Características microestruturais de um aço microligado forjado com composição química similar a um api x70



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Características microestruturais de um aço microligado forjado com composição química similar a um API X70

Oliveira, P.G.B. (1); Cristo, F.D.; (1); Itman Fo,A. (1); Silva, R.V. (1)

Rua Tupinambás, n° 521 – Bl B – Apto 104, Jardim da Penha, Vitória, ES pgbonella@hotmail.com

(1) Instituto Federal do Espírito Santo – Ifes



RESUMO

Nos aços microligados utilizados na fabricação de dutos de grande vazão, a resistência mecânica deve ser suficiente para suportar as elevadas pressões e volume de petróleo transportado. Com o objetivo de desenvolver novas técnicas de processamento foi fabricado um novo aço modificado com nióbio para confecção de barras por meio do forjamento. Inicialmente foi feita a fusão e o lingotamento do aço com composição química similar às dos aços com qualidade API. O material foi forjado na forma de barras. A avaliação deste material foi realizada por meio de análises microestruturais e medidas de dureza nas amostras, após tratamentos térmicos de austenitização e revenimento, comparando os valores com os da literatura. As finalidades principais deste trabalho são a criação de uma nova rota para produção de aços para confecção de dutos e a utilização do nióbio com interesse comercial para o Brasil, que detém 70% das reservas mundiais do elemento.



Palavras chave: Aços microligados; Forjamento; Tratamentos térmicos; Ensaios mecânicos.

INTRODUÇÃO 

Nas últimas décadas houve um aumento significativo na demanda mundial por tubos utilizados na construção de dutos de grande vazão para atender o crescente avanço tecnológico na prospecção de novos poços petrolíferos. A produção diária de petróleo no Brasil aumentará nos próximos anos com as novas descobertas do pré-sal, dos atuais 2 milhões para cerca de 3,5 milhões de barris até 2020 [1]. Este crescimento de consumo, e a estimativa de que 40% das linhas em operação no Brasil já ultrapassaram a vida de projeto de 20 anos, tem preocupado os órgãos administrativos responsáveis pelo setor [2]. Neste contexto, o aumento da malha dutoviária brasileira requer novas tecnologias para avaliação de risco, pois os dutos soldados podem falhar na região próxima à união, por defeitos de soldagem ou por excessiva concentração de tensões residuais além dos efeitos da corrosão associada ao ambiente salino e à atmosfera de enxofre do petróleo extraído. O processamento de petróleo pesado pode causar sérios problemas relacionados à deterioração dos materiais metálicos gerados pela interação entre o hidrogênio e a parede metálica da tubulação. Para vencer estes obstáculos há uma necessidade em desenvolver aços com maior resistência mecânica para serem utilizados na confecção dos dutos que transportam o petróleo do fundo do mar para as plataformas na superfície. Dentre os materiais utilizados na fabricação destes dutos destacam-se os aços API (American Petroleum Institute), que devem possuir propriedades, tais como, elevada resistência mecânica para suportar a pressão, elevada resistência à corrosão para resistir ao ambiente marinho, alta resistência à fadiga para resistir aos vórtices devido aos movimentos das marés e boa soldabilidade. Associado ao desenvolvimento contínuo dos aços microligados e considerando um aço API X70 fabricado pela Usiminas S.A, o objetivo deste trabalho será o estudo das características microestruturais e propriedades mecânicas de um aço API X70 forjado a quente e modificado com nióbio. Além da influência nas transformações de fase durante o resfriamento, é conhecido o efeito do nióbio para promover o endurecimento por solução sólida e o refino de grão que favorecem o aumento da resistência mecânica dos aços. O efeito benéfico nas propriedades mecânicas dos aços associado ao valor comercial, pois as maiores jazidas do minério estão localizadas no Brasil, faz com que a utilização do nióbio represente um importante avanço tecnológico e econômico a ser alcançado.



MATERIAIS E MÉTODOS

Foram retiradas amostras de uma barra forjada recozida com composição química mostrada na Tabela 1. Oito amostras foram retiradas para tratamento térmico de têmpera em um forno tipo mufla. A austenitização foi realizada a 1040 ° C seguida de resfriamento em água com posterior revenimento no intervalo de 150 a 660°C.



Tabela 1 – composição química das barras do aço microligado ao Nióbio

Os corpos de prova foram confeccionados por meio de usinagem de acordo com a norma DIN 50125 que define formatos e dimensões para cada tipo de teste mecânico.

Posteriormente, as amostras foram preparadas de acordo com as técnicas convencionais de metalografia e analisadas em um microscópio ótico, após ataque com Nital. Foram incluídas ainda, análises por microscopia eletrônica de varredura realizadas na UFSCar.

Foram realizadas medidas de dureza nas amostras tratadas térmicamente, o ensaio realizado foi do tipo Rockwell, escala B. A carga utilizada foi de 100kgf Em seguida deu se o seguimento do trabalho com a realização de e ensaios de tração e de impacto, conduzidos no laboratório de ensaios mecânicos do IFES.



RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os corpos de prova para os ensaios em tração e amostras de 1 cm de lado, foram destinadas aos tratamentos térmicos iniciais, à caracterização microestrutural e às medidas de dureza.

Os desenhos esquemáticos dos corpos de prova utilizados no trabalho são mostrados na Figura 1.

O tratamento de têmpera foi realizado à 1050°C com resfriamento em água e os revenimentos nas temperaturas de 150, 264, 374, 471, 572, 612 e 650°C, registradas após estabilização do forno.

Os efeitos do revenimento foram avaliados através de uma curva de dureza mostrada na Tabela 2 e Figura 6. A partir desses resultados foi escolhida a temperatura de 270ºC para revenimento nos corpos de prova de tração.



Figura 1 – Corpo de prova de seção circular para ensaio de tração (medidas em milímetros).



Figura 2 – Corpo de prova para ensaio de impacto.



Figura 3 – Aspecto dos corpos de prova de tração após tratamentos térmicos.

A Figura 4 mostra as micrografias obtidas após o ataque químico com o reagente Nital, para a amostra recozida e para as amostras submetidas a tratamento térmico de tempera e revenimento.





Figura 4 – Detalhe das micrografias das amostras. A) Amostra recozida B) Amostra temperada C) Amostra revenida. – Ataque Nital.

Na amostra recozida a microestrutura é predominantemente formada de ferrita equiaxial ou ferrita poligonal, comprovada pelo baixo teor de carbono presente no aço estudado. Esta morfologia é resultante da ferrita proeutetóide formada em taxas de resfriamento relativamente baixas, como no caso do tratamento de recozimento.

Essa ferrita nucleia nos contornos de grão da austenita e é facilmente identificável ao microscópio ótico[10]. Ainda pode se notar a presença de estruturas bandeadas de perlita. Observa-se estrutura alinhada nas diferentes direções, com morfologia dos grãos praticamente semelhante.

Nas amostras temperadas e revenidas, as condições de resfriamento fazem com que a transformação da austenita ocorra em condições distantes do equilíbrio, provocando nas microestruturas o aparecimento de estruturas não poligonais como a ferrita acicular, ferrita Widmanstatten, bainita, e o microconstituinte MA, como pode ser observado na Figura 5.





Figura 5: Amostra temperada: ferrita equiaxial (FP), ferrita acicular (FA), ferrita widmanstatten (FW), Bainita (B) e microconstituinte MA (MA).

As medidas de dureza foram feitas para cada temperatura de revenimento, no geral, foram realizadas três medidas em cada amostra, e o resultado final foi o valor médio das mesmas, que está apresentado na Tabela 2. Para maiores temperaturas houve uma diminuição da dureza provocada pelo alívio de tensões do revenimento.



Tabela 2 – Valores de dureza após têmpera e revenimento.

Dureza (HRB)

Têmpera

150°C

264°C

374°C

471°C

572°C

612°C

650°C

97

94

92

93

93

91

88

87

O ensaio de tração foi realizado na máquina universal Emic DL, e os resultados são mostrados na Tabela 3. Foi possível observar que os tratamentos térmicos provocaram um aumento consistente na resistência à tração do material, com consequente redução no alongamento. Isto se deve ao refino de grão e a formação de componentes microestruturais como a ferrita acicular, bainita e MA.

Tabela 3 – Resultados do ensaio de tração.

Condição

RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (MPa)

ALONGAMENTO (%)

RECOZIDO

333

33,0

TEMPERADO

587

13,8

REVENIDO

521

14,1

Tabela 4 – Resultados do ensaio de impacto Charpy




RECOZIDA

21,6 Kpm

REVENIDA 250°C

11,6 Kpm

REVENIDA 450°C

12,0 Kpm

Os resultados do ensaio de impacto Charpy são apresentados na Tabela 4. O ensaio foi realizado em amostras recozidas e revenidas nas temperaturas de 250 e 450°C. As amostras tratadas absorveram menor quantidade de energia até o rompimento, devido à queda de tenacidade provocada pela precipitação de carbonetos e formação de constituintes como a MA. A temperatura de revenimento não teve grande influencia nos resultados de ensaio, com resultados próximos para ambas as temperaturas testadas.

AGRADECIMENTOS

À Fapes pelo auxílio financeiro e ao CNPQ pela bolsa de iniciação científica.


REFERÊNCIAS


[1] SILVA, M.C. - Caracterização das propriedades mecânicas e metalúrgicas do aço API 5L X 80 e determinação experimental de curvas J-R para avaliação da tenacidade a fratura. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica - USP, 2004.

[2] HIPPERT Jr., E. – Investigação experimental do comportamento dúctil de aços API X70 e aplicações de curvas de resistência J-��a para previsão de colapso em dutos – Tese de doutorado, Escola Politécnica - USP, 2004.



Microstructural characteristics of an forged microalloyed steel with chemical composition similar to the API X70

ABSTRACT

In microalloyed steels used in the manufacture of large flow ducts, the mechanical strength must be sufficient to withstand the high pressure and volume of oil transported. Aiming to develop new processing techniques was developed new steel modified with niobium for confection of bars trough forging. Initially, was made the steel fusion and casting, with a chemical composition similar to that of API grade steels. The material was forged in the form of bars. The evaluation of this material was performed using microstructural analysis and hardness measurements on the samples, after heat treatment, comparing the values ​​with the literature. The main purposes of this work are the creation of a new route to produce steel for pipeline applications, and the use of niobium with commercial interests in Brazil, which holds 70% of world reserves of the element.

Key-words: Microalloyed steels, Forging, Heat treatments, Mechanical tests.

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