Modos de Falha e Métodos de Reforço de Aços Resistentes ao Calor

I. Principais modos de falha do aço resistente ao calor

1- Oxidação e corrosão a alta temperatura

• Mecanismo:
  Em altas temperaturas, os átomos de metal reagem com elementos ativos como o oxigênio para formar filmes de óxido (por exemplo, FeO, Fe2O3).não pode impedir a invasão contínua do meio, levando a um consumo contínuo do material e eventual falha devido à redução da espessura da parede ou diminuição da resistência.
  Se houver elementos como o S e o Cl no ambiente (como gases de combustão e meios de cloreto que contenham enxofre),corrosão a altas temperaturasOs sulfuretos (FeS) ou cloretos (FeCl3) gerados têm baixos pontos de fusão e são voláteis, acelerando o processo de corrosão.
• Caso típico: Quando os tubos de superaquecimento da caldeira servem em gás de combustão que contém enxofre, uma camada mista solta de FeS e FeO se forma na superfície.

2- Falha do Creep.

• Mecanismo:
  A altas temperaturas, a capacidade de difusão dos átomos aumenta, e as deslocações dentro do material se movem lentamente, os limites dos grãos deslizam ou as cavidades crescem,resultando em deformações macroscópicas (como alongamento e protuberância)Quando a deformação excede o valor crítico (geralmente 1% a 5%), as rachaduras são iniciadas e propagam-se até à fractura.
  A característica da falha de arrastamento é que a superfície da fratura mostrafractura intergranular(os limites dos grãos são elos fracos, propensos à formação de cavidades), e a deformação é irreversível.
• Caso típico: Os parafusos das turbinas de vapor funcionam sob alta temperatura e pressão durante muito tempo, o que leva a um alongamento excessivo devido ao arrasto, o que não garante a vedação e até quebra.

3Falha de fadiga térmica

• Mecanismo:
  Durante mudanças de temperatura, a incompatibilidade dos coeficientes de expansão térmica entre o material interno ou componentes adjacentes (como conchas e tubos) leva a tensões térmicas periódicas alternadas.Quando a tensão excede o limite de fadiga do material, geram-se micro-fissuras na superfície ou em defeitos, que se expandem gradualmente para fissuras penetrantes.
  As rachaduras por fadiga térmica são principalmentereticular ou radiale expandem-se ao longo ou através dos grãos (dependendo da dureza do material).
• Caso típico: O colector de escape de um motor de combustão interna gera um grande número de rachaduras térmicas na superfície devido a arranques e paradas repetidos e a fortes flutuações de temperatura,e eventualmente quebra.

4Falha de degradação microstrutural

• Casos típicos:
  • Aço perlatico resistente ao calor (por exemplo, 12Cr1MoV): A cementita (Fe3C) na perlita esferoidiza, agrega e até se transforma em grafite sob altas temperaturas de longo prazo,levando a uma diminuição significativa da resistência.
  • Aço austenítico resistente ao calor: a fase de reforço (como a fase γ' Ni3Al) torna-se rugosa ou dissolve-se a altas temperaturas de longa duração,Perda do efeito de reforço e redução da resistência ao arrastamento.

II. Métodos de reforço do aço resistente ao calor

1. Reforço por liga (método do núcleo)

• Melhoria da resistência à oxidação:
  A adição de elementos como Cr (12%-30%), Al (2%-5%) e Si (1%-3%) para formar umfilme de óxido denso(como Cr2O3, Al2O3, SiO2) na superfície para bloquear a invasão de meios. Por exemplo, quando o teor de Cr é ≥ 12%, uma película Cr2O3 contínua pode ser formada na superfície do aço,Melhorando significativamente a resistência à oxidação.
• Melhoria da resistência a altas temperaturas (resistência ao arrasto):
  • Reforço de solução sólida: adição de W e Mo (com grandes raios atômicos, formando ligação forte com Fe) para melhorar a força de ligação entre os átomos da matriz e inibir o movimento de deslocação (por exemplo,O Mo pode aumentar a energia de ativação do rasto da matriz de ferro em mais de 30%).
  • Reforço por precipitação: adição de V, Nb, Ti, Ta, etc., para formarCarburos/nitritos estáveis a alta temperatura(como VC, NbC) com C/N, dislocações de fixação e limites de grãos, e impedindo a deformação do arrasto (por exemplo, V em 12Cr1MoV forma VC, melhorando significativamente a resistência ao arrasto).
  • Estabilização de fase: adição de Ni (8%-20%) para formar uma matriz austenítica (mais estável que a ferrita com baixo coeficiente de difusão),como o aço austenítico 310S (25%Cr-20%Ni) pode funcionar durante muito tempo acima de 1000°C.
• Melhoria do desempenho da fadiga térmica:
  Adição de Mn e Ni para reduzir o coeficiente de expansão térmica (por exemplo, a Incoloy 800H tem um coeficiente de expansão térmica 20% menor do que o aço ferrítico devido ao teor de 30% de Ni),ou adição de Cu e Nb para melhorar a dureza do material (inibição da propagação de rachaduras).

2Tratamento térmico Reforço

• Tratamento com solução + Tratamento do envelhecimento:
  Adequado para aço austenítico resistente ao calor (por exemplo, GH4169): o tratamento por solução (1000-1100°C) faz com que os elementos de liga (Nb, Ti) se dissolvam uniformemente,e o tratamento de envelhecimento (700-800°C) precipita a fase γ' (Ni3Nb) e a fase γ' (Ni3Al), melhorando significativamente a resistência ao arrasto através do reforço da precipitação.
• Normalizando + Temperando:
  Adequado para aço perlatico resistente ao calor (por exemplo, 12Cr1MoV): normalização (950-1050°C) obtém estrutura fina de perlita, e temperação (750-800°C) elimina tensão e estabiliza os carboidratos,prevenção da esferoidização da perlita sob altas temperaturas a longo prazo (a esferoidização levará a uma diminuição da resistência superior a 50%).
• Tratamento de recozimento:
  É usado para eliminar o estresse de processamento (como a zona afetada pelo calor após a soldagem), refinar grãos e evitar o início de rachaduras por fadiga térmica.

3Reforço de superfície

• Ligação de superfície:
  Aluminização e cromização (como tratamento de aluminização): Formação de uma camada enriquecida com Al2O3 ou Cr2O3 (50-200μm de espessura) na superfície do aço,que aumenta a temperatura de resistência à oxidação em 200-300°C em comparação com a matriz (por exemplo, o aço 20G aluminizado pode funcionar acima de 800°C).
• Tecnologia de revestimento:
  A utilização de revestimentos cerâmicos de alta temperatura (como Al2O3, ZrO2) ou revestimentos de compostos intermetálicos (como NiAl), preparados por deposição física de vapor (PVD) ou pulverização por plasma,que são tanto isolantes térmicos como resistentes à corrosão (a condutividade térmica do revestimento é apenas de 1/10 a 1/20 da do aço).
• Derretimento de superfície a laser:
  Aquecer e arrefecer rapidamente a superfície com um laser para formar uma camada de grãos finos ou amorfa, melhorando a dureza da superfície e a resistência ao desgaste e reduzindo a descamação da escala de óxido.

4Controle de microestruturas

• Optimização do tamanho do grão:
  Os grãos grosseiros (com pequena área de limite do grão) podem reduzir o deslizamento do limite do grão e melhorar a resistência ao arrasto (por exemplo,As lâminas de turbinas que utilizam aço austenítico de grãos grosseiros têm um aumento de 30% na vida útil)Os grãos finos podem melhorar a resistência e o desempenho em termos de fadiga térmica (os limites dos grãos impedem a propagação de rachaduras, por exemplo,tubos de trocador de calor que utilizam aço ferrítico de grãos finos têm uma extensão de 50% na vida útil da fadiga térmica).
• Projeto de estrutura duplex:
  Como o aço duplex ferrita-austenita (por exemplo, 2205), a ferrita fornece boa resistência à oxidação, a austenita fornece alta resistência,e tem resistência à corrosão e à arrastão (a faixa de temperatura aplicável é 100-150°C mais ampla do que a do aço monofásico).

Resumo