AvaliaçÃo da tenacidade a fratura do aço api 5l x70 por ensaio de impacto charpy



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AVALIAÇÃO DA TENACIDADE A FRATURA DO AÇO API 5L X70 POR ENSAIO DE IMPACTO CHARPY

H.L. Haskel1 J.P. Martins2 A.L.M. de carvalho1



hudisonhaskel@homail.com

  1. Universidade Estadual de Ponta Grossa-UEPG

  2. Universidade Tecnológica Federal do Paraná- UTFPR

Resumo

Os aços para dutos utilizados no transporte de óleo e gás são fabricados de modo a atender as especificações da norma API 5L. O estabelecimento de relações entre condições de serviço e o comportamento de fratura para estes aços permite compreender o mecanismo de fratura durante a falha e é útil na determinação de um critério de desempenho. A avaliação da integridade estrutural de dutos geralmente utiliza critérios simplificados incorporando mecanismos de colapso plástico e as propriedades mecânicas do material. Neste trabalho, foi proposta uma explicação para elevação do patamar superior de energia para a orientação L-T e realizado um estudo sobre as possíveis causas de delaminações e sua influência sobre a energia absorvida no impacto. Entre as possíveis causas que favorecem o aparecimento das delaminações está o bandeamento microestrutural. Resultados obtidos por EBSD mostram que o modo de propagação de trinca gerada por delaminação é intergranular.

Palavras chave: Aço API, Ensaio de impacto, delaminações, microtextura.



INTRODUÇÃO

As especificações da norma API 5L descrevem o conjunto de aços conhecidos como aços de alta resistência e baixa liga ou ARBL. Tais tubos proporcionam excelentes combinações de alta resistência, tenacidade, resistência à corrosão e boa soldabilidade. No entanto estes aços têm gerado discussões no que diz respeito ao surgimento de delaminações durante o processo de ruptura (1). Neste âmbito muitas pesquisas são realizadas no intuito de determinar as relações entre microestrutura e propriedades mecânicas, porém trincas ainda são um dos maiores problemas em aços ARBL (2,3). O objetivo deste trabalho é analisar a microestrutura, e as propriedades mecânicas do aço API 5L X70 através do ensaio de impacto Charpy e a utilização da técnica de EBSD, com intuito de identificar as principais orientações cristalográficas que favorecem o surgimento de delaminações durante o processo de fratura.



MATERIAIS E MÉTODOS

O material utilizado é um aço microligado especificado pela norma API 5L de grau X70, obtido pelo tratamento termomecânico de laminação controlada. A composição química obtida pela técnica de espectrometria óptica é mostrada na Tab. 1:



Tabela 1: Composição química do aço API 5L X70

Elemento

C

Si

Mn

P

Al

Cu

S

%


0,14920

0,27707

1,4531

0,01351

0,05375

0,03748

0.00076

Nb

V

Ti

Cr

Ni

Mo




0,05108

0,04117

0,01885

0,00053

0,00105

0,00453




No que diz respeito à caracterização microestrutural, as amostras foram lixadas e polidas, sendo etapa final de polimento realizada com sílica coloidal. O ataque foi feito utilizando uma solução de nital 3% aliado ao picral 2,4%. Os corpos de prova para realização dos ensaios de impacto Charpy foram retirados conforme a Fig.1 a), com orientação e dimensões especificadas pela norma ASTM E23.

Os ensaios foram realizados em uma faixa de variação de temperatura de 27°C e -196°C, as amostras foram submersas em banho criogênico de álcool anidro e nitrogênio liquido durante 10 minutos, após isso foram retiradas da mistura e posicionados na máquina. Para elevar a precisão deste procedimento o martelo somente era liberado se todo esse processo ocorresse dentro de 8 segundos.

A medida da orientação cristalográfica foi realizada pela técnica de difração de elétrons retroespalhados (EBSD). As medidas foram obtidas de regiões perpendiculares e próximas à superfície de fratura, conforme é indicado na Fig.1 b).



Figura 1: a) Direções de retiradas de corpos de prova de ensaio de impacto.b) Representação esquemática de retirada de amostra para realização de EBSD.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Fig. 2 a) mostra uma visão tridimensional da microestrutura do material, a qual mostra grãos equiaxiais de ferrita e colônias de perlita formando uma microestrutura bandeada de ferrita e perlita, com morfologia bastante parecida nas direções de laminação e na direção transversal.

Na Fig. 2b) é mostrada a curva de energia versus temperatura para as orientações L-T e T-L. É possível notar que ocorreu uma maior dispersão dos valores de energia para os corpos de prova de orientação L-T. No patamar inferior de temperatura, onde a fratura ocorre somente por clivagem ambas direções absorveram a mesma quantidade de energia, 5J. O maior patamar superior de energia foi observado para a direção L-T, esta direção absorveu maior quantidade de energia para todas as temperaturas, inclusive naquela referente à temperatura de transição dúctil frágil. Apesar desta diferença, ambas as direções apresentaram um valor estimado de temperatura de transição dúctil frágil abaixo de -0°C.


TD

RD

ND


Figura 2: a) Visão tridimensional da microestrutura do material, b) Curva de transição dúctil frágil do aço API 5L X 70.

Uma explicação para a ocorrência da diferença de comportamento pode estar atribuída à ocorrência de delaminações no processo de fratura. Muitos trabalhos tem investigado a influência de delaminações sobre a tenacidade ao impacto de aços microligados ARBL (Error: Reference source not found,4,5,6,7,8). Alguns destes trabalhos relatam que a presença de delaminações pode diminuir o patamar superior de energia absorvida em um ensaio de impacto, outros relatam que a formação de delaminações durante o processo de ruptura pode aumentá-lo.

Muitos mecanismos tem sido propostos para a formação de delaminações, recentemente KIMURA 2010, propôs um novo modelo no qual a energia obtida no ensaio de impacto é aumentada pela presença das mesmas (Error: Reference source not found), este mecanismo é mostrado na Fig. 3, onde se observa a formação de dois tipos de delaminações, a do tipo trinca confinada e do tipo trinca divisora. As delaminações do primeiro tipo formam-se perpendicularmente a direção de propagação de fratura e a sua formação requer a ocorrência de planos normais à orientação do entalhe como os planos (100) e interfaces relativamente fracas, como a interface de grãos com contornos alinhados na direção de laminação e a interface entre a matriz ferritica e partículas de cementita (9). Isto sugere uma maior tendência dos corpos de prova L-T a apresentar delaminações do tipo trinca confinada, o que pode explicar a elevação do patamar superior de energia para tal orientação independente da temperatura.

Para compreender os mecanismos que podem estar contribuindo para a formação de delaminações no material em estudo foi retirada uma amostra para exame metalográfico com cortes conforme indicado na Fig.1 b), a microestrutura do aço X70 na região de ocorrência da delaminação é mostrada na Fig. 4.





Figura 3: Mecanismos de formação de delaminações

É possível notar na Fig. 4 que a principal causa que pode estar contribuindo para a formação de delaminações, é a microestrutura bandeada, pois a microestrutura do material frente à direção de propagação da trinca mostra grãos alongados de ferrita, o que sugere que esteja ocorrendo a separação entre a ferrita e a perlita, devido a incompatibilidade entre propriedades plásticas e elásticas entre a fase ferrita e o microconstiuinte perlita, como pode ser visto na Fig. 4 b).

A Fig. 5 mostra o mapa de distribuição de orientações, nas regiões frente à trinca propagada pela delaminação e nas proximidades da mesma, bem como a figura de polo inversa e a função de distribuição de orientação (ODF) para o ângulo de Bunge Φ2=45° Na Fig. 5 a) foi utilizado o step size de 1 mícron e ampliação de 1000 X, na Fig. 5 b) foi utilizado o step size de 3 mícrons e uma ampliação de 3000X.






  1. Aumento de 500X

b) Aumento de 1000X

Figura 4: microestrutura de uma sessão perpendicular à superfície de fratura



Figura 5: Mapa de distribuições de orientação. a) ampliação de 1000X, b) ampliação de 3000X, c) figura de polo inversa e ODF.

Nos mapas de orientações, observa-se a presença de regiões escuras, onde a maior região escura indica a trinca originada pela formação da delaminação. Na Fig.5a), nota-se uma distribuição de tamanhos de grãos bastante heterogêneas com grãos grandes e pequenos. Na Fig. 5b), pode-se observar a presença do modo de fratura intergranular, nota-se também a separação de grãos com as direções [111] e [101] indicados pelos tons azul e esverdeado respectivamente, além destes os demais grãos indicados pela coloração branca e rosa também separados por fratura intergranular. Para a geração de figuras de polos e ODFs foi utilizado o mapa de orientações da Fig.5 a) que oferece uma melhor precisão nas informações devido sua maior área de varredura. A ODF mostrada na Fig. 5 c), revela que as orientações apresentam componentes de fibra na direção [110], conhecido como fibra alfa. Com a utilização de um ábaco, foi possível indexar as principais componentes da ODF, sendo elas: (221) [1-10], (223) [1-10], (112)[1-3-2] e (332)[023].



CONCLUSÕES

O ensaio de impacto permitiu verificar que corpos de prova com orientação L-T absorvem mais energia do que corpos de prova com orientação T-L. Foram observados dois tipos de delaminações, as quais possuem efeito sobre a energia absorvida no ensaio de impacto, porém ambos os tipos tendem a desaparecer com a diminuição de temperatura. O bandeamento microestrutural pode ser o principal responsável pela formação de delaminações de ambos os tipos. O modo de propagação de fratura de uma delaminação é intergranular.



AGRADECIMENTOS

Agradecemos a USIMINAS, pelo fornecimento do material em estudo, a UFF-Universidade Federal de Volta Redonda, pela realização das medidas de EBSD, a CAPES pelo fornecimento da bolsa de estudos e o projeto (PNPD- Processo N° 23038.008242/2010-08).



REFERÊNCIAS

1() JOO, M.S.; SUH, D.W.; BAE, J.H.; BHADESHIA, H.K.D.H. Role of delamination and crystallography on anisotropy of Charpy toughness in

API-X80 steel. Materials Science and Engineering A, v.546, p. 314-322, 2012.



2() YU, H.; Influences of microstructure and texture on crack propagation path of X70 acicular ferrite pipeline steel. Journal of University of Science and Technology Beijing, Beijing, CN, v.15, n. 6, p. 683-687, 2008.

3() SHANMUGAM, P.; PATHAK, S.D. Some studies on the impact behavior of banded microalloyed steel. Engineering fracture mechanics. Madras, IN, v. 53, n. 6, p. 991-1005, 1996.

4() YAN,W.; SHA , W.;ZHU, L.; WANG,W.; SHAN, Y.; YANG, K. Delamination Fracture Related to Tempering in a High-Strength Low-Alloy Steel Metallurgical and materials transactions A, Pennsylvania, US, v. 41 A, P. 149-161, 2010.

5() GUO, W.; DONG, H.; LU,M.; ZHAO, X. The coupled effects of thickness and delamination on cracking resistance of X70 pipeline steel. International Journal of Pressure Vessels and Piping. China, v. 79, n. 6, p. 403 – 412, 2002

6() INOUE,T.; YIN,F.; KIMURA,Y. TSUZAKIK.; OCHIAI, S.; Delamination effect on impact properties of ultrafine-grained low carbon steel processed by warm caliber rolling. Metallurgical and materials transactions A, Pennsylvania, US,V. 41 , p. 341-355, 2009.

7() BACZYNSKI, G. J.; JONAS, J.J.; COLLINS, L. E.; The influence of rolling practice on notch toughness and texture development in high-strength linepipe. Metallurgical and materials transactions A, Pennsylvania, US, V.30, P. 3045-3054, 1999.

8() VERDEJA, J. I. ASENSIO, J. PERO-SANZ, J. A. Texture, formability, lamellar tearing and HIC susceptibility of ferritic and low carbon steels. Materials characterization, v. 50, p. 81-86, 2003.

9() JAFARI, M.; KIMURA, Y.; TSUZAKI, K.Enhancement of upper shelf energy through delamination fracture in 0,05 pct P doped High Strength steel. Metallurgical and materials transactions A, Pennsylvania, US, v. 43A, p. 2453-2465, 2012.


FRACTURE TOUGHNESS EVALUATION OF API 5L X70 STEEL BY CHARPY IMPACT TESTING

Pipeline Steel used in the transport of oil and gas are manufactured to require the specifications of the API 5L standard. Understanding of relations between service conditions and fracture behavior for these steels allows realize the fracture mechanism during failure and it is useful in the determining one performance criterion. Structural integrity assessment of pipelines generally uses simplified criteria incorporating mechanisms of collapse plastic and the mechanical properties of the material. In this work, was proposed an explanation for increasing the upper shelf energy for the L-T orientation and conducted a study on the possible causes of delaminations and its influence on the energy absorbed in the impact test. The results have showed the possible causes the occurrence of delamination is microstructural banding. Results obtained by EBSD show that the mode of cracks propagation produced by delamination is intergranular.

Keywords: Steel API, impact testing, delaminations, microtexture.




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