The estimated values for the TiC and NbC particles critical ratio, on the order of, on around 10 nm, are in excellent accord with literature data. Previous annealing treatments, carried out for 800 and 900° C, had been efficient in preventing the sensitization of the steel AISI 321. AISI 347 has proved to be more efficient than AISI 321 in accomplishing this task when used at high temperatures. / Os aços inoxidáveis austeníticos apresentam alta resistência à corrosão sob vários meios agressivos, sendo por isto largamente utilizados no setor industrial. Estes aços quando submetidos a determinados intervalos de temperatura podem sensitizar, devido à precipitação de carbonetos de cromo nos contornos dos grãos, tornando-se susceptíveis à corrosão intergranular. Quando elementos de liga são adicionados ao aço base, tornando-o estabilizado, podem prevenir a sensitização, porém alteram completamente o comportamento do crescimento de grão destes aços. Este trabalho investiga o comportamento do crescimento de grão austenítico e o grau de sensitização dos aços inoxidáveis austeníticos AISI 321 e AISI 347, quando submetidos a tratamentos térmicos de solubilização, entre 800 e 1200 °C, e a tratamentos térmicos de sensitização a 600 °C, para diferentes tempos de exposição. O grau de sensitização foi determinado qualitativamente através de ataque eletroquímico e quantitativamente pelo teste de reativação potenciocinética de ciclo duplo (DLEPR). O comportamento do crescimento do grão em função da temperatura revelou que, para temperaturas inferiores à temperatura crítica de crescimento de grão, Tcg, devido ao aprisionamento dos contornos dos grãos por partículas de precipitados, o crescimento do grão é completamente anulado. Para temperaturas acima da Tcg, devido à dissolução e ao coalescimento das partículas, ocorre o crescimento anormal dos grãos. A altas temperaturas os grãos tornam-se grosseiros e o crescimento do grão assemelha-se ao crescimento do grão normal. A Tcg varia com o tempo de austenitização, em face ao aumento do coalescimento das partículas de precipitados com o aumento do tempo. Os valores estimados para o raio crítico das partículas de TiC e NbC, da ordem de 10 nm, encontram-se em excelente acordo com os dados da literatura. Prévios tratamentos térmicos de solubilização, realizados para 800 e 900 oC, foram eficientes em prevenir a sensitização do aço AISI 321. O aço AISI 347 apresenta-se mais eficiente que o AISI 321 quando usado em altas temperaturas.