Efeito do tipo de estabilização nas propriedades mecânicas

Os elementos estabilizantes Ti e Nb agem como refinadores de grão. Formam compostos com o C e o N e seus efeitos sobre as propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis ferríticos podem ser adversos (COURTNALL e PICKERING, 1976; STEIGERWALD et al., 1979). A Figura 3.24 mostra a relação entre o limite de escoamento em uma temperatura de 950oC e o teor de nióbio em solução sólida, detectada por análise de resíduo de extração eletrolítica.

Figura 3.24 – Relação entre limite de escoamento e teor de Nb em solução sólida para aços 19%Cr e 0,025% (C + N) (FUJITA et al., 1996).

A Figura 3.24 permite verificar que, quanto maior o teor de nióbio em solução sólida, maior é o aumento no limite de escoamento. Para Miyazaki et al. (2002) a melhoria do limite de escoamento em ensaios de tração a alta temperatura (700oC) deveu-se à precipitação de finas partículas (fase de Laves). Além disto, é verificado que quanto maior a temperatura de recozimento, maior é a quantidade deste elemento em solução sólida. Durante o ensaio de tração a quente, uma parte do nióbio dissolvido na matriz diminui de modo a ter-se uma precipitação dinâmica de Fe3Nb3C nos contornos de grão e Fe2Nb no centro do grão (FUJITA

O tratamento térmico do material tem um efeito sobre as propriedades mecânicas. Fujita et al (1996) mostraram em seu trabalho com um aço inoxidável ferrítico estabilizado ao nióbio que quanto maior a temperatura de tratamento térmico, maior é o limite de escoamento do material. A maior resistência deve-se ao efeito do nióbio ser endurecedor por solução sólida e o aumento da temperatura faz com que uma maior quantidade de nióbio esteja em solução sólida. Além disto, o nióbio tem o efeito de, em solução sólida, retardar a recuperação e a recristalização dos grãos.

A Figura 3.25 mostra o efeito dos elementos de liga no limite de escoamento na temperatura de 950oC para um aço inoxidável ferrítico com 19% Cr.

Figura 3.25 – Efeito dos elementos de liga no limite de escoamento à 950oC - Aço 19% Cr (FUJITA et al., 1996).

A Figura 3.25 permite verificar o efeito benéfico do nióbio, onde pequenas adições são suficientes para aumentar o limite de escoamento do aço, principalmente quando comparado com os demais elementos de liga estudados. Este resultado é similar ao encontrado por Miyazaki et al (2004), o qual verificou o efeito benéfico do molibdênio (até um teor de 1,5% peso) e do silício (para qualquer teor) no sentido de elevar o limite de escoamento em uma temperatura de 900oC. Fujita et al (2003) consideram que o nióbio e o molibdênio melhoram o limite de escoamento a partir de efeito combinado de endurecimento por solução sólida e presença de fases intermetálicas (do tipo fases de Laves) nesta temperatura. Para o caso do aumento no teor de titânio, Fujita et al.(1996) observaram uma diminuição no limite de

escoamento. Isto se deve, provavelmente, ao fato do titânio não ser um elemento endurecedor por solução sólida nesta temperatura.

No caso da temperatura de transição dúctil/frágil, o aumento no teor de Ti leva a um aumento da mesma. Este aumento é bem mais suave no caso da estabilização com Nb. Semchyshen et al. (1971) e Redmond (1980) estudaram os aços inoxidáveis ferríticos e alegaram que o efeito de Ti no aumento da temperatura de transição se deve ao aparecimento de precipitado de segunda fase (ASM, 1996). O TiN tem uma forma angular e uma cor amarelada, vista em microscopia ótica, com a presença de óxidos em seu centro. Este age como concentrador de tensões, o que pode promover uma fratura frágil (POLLARD, 1974; GRUBB, 1991). Em seu trabalho, Miura e Koso (1982) verificaram a formação de fase de Laves em ligas com excesso de Nb, diminuindo a tenacidade do material.

O efeito dos elementos estabilizantes na temperatura de transição em função da aparência da fratura (FATT50) pode ser verificado na Figura 3.26. A temperatura FATT50 corresponde à temperatura na qual o corpo-de-prova proveniente do ensaio Charpy V apresenta 50% de fratura dúctil e 50% de fratura frágil.

Figura 3.26 - Tenacidade ao impacto de aço inoxidável ferrítico 18%Cr-2%Mo como uma função dos teores de nióbio e titânio. Amostra Charpy V de seção reduzida (REDMOND, 1980).

Os teores de elementos intersticiais estiveram em torno de 0,013 a 0,018% de carbono e de 0,015 a 0,020% de nitrogênio. O aumento esperado da temperatura de transição em função do teor de titânio e o pequeno efeito do nióbio podem ser observados. Um outro fato a ser notado é que, uma vez fixo o teor de titânio entre 0,1 a 0,3%, a temperatura de transição pode variar entre –250C a 250C, ou seja de 500C para qualquer concentração de nióbio no metal base (REDMOND, 1980).

Análise da microestrutura dos aços inoxidáveis estabilizados ao titânio e ao nióbio permite verificar que os precipitados à base de titânio são maiores e menos dispersos. Além disto, a quantidade de inclusões em aços estabilizados ao Ti é relativamente maior. Isto propicia uma perda maior da tenacidade de aços inoxidáveis ferríticos estabilizados ao titânio. A estabilização com nióbio em excesso pode apresentar precipitados finos de Fe2Nb limitando a

sua ductilidade na temperatura ambiente. Para os aços estabilizados ao titânio e os aços bi- estabilizados (Ti + Nb), a ductilidade torna-se superior quando comparada com a monoestabilização com nióbio (LEE et al., 1999; HUNTER e EAGAR, 1980; WASKO e GRUBB, 1991).

A procura para se obter um consenso entre a tenacidade e a ductilidade levou à utilização de aços de estabilização mista (Ti + Nb). Um cuidado deve ser tomado quanto à quantidade a ser adicionada. Elementos estabilizantes em excesso podem provocar um aumento na temperatura de transição dúctil/frágil, além de aumentar o custo de produção. DeArdo et al (1996) verificaram que uma boa resistência à corrosão intergranular na zona afetada pelo calor em aços inoxidáveis ferríticos pode ser obtida por meio da relação:

(Ti + Nb) = 0,08 + 8 (C + N) Equação 3.6

A norma ASTM A240/A240M-99 (ASTM A240) apresenta apenas a estabilização simples, mostrando a relação entre o titânio e os intersticiais (carbono e nitrogênio), uma vez que esta estabilização é a mais encontrada nos aços inoxidáveis ferríticos. A relação de estabilização é dada para um teor de titânio mínimo de 6 vezes (C+N) e máximo de 0,50%.