Tese
Efeito de parâmetros microestruturais e da temperatura do meio na susceptibilidade à fragilização por hidrogênio de aços de alta resistência e baixa liga
Effect of microstructural parameters and environment temperature on the hydrogen embrittlement susceptibility of high strength low alloy steels
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Autor
Martiniano, Guilherme Antonelli
Institución
Resumen
Hydrogen embrittlement (HE) is a phenomenon that affects many steels and other metal alloys,
drastically reducing their fracture strength. Despite being studied for over a century. HE is a complex
phenomenon that still needs a better understanding. Therefore, the present work aims to evaluate the
influence of hardness, prior austenitic grain (PAG) size, dual-phase microstructure (DP) and
environment temperature on the hydrogen embrittlement susceptibility (HES) of two high-strength low
alloy (HSLA) steels: 4137-M and 4130-M. This evaluation was carried out using the Incremental Step-
Loading (ISL) test, with the development of a methodology capable of identifying the fracture threshold
load of low hardness steels was set as an additional objective. The results revealed that the developed
methodology to identify the Pth of lower hardness steels than that recommended by the ASTM F1624
standard was valid. It was observed that the microstructure high angle boundaries (HAB) act a strong H
traps, in such a way that the microstructure with high HAB density exhibited lower HES. This effect was
evidenced by noticing a reduction in the HES and also in the diffusible hydrogen content in the
microstructure with lower PAG size and the DP microstructure. The PAG boundary, which is a HAB,
prevented part of the H from diffusing to the crack nucleation sites. For the DP microstructure, two main
types of HAB were obtained, the PAG boundary and the martensite / ferrite interface, which resulted in
a higher density of HAB, and, consequently, in the lower HES presented by the DP microstructure.
Furthermore, the ferrite localized deformation in DP microstructure reduced the stress concentration
and directed the H to ferrite, which is less susceptible than martensite. The hardness reduction
decreased the steel HES, since the decrease in hardness is accompanied by lower density of H traps
in the PAG boundary and greater plastic deformation capacity, factors that increase the HE resistance.
Moreover, greater HES was noted at 24 °C and 4 °C, with no significant difference in HES between
these two temperatures. However, at 54 °C a reduction in HES was observed. This behavior was
attributed to the enhancement in H diffusivity caused by the increase in temperature, which reduced the
capacity of dislocations to trap and transport hydrogen to the notch root. Finally, it was observed that H
diffusion combined with the H transport by dislocations saturate the high-angle boundaries, inducing the
crack to propagate through these boundaries. When the HAB were mainly the PAG boundaries, the
fracture was intergranular. On the other hand, if the H-saturated HAB were the martensite packages
and blocks or the martensite / ferrite interface, the fracture had a quasi-cleavage aspect. CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Petrobrás - Petróleo Brasileiro S.A Tese (Doutorado) A fragilização por hidrogênio (FH) é um fenômeno que afeta diversos aços e outras ligas metálicas,
podendo reduzir drasticamente sua resistência à fratura. Apesar de ser estudada a mais de um século,
a FH é um fenômeno complexo que ainda necessita de um melhor entendimento do seu comportamento
e quais os fatores que a influenciam. Sendo assim, o presente trabalho tem como objetivo avaliar a
influência da dureza, tamanho do antigo grão austenítico (AGA), microestrutura dual-phase (DP) e
temperatura do meio na susceptibilidade à fragilização por hidrogênio (SFH) de dois aços de alta
resistência e baixa liga (ARBL): 4137-M e 4130-M. Esta avaliação foi conduzida utilizando o teste
Incremental Step-Loading (ISL) de forma que foi colocado como objetivo adicional o desenvolvimento
de uma metodologia capaz de identificar a força limite de ruptura (Pth) de aços com baixa dureza. Os
resultados deste trabalho revelaram que a metodologia desenvolvida para identificar o Pth de aços de
baixa dureza ensaiados pelo método ISL foi válida. Os resultados mostraram ainda que os contornos
de alto ângulo (CAA) da microestrutura funcionam como armadilhas fortes de H, de tal forma que a
microestrutura com maior densidade de CAA exibiu a menor SFH. Este efeito foi evidenciado ao se
perceber uma queda na SFH e também no teor de hidrogênio difusível nas microestruturas de menor
AGA e DP. O contorno do AGA, que é um CAA, impediu que parte do H difundisse para os sítios de
nucleação de trinca. Para a microestrutura DP obteve-se dois tipos de CAA principais, o contorno do
AGA e a interface martensita\ferrita, que resultaram numa maior densidade de CAA, e,
consequentemente, numa menor SFH apresentada pela microestrutura DP. Além disso, a deformação
localizada da ferrita na microestrutura DP reduziu a concentração de tensão e direcionou a H para a
ferrita, que é menos susceptível que a martensita. A redução da dureza diminuiu a SFH dos aços
estudados, uma vez que a queda da dureza é acompanhada de uma menor densidade de armadilhas
de H no contorno do AGA e de maior capacidade de deformar plasticamente, fatores estes que
aumentam a resistência à FH. Além disso, notou-se uma maior SFH a 24 °C e 4 °C, sem diferença
significativa entre estas duas temperaturas. No entanto, uma queda na SFH foi observada a 54 °C. Este
comportamento foi atribuído ao aumento da difusividade do H causado pelo aumento da temperatura
do meio o que diminuiu a capacidade das discordâncias de aprisionar e transportar H até a raiz do
entalhe. Por fim, observou-se que difusão de H aliada ao transporte por discordâncias saturam os CAA
com H induzindo a trinca a se propagar por estes contornos. Quando os CAA eram, principalmente, os
contornos do AGA a fratura foi intergranular. Já, se os CAA saturados com H eram os pacotes e blocos
de martensita ou a interface martensita/ferrita, a fratura tinha o aspecto de quase-clivagem.