Evitando a Fragilização pela Fase Sigma em Aço Duplex: Janelas Críticas de Tempo-Temperatura para Tratamento Térmico

Evitando a Fragilização pela Fase Sigma em Aço Duplex: Janelas Críticas de Tempo-Temperatura para Tratamento Térmico

Aços inoxidáveis dúplex, conhecidos por sua excelente combinação de resistência mecânica e resistência à corrosão, são fundamentais em aplicações exigentes nas indústrias de processamento químico, petróleo e gás, e marinha. No entanto, sua estabilidade microestrutural não é garantida. Uma ameaça significativa durante o tratamento térmico é a formação da fase sigma, um composto intermetálico frágil que pode degradar catastroficamente as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão. Compreender e evitar as janelas críticas de tempo-temperatura para sua formação não é apenas um detalhe técnico — é essencial para garantir a integridade e a segurança dos componentes.

Este guia fornece um framework prático e acionável para evitar a fragilização pela fase sigma durante o tratamento térmico de aços inoxidáveis dúplex.

O Problema da Fase Sigma: Por Que Isso Importa

A fase sigma (σ) é um composto duro e frágil rico em cromo e molibdênio. Sua formação esgota a matriz circundante desses elementos de liga críticos, comprometendo a resistência inerente do aço à corrosão. Mecanicamente, mesmo uma pequena fração volumétrica da fase sigma pode reduzir drasticamente a tenacidade ao impacto e a ductilidade.

As consequências do endurecimento pela fase sigma são graves:

• Falha Catastrófica : Componentes podem se quebrar sob carga de impacto ou choque.

• Corrosão Prematura : Falha de tubulações, vasos ou conexões em ambientes corrosivos.

• Rejeitos Onosos : Lotes inteiros de tratamento térmico podem precisar ser descartados ou retrabalhados.

A Janela de Formação: Onde Está o Perigo

A fase sigma não se forma instantaneamente ou em todas as temperaturas. Ela possui uma janela muito específica de nucleação e crescimento, tipicamente entre aproximadamente 600°C e 1000°C (1112°F - 1832°F) . Dentro desta faixa, o risco não é uniforme.

• Faixa de Formação Máxima : A formação mais rápida ocorre entre 750°C e 950°C (1382°F - 1742°F) . A exposição dentro deste "bico" do diagrama Tempo-Temperatura-Transformação (TTT) é extremamente perigosa.

• Dependência do Tempo : A formação é controlada por difusão, o que significa que é tanto tempo e temperatura dependente. Um breve período em uma temperatura mais alta pode ser menos prejudicial do que um período prolongado em uma temperatura mais baixa dentro da faixa crítica.

Diretrizes Práticas para Tratamento Térmico Seguro

O método principal para evitar a fase sigma é o controle rigoroso dos parâmetros de tratamento térmico, sendo o primeiro passo universal Solution Annealing .

1. Recozimento de Solubilização: O Reset Essencial

Esse processo dissolve quaisquer fases secundárias (como sigma) que possam ter se formado durante fabricação anterior (por exemplo, soldagem, trabalho a quente) e restaura a microestrutura equilibrada de 50/50 austenita-ferrita.

• Temperatura : Aquecer até uma temperatura suficientemente alta para dissolver todas as fases secundárias, normalmente 1020°C a 1100°C (1868°F - 2012°F) para o aço duplex 2205 padrão. A temperatura exata depende da liga específica e de sua composição química.

• Tempo de enxágue : Manter na temperatura por tempo suficiente para obter uma microestrutura homogênea e isenta de precipitados. Normalmente é 15 minutos a 1 hora por polegada de espessura .

• Resfriamento : Esta é a etapa mais crítica. O material deve ser resfriado rapidamente através da janela de formação da fase sigma (abaixo de 600°C) para evitar a precipitação novamente.

  • Método : Têmpera em água é o método mais eficaz e recomendado para seções de qualquer tamanho significativo. Para seções finas, a têmpera com ar forçado pode ser suficiente.

2. Evitar a Reentrada na Janela Crítica

Após o revenimento de solução, qualquer processo térmico subsequente deve ser cuidadosamente controlado.

• Alívio de Tensões : Os tratamentos padrão de alívio de tensões para aços carbono (~600-650°C) estão diretamente dentro da faixa de formação da fase sigma e são INAPROPRIADOS para aços dúplex . Se o alívio de tensões for absolutamente necessário, utilize uma abordagem de alta temperatura que aqueça rapidamente através da faixa crítica até uma temperatura acima dela (por exemplo, ~1050°C), mantenha por um tempo muito curto e realize uma re-têmpera. Este é um processo especializado.

• Soldagem e Trabalho a Quente : Esses processos criam zonas afetadas pelo calor localizadas (HAZ) que inevitavelmente atravessam a faixa de temperatura crítica. O importante é controlar a entrada de calor e a temperatura entre passes (máx. ~100°C / 212°F para o 2205) para minimizar o tempo na faixa perigosa. A microestrutura pós-soldagem frequentemente requer avaliação.

Detecção e Correção: Como Verificar e Resolver

• Detecção :

  • Testes de impacto : Uma medida direta da perda de tenacidade. Um teste de impacto reprovado é um forte indicativo de fragilização.

  • Metalografia : O método mais comum. Uma amostra é polida e atacada para revelar a microestrutura. A fase sigma aparece como ilhas brilhantes e blocosas nas fronteiras entre ferrita e austenita (ver exemplos de micrografias).

  • Teste Eletroquímico : Técnicas como o Reactivación Potenciocinética Eletroquímica com Dois Ciclos (DL-EPR) podem detectar zonas com deficiência de cromo causadas pela fase sigma.

• Correção :

  • Se a fase sigma for detectada, a única solução confiável é realizar um tratamento térmico completo de solubilização seguido de uma rápida têmpera.

  • Nota : Uma vez formada, a fase sigma é difícil de dissolver. O recozimento de solução deve ser realizado na temperatura elevada correta com tempo suficiente de permanência.

Principais Conclusões para Operadores e Engenheiros

1. Conheça a Faixa : Memorize a faixa crítica de 600-1000°C (1112-1832°F) . Considere qualquer operação que mantenha o metal nesta faixa como de alto risco.

2. Revene, Não Resfrie : Após qualquer processo em alta temperatura, revene em água para atravessar rapidamente a faixa de formação. Não permita que as peças se resfriem ao ar no forno ou na bancada.

3. Evite Alívio Improper de Tensão : Não utilize procedimentos de alívio de tensão em baixa temperatura projetados para aço carbono.

4. Verifique e Qualifique : Qualifique seus procedimentos de tratamento térmico utilizando ensaios mecânicos (especialmente tenacidade ao impacto) e análise microestrutural. Realize periodicamente auditorias nas práticas da oficina.

Controlando rigorosamente o tempo e a temperatura e respeitando as janelas críticas descritas no diagrama TTT, os fabricantes podem confiavelmente evitar os custosos e perigosos problemas de fragilização pela fase sigma, garantindo o superior desempenho dos componentes em aço inoxidável dúplex.