-
EM738 / Parte A / Prof. Itamar Ferreira
FEM/UNICAMP
82
6. FRAGILIZAO METALRGICA DE AOS
6.1. Introduo 6.2. Fragilizao por Hidrognio 6.3. Fragilizao da
Martensita Revenida 6.4. Referncias Bibliogrficas Anexo: Importncia
da Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) em Anlise de Falhas
6.1. Introduo
Os aos podem apresentar vrias formas de fragilizao metalrgica
que podem ocorrer em decorrncia de tratamentos trmicos ou
termo-qumicos ou servios em altas temperaturas. As principais
formas de fragilizao so:
Fragilizao azul ("blue brittleness"); Fragilizao da martensita
revenida ou fragilizao de 350 C (ocorre em aos
baixa liga e alta resistncia); Fragilizao do revenido;
Fragilizao por fase sigma (ocorre em aos inoxidveis austenticos e
ferrticos); Sensitizao (ocorre em aos inoxidveis austenticos);
Grafitizao (aos carbono e aos baixa liga); Fragilizao por
intermetlicos (aos galvanizados).
Alm disso, os aos podem ainda apresentar outros tipos de
fragilizao, sendo os mais importantes:
Fragilizao devido a radiao de neutrons; Fatura assistida pelo
meio (fragilizao por hidrognio; fragilizao devido a
corroso sob tenso; fragilizao devido a metais lquidos).
Nesta aula sero estudas apenas a fragilizao por hidrognio e a
fragilizao da martensita revenida.
6.2. Fragilizao por Hidrognio
O problema da fragilizao por hidrognio em aos bastante antigo.
Uma das primeiras associaes de hidrognio com flocos surgiu em 1920
e apesar das inmeras pesquisas j realizadas e das modernas tcnicas
de fabricao do ao a vcuo, ainda acontecem falhas decorrentes da
contaminao por hidrognio, principalmente em componentes de grandes
dimenses. Os aos do tipo 5140 so normalmente muito susceptveis
fragilizao por hidrognio, sendo que a contaminao por hidrognio
pode
-
EM738 / Parte A / Prof. Itamar Ferreira
FEM/UNICAMP
83
acontecer nos estgios iniciais da fabricao do ao como tambm em
algumas etapas posteriores da fabricao do componente.
O hidrognio pode ser introduzido no metal durante a fuso e
aprisionado durante a solidificao ou se difundir no metal durante o
tratamento trmico, cementao, galvanizao por eletrlise, decapagem
cida ou soldagem, ou ainda, por reao catdica durante a corroso.
Porcentagens em peso de hidrognio da ordem de 0,0001 podem
fragilizar aos. Engel e Klingele citam que as principais fontes de
hidrognio em aos so: fundio, soldagem e cementao gasosa; no caso da
cementao gasosa ocorre a reao: 3Fe + CH4 Fe3C + 4H, sendo que o
hidrognio atmico liberado na reao pode se difundir para o interior
do componente de ao.
A principal caracterstica da fragilizao por hidrognio a "fratura
retardada" (Figura 6.1) sendo que a falha em servio de um
componente estrutural contendo hidrognio pode ocorrer sem aviso, de
minutos a anos, aps carregamento esttico. Ensaios de flexo com
pequena taxa de carregamento, em corpos de prova entalhados ou sem
entalhes, so teis na caracterizao da fragilizao por hidrognio, por
uma drstica diminuio na ductilidade. O comportamento da fratura
retardada pode ser influenciado pela concentrao de hidrognio e pelo
nvel de resistncia mecnica. Os aos de alta resistncia mecnica so
bastante susceptveis fragilizao por hidrognio. A composio qumica e
o processamento do componente podem tambm influenciar a
susceptibilidade fragilizao pelo hidrognio do ao. A presena no ao
das impurezas enxofre, fsforo, estanho e antimnio potencializa a ao
do hidrognio, aumentando a fragilizao, e levando fratura
intergranular. Observa-se na Figura 6.1 que existe um valor mnimo
de tenso, abaixo do qual no ocorre fragilizao por hidrognio: esse
valor bastante influenciado pela quantidade de hidrognio e pela
severidade do entalhe. Assim, quantidades menores de hidrognio ou
entalhes menos severos levam a curvas intermedirias entre as "com
muito hidrognio" e "sem hidrognio".
Existe uma certa polmica em torno do micromecanismo de fratura
decorrente da fragilizao por hidrognio. A maioria dos autores
aponta todas as possibilidades possveis, ou seja, que pode envolver
clivagem, quase-clivagem, intergranular ou fratura alveolar
(nucleao, crescimento e coalescncia de microcavidades). Dieter
indica que a fragilizao por hidrognio pode envolver clivagem,
intergranular ou fratura alveolar, dependendo do nvel de tenso.
Tetelmam e McEvily afirmam que componentes com fragilizao por
hidrognio podem falhar por uma mistura de clivagem e rasgamento
fibroso (fratura alveolar ou "dimples"), tendo tambm evidncias de
quase-clivagem e alvolos rasos em algumas regies da superfcie de
fratura. Engel e Klingele defendem que a fratura do ao com
fragilizao por hidrognio pode ser transgranular ou intergranular,
com relao ao gro prvio da austenita, e chamam a fratura
transgranular de micro-quase-clivagem. No Metals Handbook
encontra-se que na fragilizao por hidrognio de aos o modo de
fratura pode mudar de fratura alveolar para quase-clivagem,
clivagem ou fratura intergranular. Entretanto, o micromecanismo
mais encontrado em aos temperados e revenidos com fragilizao por
hidrognio predominantemente quase-clivagem e sem fragilizao por
hidrognio predominantemente fratura alveolar.
-
EM738 / Parte A / Prof. Itamar Ferreira
FEM/UNICAMP
84
Figura 6.1. Curva tpica de uma fratura retardada caracterstica
de fragilizao por hidrognio, de um ao liga, de espcimes com um
entalhe severo.
6.3. Fragilizao da Martensita Revenida (FMR)
O primeiro relato histrico do fenmeno de fragilizao pelo
revenido data de 1883; quando ferreiros observaram que alguns aos
que tinham sido resfriados em gua, aps o revenido, escaparam da
fragilizao. Contudo, o primeiro artigo sobre o assunto foi escrito
por Brearley, em 1917. O interesse mais intenso por este fenmeno
ocorreu por volta de 1930; quando ento, foi circunstancialmente
associado susceptibilidade de certos aos fratura prematura, com a
presena de certas impurezas nos contornos de gro. Desde ento, a
fragilizao pelo revenido dos aos tem sido intensamente estudada,
sobretudo a partir dos anos 50.
Existem dois fenmenos distintos de fragilizao associadas com o
revenido, ou seja, dois diferentes tipos de fragilizao pelo
revenido. Por isso, historicamente, as pesquisas sobre o assunto tm
sido divididas em duas reas de estudo. Dependendo do ciclo trmico
em que o ao submetido, o fenmeno de fragilizao recebe diferentes
designaes.
Um dos tipos de fragilizao, tradicionalmente chamado de
fragilizao a 350 C, ocorre em aos com limite de escoamento
relativamente alto - quando a martensita revenida a baixa
temperatura. Devido fragilizao ocorrer aps um simples tratamento de
revenido da martensita, o fenmeno tem sido designado de fragilizao
da martensita revenida - FMR, e mais recentemente de primeiro
estgio de fragilizao pelo revenido.
O outro tipo de fragilizao, tradicionalmente chamado de
fragilizao pelo revenido reversvel, ocorre em aos com limite de
escoamento muito baixo. Isto, como resultado de um revenido da
martensita a alta temperatura, onde se observa a reao de decomposio
martensita ferrita + cementita. Este tipo de fragilizao ocorre
quando o ao submetido a um tratamento isotrmico de envelhecimento,
prximo de 500 C, ou
-
EM738 / Parte A / Prof. Itamar Ferreira
FEM/UNICAMP
85
quando o ao resfriado lentamente atravs da faixa de temperatura
de fragilizao, durante o revenido. Devido natureza desse fenmeno -
ocorrer numa faixa de temperatura mais elevada - ele tem sido
designado de segundo estgio de fragilizao pelo revenido.
Apesar das diferenas mencionadas, em muitas situaes, as causas
que conduzem a estes dois tipos de fragilizao pelo revenido so
semelhantes. Todavia, a tendncia trat-los como fenmenos
distintos.
Sendo assim, ser abordado apenas o fenmeno de fragilizao da
martensita revenida (FMR). Alis, bem conhecido que, aos
martensticos de ultra-alta resistncia e baixa liga - tratados
termicamente para alcanarem uma combinao tima de resistncia,
ductilidade e tenacidade - so susceptveis FMR. Este tipo de
fragilizao ocorre aps a tmpera, quando a martensita revenida por um
curto perodo de tempo (1h ou 2h), a uma temperatura relativamente
baixa (< 400 C). (A temperatura de mxima fragilizao depende da
composio qumica do ao).
Embora as caractersticas da FMR sejam conhecidas h vrias dcadas
(Figura 6.2), o mecanismo que conduz fragilizao ainda no est
completamente entendido. Todavia, nos ltimos 40 anos, apesar das
controvrsias, inegveis avanos foram alcanados na compreenso do
fenmeno.
Historicamente, os indicadores caractersticos da fragilizao da
martensita revenida so: diminuio da tenacidade; aumento da
temperatura de transio dctil-frgil; ocorrncia de fratura
intergranular, como indicado na Figura 6.2. Normalmente, a FMR
determinada pelas curvas desses indicadores em funo da temperatura
de revenido. De modo que, a configurao mostrada na Figura 6.2
normalmente utilizada para caracterizar o fenmeno da FMR. Nesta
figura, o fenmeno de fragilizao, delineado pela diminuio da energia
Charpy, aparece como uma selha de energia - cuja profundidade pode
ser utilizada para conceituar o grau de fragilizao. A temperatura
de transio dctil-frgil atinge um valor mximo na mesma faixa de
temperatura em que se observa a mnima tenacidade. A diminuio da
energia Charpy e o aumento da temperatura de transio coincidem com
a predominncia do modo de fratura intergranular. A maior
porcentagem de fratura intergranular ocorre no ponto correspondente
ao mnimo da tenacidade. Alm disso, a Figura 6.3 mostra a variao do
limite de resistncia trao e da reduo de rea em funo da temperatura
de revenido, em corpos de prova com e sem entalhe, destacando tambm
a faixa de temperatura de revenido na qual ocorre a FMR.
A existncia de fratura intergranular no um fator determinante
para se decidir sobre a ocorrncia do fenmeno da FMR. Apesar de
estar tradicionalmente associada com o aumento da incidncia de
fratura intergranular, cabe observar que, estudos tm mostrado que o
micromecanismo de fratura associado com FMR nem sempre o
intergranular. Outros micromecanismos de fratura tambm podem operar
neste processo de fragilizao, tais como clivagem, quase-clivagem,
"dimples", e modo misto de fratura. Diante de tais evidncias, a
fragilizao da martensita revenida, de acordo com o caminho seguido
pela trinca, pode ser classificada em: intergranular ou
transgranular.
A caminho seguido pela trinca, intergranular ou transgranular,
depende, entre outras coisas, da localizao dos agentes
fragilizantes. Estudos recentes sobre a FMR tm sugerido que tanto a
FMR-intergranular como a transgranular, so controladas pelo
-
EM738 / Parte A / Prof. Itamar Ferreira
FEM/UNICAMP
86
escoamento plstico ou pela tenacidade intrnseca da matriz.
Existem alguns fatores que podem interferir no caminho de propagao
de uma trinca. possvel que grande parte das controvrsias sobre o
modo de fratura que opera na FMR, se deva a diferentes nveis de
influncia desses fatores.
Est bem documentado na literatura que a fratura frgil
intergranular mais propensa a ocorrer quando certos agentes
fragilizantes esto presentes nos contornos de gro. Esses agentes
fragilizantes so locais preferenciais para nucleao e propagao de
trincas. Eles podem ser considerados como trincas latentes. Assim,
o requisito fundamental para a ocorrncia de FMR-intergranular, a
presena de agentes fragilizantes nos contornos de gro. Eles
elementos fragilizantes so formados a partir de certas impurezas ou
elementos de liga.
As principais impurezas no ao que contribuem muito com a FMR so:
fsforo, antimnio, estanho e arsnio. Tais elementos normalmente esto
presentes apenas em quantidades equivalentes a traos nos aos baixa
liga, mas tais quantidades so suficientes para causar a fragilizao.
Quantidades relativamente pequenas destes elementos, da ordem de
100 ppm (0,01%) ou menos, tem mostrado causar fragilizao pelo
revenido Os aos carbono com menos de 0,5% de mangans no so
suscetveis ao fenmeno da fragilizao da martensita revenida. A
suscetibilidade a este fenmeno bastante aumentada pela presena do
cromo e do mangans. Pequenas quantidades de molibdnio e tungstnio
inibem a fragilizao; entretanto, quantidades maiores desses mesmos
elementos j influenciam negativamente, ou seja, contribuem com a
fragilizao.
Figura 6.2. Esquema mostrando a variao energia absorvida em um
ensaio Charpy, da temperatura de transio dctil-frgil (tambm
determinado em ensaios de impacto
Charpy) e da % de fratura intergranular, indicando a faixa de
fragilizao da martensita revenida (FMR).
-
EM738 / Parte A / Prof. Itamar Ferreira
FEM/UNICAMP
87
Figura 6.3. Esquema da variao do limite de resistncia trao e da
reduo de rea em funo da temperatura de revenido para aos do tipo
SAE XX40. Observa-se que entre 200 e 400 C h uma queda na reduo de
rea e no limite de resistncia trao. Dentro
dessa faixa de fragilizao o mecanismo de fratura predominante a
fratura intergranular. Fora dessa regio o mecanismo de fratura
predominante o alveolar
("dimples").
6.3. Referncias Bibliogrficas
1. J.E. Steiner, "Hydrogen in heavy forgings", Metals Progress,
ASM, Vol. 76, Nr. 1, July 1959.
2. R.W. Hertzberg, "Deformation and fracture mechanics of
engineering materials", John Wiley & Sons, 4th Edition, 1996,
pp. 460-471.
3. G.E. Dieter, "Mechanical metallurgy", SI Metric Edition,
McGraw-Hill Book Company, 1988, pp. 490-491.
4. A.S. Tetelmam, A.J. McEvily, "Fracture of structural
materials", John Wiley & Sons, 1967, pp. 450-464.
5. R.A. Oriani, "The physical and metallurgical aspects of
hydrogen in metals", in ICCF4, Fourth International Conference on
Cold Fusion, Lahaina, Maui, 1993.
6. L. Engel, H. Klingele, "An atlas of metal damage: Surface
examination by scanning electron microscope", Translated by Stewart
Murray, Wolfe Publishing Ltd, 1981, pp. 121-132.
-
EM738 / Parte A / Prof. Itamar Ferreira
FEM/UNICAMP
88
Anexo: Importncia da Microscopia Eletrnica de Varredura em
Anlise de Falhas: Aplicao em dois Casos de Fragilizao da Martensita
Revenida
Trabalho apresentado no: I Simpsio Brasileiro de Microscopia
Aplicada s Cincias Forenses(I
SBMACF), guas de Lindia, August 28-31, 2005.
THE IMPORTANCE OF SCANNING ELECTRON MICROSCOPY IN FAILURE
ANALYSIS: APPLICATION IN TWO CASES OF TEMPERED MARTENSITE
EMBRITTLEMENT.
Ferreira, I.1,*; Tokimatsu, R. C.2; Zumpano Jr., P.3; Giordani,
E. J.4 1DEMA/FEM/UNICAMP, Campinas (SP), e-mail:
[email protected]
2DEM/FEIS/UNESP, Ilha Solteira (SP)
3Petrobras/Engenharia/SL/SEQUI-SP, So Jos dos Campos (SP)
4DEMA/UFSCar, So Carlos (SP)
The main objective of a failure analysis is the determination of
the failure cause. The fundamental sources of failure include any
aspects of design, material, fabrication, and general conditions of
assembling and using of the component. The tempered martensite
embrittlement (TME) phenomenon occurs when some martensitic steels
are tempered at about 300 to 350C. As a result of that the fracture
toughness of the steels is very low and the risk of sudden fracture
of the structural component made of these steels is high. Several
steels are susceptible to this phenomenon, mainly the AISI 4340 and
AISI 5140 [1-3]. The TME represents a problem of intergranular
embrittlement due to precipitation of carbides along prior
austenite grain boundary. Segregation of impurity elements present
in the steel such as P, S, N, Sb, and Sn is essential to occurrence
of the TME. The embrittlement can occur for very low contents of
these impurities or residual elements, about 100 ppm or less [1,
3-4]. As a result of TME the fracture mechanism is normally
intergranular and that can only be determined by fractography
(fracture surface analysis) using electron microscopy;
consequently, the Scanning Electron Microscopy (SEM) is the most
important tool for determining TME. Carbon steels with less than
0.5% Mn are not susceptive to TME. The susceptibility to this
phenomenon is enhanced by the presence of Cr and Mn and low
quantities of Mo and W inhibit it; on the other hand, high
quantities of Mo and W enhanced it [1]. When the steel is
embrittled by TME it is very susceptible to environment-assisted
cracking - hydrogen embrittlement and stress corrosion cracking -
and the fatigue strength is decreased. The objective of this paper
is to present two cases of failure analysis, pointing the SEM as
the main tool for determining the causes of the failures. The first
one is studs made of AISI 4340 steel, with M24x3 screw and 230 mm
long, and the second one is bolds made of AISI 5140 steel, with M10
screw and 30 mm long. These studs and bolds failed in service.
Chemical and metallographic analyses, tensile and hardness tests,
and fractography analysis for both, studs and bolds, had been
conducted in order to determine the causes of failures. These
analyses and tests were conducted in accordance with international
standards. The fractography analysis was realized by using SEM.
The
-
EM738 / Parte A / Prof. Itamar Ferreira
FEM/UNICAMP
89
chemical compositions of the embrittled studs
(0.37C-0.61Mn-0.009S-0.019P-0.28Si-0.75Cr-1.69Ni-0.29Mo) and
embrittled bolds (0.42C-0.72Mn-0.021P-0.009S-0.22Si-0.95Cr) are in
accordance with respectively AISI 4340 and 5140 steels. The high
levels of hardness of 450HB (about 48HRC) for the embrittled studs
and 437HV (about 44HRC) for the embrittled bolds are an indication
that they could be tempered in a low temperature, near to 350C,
and, as a result of that, they are embrittled. For the embrittled
studs the yield and tensile strength and the reduction of area are
respectively 1,363MPa, 1,438MPa, and 49%. Figure 1 shows the
characteristic microstructures of the analyzed materials; both are
tempered martensite and it is not possible to conclude by this
technique that the steels are embrittled by TME. Figure 2 shows the
characteristic fracture mechanisms observed on the fracture surface
of the analyzed components. Both embrittled components show two
mechanisms of fracture: dimples (coalescence of microvoids) and
intergranular. Figure 2 (a) shows two zones on the fracture surface
of the stud: one corresponding to dimples and the other one to
intergranular fracture; there is a clear interface between them.
There is a clear difference between dimples - Figure 2 (b) - and
intergranular micromechanism - Figures 2 (c) and (d). There are
another possible fracture micromechanisms for these steels such as
cleavage and fatigue; however, they were not observed on the
fracture surface of the analyzed components. When the material is
in an appropriated metallurgical condition occurs only dimples
micromechanism and intergranular mechanism is normally an
indication of metallurgical embrittlement. The predominance of
intergranular fracture micromechanism, on the fracture surface of
the analyzed components, associated with the high levels of
hardness, is a clear indication of the TME. That was possible to
conclude only by SEM that was the main technique in determining the
cause of failure for these two cases: TME due to inappropriate
tempering of the components.
References: [1] R. C. Tokimatsu, Doctoral Thesis, Faculty of
Mechanical Engineering / UNICAMP (1995) 201-287. [2] R. C.
Tokimatsu and I. Ferreira, Acta Microscopica 4 (1995) 110-111. [3]
P. Zumpano Jr, Master of Science Dissertation, Faculty of
Mechanical Engineering / UNICAMP (2003) 13-21. [4] P. Zumpano Jr
and I. Ferreira, IMECE 2003 - ASME International Mech. Eng.
Congress (2003). Proc. in CD-ROM.
-
EM738 / Parte A / Prof. Itamar Ferreira
FEM/UNICAMP
90
(a) Stud: tempered martensite with medium grain size ASTM E 10.
Picral etching.
(b) Bold: tempered martensite with medium grain size ASTM E 9.
Nital 2% etching.
Figure 1. Transverse section characteristic microstructure of
the analyzed components. Optic microscopy.
(a) Stud: fractography showing two zones.
(b) Bold: zone of dimples.
(c) Stud: intergranular fracture micromechanism. There are a lot
of secondary cracks on the fracture
surface.
(d) Bold: intergranular fracture micromechanism. There are a lot
of secondary cracks on the fracture
surface. Figure 2. Characteristic fracture mechanisms observed
on the fracture surface of the analyzed components. SEM. Scanning
electron microscopes: (a) and (c) Jeol JXA 840A model and (b)
and (d) Jeol JSM-6360LV model.
dimples
intergranular
interfac
