Efeito do hidrogênio produzido por proteção catódica nas taxas de propagação de trincas por fadiga no aço inoxidável superdúplex UNS S32750

Abstract

Aços inoxidáveis dúplex são fortes candidatos para aplicação em componentes e equipamentos para a indústria offshore devido as suas boas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão. Entretanto, uma barreira para a ampliação do uso destes materiais consiste na fragilização por Hidrogênio, que pode, entre outras fontes, decorrer do uso de proteção catódica em estruturas submersas. Este fenômeno é de grande complexidade, uma vez que os mecanismos possuem uma forte dependência de uma série de parâmetros, assim como não há um único tipo de teste e uma propriedade capazes de caracterizar o comportamento do material. Então, a necessidade de extensa pesquisa, com testes de duração intrinsecamente longa gera uma dificuldade na qualificação destes materiais em mais aplicações, além de um severo conservadorismo nos projetos de engenharia. Este trabalho visa caracterizar o comportamento do aço inoxidável superdúplex UNS S32750 protegido catodicamente sob um potencial de -1.100 mVECS, sob carregamento de fadiga, através de uma abordagem de mecânica da fratura. Foram realizados ensaios de taxa de propagação de trincas, levantando-se a curva da/dN x ΔK, de modo a ver o efeito da fragilização por Hidrogênio em diversos estágios da vida em fadiga. Foram realizados também ensaios a ΔK constante varrendo a frequência de aplicação de carga, o que caracteriza o tempo para difusão do Hidrogênio à frente da trinca. Os parâmetros desta análise, juntamente aos mecanismos de fratura observados em ensaio, proveem modelos matemáticos que permitem determinar condições para que o aço fragilize, assim como a frequência de ensaio das curvas da/dN x ΔK, que compreende um compromisso entre conservadorismo e tempo hábil de ensaio. Foi observado na varredura de frequência que a difusão passa a ser mais importante para maiores valores de ΔK, o que está associado a uma maior quantidade de Hidrogênio que se aloja na zona à frente da trinca. As curvas da/dN x ΔK também apontam que, para baixos níveis de ΔK e Kmax, não há efeito da fragilização, o que também é suportado pelos aspectos fractográficos observados. A fragilização nestes aços está associada à clivagem cíclica da ferrita, um mecanismo cuja ativação depende da concentração de Hidrogênio que chega à ponta da trinca e da tensão necessária para clivagem. Isto reflete no fato que, em proteção catódica, não há deterioração do desempenho do aço inoxidável superdúplex UNS S32750 para baixos níveis de ΔK e Kmax.

Duplex stainless steels are strong candidates to offshore and piping applications, given their good mechanical properties and corrosion resistance. However, a barrier to the expansion for the wider application of these materials consists of Hydrogen embrittlement provided by, among other sources, the use of cathodic protection on structures. This phenomenon is of great complexity, since the mechanisms depend strongly on a series of parameters, and there isn’t a single type of experiment capable of completely characterizing the material behavior. Therefore comes the need of extense research, with long duration tests, which causes difficulty on the qualification of these materials for more applications, along with the employ of more conservative designs on engineering projects. This work seeks to characterize the behavior of the superduplex stainless steel UNS S32750 while cathodically protected by a potential of -1.100 mVECS, under fatigue loading, using the fracture mechanics approach. Fatigue crack propagation rate test were performed, determining the da/dN x ΔK curve to compare the effect of Hydrogen embrittlement on various stages of fatigue life. Fatigue tests at constant ΔK were also performed scanning the load frequency, which describes the time for Hydrogen diffusion to the crack tip. The results from this analysis, along with the fracture mechanisms observed in the samples, provide mathematical models with data allowing them to predict conditions necessary for the steel to embrittle, as well as the appropriate frequency for the determination of the da/dN x ΔK curve, which involves a compromise between conservatism and test time. It was observed in the frequency scanning test that the diffusion has greater importance in high ΔK behavior, which is associated with a higher concentration of Hydrogen situated at the crack tip. The da/dN x ΔK curves point that for low levels of ΔK and Kmax, there is no effect from the embrittlement, which is also supported by the observed fractographic aspects. In these steels, the embrittlement is linked to the cyclic cleavage of ferrite, a mechanism dependant on the Hydrogen at the crack tip and the stress needed for cleavage to occur. This reflects on the fact that, under cathodic protection, there is no loss of performance of the superduplex stainless steel UNS S32750 for low levels of ΔK and Kmax