Retratamento térmico em liga de aço inoxidável supermartensítico: estudo dos efeitos microestruturais e mecânicos

Abstract

Componentes mecânicos para aplicações críticas demandam propriedades criteriosas, as quais estão diretamente correlacionadas à composição e à microestrutura do material. Equipamentos para exploração de petróleo exigem atenção especial, pois erros de fabricação podem gerar falhas e possíveis catástrofes. Nesses casos, ligas com alta resistência à corrosão, como por exemplo o aço inoxidável, são amplamente utilizadas. Além disso, os tratamentos térmicos são essenciais para atingir os propósitos de aplicação. Quando um metal tratado termicamente não atinge as propriedades especificadas em projeto, muitas vezes, se recorre ao retratamento térmico, visando a correção de características que não tenham sido atendidas. Apesar dessa prática ser comumente empregada, há poucas informações na literatura sobre os efeitos do retratamento térmico de metais. Dessa maneira, esta investigação analisa o aço inoxidável supermartensítico temperado e revenido, sendo uma das ligas metálicas mais utilizadas na construção de equipamentos de completação de poços de óleo e gás. Para tanto, amostras dessa liga foram tratadas e retratadas termicamente por uma até seis vezes, com objetivo de delinear as características morfológicas da microestrutura e propriedades mecânicas decorrentes dessa prática. Feito isso, análises metalográficas, testes de tração e impacto Charpy foram conduzidos em cada amostra retratada. A análise microestrutural revelou o refinamento do grão a cada retratamento térmico e uma alteração não linear da fração da austenita retida e das propriedades mecânicas. Conclui-se que cada novo retratamento térmico promove duas principais alterações na microestrutura resultante, o refinamento de grão e a variação no teor de austenita retida. Como este último não é linear, os resultados de propriedades mecânicas são distintos a cada retratamento térmico. As variações obtidas no tamanho de grão e na fração de austenita retida poderiam ainda resultar em distintos comportamentos de outras propriedades importantes do material, como por exemplo, sua resistência a diversos mecanismos de corrosão e sua susceptibilidade da fragilização por hidrogênio e sua resistência à fluência.

Mechanical components for critical applications demand solid properties, which are directly related to the material chemical composition and microstructure. Equipment used in oil and gas wells require special attention, because errors on their building might lead to failures or even catastrophes. In these cases, high corrosion resistance alloys such as stainless steels, are widely used. Furthermore, heat treatments are essential to achieve application purposes. When a material does not meet the specified properties, in many cases the heat retreatment is performed in order to adjust the features that have not been met. Although this process is commonly used, there are only a few sources of literature about the effects of metals heat retreatment. Thus, this investigation analyses the supermartensitic stainless steel quenched and tempered, which is one of the most used metallic alloys for building oil and gas well completion equipment. Therefore, samples of this material were heat treated and retreated from one to six times in order to map the morphological characteristics of microstructure and mechanical properties resulting from this process. Once done, metallographic analyses, tensile tests and Charpy impact tests were performed on each retreated sample. The analyses over microstructure showed a grain refinement after each heat retreatment and a non-linear variation of retained austenite portion and of mechanical properties. The conclusion is that each heat retreatment promotes two main changes in the resulting microstructure, the grain refinement and the variation in the content of retained austenite. As the latter is not linear, the results of mechanical properties are different for each heat retreatment. The variations observed in the grain size and in the contents of retained austenite can result in different behaviors of other important properties of the material, such as its resistance to some corrosion methods, its susceptibility to hydrogen embrittlement and its fluency resistance.