Fase Sigma (σ)

A corrosão é um problema preocupante nas instalações de processamento de petróleo ao redor do mundo. Atuar na metalurgia dos materiais empregados na construção de equipamentos, através da adequação das ligas, é uma solução interessante. Neste contexto, os aços inoxidáveis com alta resistência à corrosão por pites e, mais especificamente, os aços com teor de molibdênio superior a 2,5% são mais adequados em um ambiente que envolva ácidos inerentes ao processo de refinamento de petróleo.

Podemos citar como exemplo  o AISI 317L (Aço Inoxidável Austenítico ao Molibdênio) com

 0,03% de C, 2% de Mn, 0,75 % de Si, 18 a 20% de Cr, 11 a 15% de  Ni e 3 a 4% de Mo (valores segundo a norma ASTM A240 /240M)

Micrografia da ZAC do aço AISI 316L

mostrando a presença de fase sigma.

Ataque químico com o regente Marble.

Entretanto, a “proteção” promovida pelo molibdênio nos aços inoxidáveis, o seu uso  na indústria esbarra em problemas de ordem metalúrgica, como por exemplo, a formação de uma quantidade considerável de ferrita-σ em condições de fabricação, principalmente durante a soldagem. A própria ferrita-σ pode ter um efeito negativo nas propriedades dos aços inoxidáveis austenítico, como é o caso para resistência a corrosão. Ainda mais grave é a sua composição para as fases intermetálicas frágeis, sendo a fase sigma a de maior preocupação.

Por isso, estudar a cinética da precipitação da fase-σ (Fe-Cr e Fe-Cr-Ni )e sua influência nas propriedades dos aços austeníticos, em todos os seus aspectos, é de particular interesse no projeto e análise de integridade  na operação de equipamentos na indústria de petróleo.

Morfologia do trincamento na Zona Afetada pelo Calor (ZAC) 

de uma solda de aço AISI 347. A trinca é intergranular e 

segue através de uma fina redede fase sigma(σ).

A fase sigma (σ ) é um composto com estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (TCC) com 30 átomos por célula unitária. É uma fase rica em elementos estabilizadores de ferrita (basicamente CR, Mo e Si), fazendo com que a formação da mesma nos aços com ferrita σ se dê basicamente a partir da ferrita. Além disso, a difusão de elementos formadores de fase-σ, particularmente cromo (Cr), é 100 vezes mais rápida na ferrita que na austenita, fato esse que acelera sua formação. A precipitação dessa fase se inicia nos contornos de grão ou nas regiões de interface e é intensificada pela exposição à temperaturas da ordem de 700 a 900°C (alguns autores sugerem acima de 540°C). Adições de tungstênio, vanádio, titânio e nióbio também promovem a formação da fase- σ. Sua formação nos aços inoxidáveis austenítico ocorre com o comprometimento da resistência à corrosão devido ao empobrecimento do Cr e do Mo presente ao redor da fase-σ  formada na matriz. Quando precipitada no aço, a fase-σ compromete sua tenacidade e ductilidade (fragilidade a baixa temperatura < 270^oC), resultando em falhas frágeis nos equipamentos muitas vezes em operação. Ela se apresenta ao longo do contorno de grãos em forma de precipitado rendilhado contínuo, duro e quebradiço.

Micrografia do aço UNS N08637 mostrando a formação de bandade precipitação de fase (σ)
 formada no resfriamento do material a partir da solidificação.

Os materiais mais afetados são os aços inoxidáveis com teor de Cr > 15%, e  Ni < 35% e com adição de Mo, um ferritizante,  aumenta a susceptibilidade. O AISI 304 é praticamente imune a fase sigma já que não possui Mo e o teor de Ni é baixo.

A detecção do dano é difícil já que sua morfologia somente é percebida com a formação de micro precipitados (fase sigma). Em casos extremos e em um estágio avançado, surgem trincas próximas as soldas e em regiões tensionadas.

A melhor forma de prevenir a fase sigma é trabalhar abaixo do limite de temperatura, controlar a % de ferrita (<4%) durante soldagem. Pode ser solubilizado através de tratamento térmico em 1070 ^oC a 4 horas.

O monitoramento pode ser feita através da metalografia, testes de impacto e de dureza.

Fonte:

ESTUDO COMPARATIVO QUANTO A RESISTÊNCIA À CORROSÃO ENTRE AÇOS INOXIDÁVEIS UTILIZADOS EM TROCADORES DE CALOR por Leonardo Paiva Sanches. 

Projeto Final do Curso Engenharia Metalúrgica

pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2009.

ESTUDO DA FORMAÇÃO DA FASE SIGMA EM AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS

por Rafael Carlos Ferreira 

Dissertação para obtenção do título de Mestre em Engenharia. Especialidade: Inspeção de Equipamentos pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2009.

Explanação e anotações das aulas do professor Luiz Antonio Bereta na

disciplina Causas de Deterioração de Equipamentos, da Equipe de Formação de Inspetores – EFI / SINDIPETRO-LP.