Influence of the presence of the brittle phases and of the temperature on the fatigue crack propagation properties of the duplex stainless steel UNS S31803

Orientador: Itamar FrancoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecanicaResumo: Os aços inoxidáveis duplex (¿duplex stainless steels ¿ DSS¿) fazem parte de uma classe de materiais com microestrutura composta por duas fases, normalmente a ferrita e a austenita, com frações volumétricas aproximadamente iguais. Estes materiais se caracterizam por apresentarem excepcional combinação de propriedades mecânicas, aliada a uma excelente resistência à corrosão sob condições críticas de trabalho, o que os torna uma alternativa disponível aos aços inoxidáveis austeníticos. Por esse motivo, os aços inoxidáveis duplex possuem um vasto campo de aplicações; no entanto, no que pese a versatilidade desses aços, proporcionada pela interessante combinação de elevadas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão, eles são menos apropriados que os austeníticos para aplicações acima de +250ºC, devido à precipitação de fases frágeis, e abaixo de ¿50ºC, em virtude da fragilidade associada à fase ferrita. Em vista dessas limitações, o presente trabalho pretende estudar o comportamento do aço inoxidável duplex SAF 2205 (UNS S31803), no que se refere à taxa de propagação de trinca por fadiga e mecanismos de fratura na propagação de trinca por fadiga, quando submetido a diferentes temperaturas e a variação na sua microestrutura pela precipitação de fases frágeis, proporcionando, dessa forma, a análise da influência desses dois fatores limitantes do uso do material em termos de propriedades mecânicas. Foram realizados ensaios de propagação de trinca por fadiga em três temperaturas (ambiente, ¿20º e ¿50°C), com o material solubilizado e em quatro outras condições microestruturais com crescentes frações de fases precipitadas, principalmente Sigma e Chi. A fração volumétrica dessas fases foi obtida por meio de tratamentos isotérmicos a 850ºC nos tempos de 5, 20, 35 e 100 minutos, tendo os seus valores variados entre 0,7% e 8,6%. Para a caracterização microestrutural do material foram utilizadas as técnicas de microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. Com relação à resistência à propagação de trinca por fadiga, observou-se um aumento para valores iniciais de _K em todas as condições estudadas; todavia, a inclinação da curva, medida por meio do parâmetro m da equação de Paris-Erdogan, aumentou com a elevação da fração volumétrica das fases precipitadas de tal forma que, na condição mais extrema, correspondente ao valor médio de 8,6% dessas fases, a taxa de propagação de trinca nos pontos finais da condição de validade do ensaio atingiu um valor superior em cerca de três vezes ao da condição não tratada, considerando valores próximos de _K. A temperatura, por sua vez, influenciou no sentido de também diminuir a taxa de propagação de trinca, principalmente na temperatura de ¿50°C, e aumentar a inclinação das curvas, proporcionando valores nas taxas de propagação aproximadamente iguais nos pontos finais de validade dos ensaios. Em relação aos mecanismos de fratura observou-se a fratura tipo alveolar, com tendência para aparência de clivagem pelo aumento da quantidade de fases frágeis, não tendo sido observadas modificações consideráveis no aspecto das superfícies de fratura dos corpos de prova ensaiados em temperaturas negativas nos níveis em que foram adotadas neste trabalhoAbstract: Duplex stainless steels (DSS) are part of a materials class with microstructure composed by two phases, usually ferrite and austenite, which are present in approximately equal volume fractions. These materials are characterized by an exceptional combination of mechanical properties and an excellent corrosion resistance under critical conditions of work, that make them an available alternative to the austenitic stainless steels. For that reason, the duplex stainless steels have a wide field of applications; however, despite their versatile's nature, provided by the interesting combination of high mechanical properties and corrosion resistance, they are less appropriate than the austenitics for applications above +250ºC, due to precipitation of brittle phases, and below ¿50ºC, due to fragility associated to the ferrite phase. Because of those limitations, the present work purposes to study the behavior of the duplex stainless steel SAF 2205 (UNS S31803), concerning to the fatigue crack propagation rate and fracture mechanisms in the fatigue crack propagation when submitted to different temperatures and the variation in its microstructure, for the precipitation of brittle phases, providing, in that way, the analysis of the influence of those two factors that restrict the use of the material in terms of mechanical properties. Fatigue crack propagation tests were conduzed at three temperatures (+24°C, ¿20°C and ¿50°C), and under five material conditions (annealed and four microstructures with an increasing fraction of precipitate phases, mainly Sigma and Chi). The volume fraction of those phases was obtained from isothermal heat treatments for 850ºC in the times of 5, 20, 35 and 100 minutes, having its values varied between 0.7% and 8.6%. The microstructural characterization was obtained by using optical and scanning electron microscopies. In regard to the fatigue crack propagation resistance, was observed an increase for initial values of _K in all the studied conditions. On the other hand, the slope of the curve, measure by means of the parameter m of the Paris-Erdogan equation, it increased with the elevation of the volume fraction of the precipitated phases, in such a way that, in the most extreme condition, corresponding to the medium value of 8.6% of those phases, the fatigue crack propagation rate in the final points of the condition of validity of the tests reached a value in about three times higher them the non treated condition, considering values of _K approximately the same. In its turn, the temperature decreased the crack propagation rate, mainly in the temperature of ¿50°C, and increased the slope of the curves, providing approximately the same value in the propagation's rates in the final points of validity of the tests. The fracture mechanism alveolar with trend for appearande cleavage was observed with increasing the fraction of brittle phases. The aspect of the fracture surfaces didn't present considerable modifications with the decrease of the test temperature at the levels in that were adopted in this workDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia Mecânic