Neide Aparecida Mariano et al.

Metalurgia Física

Caracterização da temperabilidade e das

curvas de transformação de fases de aços
inoxidáveis martensíticos do tipo FeCrNi
Neide Aparecida Mariano
Professora Associada da Universidade São Francisco/PPG-ECM. E-mail: neide.mariano@saofrancisco.edu.br

Victor Ferrinho Pereira

Graduando da Universidade São Francisco/Engenharia Mecânica. E-mail: victorfpereira@gmail.com

César Augusto Duarte Rodrigues

Pesquisador da EESC-USP. E-mail: cesaraug@sc.usp.br

Pedro Luis di Lorenzo

Pesquisador da EESC-USP. E-mail: plorenzo@sc.usp.br

João Manuel Domingos de Almeida Rollo

Professor da EESC-USP. E-mail: tfase@sc.usp.br

Resumo Abstract
Nas últimas décadas, foram desenvolvidas novas In the last decades, new classes of martensitic
classes de aços inoxidáveis martensíticos, com composi- stainless steels were developed with chemical
ção química 0,01-0,1%C, 11-13%Cr e 2-6%Ni, com o obje- composition 0,01-0,1%C, 11-13%Cr, 2-6%Ni, with the
tivo de atender às necessidades das indústrias de petró- objective of attending mainly the petroleum industry
leo, por apresentarem boa resistência à corrosão em am- needs because they present good corrosion resistance
bientes de média agressividade associada à boa resistên- in medium aggressive environments associated to good
cia mecânica. Contudo o seu uso tem sido restrito pelo mechanical resistance. However, its use has been
fato de ser um desenvolvimento recente e muitas de suas restricted by the fact of being a recent development and
propriedades ainda serem motivos de investigações. Esse many of its properties are still under investigation. This
trabalho estuda as transformações de fases pela técnica work studies phase transformations by the dilatometry
dilatométrica de resfriamento rápido, obtendo-se os da- technique with fast cooling in order to construct the
dos para a construção das curvas de transformação tem-
transformation time-temperature-transformation (TTT)
po-temperatura-transformação (TTT), em aços inoxidá-
curves in cast martensitic stainless steels and to analyze
veis martensíticos fundidos e analisa a influência da adi-
the nickel addition influence on the transformations.
ção do níquel nessas transformações. Com base nos re-
sultados obtidos, foram selecionadas as condições dos Based on the results the quenching and tempering
tratamentos térmicos de têmpera e revenido. Determina- conditions were selected. By continuous cooling, the
ram-se os valores das temperaturas inicial (Ac3) e final austenitic transformation temperatures (Ac3) and (Ac1)
(Ac1) da transformação austenítica e as temperaturas de and martensitic transformation temperatures (Mi) and
início (Mi) e fim (Mf) da transformação martensítica por (Mf) respectively were obtained, which provided the
resfriamento contínuo, obtendo uma estrutura final mar- final martensitic structure that presents simultaneously
tensítica que apresente, simultaneamente, as proprieda- the mechanical and corrosion resistance properties,
des de resistência à corrosão e mecânicas recomendadas recommended when in service.
quando em serviço.
Keywords: Phases transformation, quenching,
Palavras-chave: Transformação de fases, têmpera, aço martensitic stainless steels, dilatometry.
inoxidável martensítico, dilatometria.

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(1): 163-167, jan. mar. 2007 163
 Caracterização da temperabilidade e das curvas de transformação de fases de aços inoxidáveis...

1. Introdução desenvolvidas, com o objetivo de redu- da formação martensítica. Os resultados

zir o teor dos intersticiais carbono e ni- obtidos serão de grande importância
As indústrias de petróleo dos Es- trogênio em sua microestrutura, diminu- para o setor de fundição de aços inoxi-
tados Unidos e da Europa, desde o iní- indo a corrosão intergranular, a fragiliza- dáveis, pois poderá sugerir e propor al-
cio de 1950, já registravam a ocorrência ção e a corrosão por pite (Dhooge, 1999). ternativas nos tratamentos térmicos que
de diversos tipos de corrosão em tubu- possibilitarão o melhor desempenho dos
lações de aços e equipamentos empre- No entanto, o desafio ainda tem
materiais nas condições de serviço, oti-
gados na extração de petróleo e gás, sido desenvolver ligas que associem boa
mizando as propriedades mecânicas.
quando expostos a meio contendo íons resistência mecânica, soldabilidade, re-
de cloreto. Contudo, nos últimos trinta sistência à corrosão e baixo custo, para
anos, com o crescente desenvolvimento serem utilizadas como alternativa viável
no campo de produção das indústrias
2. Materiais e métodos
mundial da produção de petróleo e gás,
em reservas marítimas, a importância no química e petroquímica. Os aços utilizados foram os inoxi-
conhecimento de novos materiais, nos dáveis martensítico fundido, das clas-
Na última década, foram desenvol- ses 13Cr4Ni0,02C e 13Cr2Ni0,1C. Essas
mecanismos de corrosão, assim como na vidas novas classes de aços inoxidáveis
sua prevenção em evitar falhas catastró- ligas foram obtidas em forno convencio-
martensíticos, com teores de carbono nal a arco elétrico, de refinamento tipo
ficas, tem sido cada vez mais reconheci- entre de 0,01 e 0,1%, cromo entre 11e 13%,
da como de alta necessidade tecnológi- AOD (Descarbonetação Argônio-Oxigê-
níquel entre 2 e 6% e molibdênio em tor- nio) e vazado em moldes de areia aglo-
ca (Deleu et al., 1999; Dhooge, 1999; no de 2%, com o objetivo de atender às
Kondo et al., 1999). merada com resina fenólica-uretânica, em
necessidades do segmento da indústria forma de blocos tipo quilha.
Dessa forma, as pesquisas têm se do petróleo, oferecendo alternativas prá-
intensificado no estudo do comporta- tica e econômica para a substituição dos Os ensaios dilatométricos foram
mento de ligas resistentes à corrosão, aços carbono com inibidores de corro- realizados no dilatômetro de têmpera rá-
como o aço inoxidável martensítico, su- são e parte dos inoxidáveis austeníticos pida com austenitização realizada a
per martensítico, dúplex, superdúplex e utilizados nas indústrias petrolíferas, 1100ºC por tempo de encharque de 60
aço inoxidável austenítico com elevado principalmente em campos de produção minutos para ambas as amostras, obten-
teor de manganês. “Offshore” (Straube, 1988; Vodarek et al., do-se, como resultados, os valores de
2001; Carrouge, 2002). Ac1, Ac3, Mi e Mf.
Esses aços possuem excelente re-
sistência à corrosão e à oxidação, devi- Essas ligas são de grande interes- Os ensaios isotérmicos foram reali-
do à ação passivante, principalmente, do se para as indústrias de petróleo, por zados com o ciclo térmico: taxa de aque-
cromo e níquel e, em menor grau, devido apresentarem boa resistência à corrosão cimento fixa de 0,33°C/s até 1100°C, man-
aos elementos de liga Mo, Cu, Si, Al, em ambientes de média agressividade e tida nessa temperatura por 10 minutos e
formarem um filme de óxido contínuo, boa soldabilidade, quando comparadas resfriado a 80°C/s até as temperaturas
aderente e estável na superfície, prote- aos tradicionais aços inoxidáveis mar- isotérmicas de 580, 650, 700, 750 e 800°C,
gendo-os contra ambientes corrosivos. tensíticos. Porém os tratamentos térmi- para o aço 13Cr4Ni0,02C e 580, 680, 730,
cos empregados são essenciais na ob- 780 e 830°C, para o aço 13Cr1,0Ni0,1C,
De maneira geral, quanto maior a tenção das microestruturas e proprieda- durante uma hora e resfriada a 80oC/s até
quantidade de elementos passivantes na des mecânicas desejadas. a temperatura ambiente, para os dois
liga, maior será a sua resistência à corro- aços. As medidas de dureza foram reali-
são, desde que estes se encontrem em O tratamento térmico consiste em zadas sob norma ASTM E-18 e o ensaio
solução na matriz. Caso esses elemen- uma têmpera seguida de um revenido de tração, sob a norma ASTM-E8M, a
tos se combinem formando precipitados, simples ou duplo, cujas condições são temperatura ambiente
como carbonetos, nitretos, sulfetos, bo- otimizadas para conceder ao aço a resis-
retos e/ou fases intermetálicas, o seu efei- tência mecânica, dureza e tenacidade
to passivante diminuirá proporcional- necessárias, sendo que os principais 3. Resultados e
mente à formação dessas fases. parâmetros envolvidos são: taxa de aque-
cimento e resfriamento, temperatura e
discussão
O elevado custo do níquel tem le- tempo de austenitização e ciclos térmi- As Figuras 1 e 2 mostram as curvas
vado ao desenvolvimento de novas li- cos de revenido. Assim, o objetivo des- obtidas após ensaios de dilatometria,
gas de aços inoxidáveis como: aço inoxi- se trabalho foi estabelecer as condições com taxa de aquecimento de 0,33°C/s até
dável dúplex, aço inoxidável superdúplex, otimizadas dos tratamentos térmicos de 1100°C e resfriamento com taxa de
aço inoxidável austenítico com elevado têmpera e revenido, através dos valores 30°C/s até a temperatura ambiente. No
teor de manganês, aço inoxidável mar- das temperaturas inicial (Ac3) e final aquecimento, foram determinadas as
tensítico e supermartensítico. E vári- (Ac1) da transformação austenítica e as temperaturas inicial (Ac3) e final (Ac1)
as técnicas de refino secundário foram temperaturas de início (Mi) e de fim (Mf) da transformação austenítica e no res-

164 REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(1): 163-167, jan. mar. 2007
 Neide Aparecida Mariano et al.
friamento, as temperaturas de início (Mi)
e fim (Mf) da transformação martensítica
e os seus valores estão apresentados na
Tabela 1. Na mesma tabela, para compa-
ração, estão, também, apresentados va-
lores obtidos por outros pesquisadores.
Com os valores de Ac3, foi selecio-
nada a temperatura de austenitização
dentro do campo gama, para posterior
têmpera, sendo de 1020°C para o aço
13Cr4Ni0,02C e de 1000°C para o
13Cr2Ni0,1C, uma vez que o campo da
ferrita ä se localiza acima de 1100ºC, se-
gundo o diagrama de equilíbrio Fe-Cr
(ASTM, 1990). Analogamente, com Ac1,
foi possível propor uma faixa de tempe-
ratura para o tratamento de revenimen-
to. A literatura mostra, para os aços da
classe 13Cr4Ni0,02C, o revenimento rea-
lizado em temperaturas ligeiramente aci-
ma de Ac1 (Iwabuchi & Sawada, 2000;
Nalbone, 2000). Figura 1 - Dilatograma obtido após aquecimento com taxa de 0,33°C/s até 1100°C e
resfriado com temperaturas de 30°C/s até temperatura ambiente, do aço 13Cr4Ni0,02C.
O tratamento térmico definido con-
sistiu em: três horas a 1050°C, com pos-
terior têmpera ao ar, e revenimento a
670°C, com resfriamento ao ar.
No entanto, para a classe dos aços
13Cr2Ni0,1C, o tratamento de revenimen-
to é feito em temperaturas abaixo de Ac1
(Iwabuchi & Sawada, 2000). Dessa for-
ma, o tratamento térmico, para essa clas-
se dos aços, consistiu em: uma hora a
1000°C, com têmpera ao ar, e revenimen-
to a 700°C, com resfriamento ao ar.
A Tabela 2 apresenta os valores de
resistência mecânica máxima e dureza
dos aços após os tratamentos térmicos
selecionados e os valores especificados
(ASTM A743-743M-98).
Com os dados obtidos, após os en-
saios isotérmicos, foi possível construir
um perfil da curva da cinética de trans-
formação de fases, na fase inicial de trans-
formação dos aços estudados, e curvas Figura 2 - Dilatograma obtido após aquecimento com taxa de 0,33°C/s até 1100°C e
resfriado com temperaturas de 30°C/s até temperatura ambiente, do aço 13Cr2Ni0,1C.
de transformação tempo-temperatura-
transformação (TTT), conforme mostra
a Figura 3. campo gama e abaixar a temperatura Mi, material e afetando diretamente as tem-
A adição do níquel como elemento também retarda a difusão do carbono, peraturas de transformações Mi, Ac1 e
de liga, nos aços, modifica a cinética das aumentando a temperabilidade dos aços. Ac3. Esse efeito foi observado neste tra-
transformações de fases, alterando a mi- O níquel retarda o processo de precipi- balho, através dos aços 13Cr4Ni0,02C e
croestrutura final. O níquel é um elemen- tação de carbonetos do tipo Cr23C6, pro- 13Cr2Ni0,1C e por Iwabuchi (Iwabuchi
to austenitizante que, além de ampliar o vocando um aumento na tenacidade do & Sawada, 2000).

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(1): 163-167, jan. mar. 2007 165
 Caracterização da temperabilidade e das curvas de transformação de fases de aços inoxidáveis...
Tabela 1 - Valores de Ac1, Ac3, Mi e Mf obtidos para os aços 13Cr4Ni0,02C e 13Cr2Ni0,1C e comparados a valores de outros
autores.

Tabela 2 - Valores de resistência mecânica máxima e dureza dos aços tratados termicamente.

4. Conclusões
A determinação das temperaturas
de transformações de fases possibilitou
selecionar os parâmetros dos tratamen-
tos térmicos de têmpera e revenido. Es-
ses parâmetros possibilitaram a obten-
ção dos valores de resistência mecânica
máxima e dureza, dentro das especifica-
ções para as classes dos aços, proporci-
onando melhor desempenho nas condi-
ções de serviço. O elemento Ni eviden-
ciou um efeito retardador no processo
de difusão do carbono e, conseqüente-
mente, na precipitação de carbonetos,
deslocando o início da curva TTT para
tempos maiores

5. Referências
bibliográficas
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING
AND MATERIALS. Standard Figura 3 - Curva de transformação tempo-temperatura-transformação (TTT), no estado
inicial dos aços 13Cr4Ni0,02C e 13Cr2Ni0,1C.

166 REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(1): 163-167, jan. mar. 2007
 Neide Aparecida Mariano et al.
specification for castings, iron-chromium, CRAWFORD, J.D. et al. High-strength cast stainless steel for line pipe-1). In:
iron-chromium-nickel, corrosion stainless steels with enhanced corrosion Supermartensitic Stainless Steels 99,
resistant, for general application. resistance, stainless steel. ASTM, STP 1999, Bélgica, p. 11-18, 1999.
Designation 743/A743M-98a. In: 756, 2000. NALBONE, C.S. Effects of carbon content
Annual Book of ASTM Standards. DELEU, E., DHOOGE, A., DUFRANE, J.J. and tempering treatment on the
Philadelphia, 1998. Weldability and hot deformability of mechanical properties and sulfide stress
AMERICAN SOCIETY FOR METALS different supermartensitic stainless steel corrosion cracking resistance of AOD-
INTERNATIONAL HANDBOOK grades by weld simulation testing. In: refined CA6NM stainless steel casting,
COMMITTEE. In: American Society Supermatensitic Stainless Steel 99, ASTN STP 756, 2000.
for Metals. Metals Handbook: Bélgica, p 232-240, 1999. STRAUBE, H. Developments for Additional
Properties And Selection: Stainless Steels, DHOOGE, A. Supermartensitic stainless Improvement of Low Carbon Martensitic
Tool Materials And Special-Purpose steels - a new family of steels in offshore Cr-Ni Stainless Steels. Conference on
Metals. 10 Ed. Metals Park, 1990, Ohio. applications. Stainless Steel World, p. Materials Development in Turbo
v.3. 52-55, April, 1999. Machinery Design. Cambridge, UK, Set.
CARROUGE, D. Study of the microstructure IWABUCHI, Y., E SAWADA. S. p. 12-14, 1988.
developing in the HAZ of a range of Metallurgical characteristics of a large VODAREK, V., TVRDY, M., KORCA, A.
supermartensitic stainless steel. hydraulic runner casting of type 13Cr- Heat treatment supermartensitic steels.
Department of Materials Science and Ni stainless steel, ASTM, STP 756, 2000. Inzynieria Materialowa, v. 5, p.936-941,
Metallurgy at the University of KONDO, K. et al. Alloy design of super 2001.
Cambridge, 2002. p.195. 13Cr martensitic stainless steel Artigo recebido em 30/07/2006 e
(Development of super 13Cr martensitic
aprovado em 05/10/2006.

******
Rem - Revista Escola de Minas
71 anos divulgando CIÊNCIA.
******
6 - 2007
93
-R
nas - 1

******
71
evista

www.rem.com.br
M i

Es
cola de ******

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(1): 163-167, jan. mar. 2007 167