Fatores que limitaram a temperatura operacional
As aplicações típicas que exigem que os materiais duplex sejam expostos a condições de alta temperatura são vasos de pressão, pás/impulsores de ventiladores ou lavadores de gases de escape.Os requisitos para as propriedades do material podem variar de alta resistência mecânica até resistência à corrosão. A composição química das classes discutidas neste artigo está listada na Tabela 1.
Decomposição espinodal
A decomposição espinodal (também chamada de desmistura ou historicamente como fragilização a 475 °C) é um tipo de separação de fases na fase ferrítica, que ocorre a temperaturas de cerca de 475 °C.O efeito mais pronunciado é uma alteração na microestrutura, causando a formação da fase α´, que resulta na fragilização do material.Isto, por sua vez, limita o desempenho do produto final.
A Figura 1 mostra o diagrama de transição temperatura-tempo (TTT) para os materiais duplex estudados, com decomposição espinodal representada na região de 475 °C.Deve-se notar que este diagrama TTT representa uma diminuição de 50% na tenacidade medida por testes de resistência ao impacto em amostras Charpy-V, o que geralmente é aceito como uma indicação de fragilização.Em algumas aplicações, uma diminuição maior da tenacidade pode ser aceitável, o que altera a forma do diagrama TTT.Portanto, a decisão de definir um OT máximo específico depende do que é considerado um nível aceitável de fragilização, ou seja, redução da tenacidade do produto final.Deve-se mencionar que historicamente os gráficos TTT também foram produzidos usando um limite definido, como 27J.
Classes de liga mais altas
A Figura 1 mostra que o aumento de elementos de liga do grau LDX 2101 em direção ao grau SDX 2507 leva a uma taxa de decomposição mais rápida, enquanto o lean duplex mostra um início de decomposição retardado.O impacto de elementos de liga como cromo (Cr) e níquel (Ni) na decomposição espinodal e fragilização foi demonstrado por investigações anteriores.5–8 Este efeito é ilustrado posteriormente na Figura 2. Ele mostra que a decomposição espinodal aumenta quando a temperatura aumenta de 300 para 350 °C e é mais rápido para o SDX 2507 com liga mais alta do que para o DX 2205 com menos liga.
Esse entendimento pode ser crucial para ajudar os clientes a decidir sobre o TO máximo adequado para a classe e aplicação selecionadas.
Determinando a temperatura máxima
Conforme mencionado anteriormente, o OT máximo para material duplex pode ser definido de acordo com a queda aceitável na resistência ao impacto.Tipicamente é adotado o TO correspondente a um valor de 50% de redução de tenacidade.
OT depende da temperatura e do tempo
A inclinação nas caudas das curvas no diagrama TTT na Figura 1 demonstra que a decomposição espinodal não ocorre apenas em uma temperatura limite e para abaixo desse nível.Pelo contrário, é um processo constante quando os materiais duplex são expostos a temperaturas de operação abaixo de 475 °C.No entanto, também é claro que, devido às taxas de difusão mais baixas, as temperaturas mais baixas significam que a decomposição começará mais tarde e prosseguirá muito mais lentamente.Portanto, o uso de material duplex em temperaturas mais baixas pode não causar problemas durante anos ou mesmo décadas.No entanto, atualmente existe uma tendência para definir uma OT máxima sem considerar o tempo de exposição.A questão chave é, portanto, qual combinação temperatura-tempo deve ser usada para decidir se é seguro usar um material ou não?Herzman et al.10 resumem bem esse dilema: “…O uso será então restrito a temperaturas onde a cinética de desmistura é tão baixa que não ocorrerá durante a vida técnica projetada do produto…”.
O impacto da soldagem
A maioria das aplicações utiliza soldagem para unir componentes.É bem sabido que a microestrutura da solda e sua química variam em relação ao material base 3 .Dependendo do material de adição, da técnica de soldagem e dos parâmetros de soldagem, a microestrutura das soldas é muito diferente do material a granel.A microestrutura é normalmente mais grosseira, e isso também inclui a zona afetada pelo calor de alta temperatura (HTHAZ), que impacta a decomposição espinodal nas soldagens.A variação da microestrutura entre volume e soldagens é um tópico revisado aqui.
Resumindo os fatores limitantes
As seções anteriores levam às seguintes conclusões:
- Todos os materiais duplex estão sujeitos
à decomposição espinodal em temperaturas em torno de 475 °C. - Dependendo do teor de liga, espera-se uma taxa de decomposição mais rápida ou mais lenta.Maior teor de Cr e Ni promove uma demixagem mais rápida.
- Para definir a temperatura máxima de operação:
– Uma combinação de tempo de operação e temperatura deve ser considerada.
– Um nível aceitável de diminuição da tenacidade, ou seja, um nível desejado de tenacidade final deve ser definido - Quando componentes microestruturais adicionais, como soldas, são introduzidos, o OT máximo é determinado pela parte mais fraca.
Padrões globais
Vários padrões europeus e americanos foram revisados para este projeto.Eles se concentraram em aplicações em vasos de pressão e componentes de tubulações.Em geral, a discrepância em relação à OT máxima recomendada entre os padrões revisados pode ser dividida entre um ponto de vista europeu e americano.
As normas europeias de especificação de materiais para aços inoxidáveis (por exemplo, EN 10028-7, EN 10217-7) implicam uma OT máxima de 250 °C pelo facto de as propriedades do material só serem fornecidas até esta temperatura.Além disso, as normas europeias de projeto para vasos de pressão e tubulações (EN 13445 e EN 13480, respectivamente) não fornecem nenhuma informação adicional sobre a OT máxima a partir do que é fornecido nas suas normas de materiais.
Em contraste, a especificação de material americana (por exemplo, ASME SA-240 da seção II-A da ASME) não apresenta nenhum dado de temperatura elevada.Em vez disso, esses dados são fornecidos na seção II-D da ASME, 'Propriedades', que suporta os códigos gerais de construção para vasos de pressão, seções VIII-1 e VIII-2 da ASME (estas últimas oferecem uma rota de projeto mais avançada).Na ASME II-D, o OT máximo é explicitamente declarado como 316 °C para a maioria das ligas duplex.
Para aplicações de tubulação de pressão, tanto as regras de projeto quanto as propriedades dos materiais são fornecidas na ASME B31.3.Neste código, os dados mecânicos são fornecidos para ligas duplex até 316 °C sem uma declaração clara do OT máximo.No entanto, é possível interpretar as informações de acordo com o que está escrito na ASME II-D e, portanto, a OT máxima para os padrões americanos é na maioria dos casos 316 °C.
Além da informação máxima de OT, tanto as normas americanas como as europeias implicam que existe um risco de ocorrência de fragilização a temperaturas elevadas (>250 °C) em tempos de exposição mais longos, o que deve então ser considerado tanto na fase de projeto como na fase de serviço.
Para soldas, a maioria das normas não faz declarações firmes sobre o impacto da decomposição espinodal.Contudo, algumas normas (ex. ASME VIII-1, Tabela UHA 32-4) indicam a possibilidade de realizar tratamentos térmicos específicos pós-soldagem.Estas não são obrigatórias nem proibidas, mas ao realizá-las devem ser realizadas de acordo com parâmetros pré-estabelecidos na norma.
O que a indústria diz
As informações produzidas por vários outros fabricantes de aço inoxidável duplex foram revisadas para ver o que eles comunicam em relação às faixas de temperatura de suas classes.2205 é limitado a 315 °C pela ATI, mas a Acerinox define o OT para o mesmo grau em apenas 250 °C.Esses são os limites superior e inferior de OT para a classe 2205, enquanto entre eles outros OTs são comunicados pela Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) e ArcelorMittal (280 °C).Isto demonstra a difusão de OTs máximos sugeridos apenas para uma classe que possuirá propriedades muito comparáveis de fabricante para fabricante.
O raciocínio básico sobre o motivo pelo qual um fabricante definiu um determinado TO nem sempre é revelado.Na maioria dos casos, isso se baseia em um padrão específico.Padrões diferentes comunicam OTs diferentes, daí a dispersão de valores.A conclusão lógica é que as empresas americanas fixam um valor mais elevado devido às declarações da norma ASME, enquanto as empresas europeias fixam um valor mais baixo devido à norma EN.
O que os clientes precisam?
Dependendo da aplicação final, são esperadas diversas cargas e exposições dos materiais.Neste projeto, a fragilização devido à decomposição espinodal foi de maior interesse, pois é muito aplicável a vasos de pressão.
No entanto, existem várias aplicações que expõem os tipos duplex apenas a cargas mecânicas médias, como lavadores11–15.Outra solicitação foi relacionada às pás e impulsores do ventilador, que estão expostos a cargas de fadiga.A literatura mostra que a decomposição espinodal se comporta de maneira diferente quando uma carga de fadiga é aplicada15.Nesta fase, fica claro que a OT máxima destas aplicações não pode ser definida da mesma forma que para vasos de pressão.
Outra classe de solicitações é apenas para aplicações relacionadas à corrosão, como lavadores de gases de escape marítimos.Nestes casos, a resistência à corrosão é mais importante do que a limitação do TO sob carga mecânica.Porém, ambos os fatores impactam no funcionamento do produto final, o que deve ser considerado na indicação da OT máxima.Novamente, este caso difere dos dois casos anteriores.
No geral, ao aconselhar um cliente sobre a OT máxima adequada para o seu grau duplex, o tipo de aplicação é de vital importância na definição do valor.Isto demonstra ainda mais a complexidade de definir um único OT para uma classe, uma vez que o ambiente em que o material é utilizado tem um impacto significativo no processo de fragilização.
Qual é a temperatura operacional máxima para duplex?
Como mencionado, a temperatura máxima de operação é definida pela cinética muito baixa de decomposição espinodal.Mas como medimos esta temperatura e o que exatamente é “baixa cinética”?A resposta à primeira pergunta é fácil.Já afirmamos que medições de tenacidade são comumente realizadas para estimar a taxa e o progresso da decomposição.Isso está definido nos padrões seguidos pela maioria dos fabricantes.
A segunda questão, sobre o que significa cinética baixa e o valor no qual definimos um limite de temperatura, é mais complexa.Isto ocorre em parte porque as condições de contorno da temperatura máxima são compiladas a partir da própria temperatura máxima (T) e do tempo de operação (t) durante o qual esta temperatura é sustentada.Para validar esta combinação Tt, várias interpretações da tenacidade “mais baixa” podem ser usadas:
• O limite inferior, que é definido historicamente e pode ser aplicado para soldas, é de 27 Joules (J)
• Dentro dos padrões, geralmente 40J é definido como limite.
• A redução de 50% na tenacidade inicial também é frequentemente aplicada para definir o limite inferior.
Isto significa que uma declaração sobre OT máximo deve basear-se em pelo menos três pressupostos acordados:
• Exposição temperatura-tempo do produto final
• O valor mínimo aceitável de tenacidade
• Campo final de aplicação (somente química, carga mecânica sim/não etc.)
Conhecimento experimental mesclado
Após uma extensa pesquisa de dados experimentais e padrões, foi possível compilar recomendações para os quatro graus duplex em análise, ver Tabela 3. Deve-se reconhecer que a maioria dos dados é criada a partir de experimentos de laboratório realizados com etapas de temperatura de 25 °C. .
Deve-se notar também que estas recomendações fazem referência a pelo menos 50% da tenacidade remanescente à temperatura ambiente.Quando na tabela “período de tempo mais longo” é indicado, nenhuma diminuição significativa na TR foi documentada.Além disso, a solda só foi testada a -40 °C.Finalmente, deve-se notar que é previsto um tempo de exposição mais longo para o DX 2304, considerando a sua elevada tenacidade após 3.000 horas de testes.No entanto, até que ponto a exposição pode ser aumentada deve ser verificada com testes adicionais.
Há três pontos importantes a serem observados:
• As descobertas atuais indicam que se houver presença de soldas, a OT diminui em cerca de 25 °C.
• Picos de curto prazo (dezenas de horas a T=375 °C) são aceitáveis para DX 2205. Como DX 2304 e LDX 2101 são classes de liga inferior, picos de temperatura comparáveis de curto prazo também devem ser aceitáveis.
• Quando o material fica fragilizado devido à decomposição, o tratamento térmico de mitigação a 550 – 600 °C para DX 2205 e 500 °C para SDX 2507 por 1 hora ajuda a recuperar a tenacidade em 70%.
Horário da postagem: 04 de fevereiro de 2023