Fragilização pelo hidrogênio de soldas produzidas por fricção e mistura mecânica (FSW) do aço inoxidável superdúplex UNS S32760

Abstract

Diversos estudos demostram que os aços inoxidáveis dúplex são fragilizados pelo hidrogênio atômico intersticialmente dissolvido. No caso das ligas bifásicas, a disposição espacial das fases e o tamanho de grão apresentam significativa influência sobre os resultados de fragilização. A fase ferrita possui uma alta difusividade, atuando como uma via favorável para a difusão do hidrogênio e consequente fragilização. No entanto, a fase austenita apresenta uma difusividade significativamente menor, agindo como uma barreira para a difusão, e assim reduzindo a fragilização dessa classe de material. Os aços inoxidáveis dúplex são geralmente aplicados onde é requerido elevada resistência à corrosão e boas propriedades mecânicas. Na indústria de exploração de óleo e gás, por exemplo, é comum empregar esta classe de aço para a fabricação de tubulações e equipamentos submersos. Neste tipo de aplicação, apesar de serem aços inoxidáveis, os aços inoxidáveis dúplex recebem a proteção catódica, como método para evitar ou reduzir a taxa de corrosão. Este método de proteção, apresenta o inconveniente de formar hidrogênio atômico, sendo assim, é possível que ocorra a fragilização pelo hidrogênio adsorvido na superfície do metal. Atualmente, a técnica de união mais empregada para a fabricação de equipamentos metálicos é a soldagem por arco elétrico, ou seja, por fusão. Vale ressaltar que as juntas soldadas são regiões críticas em uma estrutura metálica, podendo reduzir localmente a tenacidade à fratura e potencializar à fragilização pelo hidrogênio. Neste contexto, um método de união alternativo, classificado como soldagem no estado sólido, e conhecido internacionalmente como Friction Stir Welding (FSW) é o objeto de estudo deste trabalho. A soldagem no estado sólido apresenta diversas vantagens em relação à soldagem convencional, como por exemplo, ausência de solidificação e menor aporte térmico. Porém, pouco se conhece sobre o comportamento da tenacidade à fratura para aços inoxidáveis dúplex soldados por FSW. Assim, este trabalho tem por objetivo avaliar a tenacidade à fratura de juntas soldadas fabricadas com o aço inoxidável superdúplex UNS S32760 pelo processo de soldagem por fricção e mistura mecânica FSW. Foi investigada, mais especificamente, a suscetibilidade do material à fragilização pelo hidrogênio produzida por proteção catódica. A junta soldada investigada foi produzida em um pórtico de ação vertical dedicado a soldagem FSW. Os corpos de prova são do tipo flexão em três pontos, sendo os entalhes posicionados no centro da zona de mistura da junta soldada. Para os ensaios no meio, o potencial de proteção catódica foi de -850 mV(Ag/AgCl). Os resultados de tenacidade à fratura da junta soldada foram comparados com os resultados obtidos no metal base (MB). Os resultados mostraram que o processo de soldagem FSW promoveu alterações significativas na microestrutura da junta, fundamentalmente na distribuição espacial das fases (tamanho, forma e disposição), no tamanho de grão e no espaçamento interaustenítico. Entende-se que estas alterações microestruturais tenham reduzido a difusividade efetiva do hidrogênio na junta soldada e, assim, aumentado a resistência da junta à fragilização produzida por este elemento. A junta soldada apresentou o menor índice de fragilização em comparação com o MB. Para as amostras fragilizadas do MB foram encontradas reduções de até 91,3% na tenacidade à fratura. Enquanto, que na junta soldada, a redução foi de 52,6%.

Several studies show that duplex stainless steels are embrittled by interstitially dissolved atomic hydrogen. In the case of biphasic alloys, the spatial arrangement of the phases and the grain size have a significant influence on the results of embrittlement. The ferrite phase has a high diffusivity, acting as a favorable route for the diffusion of hydrogen and consequent embrittlement. However, the austenite phase has a significantly lower diffusivity, acting as a barrier for diffusion, and thus reducing the embrittlement of this class of material. Duplex stainless steels are generally applied where high corrosion resistance and good mechanical properties are required. In the oil and gas exploration industry, for example, it is common to use this class of steel for the manufacture of submerged pipes and equipment. In this type of application, despite being stainless steels, duplex stainless steels receive cathodic protection as a method to prevent or reduce the corrosion rate. This method of protection has the inconvenience of forming atomic hydrogen, so it is possible that embrittlement by hydrogen adsorbed on the metal surface occur. Currently, the joining technique most used for the manufacture of metallic equipment is electric arc welding, that is, by fusion. It is worth mentioning that welded joints are critical regions in a metallic structure, which can reduce fracture toughness and enhance hydrogen embrittlement. In this context, an alternative joining method, classified as solid state welding, and known internationally as Friction Stir Welding (FSW) is the object of study in this work. Solid state welding has several advantages over conventional welding, such as, for example, no solidification and less thermal input. However, no knowledge about the behavior of fracture toughness for duplex stainless steel welded by FSW. Thus, this work aims to evaluate the fracture toughness of welded joints manufactured with super duplex stainless steel UNS S32760 by the process of friction welding and FSW mechanical mixing. More specifically, the material's susceptibility to hydrogen embrittlement produced by cathodic protection was investigated. The investigated welded joint was produced in a vertical action gantry dedicated to FSW welding. The specimens are of the three point flexion type, the notches were positioned in the center of the mixing zone of the welded joint. For the tests in the medium, the cathodic protection potential was -850 mVAg/AgCl. The results of fracture toughness of the welded joint were compared with the results obtained in the base metal (BM). The results showed that the FSW welding process promoted significant changes in the microstructure of the joint, fundamentally in the spatial distribution of the phases (size, shape and disposition), in the grain size and in the interaustenitic spacing. It is understood that these microstructural changes have reduced the effective diffusivity of hydrogen in the welded joint and, thus, increased the resistance of the joint to the embrittlement produced by this element. The welded joint had the lowest rate of embrittlement compared to the BM. For fragile BM samples, reductions of up to 91.3% in fracture toughness were found. While, in the welded joint, the reduction was 52.6%.