Comportamento das fases martensita e austenita em aços inoxidáveis martensítico CA6NM e austenítico 304 na transição entre incubação e aceleração sob esforços de cavitação

Abstract

Resumo: Este trabalho visou determinar como o comportamento das fases martensita e austenita sob esforços de cavitação influenciam a transição entre os estágios de incubação e aceleração de aços inoxidáveis martensíticos e austeníticos. Neste estudo, especial atenção foi dada ao aço inoxidável martensítico ASTM CA6NM, que apresenta austenita revertida dispersa na sua microestrutura, após revenimento, com larga aplicação na fabricação de rotores de turbinas hidráulicas; e ao aço inoxidável austenítico AISI/ABNT 304, supostamente apresentando apenas austenita (estável) na sua microestrutura após solubilização, também com larga aplicação na fabricação de componentes de máquinas hidráulicas submetidos à esforços de cavitação. Para tanto, amostras destes aços foram submetidas a tratamentos térmicos específicos, no caso têmpera e revenimento, para o aço CA6NM, assim como solubilização, para o aço 304. Quando propício para este estudo, condições iniciais de microestruturas totalmente martensíticas (chamada "comotemperada", apenas) foram comparadas com aquelas obtidas para a condição temperada e revenida (chamada "como-revenida"). Para estabelecer o comportamento destas diferentes microestruturas/fases, quando submetidas a esforços de cavitação, assim como também estabelecer o papel dessas fases no processo de cavitação dos aços estudados, parâmetros tais como períodos de incubação, aceleração e de máxima taxa de erosão foram determinados a partir de amostras ensaiadas de acordo com a norma ASTM G32- 10. A evolução das fases sob esforços de cavitação foi acompanhada pelas técnicas de difratometria de raios-X (DRX) e medição de microdureza Vickers (HV), as quais foram realizadas de maneira intercalada, comparativamente dentro e fora da área cavitada, em função do tempo de ensaio e da profundidade na qual a transformação de fase (austenita?martensita) induzida por deformação ocorreu na microestrutura dos aços aqui estudados. Análises via técnica de microscopia ótica (MO) foram realizadas para revelar a microestrutura dos aços após tratamentos térmicos terem sido efetuados, e também, análises de microscopia eletrônica de varredura (MEV) das superfícies erodidas com o aumento do tempo de teste foram executados para determinar os mecanismos de desgaste. Os resultados obtidos demonstram que o período de incubação (PI) do aço inoxidável martensítico CA6NM temperado e revenido é subdividido em duas partes: i) PI I, período relacionado principalmente ao processo de transformação induzida por deformação da austenita revertida para martensita (?REV??'); e ii) PI II, período principalmente relacionado à deformação da matriz martensítica (?'), quando então, somente após vencidas estas duas etapas, verifica-se de modo efetivo a transição entre a incubação e a aceleração. Por outro lado, para o aço inoxidável austenítico 304, o período de incubação é diretamente relacionado ao processo de transformação induzida por deformação da austenita para martensita (???'), de modo que a perda de massa efetiva (ou sua transição entre incubação e aceleração) é somente iniciada quando o material perde toda a sua capacidade de absorver a energia das ondas de choque/microjatos da cavitação, a partir da ocorrência da referida transformação de fase. Por fim, foi possível também concluir que o processo de transformação de fase (austenita?martensita), induzida por deformação a partir de esforços da cavitação, tem um papel fundamental na resistência à erosão por cavitação dos aços inoxidáveis CA6NM e 304, a partir da capacidade de tal transformação em aborver, em grande parte ou mesmo em sua totalidade, a energia externa transferida à superfície pelos esforços de cavitação, retardando-se, assim, o início da erosão, conforme aqui constatado.

Abstract: This work focused determining how the behavior presented by the martensite and austenite phases under cavitation efforts influences the transition from incubation to acceleration stage of martensitic and austenitic stainless steels. In this study, special attention was given to the ASTM CA6NM martensitic stainless steel, which presents reversed austenite dispersed in its microstructure after tempering, with wide application in the manufacturing of hydraulic turbine rotors; and to the AISI/ABNT 304 austenitic stainless steel, supposedly presenting only austenite (stable) in its microstructure, after solubilization, also with wide application in the manufacturing of hydraulic machine components subjected to cavitation efforts. For this purpose, samples of these steels were subjected to specific heat treatments, in the case of quenching and tempering for CA6NM steel, as well as solubilization for the 304 steel. When suitable for this study, initial conditions of totally martensitic microstructures (called "as-quenched", only) were compared with those obtained for the quenched and tempered condition (called "astempered"). In order to establish the behavior of these different microstructures/phases when submitted to cavitation efforts as well as to establish the role of these phases in the cavitation process of the studied steels, parameters such as incubation period, acceleration period and maximum erosion rate were determined from samples tested according to the ASTM G32-10 standard. The evolution of the phases under cavitation efforts was monitored by X ray diffractometry (XRD) and Vickers microhardness measurement (HV) techniques, which were carried out in a interspersed manner, comparatively inside and outside the cavitated area, depending on the testing time and the depth limit in which the strain-induced phase transformation (austenite?martensite) occurred in the microstructure of the steels studied here. Analyses via optical microscopy (OM) technique were performed with the aim of revealing the microstructure of the steels after the heat treatments, and also, scanning electron microscopy (SEM) analyses of the eroded surfaces with the increase of the testing time were carried out to determine the wear mechanisms. Results obtained show that the incubation period (IP) of the quenched and tempered CA6NM martensitic stainless steel is subdivided in two parts: i) IP I, a period mainly related to the process in which occurs strain-induced transformation of the reversed austenite to martensite (?REV??'); and ii) IP II, a period mainly related to the deformation of the martensitic matrix (?'), when then only after these two stages have been completed the transition from incubation to acceleration can be effectively verified. On the other hand, for the 304 austenitic stainless steel, the incubation period is directly related to the transformation (strain-induced) from austenite to martensite (???'), so that the effective mass loss (or the transition from incubation to acceleration) is only initiated when the material's ability to absorb the energy of the shock waves/microjets of the cavitation is completely lost, from the occurrence of the referred phase transformation. Finally, it was also possible to conclude that the phase transformation process (austenite?martensite), strain-induced from cavitation efforts, has a fundamental role in the cavitation erosion resistance of the CA6NM and 304 stainless steels, based on the capacity of such transformation to absorb, in large amount or even in its totality, the external energy transferred to the surface by the cavitation efforts, thus retarding the erosion beginning, as verified here.