Efeito da taxa do fator de intensidade de tensões e do potencial de proteção catódica na fragilização pelo hidrogênio do aço inoxidável superdúplex UNS S32750 soldado por TIG

Abstract

O desenvolvimento de ligas com maior resistência à corrosão (Corrosion Resistant Aloys - CRA) tem avançado consideravelmente nos últimos anos devido às condições críticas de serviço impostas pelas indústrias química e de óleo e gás. Deste modo, a razão fundamental pela qual o aço inoxidável superdúplex (AISD) tenha se tornado um material atraente para estas aplicações, diz respeito a sua resistência mecânica e à corrosão, que estão atreladas à presença de uma microestrutura bifásica composta por austenita e ferrita. No entanto, apesar das propriedades favoráveis, os AISD tendem a falhar quando expostos a ambientes sob proteção catódica, devido à fragilização pelo Hidrogênio. Neste sentido, é importante destacar que o processo de fragilização é dependente da quantidade de Hidrogênio gerada, que é função do potencial de proteção catódica empregado, da difusão e da concentração deste elemento na microestrutura. Ainda, aliado ao efeito do potencial de proteção catódica, a tendência à fragilização pelo Hidrogênio é dependente do tempo, parâmetro intimamente relacionado à taxa de carregamento. Portanto, nesta pesquisa, objetiva-se avaliar a interação entre a taxa de carregamento em termos do fator de intensidade de tensões (taxa de K) e do potencial de proteção catódica na fragilização pelo Hidrogênio do AISD UNS S32750. O estudo correlaciona dados de tenacidade à fratura (CTODmáx) e seus respectivos micromecanismos de falha. Além disso, para auxiliar no entendimento deste estudo, foram realizadas análises de dessorção térmica com objetivo de quantificar a presença do Hidrogênio difusível no material e correlacionar com os dados de tenacidade à fratura obtidos. Observou-se que a tenacidade à fratura depende principalmente do potencial catódico e diminui consideravelmente à medida que o potencial se torna mais negativo (mais catódico) e para menores taxas de K envolvidas. Os experimentos mostraram que a queda na tenacidade à fratura verificada a -650 mVECS é devido, principalmente, a clivagem da ferrita. A -850 mVECS, o controle da resistência à fratura é devido à extensão do microtrincamento em degraus da austenita (“Zig zag ou stepwise microcracking”). Finalmente, para o potencial catódico de -1.100 mVECS, o efeito do Hidrogênio sobre a tenacidade à fratura é muito intenso, sendo que ambas as fases apresentam comportamento frágil. Através das análises de dessorção térmica de Hidrogênio (TDA) foi possível verificar que a absorção deste elemento é dependente do potencial catódico empregado, evidenciando-se um maior carregamento em direção a potenciais mais catódicos. O ingresso de Hidrogênio no material prejudica a tenacidade à fratura, estimulando níveis mais severos de fragilização. A partir dos resultados obtidos, pode-se interpretar que a susceptibilidade do AISD UNS S32750 ao trincamento sob tensão induzido pelo Hidrogênio (HISC) é relativa. De fato, deve-se avaliar cuidadosamente os parâmetros de ensaio empregados, já que estes influenciam fortemente nos resultados produzidos.

The development of alloys with higher corrosion resistance (Corrosion Resistant Alloys - CRA) has advanced considerably in recent years due to the critical service conditions imposed by the chemical and oil and gas industries. Thus, the fundamental reason why Superduplex Stainless Steels (SDSS) have become an attractive material for these applications resolves around its mechanical and corrosion resistance, which are linked to the presence of a biphasic microstructure composed of austenite and ferrite. However, despite the favorable properties, SDSS tend to fail when exposed to environments under cathodic protection, due to Hydrogen embrittlement. In this sense, it is important to highlight that the embrittlement process is dependent on the amount of Hydrogen generated, which is a function of the cathodic protection potential employed, on the diffusion and on the concentration of this element in the microstructure. Still, combined with the effect of the cathodic protection potential, the susceptibility to hydrogen embrittlement is dependent on exposure time, a parameter closely related to the loading rate. Therefore, in this research, the objective is to evaluate the interaction between the loading rate in terms of the stress intensity factor (K rate) and the cathodic protection potential in the Hydrogen embrittlement of SDSS UNS S32750. The study correlates data on fracture toughness (CTODm) and their respective failure micromechanisms. In addition, to assist in the understanding of this study, thermal desorption tests were carried out in order to quantify the presence of diffusible hydrogen in the material and correlate with the obtained fracture toughness data. It was observed that the fracture toughness of a SDSS weld (evaluated on the base material, fusion zone and heat affected zone) has a strong dependency on the applied potential, decreasing as it becomes more negative, and on the K rate, also decreasing as lower rates area applied. The experiments showed that the drop in fracture toughness observed at -650 mVSCE is mainly due to the cleavage of ferrite. At -850 mVSCE, the control of fracture resistance is linked to the extent of austenite step microcracking (“Zig zag or stepwise microcracking”). Finally, for the cathodic potential of -1,100 mVSCE, the effect of Hydrogen on fracture toughness is very severe, with both phases showing a fragile behavior. Through the Hydrogen thermal desorption (TDA) analyses, it was possible to verify that the absorption of this element is dependent on the cathodic potential employed, as greater ammounts of Hydrogen were found for more negative potentials. The entry of Hydrogen into the material impairs fracture toughness, stimulating more severe levels of embrittlement. From the results obtained, it can be interpreted that the susceptibility of SDSS UNS S32750 to Hydrogen-induced stress cracking (HISC) is relative. In fact, one must carefully evaluate the test parameters used, as these strongly influence the results produced.