Phase transformations related to the thermomechanical processing of a 12Cr/6Ni/2Mo/0,1Ti supermartensitic stainless steel

Neste trabalho foram estudadas as modificações metalúrgicas provocadas por tratamentos térmicos e soldagem por atrito com pino não consumível SAPNC do aço inoxidável supermartensítico AISM 12Cr/6Ni/2Mo/0,1Ti. As chapas de AISM foram fornecidas após laminação a quente e recozimento, com propriedades mecânicas e microestrutura fora do estabelecido pelos requisitos técnicos de controle de qualidade de materiais usados na indústria de transporte de petróleo e gás. Foi utilizada uma metodologia experimental que se consistiu em duas frentes de estudo: 1) Uso de tratamentos térmicos para reproduzir as condições microestruturais empregadas industrialmente; 2) Desenvolvimento de parâmetros de processamento superficial e soldagem de juntas por atrito. Para reproduzir as condições microestruturais das chapas usadas em campo foram realizados diferentes revenimentos intercríticos, em patamares de 610, 625, 650, 670, 700 e 720 °C durante 2,5 horas. Para estudar a cinética de transformação de fases foi usado um simulador termomecânico Gleeble 3S50¿ acoplado a uma fonte de radiação síncrotron, na instalação XTMS pertencente ao Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). Para o desenvolvimento de parâmetros de processamento e soldagem por atrito foi utilizado um equipamento dedicado para SAPNC no Laboratório Nacional de Nanotecnologia. Os estudos foram feitos empregando uma ferramenta de compósito de nitreto de boro cúbico policristalino com matriz metálica da liga de tungstênio-rênio (25% Re) na forma de pino cônico com rosca, medindo entre 9,2 e 9,5 mm de comprimento e ombro convexo de 25 mm de diâmetro. Foram avaliadas velocidades de rotação na faixa entre 200 e 400 RPM, e velocidades de avanço entre 75 e 100 mm.min-1. Foram reproduzidas as condições de dureza e fração de fases de uma tubulação comercial de AISM, mediante revenimentos intercríticos. A melhor temperatura de revenimento intercrítico foi 610°C, pois conseguiu gerar uma matriz de martensita revenida, com presença de 15% de Foi possível obter um processamento com bom acabamento e livre de defeitos internos, usando 250 RPM e 100 mm.min-1. Para a soldagem de dois passes de juntas de chapas de 17,9 mm de espessura, a melhor combinação de parâmetros foi 300 RPM e 100 mm.min-1. Para os dois estados de fornecimento (recozido; temperado e revenido), a zona misturada consistiu de blocos martensita nova com refinamento progressivo de grão em direção à raiz dos cordões. Foram identificadas 3 zonas termicamente afetadas (ZTA) em relação às 5 que ocorrem na soldagem a arco. Não foram encontradas as ZTAs i e ii (de alta temperatura), suprimindo completamente a precipitação de ferrita delta. A ZTA iii (de austenitização completa) era totalmente constituída de martensita nova. A ZTA iv (de austenitização intercrítica) de chapas recozidas era formada por uma mistura de martensita nova e martensita revenida. A ZTA iv de chapas temperadas e revenidas apresentou uma mistura de martensita nova, martensita revenida e austenita revertida.In this research, metallurgical changes due to heat treatments and friction stir welding of a high alloyed supermartensitic stainless steel SMSS 12Cr/6Ni/2Mo/0, 1Ti were studied. SMSS plates were received after hot rolling and annealing. Mechanical properties and microstructure were out of the technical requirements established for materials quality control used in the oil and gas transportation. An experimental methodology was used to evaluate two different areas: 1) The use of heat treatments to replicate the microstructural conditions used in field applications. 2) Development of friction stir processing and welding parameters. The microstructural conditioning was conducted by using different intercritical tempering temperatures: 610, 625, 650, 670, 700 and 720 °C during 9000 seconds. To study the kinetics of phase transformation during heating, soaking and cooling, it was used a thermomechanical simulator Gleeble3S50¿, coupled to a source of synchrotron radiation, at XTMS facility belonging to the Brazilian Synchrotron Light Laboratory. The development of friction stir processing and welding parameters was conducted in dedicated equipment for FSW at the National Laboratory for Nanotechnology. A composite W-Re (matrix)/PCBN reinforced tool with 9.2 to 9.5 mm long threaded conical pin and convex threaded shoulder was used. Spindle speeds between 400 RPM and 200 RPM, and welding speeds between 100 and 75 mm.min-1, were evaluated. It was possible to replicate the hardness and phase fractions of a commercial SMSS pipe by using an intercritical tempering. The best temperature was 610 °C, since it can generate a tempered martensite matrix with 15% of reverted austenite and 2% of fresh martensite after cooling at room temperature. It was also possible to obtain a sound defect-free processing using 250 rpm and 100 mm.min-1. To perform a two passes welding joint of 17.9 mm thickness, the best combination of parameters to obtain good surface quality and minimal amount of internal defects was 300 RPM and 100 mm.min-1. For the two microstructural conditions evaluated (hot rolled and annealed; and quenched and tempered), the nugget zone consisted of blocks of fresh martensite with progressive grain refinement toward the root of the welded passes. Three heat affected zones HAZ, were identified, regarding the five reported by arc welding. The HAZ i and ii (high temperature) were not found, completely suppressing the delta ferrite precipitation. The HAZ iii (fully austenitized) consisted of fresh martensite. The HAZ iv (partially austenitized) of hot-rolled and annealed plates consisted of a mixture of fresh martensite and tempered martensite. The HAZ iv of quenched and tempered plates consisted of a mixture of fresh martensite, tempered martensite and reverted austenite