O efeito da temperatura do tratamento térmico na estrutura e nas propriedades dos tubos de liga Inconel 625 formados a frio – fornecendo soluções de tubulação

Os efeitos da temperatura do tratamento térmico na estrutura, propriedades mecânicas e propriedades de corrosão dos tubos da liga Inconel 625 foram estudados por análise metalográfica, ensaio de tração, ensaio de dureza e ensaio de corrosão com ácido nítrico.

A liga Inconel 625 é uma liga multielementar com uma estrutura cúbica de face centrada que apresenta boa resistência à corrosão em muitos meios e meios mistos. Ele também possui excelente resistência à corrosão por pite, corrosão em frestas, corrosão intergranular e fissuração por corrosão sob tensão em meios de cloreto. O material também é altamente processável e soldável e é usado em muitos setores, como aeroespacial, naval, químico, petroquímico e nuclear. Atualmente, a liga Inconel 625 tem sido amplamente pesquisada; Liu Shuang et al. estudou a organização de lingotes da liga Inconel 625 e sua mudança de organização durante o processo de aquecimento; Os resultados mostram que a segregação no material é menor a 1185 °C e a organização é mais uniforme. Liu et al. investigou a temperatura da solução sólida de 1050 ° C e acima. À medida que a temperatura e o tempo de permanência aumentaram, o tamanho do grão das folhas de liga Inconel 625 teve um impacto significativo no tamanho do grão. O rápido aumento no tempo de espera no tamanho do grão não é óbvio. A pesquisa de Zhao Di mostra que o teor de carbono e a temperatura do tratamento térmico têm maior influência na qualidade dos lingotes extrudados da liga Inconel 625.
Embora os cientistas já tenham realizado muitas pesquisas sobre a liga Inconel 625, poucos investigam sistematicamente os efeitos da temperatura do tratamento térmico na deformação a frio da liga Inconel 625, suas propriedades mecânicas e sua resistência à corrosão intergranular. Como a resistência à corrosão e as propriedades mecânicas dos tubos de liga Inconel 625 são relativamente boas, eles são amplamente utilizados como material trocador de calor de alta pressão em refinarias de petróleo. E a influência da temperatura do tratamento térmico nas propriedades mecânicas e na resistência à corrosão intergranular dos tubos em peças sensíveis precisa ser estudada detalhadamente. Portanto, este trabalho investiga os efeitos da temperatura de tratamento térmico da liga Inconel 625 laminada a frio na estrutura, propriedades mecânicas e resistência à corrosão intergranular de tubos de aço.

1. Materiais e métodos de teste

O material de teste é um tubo laminado a frio feito de liga Inconel 625, especificação 89 mm × 5,5 mm (deformação 52,13%); sua composição química está listada na Tabela 1. Várias amostras retangulares medindo 150 mm × 25 mm × 5,5 mm, 40 mm × 25 mm × 5,5 mm e 20 mm × 10 mm × 5,5 mm são cortadas ao longo da direção de laminação. O tratamento térmico foi realizado em forno mufla nas temperaturas de 960, 1000, 1040, 1080, 1120 e 1160 °C com tempo de espera de 15 minutos e resfriamento por resfriamento a água. Após o tratamento térmico, uma solução de lavagem ácida de ácido fluorídrico e ácido nítrico na proporção de volume de 1:6 foi utilizada para remover a incrustação de óxido na superfície das amostras. A amostra foi então lixada e limpa ultrassônicamente por 10 minutos para remover contaminantes e solução de polimento. A corrosão superficial foi realizada com uma mistura de ácido clorídrico e solução de álcool por 1–3 minutos. Um microscópio óptico (MO) foi utilizado para observar a organização da amostra em diferentes temperaturas de tratamento térmico e fases de precipitação e para analisar o efeito de diferentes temperaturas nas fases de organização e precipitação. Usando o testador de dureza Rockwell TH150, para cada tratamento de dureza da amostra, cada amostra atingiu 5 pontos, cuja média foi calculada para estudar o efeito de diferentes temperaturas de tratamento térmico na dureza do material. O teste de tração foi realizado em uma máquina de teste de tração à temperatura ambiente ZWICK para determinar a resistência à tração e o alongamento e para investigar a relação entre as diferentes temperaturas de tratamento térmico e as propriedades de tração do material. O método ASTM A262C foi selecionado para o teste de corrosão intergranular. O meio de corrosão é uma solução de ácido nítrico a 65%, a temperatura de teste é de 80 °C, o ciclo de teste inclui 5 ciclos (120 horas no total). Pegue o valor médio para analisar o efeito de diferentes temperaturas de tratamento térmico na taxa de corrosão da amostra. Resultados abrangentes dos testes acima: A temperatura ideal de tratamento térmico para trabalho a frio de tubos de liga Inconel 625.

2. Resultados dos testes e discussão

2.1 Análise organizacional

A Figura 1 mostra a microestrutura da liga Inconel 625 em diferentes temperaturas. Após 15 minutos a 960 °C, a estrutura consiste basicamente em cristais isométricos finos com tamanho médio de grão de 43,1 μm. Existem muitas fases finas de precipitação na matriz, veja a Figura 1 (a). À medida que a temperatura do tratamento térmico aumenta, os grãos engolem uns aos outros, os limites dos grãos começam a se mover e os grãos começam a crescer. O número de fases de precipitação na matriz diminui gradualmente com o aumento da temperatura, mas o tamanho de algumas fases de precipitação tende a aumentar. A uma temperatura de 1040 °C, as fases de precipitação aumentam significativamente, ver Figura 1(c). A 1080 °C, o tamanho médio do grão é de 69,1 μm e o tamanho das fases de precipitação também diminui significativamente, ver Figura 1 (d). Em temperaturas acima de 1080°C o grão cresce rapidamente. A 1120 °C o tamanho médio do grão é de 95,2 μm e a 1160 °C é de 107,5 μm. Devido à deformação a frio da base da liga e à existência de uma grande quantidade de energia residual no corpo da liga, o crescimento do grão parece desacelerar após um crescimento lento e depois rápido. Após o trabalho a frio, há uma grande quantidade de energia residual e deslocamentos na matriz da liga. Quando a matriz é aquecida, parte da energia residual é liberada e onde há discordâncias, a recristalização pode ocorrer facilmente. Como existem fases de precipitação e limites fixos de grãos na matriz, o crescimento dos grãos é limitado, de modo que o crescimento dos grãos não é óbvio no início do tratamento térmico. Se a temperatura continuar a subir, por um lado, a energia residual na matriz pode ser completamente libertada, a atividade atómica aumenta e o fenómeno de difusão torna-se mais intenso. Por outro lado, a fase de precipitação dentro da matriz também é dissolvida e o efeito de fixação no contorno do grão é reduzido. Esses dois fatores juntos fazem com que a porção de alta temperatura do grão cresça rapidamente.

Figura 1 Microestrutura da liga Inconel 625 em diferentes temperaturas de aquecimento
(a) 960°C; (b) 1000°C; (c) 1040°C; (d) 1080°C; (e) 1120°C; (f) 1160°C
Tabela 1 Composição química da liga Inconel 625 (fração de massa, %)

Como a temperatura tem grande influência no tamanho do grão da liga Inconel 625, o processo de crescimento do grão pode ser descrito pela fórmula de Arrhenius, que é.

D² -D₀² = A.exp(-Q/RT) (1)

Na fórmula.

• D é o tamanho médio do grão a uma determinada temperatura, μm;
• D₀ é o tamanho original do grão, μm;
• A é um fator pré-exponencial;
• Q é a energia de ativação do crescimento dos grãos em kJ/mol;
• R é a constante do gás R = 8,314 J/(mol.K);
• T é a temperatura do tratamento térmico, K.

Como o grão inicial é muito pequeno, D₀²≤D²torna-se a equação.

InD =InA' – Q/2RT (2)

O recíproco da temperatura 10000/T e o logaritmo do tamanho de grão lnD são registrados e ajustados linearmente. Os resultados do ajuste entre o recíproco de diferentes temperaturas e o logaritmo do tamanho de grão para preservação de calor de 15 minutos são mostrados na Figura 2. Como pode ser visto na Fig. 2, R_b²=0,9542, são próximos de 1, o grau de adaptação é alto. A equação de ajuste para a curva B na Figura 2 é:

InD =10,72 – 8670/T (3)

De acordo com a equação (2) e a equação (3), a energia de ativação do crescimento de grãos da liga Inconel 625 a 960-1160°C por 15 min é calculada como sendo Q = 144,14 kJ/mol. Por um lado, à medida que a temperatura aumenta, os átomos difundem-se violentamente e os grãos crescem rapidamente; por outro lado, algumas fases precipitadas não dissolvidas dissolvem-se essencialmente de volta na matriz, o que reduz a resistência da difusão atômica, enfraquece o efeito de fixação nos limites dos grãos e acelera o crescimento dos grãos.

Figura 2: Liga Inconel 625 na curva de relacionamento D-10000/T

2.2 Análise de propriedades mecânicas

Conforme mostrado na Figura 3 (a), a resistência à tração da liga Inconel 625 diminui gradualmente com o aumento da temperatura e a taxa de diminuição aumenta. A temperatura do tratamento térmico está entre 960 e 1080 °C, e a resistência à tração da liga diminui de 803 MPa para 792 MPa; a temperatura de aquecimento está entre 1.080 e 1.160 °C, e sua resistência à tração diminui de 792 MPa para 780 MPa. A liga Inconel 625 trabalhada a frio contém um grande número de discordâncias e energia de deformação, que formam novos cristais equiaxiais menores quando aquecida. Esses cristais equiaxiais recém-formados são propensos à nucleação e ao crescimento em posições defeituosas, o que é completado pelo consumo de energia de deformação e deslocamentos na matriz. No início do tratamento térmico, o tamanho do grão formado é relativamente pequeno e a resistência da liga diminui lentamente. Com o aumento contínuo da temperatura do tratamento térmico, novos cristais equiaxiais são formados e os novos cristais equiaxiais previamente formados crescem. Este processo consome uma grande quantidade de energia de deformação e deslocamentos, reduz a densidade de deslocamentos, aumenta o tamanho do grão e reduz significativamente a resistência à tração da liga. Pode-se observar na Figura 3 (b) que à medida que a temperatura aumenta, a dureza da liga diminui gradualmente e o alongamento aumenta. As duas curvas se cruzam em 1080 °C. Isto se deve ao alto teor de discordâncias e ao efeito de fixação dos precipitados na liga Inconel 625 após laminação a frio. Durante o processo de tratamento térmico, por um lado, as discordâncias começam a se mover, as deformações podem ser liberadas e a liga completa a recristalização e o crescimento, enfraquecendo o efeito de fortalecimento dos grãos finos. Por outro lado, a solubilidade dos elementos de liga na matriz aumenta, os átomos se difundem violentamente e uma grande quantidade de precipitados se dissolve, resultando na diminuição da dureza e no aumento da plasticidade da liga. Quando a temperatura do tratamento térmico está entre 960 e 1080 °C, a dureza da liga diminui de 178 HBW para 173,5 HBW à medida que a temperatura do tratamento térmico aumenta. O alongamento da liga mostra uma tendência gradual de aumento, atingindo 64,3% a 960 °C e 67,4% a 1080 °C. Quando a temperatura está entre 1.040 e 1.080 °C, o valor da dureza e o alongamento permanecem essencialmente inalterados, indicando que as propriedades mecânicas da liga são relativamente estáveis ​​neste momento. À medida que a temperatura do tratamento térmico continua a aumentar, a dureza da liga diminui significativamente e atinge um valor de dureza de 169 HBW a 1160 °C, mas o alongamento da liga continua a aumentar.

Figura 3: Influência da temperatura do tratamento térmico nas propriedades mecânicas da liga Inconel 625
Registre o tamanho médio de grão da liga Inconel 625 em diferentes temperaturas de tratamento térmico com valores de resistência à tração e dureza, e realize o ajuste linear para obter a relação entre a resistência à tração, dureza e a raiz quadrada recíproca do tamanho médio de grão, conforme mostrado na Figura 4. Esta relação linear corresponde essencialmente à relação Hall-Petch. A temperatura do tratamento térmico afeta a microestrutura e as propriedades mecânicas do aço, pois à medida que a temperatura do tratamento térmico aumenta, a resistência e a dureza do aço diminuem enquanto o tamanho do grão e a plasticidade aumentam. Com base neste experimento, pode-se observar que a liga Inconel 625 apresenta grande quantidade de precipitados após o trabalho a frio, que se redissolve a uma temperatura de 1080 °C. O tamanho do grão cresce rapidamente e a resistência à tração e a dureza diminuem à medida que o alongamento aumenta. Além disso, a uma temperatura de cerca de 1080 °C, existe uma intersecção entre o valor da dureza e o alongamento. Neste momento, as propriedades mecânicas abrangentes do aço são boas.

2.3 Análise da morfologia da fratura

A Figura 5 mostra a morfologia da fratura por tração da liga Inconel 625 a uma temperatura de tratamento térmico de 960–1160 °C. Na Figura 5 (a), pode-se observar que a uma temperatura de tratamento térmico de 960 °C, a morfologia de fratura da liga consiste em superfícies mais desconstruídas e um pequeno número de pequenos ninhos resistentes. Isto se deve à presença de um grande número de discordâncias, fases de precipitação e energia de deformação na liga após o trabalho a frio. A energia de distorção na matriz não é totalmente liberada no início do aumento da temperatura, a redução do deslocamento é pequena e a resistência da matriz é relativamente alta. Portanto, a morfologia geral da fratura mostra uma fratura desdobrada. À medida que a temperatura aumenta, a energia de deformação dentro da matriz é totalmente liberada, o grão cresce, os deslocamentos são consumidos e a fase precipitada se dissolve gradualmente novamente. A tenacidade da liga é significativamente melhorada. A Figura 5 (b, c) mostra a morfologia da fratura após tratamento térmico a 1000 °C e 1040 °C, respectivamente. Pode-se observar que o número de cavidades resistentes no local da fratura aumenta e a superfície deteriorada diminui, indicando uma fratura quase desintegrada. Observando a morfologia da fratura a 1080 °C, pode-se observar que existem muitos ninhos resistentes no local da fratura e praticamente nenhuma superfície deteriorada pode ser vista, o que é uma fratura por tenacidade típica, conforme mostrado na Figura 5 (d). Pode-se observar na Figura 5 (e, f) que existem muitos bolsões de tenacidade mais profundos e uniformemente distribuídos no local da fratura, o que obviamente indica fratura dúctil, que se deve à formação de vazios na organização interna causada pela força externa aplicada à liga. À medida que a temperatura aumenta, a fase de precipitação se dissolve novamente, o efeito de deslizamento da matriz aumenta e as cavidades formadas tornam-se gradualmente maiores, o que pode estar relacionado à fusão de cavidades vizinhas para formar um ninho maior e resistente. À medida que a temperatura do tratamento térmico aumenta, a morfologia da fratura também muda; a fratura desdobrada gradualmente se desenvolve em uma fratura por tenacidade, melhorando assim a plasticidade do material.

Figura 4 Tamanho médio de grão da liga Inconel 625 comparado à resistência (a) e dureza (b)

2.4 Análise das propriedades de corrosão intergranular

As taxas de corrosão intergranular da liga Inconel 625 após manutenção em diferentes temperaturas de tratamento térmico por 15 minutos são mostradas na Tabela 2 e na Figura 6. Pode-se observar que a taxa de corrosão intergranular da liga Inconel 625 diminui com o aumento da temperatura do tratamento térmico e então permanece estável, e a taxa de corrosão basicamente se estabiliza em uma determinada faixa quando a temperatura atinge 1080°C ou mais. O desempenho de corrosão da liga Inconel 625 é afetado principalmente pelo efeito da precipitação de carboneto. Por um lado, a precipitação de carboneto de nióbio aumenta, a precipitação de carboneto de cromo no limite do grão é reduzida, uma zona pobre em cromo não é formada no limite do grão e a resistência da matriz à corrosão intergranular é melhorada; por outro lado, com o aumento da temperatura, a fase de precipitação da matriz diminui, o fenômeno pobre em cromo é enfraquecido e a resistência da liga à corrosão intergranular é melhorada. A deformação a frio da liga começa com o aquecimento; O conteúdo da fase precipitada no corpo base é maior, portanto a taxa de corrosão é relativamente alta. À medida que a temperatura aumenta, a fase precipitada diminui gradualmente e a taxa de corrosão da liga também diminui gradualmente. À medida que a temperatura aumenta para 1.040 °C, o conteúdo da fase precipitada diminui, mas seu tamanho aumenta, de modo que a mudança na taxa de corrosão em relação à marca de 1.000 °C não é óbvia. Quando a temperatura aumenta para 1080 °C, a fase precipitada na matriz é essencialmente dissolvida completamente. Neste momento, a taxa de corrosão da matriz chega a 0,036 mm/mês. Com o aumento contínuo da temperatura do tratamento térmico, os precipitados na matriz não mudam significativamente e não há diferença significativa na taxa de corrosão.

Figura 5: Morfologia da fratura por tração da liga Inconel 625 em diferentes temperaturas de tratamento térmico
(a) 960°C; (b) 1000°C; (c) 1040°C; (d) 1080°C; (e) 1120°C; (f) 1160°C
Tabela 2: Taxa de corrosão intergranular da liga Inconel 625 (mm/mês)

Análise abrangente da temperatura do tratamento térmico na organização, propriedades mecânicas e resistência à corrosão da liga Inconel 625: Com a temperatura do tratamento térmico, por um lado, a resistência e a dureza da liga Inconel 625 diminuem gradualmente, enquanto o tamanho do grão e a plasticidade aumentam significativamente ; por outro lado, a resistência da liga à corrosão intergranular diminui gradualmente através do tratamento térmico e finalmente estabiliza em uma determinada faixa. Pode-se observar que o tratamento térmico pode efetivamente melhorar o desempenho geral da liga Inconel 625. A uma temperatura de tratamento térmico de 1160 °C, embora o alongamento e a resistência à corrosão da liga sejam ótimos, o tamanho do grão grosso, a resistência e a dureza são baixos. Quando tratado termicamente a 1080°C, a resistência à corrosão intergranular e o alongamento são ligeiramente piores do que aqueles a 1160°C, mas a resistência e a dureza são mais apropriadas. Portanto, a temperatura ideal de tratamento térmico para ligas Inconel 625 trabalhadas a frio é 1080°C, sob a condição de que a temperatura seja mantida por 15 minutos.

Fig. 6 Influência da temperatura do tratamento térmico na taxa de corrosão da liga Inconel 625

3. Conclusão

• 1) 52,13% do tubo de liga Inconel 625 é trabalhado a frio a 960-1160°C por 15 minutos. A organização é essencialmente em cristais isométricos. A taxa de crescimento dos grãos é lenta no início e depois rápida. A uma temperatura de 1080 °C, o grão cresce rapidamente; a energia de ativação para o crescimento é de 144,14 kJ/mol;
• 2) A resistência à tração e a dureza dos tubos de liga Inconel 625 aumentam e diminuem com a temperatura do tratamento térmico. Na faixa de temperatura de 960 a 1160 °C, a resistência à tração, a dureza e o tamanho do grão atendem à equação de Hall-Pecth. A uma temperatura de cerca de 1080 °C, a dureza e o alongamento se cruzam e as propriedades mecânicas são ótimas. À medida que a temperatura aumenta, o modo de fratura do tubo de liga Inconel 625 muda de fratura por desdobramento para fratura por tenacidade.
• 3) A taxa de corrosão intergranular dos tubos de liga Inconel 625 mostra uma tendência decrescente inicialmente e depois se estabiliza com o aumento da temperatura. A taxa de corrosão é estável quando a temperatura atinge 1080°C e acima, para garantir que o tubo de liga Inconel 625 tenha excelentes propriedades mecânicas e boa resistência à corrosão intergranular, para alcançar o processo de tratamento térmico ideal para isolamento a 1080°C (15 minutos ) para determinar.