Influência dos Tratamentos Térmicos na Microestrutura e Propriedades Mecânicas de Aços Inoxidáveis Supermartensíticos Ligados ao Nitrogênio e ao Vanádio

Abstract

The current demands of the oil and gas industry are centered on the exploration of wells with increasingly severe operating conditions. In this scenario, when it comes to process piping, it is necessary to employ high corrosion resistance alloys (CRA), which also need to present high mechanical properties and the lowest possible cost. Considering these requirements, the application of super martensitic stainless steels (SMSS) is promising, which have a more competitive price compared to duplex stainless steels (DSS) and nickel-based alloys. These facts justify the development of several commercial grades from the traditional martensitic stainless steel (MSS) containing 13% chromium. However, with the introduction of microalloying elements, there is a change in the mechanical behavior and the tempering response of these materials, which is vital to guarantee the predetermined properties and meet the requirements of the design standards. In this way, it is possible to find SMSS commercial grades containing titanium, nitrogen, and/or vanadium additions. Although the influence of titanium as a microalloying element has been evaluated in recent studies, the influence of nitrogen and vanadium at the mechanical and microstructural properties has yet to be thoroughly understood. Therefore, this work aims to characterize these properties after tempering at different temperatures, further defining how the resulting microstructural changes will interact with the material's mechanical properties. Thus, the microstructural changes were characterized by light optical (LOM) and scanning electron microscopy (SEM), complemented by X-ray diffraction, to quantify the volume fraction of the present phases. The mechanical properties were accessed by hardness, microhardness and slow strain rate tensile tests. The results indicate a greater sensitivity of the microstructure and mechanical properties for the nitrogen alloyed SMSS, since this element, when in solid solution, strongly impacts the austenite reversion temperature (A1) and martensite start (Ms) temperatures, reflecting at the stabilization of reverse austenite and the formation of carbonitrides at tempering. However, there are great differences in the martensite packets formation, as well as in the secondary hardening process of both.

Atualmente, as demandas da indústria de óleo e gás centralizam-se na exploração de poços cujas condições de operação são cada vez mais severas. Nesse cenário, no que tange às tubulações de processo, é requerida a utilização de ligas de elevada resistência à corrosão (CRA), aliadas a altas propriedades mecânicas visando ainda o seu menor custo possível. Levando em consideração esses quesitos, resulta promissora a aplicação de aços inoxidáveis supermartensíticos (AISM), que apresentam preço mais competitivo frente aos aços inoxidáveis duplex (AID) e ligas base níquel. Esses fatos justificam o desenvolvimento de diversos graus comerciais a partir do tradicional aço inoxidável martensítico (AIM) contendo 13% de cromo. Porém, com a introdução de elementos microligantes, tem-se a alteração do comportamento mecânico e da resposta desses materiais perante o tratamento térmico de revenido realizado, vital para garantir as propriedades predeterminadas e atender os requisitos das normas de projeto. Dessa forma, é possível encontrar designações comerciais de AISM contendo adições de titânio, nitrogênio e/ou vanádio. Apesar da influência do titânio como elemento microligante ter sido avaliada em estudos recentes, ainda existe a necessidade de avaliar a influência do nitrogênio e do vanádio nas propriedades mecânicas e microestruturais. Assim sendo, este trabalho tem como objetivo caracterizar as propriedades supracitadas em diversas condições de revenido, definindo ainda como as alterações microestruturais advindas dos diferentes tratamentos irão interagir com as propriedades mecânicas do material. Dessa forma, as alterações microestruturais foram caracterizadas com auxílio de microscópio ótico e de microscópio eletrônico de varredura, sendo esta análise ainda complementada por difração de raios-X, quantificando-se o percentual de fases presentes. As propriedades mecânicas foram verificadas através de ensaios de dureza, microdureza e tração com baixa taxa de deformação. Os resultados indicam uma maior sensibilidade das propriedades avaliadas na liga contendo nitrogênio como elemento microligante, uma vez que o dito elemento, quando em solução sólida, impacta fortemente nas temperaturas de início de reversão da austenita (A1) e de início de transformação martensítica (Ms), refletindo diretamente na estabilização da austenita reversa e na formação de carbonitretos nos tratamentos de revenido assim efetuados. Contudo, observa-se grandes diferenças na formação de blocos e pacotes de martensita, assim como no processo de endurecimento secundário de ambas as ligas, que pode ser condicionante no atendimento às normas de projeto para aplicações em ambiente contendo H2S e CO2.